氣候條件與河道型水庫(kù)水動(dòng)力特征的響應(yīng)關(guān)系

唐紅霞

(遼寧省丹東水文局，遼寧 丹東 118001)

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氣候條件與河道型水庫(kù)水動(dòng)力特征的響應(yīng)關(guān)系

唐紅霞

(遼寧省丹東水文局，遼寧 丹東 118001)

一般而言，氣溫以及降雨等氣候條件變化，會(huì)對(duì)區(qū)域流域內(nèi)水資源以及湖庫(kù)和河道的徑流產(chǎn)生巨大影響，尤其是河道型水庫(kù)，受湖泊和河道雙重影響，其受氣候條件影響更為顯著。對(duì)此，文章將以遼寧省某河道型水庫(kù)為例，通過(guò)對(duì)環(huán)境流體動(dòng)力學(xué)模型EFDC、流域分布式水文模型SWAT之間的耦合關(guān)系進(jìn)行分析，以此闡述以水齡為動(dòng)力特征的河道型水庫(kù)同氣候條件之間的響應(yīng)關(guān)系，然后對(duì)遼寧省氣象站1956-2015年60a的年平均降雨量數(shù)據(jù)資料進(jìn)行頻率分析，最終選取相關(guān)參數(shù)，對(duì)該地區(qū)典型降雨情景下，水庫(kù)的水動(dòng)力變化過(guò)程進(jìn)行描述。

氣候條件；河道型水庫(kù)；水動(dòng)力特征；響應(yīng)關(guān)系

河道型水庫(kù)與一般水庫(kù)不同，尤其是在水深與水面寬度等方面，都與庫(kù)長(zhǎng)存在很大差異。在枯水期，河道上游來(lái)水少，水庫(kù)水位較高。因此，河道型水庫(kù)此時(shí)具有湖泊和水庫(kù)的雙重特點(diǎn)。但是，到了洪水期，由于防洪需求不斷增大。因此，水庫(kù)處于運(yùn)行低位，此時(shí)來(lái)水量基本與水庫(kù)中的泄水量相等，因此河道型水庫(kù)又呈現(xiàn)出河道的特征[1]。從這一變化過(guò)程可以看出，河道型水庫(kù)水動(dòng)力以及污染物擴(kuò)散特征，受邊界運(yùn)行條件影響較大，而河道型水庫(kù)的邊界又會(huì)受降雨以及溫度等相關(guān)氣候條件影響。

1 研究區(qū)概況

本研究區(qū)為遼寧省丹東市，其地處遼寧東南部，地理坐標(biāo)為E124°23′，N40°07′，位于東北亞中心地帶。丹東市生態(tài)環(huán)境好，林木資源多，水質(zhì)優(yōu)良，森林覆蓋率達(dá)66%。因此，文章選取的研究對(duì)象中國(guó)遼寧省丹東市的黑河水庫(kù)，其主要位于丹東市元寶區(qū)金山鎮(zhèn)，地處沈丹公路兩側(cè)和丹本高速公路入口部位。其占地面積約60多km2，交通便利，發(fā)展空間較大。該大型水庫(kù)主要以防洪和發(fā)電及灌溉為一體，因此該水庫(kù)屬于典型的河道性水庫(kù)。該水庫(kù)主要水源補(bǔ)給來(lái)源為上游電站下泄流量和降雨匯流，其中上游電站水源補(bǔ)給占該水庫(kù)總水源的比例為86%。近兩年來(lái)，隨著工業(yè)化的發(fā)展，該河道性水庫(kù)的淺層地下水污染非常嚴(yán)重，導(dǎo)致該研究區(qū)局部地區(qū)富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象非常突出，由此對(duì)下游河水造成了嚴(yán)重的污染。基于此，文章將分別基于EFDC模型和SWAT分布式水文模型，科學(xué)構(gòu)建黑河水庫(kù)庫(kù)區(qū)水動(dòng)力模型及水庫(kù)流域水文模型。

圖1 遼寧省丹東市黑河水庫(kù)DEM圖

2 基于SWAT分布式水文模型科學(xué)構(gòu)建水庫(kù)流域水文模型

文章全部數(shù)據(jù)來(lái)源于該地黑河水庫(kù)流域1∶10 000的DEM地形圖和1∶1 000 000的土壤類型圖與1∶10 000的土地利用類型圖。同時(shí)，還結(jié)合丹東市氣象站氣溫以及降水等相關(guān)數(shù)據(jù)，為該研究區(qū)水庫(kù)流域水文模型和庫(kù)區(qū)水動(dòng)力模型的構(gòu)建提供數(shù)據(jù)資料。在DEM圖中，經(jīng)過(guò)對(duì)河道流域低洼處進(jìn)行處理，采用辨識(shí)分水嶺方法將該研究區(qū)黑河水庫(kù)分為25個(gè)不同的子流域，然后基于DEM數(shù)字地形圖，篩選劃分出七條重要支流，分析氣候條件與河道型水庫(kù)動(dòng)力特征之間的響應(yīng)關(guān)系。

3 基于EFDC模型科學(xué)構(gòu)建庫(kù)區(qū)水動(dòng)力模型

該水庫(kù)流域上游至下游全長(zhǎng)約22km，在該研究區(qū)主要流域內(nèi)，包括7條重要的支流，其主要地理坐標(biāo)通過(guò)在Google Earth中提取得到。文章將流域平面圖劃分為11214個(gè)相同的網(wǎng)格單元，格距為20 m，庫(kù)區(qū)模型實(shí)際高程通過(guò)DEM地形圖以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地勘查數(shù)據(jù)結(jié)果得到。在此基礎(chǔ)上，文章為了更加直觀對(duì)該水庫(kù)底部地形剖面特點(diǎn)進(jìn)行模擬分析，在平面圖的垂直方向，通過(guò)α坐標(biāo)，將其平面分為均等的10層，網(wǎng)格高度通過(guò)表層水體厚度和水庫(kù)庫(kù)底厚度表示。結(jié)合流體靜力學(xué)連續(xù)性理論[2]，文章在研究中，為了防止α坐標(biāo)誤差導(dǎo)致水庫(kù)壓力梯度分析錯(cuò)誤，在模擬分析時(shí)，將該水庫(kù)的坡底坡度系數(shù)設(shè)為0.33。為了對(duì)不同氣候條件下，該水庫(kù)水動(dòng)力特征的相關(guān)變化情況進(jìn)行分析，文章著重選取庫(kù)區(qū)內(nèi)不同代表點(diǎn)，對(duì)水齡進(jìn)行分析。在對(duì)該水庫(kù)概化河道位置及代表點(diǎn)進(jìn)行選取時(shí)，文章將A、B、D、E、F、H點(diǎn)作為該水庫(kù)上游至下游主河道區(qū)域計(jì)算的中心點(diǎn)。其中點(diǎn)C位于支流1匯入水庫(kù)，點(diǎn)G位于支流6中心。在此基礎(chǔ)上，為了分析、運(yùn)算過(guò)程簡(jiǎn)便，文章將黑河水庫(kù)劃分為長(zhǎng)度不同的3段，該水庫(kù)上游水電站至支流2入庫(kù)斷面之間的庫(kù)區(qū)為水庫(kù)上游，長(zhǎng)度大約8km，而水庫(kù)中游為支流2和支流5匯入主庫(kù)區(qū)之間的部分，長(zhǎng)度大約10km，下游庫(kù)區(qū)長(zhǎng)度約4km。

4 水庫(kù)流域水文-庫(kù)區(qū)水動(dòng)力綜合模型驗(yàn)證分析

基于此，文章選取2015年1-5月份大約150d的連續(xù)氣溫資料和降雨量數(shù)據(jù)，構(gòu)建驅(qū)動(dòng)水文數(shù)據(jù)模型，以此對(duì)該黑河水庫(kù)的實(shí)際水流和庫(kù)區(qū)水位變化情況進(jìn)行分析。通過(guò)計(jì)算分析，結(jié)果表明，該模擬值與實(shí)測(cè)值之間的擬合度較為吻合，相對(duì)計(jì)算誤差大約在5%之內(nèi)。因此，進(jìn)一步表明該水庫(kù)庫(kù)區(qū)水動(dòng)力模型以及水庫(kù)流域水文模型能夠準(zhǔn)確科學(xué)對(duì)丹東市城區(qū)淺層地下水污染源進(jìn)行識(shí)別和空間分布狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)[3]。

在上述分析基礎(chǔ)上，文章又著重選取了丹東市氣象站1956—2015年大約60a的歷史降雨量資料進(jìn)行頻率分析。其中，豐水年以及平水年和枯水年的年降水量分別為20%、50%以及90%。與此同時(shí)，文章將每日降雨量以及氣溫作為 SWAT水文模型分析的具體輸入條件，以此對(duì)丹東市城區(qū)黑河水庫(kù)淺層地下水污染源進(jìn)行識(shí)別分析和分布研究[4]。其中，1992年和1998年、2015年降雨量和氣溫均溫分別為2048mm、1771mm以及1035mm和20.9℃、21.0℃以及21.6℃。因此，從數(shù)據(jù)模擬結(jié)果來(lái)看，該庫(kù)區(qū)60a的年降雨量以及日均溫分別在逐漸減少以及升高，具體模擬結(jié)果圖示如下：

圖2 丹東黑河水庫(kù)庫(kù)區(qū)水動(dòng)力 模型及水庫(kù)流域水文模型模擬結(jié)果

從上述水庫(kù)庫(kù)區(qū)水動(dòng)力模型及水庫(kù)流域水文模型模擬結(jié)果圖示中可以看出，該研究區(qū)作為該地區(qū)典型的河道型水庫(kù)之一，水庫(kù)總體面積較為狹長(zhǎng)，而且地下水位深度及水齡變化較大。因此，文章基于水庫(kù)水齡平面分布，最終得到圖3河道流域分布圖：

圖3 基于水動(dòng)力特征與氣候條件 響應(yīng)關(guān)系的河道流域分布

5 氣候條件與河道型水庫(kù)水動(dòng)力特征的響應(yīng)關(guān)系討論

5.1 淺層地下水污染源平面空間分布特征

從上述水動(dòng)力特征與氣候條件的響應(yīng)關(guān)系圖中可以發(fā)現(xiàn)，在支流流域面積較大的區(qū)域，其附近水庫(kù)庫(kù)區(qū)水齡相對(duì)較小。因此，該水庫(kù)庫(kù)區(qū)水動(dòng)力交換效果顯著[5]。但是，對(duì)于支流相對(duì)較長(zhǎng)以及匯流面積較小的區(qū)域，由于水齡普遍高于主庫(kù)區(qū)水齡參數(shù)值。因此，從中可以看出，河段實(shí)際長(zhǎng)度以及匯水面積，會(huì)對(duì)支流具體水齡參數(shù)值產(chǎn)生重要影響。通常情況下，如果庫(kù)區(qū)河段較長(zhǎng)以及實(shí)際匯水面積較大，則其河道的徑流量就會(huì)隨之而增大，因此水體交換情況較差，在此種生態(tài)運(yùn)行系統(tǒng)中，城區(qū)淺層地下水水體容易產(chǎn)生富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象。同時(shí)，這一研究結(jié)果也進(jìn)一步表明，氣候條件與水庫(kù)水動(dòng)力特征之間存在一定的相關(guān)性。

5.2 淺層地下水污染源垂直方向的空間分布特征

具體而言，在不同的氣候條件之下，當(dāng)該水庫(kù)的入庫(kù)流量在豐水年不斷增大時(shí)，該水庫(kù)水位處于高水位。因此，其水流實(shí)際流速也較大，此時(shí)水庫(kù)內(nèi)的水體水動(dòng)力循環(huán)特征較為明顯，水庫(kù)水齡分布較為均勻，此時(shí)水庫(kù)具有河道的特征。但是，隨著在枯水期以及平水期該水庫(kù)內(nèi)的入庫(kù)流量逐漸減少，水庫(kù)處于低水位。因此，這一時(shí)期的水體流速較小，水齡開(kāi)始分層，故這一階段水庫(kù)逐漸呈現(xiàn)出湖泊的特征，從而容易導(dǎo)致污染物大量聚集，使城區(qū)淺層地下水的水體產(chǎn)生嚴(yán)重的富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象。

因此，文章通過(guò)對(duì)環(huán)境流體動(dòng)力學(xué)模型EFDC與流域分布式水文模型SWAT之間的耦合關(guān)系進(jìn)行分析，以此闡述了河道型水庫(kù)以水齡為動(dòng)力特征和氣候條件之間的響應(yīng)關(guān)系[6]。研究分析結(jié)果表明，采用SWAT分布式水文模型和EFDC模型，能夠分別構(gòu)建庫(kù)區(qū)水動(dòng)力模型和水庫(kù)流域水文模型。從關(guān)系分析中可知，氣候條件會(huì)對(duì)水庫(kù)的水動(dòng)力特征產(chǎn)生重要影響。文章基于豐水年以及平水年和枯水年三種不同的氣候水文條件，對(duì)丹東市黑河水庫(kù)的水動(dòng)力特征進(jìn)行分析，最終得到如下具體的結(jié)論：

1)水庫(kù)水體被上游來(lái)水交換所消耗的時(shí)間可通過(guò)水齡表示，且這一指標(biāo)可更加準(zhǔn)確地反映水庫(kù)水體動(dòng)力特征。通常，對(duì)于一般水庫(kù)而言，水庫(kù)水齡越往下游越大[7]。因此，該研究區(qū)上游水庫(kù)的水體循環(huán)交換時(shí)間要短于下游，故水庫(kù)上游水質(zhì)優(yōu)于下游水庫(kù)水質(zhì)；同樣，對(duì)于河道型水庫(kù)而言，主庫(kù)區(qū)水齡越往下游越大，水庫(kù)的動(dòng)力特征更加明顯。

2)水庫(kù)上游以及中游和下游不同的匯水面積，會(huì)對(duì)水庫(kù)支流的水齡值產(chǎn)生重要影響，一般支流匯水面積較大，則其附近水域的水齡值就越大。因此，有利于提升水庫(kù)水動(dòng)力交換和循環(huán)的效果。但是，對(duì)于匯水面積較小的支流而言，其水齡值較大，水庫(kù)上下游之間的水動(dòng)力循環(huán)和交換特征不顯著，該生態(tài)系統(tǒng)中，水庫(kù)水體會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象[8]。

3)在不同的氣候條件下，由于當(dāng)?shù)亟涤炅恐饾u下降，氣溫隨之而上升，因此水庫(kù)內(nèi)入庫(kù)徑流會(huì)逐漸減少，此時(shí)水庫(kù)的水齡也會(huì)顯著上升[9]。對(duì)于文章研究的丹東市黑河水庫(kù)而言，其豐水期與枯水期和平水期相比，年降雨量大約下降約14%和49%，而該水庫(kù)的實(shí)際入庫(kù)徑流量大約下降約24%和61%，同時(shí)水庫(kù)上游與下游的水齡分別增大約65%和23.6%。因此，從這一分析結(jié)果可以看出，該河道型水庫(kù)的水動(dòng)力特征與氣候之間的存在明顯的動(dòng)力響應(yīng)關(guān)系，尤其是水庫(kù)支流受當(dāng)?shù)貧夂驐l件的影響更為明顯[10]。

6 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，當(dāng)前業(yè)內(nèi)相關(guān)研究主要基于氣候?qū)λ畮?kù)水資源量的變化進(jìn)行分析，但是缺少對(duì)水庫(kù)水動(dòng)力特征影響的研究。因此，文章以遼寧省丹東黑河水庫(kù)為例，著重通過(guò)環(huán)境流體動(dòng)力學(xué)模型Environmental Fluid Dynamic Code以及流域分布式水文模型SWAT，科學(xué)構(gòu)建當(dāng)?shù)厮畮?kù)流域水文—庫(kù)區(qū)水動(dòng)力綜合模型，以此對(duì)當(dāng)?shù)貧夂驐l件與水庫(kù)動(dòng)力特征的之間響應(yīng)關(guān)系進(jìn)行分析。最終發(fā)現(xiàn)，在不同的氣候條件影響之下，河道型水庫(kù)分別具有湖泊與河道的雙重特性。在豐水期，水庫(kù)主庫(kù)區(qū)在垂直方向上的水體交換要比水平方向上的水體交換更為頻繁。因此，此時(shí)水庫(kù)水齡較為均衡。但是，在枯水期和平水期，由于水庫(kù)縱向和橫向水體水動(dòng)力特征不太明顯，因此水齡會(huì)逐漸分層，而且水庫(kù)具有湖泊特征，因水體分層會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象。

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Relationship between Climatic Conditions and Hydrodynamic Characteristics of River Type Reservoirs

TANG Hong-xia

(Dandong Hydrology Bureau of Liaoning Province, Dandong 118001, China)

In general, changing in temperature and rainfall and other climatic conditions may produce huge impacts on the regional water resources and river runoff lakes and rivers, especially on the river type reservoir. Affected by both lakes and rivers, the influence of climatic conditions is more significant. With respect of this, taking a river type reservoir of Liaoning Province as an example of, based on the coupling relationship between the environmental fluid dynamics model of EFDC, the paper analyzed the distributed hydrological model SWAT analysis and explained the response between the river type reservoir with water for the same age dynamic characteristics of climatic conditions of the relationship, then to the Liaoning provincial meteorological station in 60 years between 1956 to 2015, the average annual rainfall data frequency analysis, the final selection of related parameters, the typical rainfall scenarios in the region, water dynamic change process of reservoir description.

climatic conditions;river type reservoir;hydrodynamic characteristics;response relationship

1007-7596(2017)01-0001-04

科技成果

2016-12-16

唐紅霞(1981-)，女，遼寧丹東人，水利工程師，研究方向?yàn)樗Y源管理、水資源開(kāi)發(fā)利用、水質(zhì)監(jiān)測(cè)等。

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