東北旱區(qū)典型季節(jié)性河流滲漏速率動態(tài)變化特征分析

彭振宇

(遼寧省河庫管理服務(wù)中心(遼寧省水文局)，遼寧 沈陽 110003)

區(qū)域地下水的補給主要來自于河道滲漏量，尤其是在干旱缺水的東北旱區(qū)，其河道滲漏補給對于其地下水補給和地下水生態(tài)復(fù)蘇十分重要。近些年來，國內(nèi)對于河道滲漏水量開展了相關(guān)研究，取得一定研究成果，其中應(yīng)用較為成熟的河道滲漏水量沿程分析的方法為同程演算方法，該方法通過對河道滲漏量沿程分析，滲流量估算結(jié)果相對較為合理。但同程演算方法由于不能考慮上游來水影響使得其河道滲漏量一般計算值偏大，尤其是對于季節(jié)性河流而言，其上游來水存在明顯的季節(jié)變化，其滲流量計算的適用性一般不高[15]。為此針對傳統(tǒng)同程演算計算值偏大的問題，加入上游來水因子，對其算法進行改進，并以東北旱區(qū)典型季節(jié)性河流大凌河為具體實例，結(jié)合現(xiàn)場滲漏量監(jiān)測結(jié)果對其改進前后算法下河道滲漏水量進行驗證。研究成果對于東北地區(qū)季節(jié)性河流滲漏量分許具有重要參考價值。

1 改進同程演進算法原理

河道滲漏沿程水量平衡計算方程為：

(1)

式中，Q河補—河道滲漏水量估算值，m3/s；Q上、Q下分別—上游和下游過水斷面流量，m3/s；Q區(qū)入、Q區(qū)出—上游和下游斷面區(qū)間水量，m3/s；λ—計算斷面水量分配權(quán)重；L′—計算斷面縱向距離，km；L—河道演算斷面計算步長，km。在進行沿程河道滲漏水量計算時需要對其滲漏能力進行計算：

W滲漏=βW上

(2)

式中，W滲漏—估算滲漏沿程水量，mm；β—滲漏能力，結(jié)合現(xiàn)場觀測試驗對該參數(shù)進行分析；W上—上斷面過水量，mm。河道滲流量考慮季節(jié)性河流來水變化分別進行上游、下游斷面過水量的估算：

上斷面：W滲漏=0.2431W上+2.4835

(3)

上斷面：W滲漏=Max((0.243W上+2.4835)，

WSLB(R))

(4)

式中，WSLB(R)—河道底水量，mm，可采用歷史同期最低水量最為其底水量值。

2 大凌河河道滲漏率變化分析

2.1 試驗方法

以東北旱區(qū)典型季節(jié)性河流大凌河為具體實例，大凌河河道水量存在明顯的季節(jié)性豐枯變化，汛期水量為非汛期水量的4～5倍。采用分辨率0.3m的土壤深層入滲儀大凌河沿程每隔40km安裝1個，合計安裝11個土壤深層入滲儀，對其河道沿程滲漏水量進行監(jiān)測。在深度為3m土坑內(nèi)安裝土壤深層入滲儀，在入滲儀上端1.8m固定安裝1個記錄儀，并結(jié)合人工觀測方式采用ADCP對上斷面水量進行監(jiān)測。在儀器安裝完成后對入滲儀進行調(diào)平配置。

2.2 滲漏水量估算精度驗證

結(jié)合11個土壤深層入滲儀連續(xù)觀測數(shù)據(jù)，對比分析改進前后算法對大凌河沿程斷面滲漏水量的計算精度。對比分析見表1。

表1 大凌河沿程斷面河道滲漏水量估算精度對比

在大凌河從上游到下游凌海水文站每隔40km安裝1個土壤入滲監(jiān)測儀器，對河道滲漏水量進行同步觀測，為保證數(shù)據(jù)觀測的連續(xù)性和穩(wěn)定性，對土壤入滲儀監(jiān)測儀器觀測的水量進行分析，通過分析儀器觀測的土壤入滲儀相對較為穩(wěn)定，但在汛期各土壤入滲儀監(jiān)測的水量相對較大，存在一定的監(jiān)測誤差，為對大凌河沿程斷面河道滲漏水量進行相對較為準確的對比，采用11個監(jiān)測斷面滲漏量監(jiān)測數(shù)據(jù)的均值，并對其監(jiān)測的奇異值進行了剔除。從改進前后大凌河各監(jiān)測斷面滲漏量值可看出，大凌河沿程斷面滲漏水量總體呈現(xiàn)衰減變化，尤其是到下游凌海站斷面衰減量較為明顯。從改進前后同程演進算法下估算斷面滲漏量和實測監(jiān)測斷面滲漏量的計算誤差可看出，相比于改進前的同程演進算法，改進后算法下各斷面計算誤差均值可降低15%，這主要是因為改進的同程演進算法可綜合考慮上游斷面來水對其河道滲漏影響，使得其計算精度得到一定程度改善。此外通過設(shè)置斷面權(quán)重值，可以降低區(qū)間匯水對各斷面滲漏水量的影響。

2.3 上游來水方式對滲漏速率影響

在改進前后同程演算方法對河道滲漏水量分析基礎(chǔ)上，針對上游斷面長期來水、季節(jié)性來水兩種方法分析其河道滲漏速率的影響，上游不同來水方式對河道速率影響結(jié)果如圖1所示。

圖1 上游來水方式對河道滲漏速率影響分析結(jié)果

以大凌河不同時段上游長期來水和季節(jié)性來水的滲漏速率可看出，大凌河河道沿程滲透速率在上游長期來水方式下具有較為明顯的變化，沿程滲流速率總體穩(wěn)定在0.2～0.5mm/min之間，隨著上游來水量的加大其沿程滲漏速率逐步加大，當上游來水量達到一定程度后，大凌河沿程滲漏速率逐步趨于穩(wěn)定變化，此時河道滲漏速率為其河道最大滲漏能力。從上游季節(jié)性來水方式下大凌河沿程不同時段滲漏速率變化可看出，河道上游來水量的季節(jié)性變化對其河道滲漏速率影響較為明顯，季節(jié)性來水量較大其滲流速率變化較大且時段較為集中，而來水量較小時，其河道滲漏速率沿程變化差異度降低，且時段分布較散，由此可見河道滲漏速率受上游季節(jié)性來水影響較大，因此在估算河道沿程滲漏損失率時需要對其上游來水尤其是季節(jié)性來水量進行重點考慮。

2.4 水深對河道滲漏率影響分析

河道上游來水對河道滲漏率影響較大，尤其是對于東北季節(jié)性河流而言，河道季節(jié)性來水量下河道滲漏速率變化較大，季節(jié)來水量較大時其滲漏速率變化較大且時段較為集中，而季節(jié)性來水量較小時其滲漏速率變化較小，此外河道沿程水深的變化對其滲漏速率影響也較大，為此結(jié)合各監(jiān)測斷面滲漏水量數(shù)據(jù)，對其不同水深對河道沿程滲漏率的影響進行分析，分析結(jié)果如圖2所示。

圖2 大凌河河道沿程滲漏率受水深影響分析結(jié)果

從大凌河河道沿程滲漏率受水深影響分析結(jié)果可看出，河道沿程滲漏水量隨著水深的遞增呈現(xiàn)先遞增后趨于穩(wěn)定的變化，這主要是因為隨著水深的增加其滲漏速率有所增加，當增加到河道沿程最大滲漏能力時，河道沿程不再滲漏水量，此時水深再增加其河道滲漏水量也不再發(fā)生明顯變化，且隨著水深的增加其滲漏率將逐步下降變化。此外大凌河河道滲漏水量到水深在10cm時其遞增率較為明顯，而隨著滲漏時間的不斷增加當水深在20～30cm之間時其滲漏速率的增幅有所減緩，當水深高于30cm后大凌河河道滲漏速率逐步趨于穩(wěn)定變化，因此水深30cm對應(yīng)下的沿程斷面滲漏率可為其河道最大滲漏能力。當水深高于50cm后大凌河河道沿程滲漏速率逐步遞減，此時河道滲漏水量不再增加。

3 結(jié)論

(1)采用改進的同程演進算法對河道沿程滲漏水量進行估算時，建議通過設(shè)置斷面權(quán)重值，上上游斷面權(quán)重值要小于下游斷面，可以降低區(qū)間匯水對各斷面滲漏水量的影響，從而可提高河道滲漏水量估算精度。

(2)東北季節(jié)性來水量較大其滲流速率變化較大且時段較為集中，而來水量較小時，其河道滲漏速率沿程變化差異度降低，且時段分布較散，由此可見河道滲漏速率受上游季節(jié)性來水影響較大，因此在估算河道沿程滲漏損失率時需要對其上游來水尤其是季節(jié)性來水量要重點考慮。

(3)河道滲漏水量影響因素較為復(fù)雜，除受河道水深和來水量影響外，還受河道土層地質(zhì)影響較大，在后續(xù)研究中還應(yīng)增加其土層地質(zhì)對其滲漏水量的影響。