东风水库下游临岸潜流带水流场响应规律研究

宫立刚

(瓦房店市水利勘测设计有限公司，辽宁 瓦房店 116300)

东风水库下游临岸潜流带水流场响应规律研究

宫立刚

(瓦房店市水利勘测设计有限公司，辽宁 瓦房店 116300)

水库下游临岸潜流带水流场响应规律可用于预测不同水库运行情景下临岸潜流带的水头与流量变化情况。本文以复州河东风水库为例，基于测量数据得到其下游某断面临岸潜流带的水头及流量响应过程，提出响应强度指标的概念，得到简单直观的响应规律经验公式，从而为该水库下游临岸系统的生态建设提供依据，并为水库运行方案的生态影响评价提供参考。

东风水库；临岸潜流带；水流场；响应规律

1 概 述

潜流带是水分饱和的沉积物层，它是地表水与地下水的互相作用区域，对河流生态系统起着重要的调控作用[1-2]。河流潜流带的研究一般着重于河流地表水与河床地下水之间的垂向作用，而关于河流地表水与临岸潜流带之间的侧向作用则研究得较少[3]。河道与河流临岸潜流带之间存在一定的物质与能量交换过程，同时河流临岸潜流带又对河流生态系统内的生物健康具有十分关键的影响[4-5]。近年来，水利生态研究已成为我国水利事业建设的一项重点内容，而水库的建设与运行对流域生态系统的影响也成为当前的研究热点[6-7]。本文以东风水库为例，于2016年7月在水库下游复州河设置的断面进行河道与临岸潜流带的测量，并基于测量数据分析该水库下游临岸潜流带的水流场响应规律，为该水库的生态影响分析及该流域的生态承载力评价提供基础。

2 测量与分析方法

2.1 工程概况

东风水库位于复州河中游，地处东经121°54′、北纬39°48′。坝址以上控制面积663km2，设计标准100年一遇，校核标准2000年一遇，总库容1.4亿m3。该水库是一座以灌溉和防洪为主，兼顾工业供水、发电和养殖等作用的大(2)型水库。

水库基本特征参数见表1，其中Ss为设计标准，Sj为校核标准，Vt为总库容，Vn为正常库容，Hn为正常蓄水位，Hs为设计水位，Hj为校核洪水位。

表1 东风水库基本特征参数

水库所在流域属北温带季风区，多年平均降水量627.20mm，多年平均蒸发量1780.10mm，多年平均气温9.50℃，多年平均相对湿度66%，最大冻土深115cm，多年平均无霜日254天。

2.2 水流场响应试验方法

2016年7月，在东风水库下游设置断面进行河道与临岸潜流带的测量，该断面位于瓦房店太阳乡，地处东经121°54′11″、北纬39°46′27″，距离东风水库大坝约1.3km。沿河岸带直线布置6个观测井，分别编号为A、B、C、D、E、F，相对于河道与河岸交界处的距离分别为2m、4m、6m、8m、10m和12m。在各观测点井及河道内布置压力传感器以监测水头变化情况，该传感器具备自动记录与存储功能，每0.5h捕捉1次数据。观测时间为10天，共采集3360组水位数据。基于该数据，可分析东风水库下游临岸潜流带水流场的响应规律。

2.3 水流场响应分析方法

水流场响应可分为水头响应和流量响应两部分，这两类响应过程均源自河流与临岸带潜水层之间的侧向作用，可用一维线性博欣内斯克方程表示[8]：

(1)

式中h——水头；

t——时间;

D——水力扩散系数;

x——距离。

水力扩散系数D与河道和临岸潜水带的基本水力特性相关，表达式为

(2)

式中K——渗透系数，可基于测量数据采用数据拟合方法确定;

d——含水层饱水厚度;

ω——给水度。

在临岸潜流带水头响应问题中，式(1)具有两个基本边界条件:

(3)

(4)

式中h(x=0)——距离河岸0m处的水头;

h0——河道水头。

式(3)的含义为：河道河岸交界处含水层的水头与河道处相同；式(4)的含义为：距离河岸无限远处的潜流带水头不受河道水头的影响。

临岸潜流带流量响应问题的分析公式为

(5)

式中Q(t)——某一时刻河岸单位长度上的体积流量。

3 结果与讨论

3.1 水头响应过程

根据观测传感器数据可得到河道及各观测井内的实时水头动态变化过程，对所收集的3360组数据进行分类汇总，得到观测时段内日均水头变化幅度值(见表2)。

表2 各位置处日均水头变化幅度值 单位：mm

由表2数据可知，在观测时间范围内东风水库下游观测断面处河道内的日均水头变化幅度值介于255～276mm之间，临岸2 m处(观测点A)至临岸12m处(观测点F)潜流带日均水头变化幅度值分别介于222～245mm之间、166～188mm之间、113～127mm之间、68～245mm之间、37～42mm之间和18～23mm之间。可见，东风水库下游临岸潜流带内的水头变化值低于河道本身，且距离越远该值越小。

河道内日均水头变化值的波动范围为21mm，临岸2 m处(观测点A)至临岸12 m处(观测点F)潜流带日均水头变化值的波动范围分别为23mm、22mm、14mm、9mm、5mm和5mm。可见，临岸带潜流带的水头变化值波动范围可大于河道本身而不是呈线性减小的规律，说明水库的运行可引发较为复杂的临岸潜流带水头响应过程。各观测点的波动值不尽相同，说明潜流带的水头响应过程具有明显的非均质性；但总体而言，距离越大波动值越小。

综上所述，东风水库下游临岸潜流带的水头响应具有明显的非均质性，总体而言，临岸潜流带的水头响应强度随距离的增加而减弱。

3.2 流量响应过程

表3 各观测点日均侧向潜流水体体积 单位：m2/d

基于监测结果利用式(5)可得到各观测井内的实时流量动态变化过程，对所得的实时流量值Q(t)进行积分，得到观测时段内各观测井单位长度的日均侧向潜流水体体积，见表3，其中，正值表示由河道流向临岸潜流带，负值反之。

由表3数据可知，在观测时间范围内东风水库下游观测断面临岸2 m处(观测点A)至临岸12 m处(观测点F)单位长度日均侧向潜流水体体积分别介于-6.58～3.41m2/d之间、-5.82～2.99m2/d之间、-4.4～2.3m2/d之间、-2.93～1.53m2/d之间、-1.64～0.85m2/d之间和-0.85～0.44m2/d之间。可见，在东风水库下游临岸潜流带内，距离河道越远则流量越小。

临岸2m处(观测点A)至临岸12 m处(观测点F)潜流带单位长度日均侧向潜流水体体积的波动范围分别为9.99m2/d、8.81m2/d、6.7m2/d、4.46m2/d、2.49m2/d和1.29m2/d。可见，波动范围同样随距离的增加而逐渐减小。

综上所述，东风水库下游临岸潜流带的流量响应也具有明显的非均质性，总体而言，在临岸潜流带内，距离河道越远则流量响应强度越弱。

4 响应规律分析

提出响应强度指标的概念来分析水库下游临岸潜流带水流场响应规律，从而得到简单直观的经验公式。该强度指标可分为水头响应强度和流量响应强度两种。前者是各观测点日均水头变化幅度值与河道值的比值，后者是各观测点单位长度日均侧向潜流水体体积与观测井A处值的比值。各位置处的响应强度计算结果如下图所示，其中，横坐标为河岸某点到河道与河岸交界处的距离，纵坐标为响应强度指标值。响应强度指标值介于0～1之间，当该值为0时表示无响应，当该值为1时表示临岸潜流带水流场变化与河道完全一致，因此，该值越大响应强度越高。由图可知，水头响应强度指标和流量响应强度指标皆随距离的增大而减小，其响应规律皆可由对数曲线进行拟合。水头和流量响应强度指标的实际值序列与拟合曲线之间的确定系数R2值分别为0.9819和0.9855，该值较大，说明其拟合精确度满足应用要求。

东风水库下游临岸潜流带水流场响应规律分析图

在实际应用中，可根据上图所示拟合方程对东风水库下游临岸潜流带水流场响应过程进行推演，从而预测出不同水库运行情景下临岸潜流带不同位置处的水位与流量变化情况，为临岸带植物栽培种类与技术的选择提供依据，并为不同水库运行方案的生态影响评价提供参考。

5 结 语

本文通过对复州河的东风水库下游设置的断面河道及临岸潜流带水位进行测量，得到不同观测处的水头及流量影响过程。观测结果表明：该水库下游临岸潜流带的水流场响应具有明显的非均质性，且其强度随距离的增加而逐渐减弱。提出响应强度指标的概念，得到简单的经验公式来量化地表示该案例中的水流场响应规律。该经验公式可用于初步预测不同水库运行情景下临岸潜流带不同位置处的水位与流量变化情况，但它只针对东风水库，在以后的研究中也可以对更多的水库进行分析，从而得到具有普遍适用性的临岸潜流水流场响应规律公式，以提高该领域的判断与分析效率。

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[3] 金光球,李凌.河流中潜流交换研究进展[J].水科学进展,2008,19(2):285-293.

[4] 袁兴中,罗固源.溪流生态系统潜流带生态学研究概述[J].生态学报,2003,23(5):956-964.

[5] 武玉峰.河流健康评价及保护对策分析——以牤牛河为例[J].水利规划与设计,2015(10):33-38.

[6] 贾瑞红.水库生态调度的措施及其发展前景[J].水利技术监督,2011(5):42-44.

[7] 赵文耀.丹江口水库流域生态环境保护现状研究[J].水利技术监督,2006,14(6),44-47.

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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