气候条件与河道型水库水动力特征的响应关系

唐红霞

(辽宁省丹东水文局，辽宁 丹东 118001)



气候条件与河道型水库水动力特征的响应关系

唐红霞

(辽宁省丹东水文局，辽宁 丹东 118001)

一般而言，气温以及降雨等气候条件变化，会对区域流域内水资源以及湖库和河道的径流产生巨大影响，尤其是河道型水库，受湖泊和河道双重影响，其受气候条件影响更为显著。对此，文章将以辽宁省某河道型水库为例，通过对环境流体动力学模型EFDC、流域分布式水文模型SWAT之间的耦合关系进行分析，以此阐述以水龄为动力特征的河道型水库同气候条件之间的响应关系，然后对辽宁省气象站1956-2015年60a的年平均降雨量数据资料进行频率分析，最终选取相关参数，对该地区典型降雨情景下，水库的水动力变化过程进行描述。

气候条件；河道型水库；水动力特征；响应关系

河道型水库与一般水库不同，尤其是在水深与水面宽度等方面，都与库长存在很大差异。在枯水期，河道上游来水少，水库水位较高。因此，河道型水库此时具有湖泊和水库的双重特点。但是，到了洪水期，由于防洪需求不断增大。因此，水库处于运行低位，此时来水量基本与水库中的泄水量相等，因此河道型水库又呈现出河道的特征[1]。从这一变化过程可以看出，河道型水库水动力以及污染物扩散特征，受边界运行条件影响较大，而河道型水库的边界又会受降雨以及温度等相关气候条件影响。

1 研究区概况

本研究区为辽宁省丹东市，其地处辽宁东南部，地理坐标为E124°23′，N40°07′，位于东北亚中心地带。丹东市生态环境好，林木资源多，水质优良，森林覆盖率达66%。因此，文章选取的研究对象中国辽宁省丹东市的黑河水库，其主要位于丹东市元宝区金山镇，地处沈丹公路两侧和丹本高速公路入口部位。其占地面积约60多km2，交通便利，发展空间较大。该大型水库主要以防洪和发电及灌溉为一体，因此该水库属于典型的河道性水库。该水库主要水源补给来源为上游电站下泄流量和降雨汇流，其中上游电站水源补给占该水库总水源的比例为86%。近两年来，随着工业化的发展，该河道性水库的浅层地下水污染非常严重，导致该研究区局部地区富营养化现象非常突出，由此对下游河水造成了严重的污染。基于此，文章将分别基于EFDC模型和SWAT分布式水文模型，科学构建黑河水库库区水动力模型及水库流域水文模型。

图1 辽宁省丹东市黑河水库DEM图

2 基于SWAT分布式水文模型科学构建水库流域水文模型

文章全部数据来源于该地黑河水库流域1∶10 000的DEM地形图和1∶1 000 000的土壤类型图与1∶10 000的土地利用类型图。同时，还结合丹东市气象站气温以及降水等相关数据，为该研究区水库流域水文模型和库区水动力模型的构建提供数据资料。在DEM图中，经过对河道流域低洼处进行处理，采用辨识分水岭方法将该研究区黑河水库分为25个不同的子流域，然后基于DEM数字地形图，筛选划分出七条重要支流，分析气候条件与河道型水库动力特征之间的响应关系。

3 基于EFDC模型科学构建库区水动力模型

该水库流域上游至下游全长约22km，在该研究区主要流域内，包括7条重要的支流，其主要地理坐标通过在Google Earth中提取得到。文章将流域平面图划分为11214个相同的网格单元，格距为20 m，库区模型实际高程通过DEM地形图以及现场实地勘查数据结果得到。在此基础上，文章为了更加直观对该水库底部地形剖面特点进行模拟分析，在平面图的垂直方向，通过α坐标，将其平面分为均等的10层，网格高度通过表层水体厚度和水库库底厚度表示。结合流体静力学连续性理论[2]，文章在研究中，为了防止α坐标误差导致水库压力梯度分析错误，在模拟分析时，将该水库的坡底坡度系数设为0.33。为了对不同气候条件下，该水库水动力特征的相关变化情况进行分析，文章着重选取库区内不同代表点，对水龄进行分析。在对该水库概化河道位置及代表点进行选取时，文章将A、B、D、E、F、H点作为该水库上游至下游主河道区域计算的中心点。其中点C位于支流1汇入水库，点G位于支流6中心。在此基础上，为了分析、运算过程简便，文章将黑河水库划分为长度不同的3段，该水库上游水电站至支流2入库断面之间的库区为水库上游，长度大约8km，而水库中游为支流2和支流5汇入主库区之间的部分，长度大约10km，下游库区长度约4km。

4 水库流域水文-库区水动力综合模型验证分析

基于此，文章选取2015年1-5月份大约150d的连续气温资料和降雨量数据，构建驱动水文数据模型，以此对该黑河水库的实际水流和库区水位变化情况进行分析。通过计算分析，结果表明，该模拟值与实测值之间的拟合度较为吻合，相对计算误差大约在5%之内。因此，进一步表明该水库库区水动力模型以及水库流域水文模型能够准确科学对丹东市城区浅层地下水污染源进行识别和空间分布状况进行评价[3]。

在上述分析基础上，文章又着重选取了丹东市气象站1956—2015年大约60a的历史降雨量资料进行频率分析。其中，丰水年以及平水年和枯水年的年降水量分别为20%、50%以及90%。与此同时，文章将每日降雨量以及气温作为 SWAT水文模型分析的具体输入条件，以此对丹东市城区黑河水库浅层地下水污染源进行识别分析和分布研究[4]。其中，1992年和1998年、2015年降雨量和气温均温分别为2048mm、1771mm以及1035mm和20.9℃、21.0℃以及21.6℃。因此，从数据模拟结果来看，该库区60a的年降雨量以及日均温分别在逐渐减少以及升高，具体模拟结果图示如下：

图2 丹东黑河水库库区水动力 模型及水库流域水文模型模拟结果

从上述水库库区水动力模型及水库流域水文模型模拟结果图示中可以看出，该研究区作为该地区典型的河道型水库之一，水库总体面积较为狭长，而且地下水位深度及水龄变化较大。因此，文章基于水库水龄平面分布，最终得到图3河道流域分布图：

图3 基于水动力特征与气候条件 响应关系的河道流域分布

5 气候条件与河道型水库水动力特征的响应关系讨论

5.1 浅层地下水污染源平面空间分布特征

从上述水动力特征与气候条件的响应关系图中可以发现，在支流流域面积较大的区域，其附近水库库区水龄相对较小。因此，该水库库区水动力交换效果显著[5]。但是，对于支流相对较长以及汇流面积较小的区域，由于水龄普遍高于主库区水龄参数值。因此，从中可以看出，河段实际长度以及汇水面积，会对支流具体水龄参数值产生重要影响。通常情况下，如果库区河段较长以及实际汇水面积较大，则其河道的径流量就会随之而增大，因此水体交换情况较差，在此种生态运行系统中，城区浅层地下水水体容易产生富营养化现象。同时，这一研究结果也进一步表明，气候条件与水库水动力特征之间存在一定的相关性。

5.2 浅层地下水污染源垂直方向的空间分布特征

具体而言，在不同的气候条件之下，当该水库的入库流量在丰水年不断增大时，该水库水位处于高水位。因此，其水流实际流速也较大，此时水库内的水体水动力循环特征较为明显，水库水龄分布较为均匀，此时水库具有河道的特征。但是，随着在枯水期以及平水期该水库内的入库流量逐渐减少，水库处于低水位。因此，这一时期的水体流速较小，水龄开始分层，故这一阶段水库逐渐呈现出湖泊的特征，从而容易导致污染物大量聚集，使城区浅层地下水的水体产生严重的富营养化现象。

因此，文章通过对环境流体动力学模型EFDC与流域分布式水文模型SWAT之间的耦合关系进行分析，以此阐述了河道型水库以水龄为动力特征和气候条件之间的响应关系[6]。研究分析结果表明，采用SWAT分布式水文模型和EFDC模型，能够分别构建库区水动力模型和水库流域水文模型。从关系分析中可知，气候条件会对水库的水动力特征产生重要影响。文章基于丰水年以及平水年和枯水年三种不同的气候水文条件，对丹东市黑河水库的水动力特征进行分析，最终得到如下具体的结论：

1)水库水体被上游来水交换所消耗的时间可通过水龄表示，且这一指标可更加准确地反映水库水体动力特征。通常，对于一般水库而言，水库水龄越往下游越大[7]。因此，该研究区上游水库的水体循环交换时间要短于下游，故水库上游水质优于下游水库水质；同样，对于河道型水库而言，主库区水龄越往下游越大，水库的动力特征更加明显。

2)水库上游以及中游和下游不同的汇水面积，会对水库支流的水龄值产生重要影响，一般支流汇水面积较大，则其附近水域的水龄值就越大。因此，有利于提升水库水动力交换和循环的效果。但是，对于汇水面积较小的支流而言，其水龄值较大，水库上下游之间的水动力循环和交换特征不显著，该生态系统中，水库水体会产生严重的富营养化现象[8]。

3)在不同的气候条件下，由于当地降雨量逐渐下降，气温随之而上升，因此水库内入库径流会逐渐减少，此时水库的水龄也会显著上升[9]。对于文章研究的丹东市黑河水库而言，其丰水期与枯水期和平水期相比，年降雨量大约下降约14%和49%，而该水库的实际入库径流量大约下降约24%和61%，同时水库上游与下游的水龄分别增大约65%和23.6%。因此，从这一分析结果可以看出，该河道型水库的水动力特征与气候之间的存在明显的动力响应关系，尤其是水库支流受当地气候条件的影响更为明显[10]。

6 结 语

综上所述，当前业内相关研究主要基于气候对水库水资源量的变化进行分析，但是缺少对水库水动力特征影响的研究。因此，文章以辽宁省丹东黑河水库为例，着重通过环境流体动力学模型Environmental Fluid Dynamic Code以及流域分布式水文模型SWAT，科学构建当地水库流域水文—库区水动力综合模型，以此对当地气候条件与水库动力特征的之间响应关系进行分析。最终发现，在不同的气候条件影响之下，河道型水库分别具有湖泊与河道的双重特性。在丰水期，水库主库区在垂直方向上的水体交换要比水平方向上的水体交换更为频繁。因此，此时水库水龄较为均衡。但是，在枯水期和平水期，由于水库纵向和横向水体水动力特征不太明显，因此水龄会逐渐分层，而且水库具有湖泊特征，因水体分层会产生严重的富营养化现象。

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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

唐红霞(1981-)，女，辽宁丹东人，水利工程师，研究方向为水资源管理、水资源开发利用、水质监测等。

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