吳時(shí)強(qiáng),童中山,周 輝,吳修鋒

(1.南京水利科學(xué)研究院,江蘇南京 210029;2.水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210029)

我國(guó)大多數(shù)河床式徑流水電站進(jìn)口攔污柵前都堆積著大量的漂浮物,這些漂浮物的存在增加了電站進(jìn)口的水頭損失,嚴(yán)重干擾機(jī)組的正常運(yùn)行,影響其發(fā)電效率,特別是在水量豐沛的洪水期,機(jī)組因污物堵塞而不能滿(mǎn)負(fù)荷工作,經(jīng)濟(jì)損失巨大。如沙溪口水電站因污物造成的年電能損耗就達(dá)2.4×107kW?h。此外,大量漂浮物囤積在電站進(jìn)口,加大了攔污柵承受的荷載,對(duì)攔污柵的安全運(yùn)行構(gòu)成較大的威脅,同時(shí)也影響庫(kù)區(qū)環(huán)境美觀(guān),造成庫(kù)區(qū)水域水質(zhì)惡化。因此水電站漂浮物綜合治理是河床式徑流電站所面臨的一個(gè)難題。

目前水電站進(jìn)水口處污物的處置方法主要有人工或機(jī)械清理、水電站調(diào)度運(yùn)行、通過(guò)泄水建筑物排向下游、設(shè)置導(dǎo)漂系統(tǒng)(如攔污排)等,這些方法各有其適用范圍和缺陷,無(wú)法十分有效地解決水電站漂浮物帶來(lái)的問(wèn)題[1-2]。

庫(kù)區(qū)漂浮物運(yùn)動(dòng)及其堆積形態(tài)往往會(huì)影響其處置方式選擇及其效果,因此通常利用水工模型試驗(yàn)來(lái)預(yù)測(cè)庫(kù)區(qū)漂浮物的堆積形態(tài),比選處置方式,評(píng)價(jià)漂浮物處置效果。但由于庫(kù)區(qū)漂浮物種類(lèi)復(fù)雜、形態(tài)各異、大小不一,其運(yùn)動(dòng)狀況千差萬(wàn)別,漂浮物運(yùn)動(dòng)、堆積及其相互作用機(jī)理尚難以準(zhǔn)確描述,要完整地模擬漂浮物堆積形態(tài)非常困難[3]。因此在模擬庫(kù)區(qū)漂浮物堆積形態(tài)時(shí),只能抓住漂浮物的主要特征加以模擬。本文結(jié)合沙溪口水電站,探討漂浮物的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和堆積形態(tài)模擬方法,提出相應(yīng)的模型相似準(zhǔn)則。

1 水電站漂浮物運(yùn)動(dòng)特性分析

漂浮物運(yùn)動(dòng)與水庫(kù)內(nèi)水流運(yùn)動(dòng)特別是表層水流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)緊密相連。但由于漂浮物種類(lèi)和形狀各異,漂浮物運(yùn)動(dòng)與水流運(yùn)動(dòng)不可能完全一致,因此這里僅就代表性的漂浮物運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行說(shuō)明。觀(guān)察表明,在河流及水庫(kù)中漂浮物輸送呈明顯的帶狀分布,漂浮物運(yùn)動(dòng)方向與水流的主流方向較為一致,大多數(shù)漂浮物沿水流主流方向運(yùn)動(dòng)。

主要的漂浮物隨主流運(yùn)動(dòng)可從理論上加以解釋。從明渠水流運(yùn)動(dòng)特性分布可知,受邊界阻力影響,水流在平面上分布一般是中部流速大、兩側(cè)流速較小。圖1為漂浮物隨水流運(yùn)動(dòng)位置示意圖。當(dāng)漂浮物B面的水流速度大于A(yíng)面的水流速度(uB＞uA)時(shí),流速較小的漂浮物A面水流壓力大于流速較大的B面水流壓力,漂浮物在向前運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,A,B 2個(gè)面之間存在一個(gè)壓力差,該壓力差將漂浮物推向主流一邊,即漂浮物隨水流運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間后,逐漸會(huì)隨主流一起運(yùn)動(dòng)。

圖1 漂浮物隨水流運(yùn)動(dòng)示意圖

由于漂浮物有隨主流一起運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì),所以在模型試驗(yàn)時(shí),只要水流流態(tài)能夠得到正確的模擬,基本上就可模擬漂浮物的運(yùn)動(dòng)特性。

單個(gè)漂浮物運(yùn)動(dòng)受到浮力、水流拖曳力、慣性力、阻力和撞擊力的綜合作用。根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)基本定律,可列出基本方程:

垂直方向

水平方向

式中:F上為漂浮物所受的浮力;G重力為漂浮物所受重力;m為漂浮物質(zhì)量;a上為漂浮物垂向加速度;a水為漂浮物水平加速度。

在垂直方向,漂浮物僅受水流作用而上下波動(dòng);在水平方向,漂浮物運(yùn)動(dòng)較為復(fù)雜。圖2為漂浮物運(yùn)動(dòng)受力分析示意圖。如圖2所示,漂浮物運(yùn)動(dòng)特性關(guān)鍵受漂浮物水平方向合力控制,漂浮物受到的水流力與水流速度及方向有關(guān)。在復(fù)雜的水庫(kù)水流運(yùn)動(dòng)中,主流常發(fā)生隨機(jī)變化,可導(dǎo)致漂浮物受力的改變,從而影響其運(yùn)動(dòng)軌跡的變化。

圖2 漂浮物運(yùn)動(dòng)受力分析示意圖

當(dāng)漂浮物運(yùn)動(dòng)速度為零時(shí),即漂浮物固定,此時(shí)水流以流速為U2的速度從漂浮物周?chē)@過(guò),漂浮物對(duì)水流產(chǎn)生阻力,假定漂浮物綜合阻力系數(shù)為Cd,則漂浮物受到的水流力為

式中:A為漂浮物水下與水流方向垂直的面積;ρ為水的密度。

當(dāng)漂浮物運(yùn)動(dòng)速度為U1時(shí),漂浮物受到的水流力為

漂浮物受到的水流力與速度差(U2-U1)有關(guān),如果水流速度大于漂浮物運(yùn)動(dòng)速度,即U2-U1＞0,則水流對(duì)漂浮物產(chǎn)生推力,使得漂浮物運(yùn)動(dòng)速度增加;如果U2-U1＜0,則產(chǎn)生方向相反的阻力,使得漂浮物運(yùn)動(dòng)速度降低;如果U2-U1=0,則漂浮物跟隨水流一起運(yùn)動(dòng)。總體上,漂浮物運(yùn)動(dòng)速度應(yīng)與水流的運(yùn)動(dòng)速度基本一致,也就是說(shuō)漂浮物運(yùn)動(dòng)具有較好的水流跟隨性[2]。

2 漂浮物模擬相似性分析

有關(guān)漂浮污染物在庫(kù)區(qū)運(yùn)動(dòng)特性及壩前堆積形態(tài)方面的研究成果至今尚不多見(jiàn)[3-5],采用水工模型模擬漂浮物運(yùn)動(dòng)特性時(shí),缺乏漂浮物運(yùn)動(dòng)模擬的相似準(zhǔn)則[6-7]。為此,這里定性分析漂浮物模型試驗(yàn)的相似律問(wèn)題。

2.1 水流運(yùn)動(dòng)相似

庫(kù)區(qū)內(nèi)漂浮物隨水流運(yùn)動(dòng),水流是漂浮物運(yùn)動(dòng)的載體,因此模型設(shè)計(jì)首先要滿(mǎn)足水流運(yùn)動(dòng)相似要求。對(duì)于按重力相似和阻力相似設(shè)計(jì)的正態(tài)水工模型,一般都能夠滿(mǎn)足水流運(yùn)動(dòng)相似要求。

2.2 漂浮物運(yùn)動(dòng)相似

漂浮物模擬通常是水流模擬的延伸,主要集中在2個(gè)過(guò)程:①漂浮物流動(dòng)和堆積形態(tài);②漂浮物堆積引起的結(jié)構(gòu)荷載。

除了與水流相關(guān)的力以外,漂浮物運(yùn)動(dòng)和堆積還涉及單個(gè)漂浮物和堆積漂浮物的質(zhì)量和作用于漂浮物上的水動(dòng)力。對(duì)于寬闊水體,如湖泊、水庫(kù)和大河流,應(yīng)該考慮風(fēng)作用在漂浮物和水面上的力。漂浮物堆積的承受力和變形特性對(duì)于堆積厚度是重要的,在一些情況下,單個(gè)漂浮物的承受力和變形特性也是重要的,因此要完全模擬漂浮物運(yùn)動(dòng)是難以達(dá)到的。從前面分析可見(jiàn),漂浮物具有很好的水流跟隨性,基于此來(lái)推導(dǎo)其相似準(zhǔn)則。

庫(kù)區(qū)漂浮物的種類(lèi)繁多,漂浮物密度及漂浮程度不盡相同,有的密度較小,幾乎完全浮在水面,例如泡沫塑料制品等,有的半沉半浮,例如長(zhǎng)期受水浸泡的木材;漂浮物的尺度相差也很大,形態(tài)各異,大小不一;運(yùn)動(dòng)形態(tài)也不相同,有的單獨(dú)運(yùn)動(dòng),如大一點(diǎn)的木材,有的一片一片地集聚而行,如雜草、水浮蓮等。壩前漂浮物種類(lèi)及數(shù)量的隨機(jī)性較強(qiáng),目前尚缺乏完整的原體觀(guān)測(cè)統(tǒng)計(jì)資料。所以要真實(shí)地模擬漂浮物運(yùn)動(dòng)十分困難,只能選擇一些比較典型的漂浮物加以模擬,其相似性主要考慮以下4個(gè)方面。

2.2.1幾何相似

模型中漂浮物運(yùn)動(dòng)與原體相似,要求模型中漂浮物的大小和形狀滿(mǎn)足幾何相似。

2.2.2漂浮度相似

漂浮度取決于重力與浮力,與流體的密度有關(guān),只要保證原體與模型的密度相同,即模型與原體選用同樣的材料,同時(shí)滿(mǎn)足漂浮物幾何相似,就能保證漂浮物的漂浮度相似。

浮力可通過(guò)一個(gè)密度FrD數(shù)來(lái)計(jì)及,定義 FrD為漂浮物慣性力與浮力之比:式中:U為漂浮物漂浮速度(對(duì)于表面漂浮物,可認(rèn)為與水流速度相同);ρd為漂浮物密度;g為重力加速度;L為漂浮物特征長(zhǎng)度。

漂浮物運(yùn)動(dòng)的相似準(zhǔn)則為

式中:(FrD)r為 Fr數(shù)比尺;Ur為流速比尺為密度差比尺為長(zhǎng)度比尺。

2.2.3漂送強(qiáng)度相似

設(shè)ΔT時(shí)間內(nèi)漂浮物的總量為ΔW,漂送強(qiáng)度為N件/s,每件體積為 V,密度為 ρs,則 ΔT時(shí)間內(nèi)漂浮物的總量為式中:Nr為漂送強(qiáng)度比尺;tr為時(shí)間比尺;Lr為長(zhǎng)度比尺。

式(8)表明,模型中單位時(shí)間投放的漂浮物件數(shù)應(yīng)為原體件數(shù)的倍。

2.2.4水流拖曳力和表面張力等的模擬

為了模擬作用于單個(gè)漂浮物上的水流拖曳力、表面張力和慣性力,需要原型和模型有相同的拖曳力、表面張力和附加質(zhì)量的水動(dòng)力系數(shù),而這些系數(shù)的相似性在一個(gè)模型中不可能完全滿(mǎn)足。但如果關(guān)注的是漂浮物整體流動(dòng)特性及堆積形態(tài),則沒(méi)有必要要求所有系數(shù)都滿(mǎn)足相似要求。例如,拖力的計(jì)算公式為式中:CD為與ReD、漂浮物的形狀和粗糙度、流動(dòng)紊動(dòng)強(qiáng)度、相鄰邊界接近程度有關(guān)的拖力系數(shù)(ReD為與漂浮物周?chē)飨嚓P(guān)的 Reynolds數(shù),ReD=,其中ud為漂浮物流動(dòng)速度,l為特征長(zhǎng)度,ν為動(dòng)力黏性系數(shù));AU為漂浮物在垂直于U方向上的投影面積。

水流舉力(與拖力垂直方向的力)可導(dǎo)得類(lèi)似的表達(dá)式。嚴(yán)格的相似準(zhǔn)則為

式中:CL為舉力系數(shù);CM為增加質(zhì)量系數(shù)。

用同一個(gè)模型比尺很難同時(shí)滿(mǎn)足式(10),如果采用幾何變態(tài)模型,要滿(mǎn)足式(5)也是非常困難的。在大多數(shù)情況下,由于漂浮物尺度不一,形狀不同,粗糙度變化大,這些困難可以得到緩解,因此CD,CL和CM準(zhǔn)確模擬也是不必要的。

在大尺度水域,風(fēng)拖力是漂浮物流動(dòng)和堆積的一個(gè)主要因素,它產(chǎn)生推動(dòng)漂浮物的水流和波浪,直接拖動(dòng)漂浮物。對(duì)風(fēng)拖力和水流拖力給定同樣的相似準(zhǔn)則,就像模擬水流拖力一樣,同樣難以模擬風(fēng)拖力。在模型中難以用氣流來(lái)模擬風(fēng)拖力,大多數(shù)風(fēng)洞尺度太小,無(wú)法容納常規(guī)的模型尺度,在模型中模擬恒定風(fēng)速場(chǎng)也是十分困難的。

2.3 漂浮物堆積形態(tài)相似

漂浮物在隨水流運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中,其運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力來(lái)自于水流作用力,當(dāng)水流流速較大時(shí),一般認(rèn)為漂浮物與水流運(yùn)動(dòng)基本一致,此時(shí)水流的推力是漂浮物運(yùn)動(dòng)的主要?jiǎng)恿υ础?/p>

漂浮物堆積形態(tài)可處理成單一整體或一個(gè)特殊的聯(lián)結(jié)體,單個(gè)漂浮物與整個(gè)堆積體尺度相比很小。此時(shí),作用于堆積體上的外力包括水流對(duì)堆積體的拖曳力,在堆積體形成過(guò)程之中,當(dāng)堆積體之間內(nèi)力小于外力時(shí),堆積體就會(huì)失穩(wěn),出現(xiàn)組成堆積體的漂浮物之間相互擠壓重疊,使得堆積體不斷加厚,內(nèi)力也不斷增大,當(dāng)內(nèi)力增大到能抵抗外力時(shí),堆積體的厚度不再增加,從而形成穩(wěn)定的堆積體。漂浮物的相互擠壓增加了堆積的厚度,也可使堆積形狀發(fā)生變化。因此,堆積形狀的模擬需要模擬堆積漂浮物的強(qiáng)度和變形特性參數(shù),在許多情況下,只能近似估算這些值。

單個(gè)漂浮物與堆積體相比尺寸很小,當(dāng)堆積的漂浮物或多或少地作為連續(xù)體時(shí),可以用摩擦內(nèi)角φ來(lái)描述強(qiáng)度和變形,阻力內(nèi)角描述了受壓或剪切的漂浮物的連接和摩擦阻力,其相似準(zhǔn)則是

式(11)要求在進(jìn)行漂浮物堆積形態(tài)試驗(yàn)時(shí)須選用同樣的試驗(yàn)材料,并采用正態(tài)模型。

當(dāng)漂浮物相對(duì)堆積體尺度較大時(shí),單個(gè)漂浮物強(qiáng)度特性也必須考慮。對(duì)于線(xiàn)形漂浮物(如木頭),彎曲強(qiáng)度是重要的。對(duì)于塊狀漂浮物(例如集聚的雜草),壓縮強(qiáng)度是重要的,這些特性很難量化。

在一個(gè)大面積水域,模擬漂浮物堆積形態(tài)需要利用幾何變態(tài)模型,垂向比尺變態(tài)應(yīng)不會(huì)明顯影響到漂浮物二維流動(dòng)及水流流動(dòng)特性。在給定的模型比尺條件下,漂浮物模擬需要進(jìn)行概化處理,不能完全是原體漂浮物尺度和形狀上的準(zhǔn)確模擬,漂浮物允許垂向尺度的變形,但需要分析可接受的垂向變形限度。如果需要保證水流輸運(yùn)漂浮物三維特性,則要求正態(tài)模型或適度變率的變態(tài)模型。

堆積物力平衡分析[3]描述了堆積厚度變形的效果,并顯示假定一個(gè)強(qiáng)度指數(shù),例如阻力內(nèi)角,在原型和模型上近似一致,那么在適度變率的變態(tài)模型中可模擬等效的堆積厚度。從這一點(diǎn)看,漂浮物的堆積形態(tài)模擬是非常復(fù)雜的,與漂浮物的性質(zhì)有關(guān),在正態(tài)模型中堆積形態(tài)會(huì)有一定的失真。

2.4 模擬材料相似

庫(kù)區(qū)漂浮物的種類(lèi)繁多、形態(tài)各異、大小不一,其運(yùn)動(dòng)狀況千差萬(wàn)別。模型試驗(yàn)中,按相似條件對(duì)各種漂浮物進(jìn)行真實(shí)模擬非常困難。因此,在選擇漂浮物模擬材料時(shí),只能考慮其主要特性和影響因素。實(shí)際工程中,庫(kù)區(qū)漂浮物大多由雜草、樹(shù)枝、樹(shù)葉、泡沫塑料等組成的,在模型中可以直接采用木材和泡沫塑料作為模擬材料,但要恰當(dāng)選取單個(gè)試驗(yàn)材料的形狀和大小,使其在水流中運(yùn)動(dòng)時(shí)具有良好的跟隨性,并能避免表面張力的影響。

綜合上述分析,可以知道漂浮物運(yùn)動(dòng)特性的模擬一般要求正態(tài)模型,而堆積形態(tài)的模擬需要適度變率的變態(tài)模型,但是由于漂浮物堆積受力條件極難準(zhǔn)確模擬,因此漂浮物堆積形態(tài)模擬無(wú)法完全達(dá)到,目前漂浮物運(yùn)動(dòng)特性的模擬以及堆積形態(tài)的模擬采用正態(tài)模型較合適。

3 沙溪口水電站漂浮物運(yùn)動(dòng)模型設(shè)計(jì)

沙溪口水電站為河床徑流式電站,以發(fā)電為主,電站裝機(jī)容量為4×75MW,機(jī)組流量為1050m3/s。擋水建筑物采用混凝土重力壩形式,壩頂高程93.0m,最大壩高45.0m,壩頂長(zhǎng)度628.0m,溢流壩長(zhǎng)317.0m,河床中部共設(shè)有17個(gè)表孔溢流壩,表孔堰頂高程為74.30m,弧形閘口控制流量,最大過(guò)流能力為26300.0m3/s。

沙溪口水電站集水區(qū)水土保持及環(huán)境治理情況較差,每年汛期都有大量的漂浮物隨流而下,匯集于壩前。發(fā)電過(guò)程中,這些漂浮物吸附在進(jìn)水口攔污柵上,造成攔污柵嚴(yán)重堵塞,最嚴(yán)重時(shí)柵前、柵后水位差達(dá)7m,大大超過(guò)3m的安全水位差,不僅影響了機(jī)組的正常出力,還嚴(yán)重威脅著攔污柵及機(jī)組的安全運(yùn)行,為此需建一個(gè)導(dǎo)漂裝置來(lái)減少漂浮物堆積體。為了驗(yàn)證導(dǎo)漂裝置攔截漂浮物的效果,需要進(jìn)行物理模型試驗(yàn)。

根據(jù)沙溪口水電站庫(kù)區(qū)水流及漂浮物實(shí)際情況,采用正態(tài)模型模擬,模型幾何比尺Lr=70。漂浮物模擬材料采用密度與漂浮物相近的泡沫塑料和木條2種模型材料,比較不同模擬材料的運(yùn)動(dòng)特性及堆積形態(tài)的差異[2]。

4 模型試驗(yàn)結(jié)果分析

為了檢驗(yàn)漂浮物運(yùn)動(dòng)規(guī)律模擬的相似性,選擇電站4臺(tái)機(jī)滿(mǎn)負(fù)荷發(fā)電、溢流壩不過(guò)流條件來(lái)分析漂浮物堆積形態(tài)。圖3為模擬材料采用泡沫塑料時(shí)漂浮物在庫(kù)區(qū)隨水流運(yùn)動(dòng)及壩前堆積過(guò)程。從水流流場(chǎng)測(cè)量可知,由于只有發(fā)電水流,溢流壩前沒(méi)有水流流動(dòng),主流在壩前1000m處開(kāi)始逐漸偏向右岸,左側(cè)存在強(qiáng)度較低的大回流區(qū)。圖3(a)、圖3(b)顯示漂浮物隨主流一起運(yùn)動(dòng),主流區(qū)漂浮物首先運(yùn)動(dòng)到大壩前沿;圖3(c)顯示漂浮物在壩前100m處開(kāi)始有明顯的堆積,而后漂浮物越來(lái)越多,不斷堆積;圖3(i)顯示由于模型中施放的漂浮物有限,流速較大的主流區(qū)域漂浮物已基本堆積到壩前,而流速較小的左側(cè)區(qū)域漂浮物仍繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng);圖3(l)為最終堆積形態(tài),此時(shí)漂浮物堆積在發(fā)電站進(jìn)水口前100m左右的水域,由于右側(cè)存在一回流區(qū),部分漂浮物隨回流水一同運(yùn)動(dòng)。堆積過(guò)程顯示漂浮物運(yùn)動(dòng)與水流運(yùn)動(dòng)相一致,這說(shuō)明按重力相似準(zhǔn)測(cè)設(shè)計(jì)模型模擬漂浮物運(yùn)動(dòng)規(guī)律是較為合理的。同時(shí)與原體漂浮物堆積形態(tài)相比(圖4),可見(jiàn)模型與原體的堆積形態(tài)是相似的。但由于庫(kù)區(qū)流態(tài)復(fù)雜,不同的模擬材料最終會(huì)產(chǎn)生不同的堆積形態(tài),為此比較不同模擬材料對(duì)堆積形態(tài)的影響。

圖5是模擬材料分別為泡沫塑料和木條時(shí)壩前最終的漂浮物堆積形態(tài)。表1為不同模擬材料堆積形態(tài)的試驗(yàn)結(jié)果。由表1可知,相同的試驗(yàn)工況下,選擇不同的模擬材料,漂浮物堆積形態(tài)有很大差異。由于木條密度在0.8 t/m3左右,而泡沫塑料密度僅0.05t/m3,木條的吃水深度遠(yuǎn)大于泡沫塑料的吃水深度。所以同樣水流條件下,作用在木條上的水流力遠(yuǎn)大于作用在泡沫塑料上的水流力,木條在水流力作用下擠壓重疊,通過(guò)內(nèi)力的調(diào)整形成穩(wěn)定的堆積形態(tài),而泡沫塑料受到的水流力較小,不能有效地?cái)D壓密實(shí),在水流條件稍有變化時(shí),堆積形態(tài)隨之發(fā)生變化。

圖3 庫(kù)區(qū)漂浮物運(yùn)動(dòng)及堆積過(guò)程

圖4 沙溪口水電站進(jìn)水口前漂浮物堆積

圖5 漂浮物最終堆積形態(tài)

表1 不同材料在相同試驗(yàn)工況時(shí)的堆積特性比較

模型試驗(yàn)觀(guān)測(cè)表明,壩前的漂浮物一般都能運(yùn)動(dòng)到大壩的前沿,當(dāng)壩前的回流較弱時(shí),漂浮物一般不能在回流區(qū)運(yùn)動(dòng)。泡沫塑料模擬的堆積體只要稍受水流作用即散漂離開(kāi)大壩前沿,不能形成穩(wěn)定的堆積體,主要原因是泡沫塑料密度較輕,水流跟隨性較差,極易受表面張力的影響,而且泡沫塑料具有互拆性,不宜聚在一起。因此,與原體漂浮物的運(yùn)動(dòng)和堆積相比,采用木條作為模擬材料時(shí),模型的漂浮物堆積形態(tài)更接近實(shí)際情況。

5 結(jié) 語(yǔ)

水電站漂浮物模擬技術(shù)尚未成熟,本文在分析論證漂浮物具有隨水流運(yùn)動(dòng)特性的

圖5 GMS三維地質(zhì)實(shí)體模型切割剖面圖

式中:V為庫(kù)容,m3;μi為第i個(gè)蓄水體的重力給水度;V*i為第i個(gè)蓄水體的體積,m3;n為不同巖性的蓄水體個(gè)數(shù)。

總之,從含水層條件、地下水補(bǔ)給水源、地下水庫(kù)調(diào)蓄空間、地下水開(kāi)采條件等方面綜合分析可知,建立地下水庫(kù)從而進(jìn)行水資源多年調(diào)節(jié)及開(kāi)發(fā)利用是可行的。

3.4 情景模擬分析

根據(jù)含水層特征參數(shù),以2002～2006年觀(guān)測(cè)水位數(shù)據(jù)建立地下水流數(shù)值模擬模型,利用GWMS軟件進(jìn)行參數(shù)識(shí)別、模型驗(yàn)證后,利用上述地表水與地下水聯(lián)合開(kāi)發(fā)的思路,設(shè)置不同的情景,模擬地表水與地下水聯(lián)合利用的可行性及分析可能出現(xiàn)的問(wèn)題。

以不同的開(kāi)采規(guī)模為情景進(jìn)行模擬分析,結(jié)果表明:以10萬(wàn)m3/d的規(guī)模持續(xù)開(kāi)發(fā)不會(huì)引起環(huán)境問(wèn)題,開(kāi)采穩(wěn)定后形成約6km2的地下水位降落漏斗,漏斗中心水位埋深約13m;若考慮為城市應(yīng)急供水,分別以25萬(wàn)m3/d,40萬(wàn)m3/d,50萬(wàn)m3/d這3種開(kāi)采規(guī)模模擬,其持續(xù)應(yīng)急供水時(shí)間可分別達(dá)到12個(gè)月、6個(gè)月及4個(gè)月。

4 結(jié) 語(yǔ)

a.受氣候、地形等因素綜合影響,在北方小流域采用地表水與地下水聯(lián)合開(kāi)發(fā)的模式開(kāi)發(fā)利用水資源具有較高的可行性。既能較充分地利用地表水資源,又能利用含水層的天然調(diào)蓄功能實(shí)現(xiàn)水資源的多年調(diào)節(jié),對(duì)區(qū)域的穩(wěn)定供水有較大的現(xiàn)實(shí)意義。

b.地表水與地下水聯(lián)合開(kāi)發(fā)模式在沈陽(yáng)市遼河支流長(zhǎng)河-羊腸河流域內(nèi)可行,可持續(xù)提供10萬(wàn)m3/d的可供水量,在應(yīng)急狀態(tài)下可提供更為可觀(guān)的供水量,能夠保障當(dāng)?shù)爻鞘械膽?yīng)急供水安全。

c.北方小流域受污染情況較為嚴(yán)重,尤其是流域內(nèi)地表水污染已經(jīng)影響當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境。人工濕地等水生態(tài)修復(fù)措施不僅對(duì)小流域生態(tài)環(huán)境改善具有重要意義,而且對(duì)地表水與地下水聯(lián)合開(kāi)發(fā)的水源水質(zhì)提供保障。未來(lái)可加大利用生態(tài)修復(fù)對(duì)水質(zhì)改善程度的實(shí)證研究。

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