東風水庫下游臨岸潛流帶水流場響應規(guī)律研究

宮立剛

(瓦房店市水利勘測設計有限公司，遼寧 瓦房店 116300)

東風水庫下游臨岸潛流帶水流場響應規(guī)律研究

宮立剛

(瓦房店市水利勘測設計有限公司，遼寧 瓦房店 116300)

水庫下游臨岸潛流帶水流場響應規(guī)律可用于預測不同水庫運行情景下臨岸潛流帶的水頭與流量變化情況。本文以復州河東風水庫為例，基于測量數(shù)據(jù)得到其下游某斷面臨岸潛流帶的水頭及流量響應過程，提出響應強度指標的概念，得到簡單直觀的響應規(guī)律經(jīng)驗公式，從而為該水庫下游臨岸系統(tǒng)的生態(tài)建設提供依據(jù)，并為水庫運行方案的生態(tài)影響評價提供參考。

東風水庫；臨岸潛流帶；水流場；響應規(guī)律

1 概 述

潛流帶是水分飽和的沉積物層，它是地表水與地下水的互相作用區(qū)域，對河流生態(tài)系統(tǒng)起著重要的調(diào)控作用[1-2]。河流潛流帶的研究一般著重于河流地表水與河床地下水之間的垂向作用，而關(guān)于河流地表水與臨岸潛流帶之間的側(cè)向作用則研究得較少[3]。河道與河流臨岸潛流帶之間存在一定的物質(zhì)與能量交換過程，同時河流臨岸潛流帶又對河流生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的生物健康具有十分關(guān)鍵的影響[4-5]。近年來，水利生態(tài)研究已成為我國水利事業(yè)建設的一項重點內(nèi)容，而水庫的建設與運行對流域生態(tài)系統(tǒng)的影響也成為當前的研究熱點[6-7]。本文以東風水庫為例，于2016年7月在水庫下游復州河設置的斷面進行河道與臨岸潛流帶的測量，并基于測量數(shù)據(jù)分析該水庫下游臨岸潛流帶的水流場響應規(guī)律，為該水庫的生態(tài)影響分析及該流域的生態(tài)承載力評價提供基礎。

2 測量與分析方法

2.1 工程概況

東風水庫位于復州河中游，地處東經(jīng)121°54′、北緯39°48′。壩址以上控制面積663km2，設計標準100年一遇，校核標準2000年一遇，總庫容1.4億m3。該水庫是一座以灌溉和防洪為主，兼顧工業(yè)供水、發(fā)電和養(yǎng)殖等作用的大(2)型水庫。

水庫基本特征參數(shù)見表1，其中Ss為設計標準，Sj為校核標準，Vt為總庫容，Vn為正常庫容，Hn為正常蓄水位，Hs為設計水位，Hj為校核洪水位。

表1 東風水庫基本特征參數(shù)

水庫所在流域?qū)俦睖貛Ъ撅L區(qū)，多年平均降水量627.20mm，多年平均蒸發(fā)量1780.10mm，多年平均氣溫9.50℃，多年平均相對濕度66%，最大凍土深115cm，多年平均無霜日254天。

2.2 水流場響應試驗方法

2016年7月，在東風水庫下游設置斷面進行河道與臨岸潛流帶的測量，該斷面位于瓦房店太陽鄉(xiāng)，地處東經(jīng)121°54′11″、北緯39°46′27″，距離東風水庫大壩約1.3km。沿河岸帶直線布置6個觀測井，分別編號為A、B、C、D、E、F，相對于河道與河岸交界處的距離分別為2m、4m、6m、8m、10m和12m。在各觀測點井及河道內(nèi)布置壓力傳感器以監(jiān)測水頭變化情況，該傳感器具備自動記錄與存儲功能，每0.5h捕捉1次數(shù)據(jù)。觀測時間為10天，共采集3360組水位數(shù)據(jù)?；谠摂?shù)據(jù)，可分析東風水庫下游臨岸潛流帶水流場的響應規(guī)律。

2.3 水流場響應分析方法

水流場響應可分為水頭響應和流量響應兩部分，這兩類響應過程均源自河流與臨岸帶潛水層之間的側(cè)向作用，可用一維線性博欣內(nèi)斯克方程表示[8]：

(1)

式中h——水頭；

t——時間;

D——水力擴散系數(shù);

x——距離。

水力擴散系數(shù)D與河道和臨岸潛水帶的基本水力特性相關(guān)，表達式為

(2)

式中K——滲透系數(shù)，可基于測量數(shù)據(jù)采用數(shù)據(jù)擬合方法確定;

d——含水層飽水厚度;

ω——給水度。

在臨岸潛流帶水頭響應問題中，式(1)具有兩個基本邊界條件:

(3)

(4)

式中h(x=0)——距離河岸0m處的水頭;

h0——河道水頭。

式(3)的含義為：河道河岸交界處含水層的水頭與河道處相同；式(4)的含義為：距離河岸無限遠處的潛流帶水頭不受河道水頭的影響。

臨岸潛流帶流量響應問題的分析公式為

(5)

式中Q(t)——某一時刻河岸單位長度上的體積流量。

3 結(jié)果與討論

3.1 水頭響應過程

根據(jù)觀測傳感器數(shù)據(jù)可得到河道及各觀測井內(nèi)的實時水頭動態(tài)變化過程，對所收集的3360組數(shù)據(jù)進行分類匯總，得到觀測時段內(nèi)日均水頭變化幅度值(見表2)。

表2 各位置處日均水頭變化幅度值 單位：mm

由表2數(shù)據(jù)可知，在觀測時間范圍內(nèi)東風水庫下游觀測斷面處河道內(nèi)的日均水頭變化幅度值介于255～276mm之間，臨岸2 m處(觀測點A)至臨岸12m處(觀測點F)潛流帶日均水頭變化幅度值分別介于222～245mm之間、166～188mm之間、113～127mm之間、68～245mm之間、37～42mm之間和18～23mm之間?？梢?，東風水庫下游臨岸潛流帶內(nèi)的水頭變化值低于河道本身，且距離越遠該值越小。

河道內(nèi)日均水頭變化值的波動范圍為21mm，臨岸2 m處(觀測點A)至臨岸12 m處(觀測點F)潛流帶日均水頭變化值的波動范圍分別為23mm、22mm、14mm、9mm、5mm和5mm?？梢?，臨岸帶潛流帶的水頭變化值波動范圍可大于河道本身而不是呈線性減小的規(guī)律，說明水庫的運行可引發(fā)較為復雜的臨岸潛流帶水頭響應過程。各觀測點的波動值不盡相同，說明潛流帶的水頭響應過程具有明顯的非均質(zhì)性；但總體而言，距離越大波動值越小。

綜上所述，東風水庫下游臨岸潛流帶的水頭響應具有明顯的非均質(zhì)性，總體而言，臨岸潛流帶的水頭響應強度隨距離的增加而減弱。

3.2 流量響應過程

表3 各觀測點日均側(cè)向潛流水體體積 單位：m2/d

基于監(jiān)測結(jié)果利用式(5)可得到各觀測井內(nèi)的實時流量動態(tài)變化過程，對所得的實時流量值Q(t)進行積分，得到觀測時段內(nèi)各觀測井單位長度的日均側(cè)向潛流水體體積，見表3，其中，正值表示由河道流向臨岸潛流帶，負值反之。

由表3數(shù)據(jù)可知，在觀測時間范圍內(nèi)東風水庫下游觀測斷面臨岸2 m處(觀測點A)至臨岸12 m處(觀測點F)單位長度日均側(cè)向潛流水體體積分別介于-6.58～3.41m2/d之間、-5.82～2.99m2/d之間、-4.4～2.3m2/d之間、-2.93～1.53m2/d之間、-1.64～0.85m2/d之間和-0.85～0.44m2/d之間?？梢姡跂|風水庫下游臨岸潛流帶內(nèi)，距離河道越遠則流量越小。

臨岸2m處(觀測點A)至臨岸12 m處(觀測點F)潛流帶單位長度日均側(cè)向潛流水體體積的波動范圍分別為9.99m2/d、8.81m2/d、6.7m2/d、4.46m2/d、2.49m2/d和1.29m2/d?？梢姡▌臃秶瑯与S距離的增加而逐漸減小。

綜上所述，東風水庫下游臨岸潛流帶的流量響應也具有明顯的非均質(zhì)性，總體而言，在臨岸潛流帶內(nèi)，距離河道越遠則流量響應強度越弱。

4 響應規(guī)律分析

提出響應強度指標的概念來分析水庫下游臨岸潛流帶水流場響應規(guī)律，從而得到簡單直觀的經(jīng)驗公式。該強度指標可分為水頭響應強度和流量響應強度兩種。前者是各觀測點日均水頭變化幅度值與河道值的比值，后者是各觀測點單位長度日均側(cè)向潛流水體體積與觀測井A處值的比值。各位置處的響應強度計算結(jié)果如下圖所示，其中，橫坐標為河岸某點到河道與河岸交界處的距離，縱坐標為響應強度指標值。響應強度指標值介于0～1之間，當該值為0時表示無響應，當該值為1時表示臨岸潛流帶水流場變化與河道完全一致，因此，該值越大響應強度越高。由圖可知，水頭響應強度指標和流量響應強度指標皆隨距離的增大而減小，其響應規(guī)律皆可由對數(shù)曲線進行擬合。水頭和流量響應強度指標的實際值序列與擬合曲線之間的確定系數(shù)R2值分別為0.9819和0.9855，該值較大，說明其擬合精確度滿足應用要求。

東風水庫下游臨岸潛流帶水流場響應規(guī)律分析圖

在實際應用中，可根據(jù)上圖所示擬合方程對東風水庫下游臨岸潛流帶水流場響應過程進行推演，從而預測出不同水庫運行情景下臨岸潛流帶不同位置處的水位與流量變化情況，為臨岸帶植物栽培種類與技術(shù)的選擇提供依據(jù)，并為不同水庫運行方案的生態(tài)影響評價提供參考。

5 結(jié) 語

本文通過對復州河的東風水庫下游設置的斷面河道及臨岸潛流帶水位進行測量，得到不同觀測處的水頭及流量影響過程。觀測結(jié)果表明：該水庫下游臨岸潛流帶的水流場響應具有明顯的非均質(zhì)性，且其強度隨距離的增加而逐漸減弱。提出響應強度指標的概念，得到簡單的經(jīng)驗公式來量化地表示該案例中的水流場響應規(guī)律。該經(jīng)驗公式可用于初步預測不同水庫運行情景下臨岸潛流帶不同位置處的水位與流量變化情況，但它只針對東風水庫，在以后的研究中也可以對更多的水庫進行分析，從而得到具有普遍適用性的臨岸潛流水流場響應規(guī)律公式，以提高該領(lǐng)域的判斷與分析效率。

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Water Flow Field Response Regularity Research of the Near Shore Undercurrent Zone at Dongfeng Reservoir Downstream

GONG Ligang

(WafangdianCityHydraulicInvestigationandDesignCo.,Ltd.,Wafangdian116300,China)

Water flow field response regularity of near shore undercurrent zone at reservoir downstream can be used to forecast the changing condition of delivery head and flow rate in different reservoir operation circumstances. The article takes Fuzhou River Dongfeng Reservoir as an example, get the delivery head and flow rate response process of its downstream near shore undercurrent zone on the basis of measured data, put forward concept of response intensity index, get simple and visual response regularity empirical formula, thereby provide the basis for the ecological construction of the reservoir downstream near shore system and provide reference for ecological impact assessment of the reservoir operation scheme.

Dongfeng reservoir; near shore undercurrent; water flow field; response regularity

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.04.014

TV62

A

1673-8241(2017)04- 0053- 04