唐紅霞

(遼寧省丹東水文局，遼寧 丹東 118001)

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氣候條件與河道型水庫水動力特征的響應關系

唐紅霞

(遼寧省丹東水文局，遼寧 丹東 118001)

一般而言，氣溫以及降雨等氣候條件變化，會對區(qū)域流域內水資源以及湖庫和河道的徑流產生巨大影響，尤其是河道型水庫，受湖泊和河道雙重影響，其受氣候條件影響更為顯著。對此，文章將以遼寧省某河道型水庫為例，通過對環(huán)境流體動力學模型EFDC、流域分布式水文模型SWAT之間的耦合關系進行分析，以此闡述以水齡為動力特征的河道型水庫同氣候條件之間的響應關系，然后對遼寧省氣象站1956-2015年60a的年平均降雨量數據資料進行頻率分析，最終選取相關參數，對該地區(qū)典型降雨情景下，水庫的水動力變化過程進行描述。

氣候條件；河道型水庫；水動力特征；響應關系

河道型水庫與一般水庫不同，尤其是在水深與水面寬度等方面，都與庫長存在很大差異。在枯水期，河道上游來水少，水庫水位較高。因此，河道型水庫此時具有湖泊和水庫的雙重特點。但是，到了洪水期，由于防洪需求不斷增大。因此，水庫處于運行低位，此時來水量基本與水庫中的泄水量相等，因此河道型水庫又呈現出河道的特征[1]。從這一變化過程可以看出，河道型水庫水動力以及污染物擴散特征，受邊界運行條件影響較大，而河道型水庫的邊界又會受降雨以及溫度等相關氣候條件影響。

1 研究區(qū)概況

本研究區(qū)為遼寧省丹東市，其地處遼寧東南部，地理坐標為E124°23′，N40°07′，位于東北亞中心地帶。丹東市生態(tài)環(huán)境好，林木資源多，水質優(yōu)良，森林覆蓋率達66%。因此，文章選取的研究對象中國遼寧省丹東市的黑河水庫，其主要位于丹東市元寶區(qū)金山鎮(zhèn)，地處沈丹公路兩側和丹本高速公路入口部位。其占地面積約60多km2，交通便利，發(fā)展空間較大。該大型水庫主要以防洪和發(fā)電及灌溉為一體，因此該水庫屬于典型的河道性水庫。該水庫主要水源補給來源為上游電站下泄流量和降雨匯流，其中上游電站水源補給占該水庫總水源的比例為86%。近兩年來，隨著工業(yè)化的發(fā)展，該河道性水庫的淺層地下水污染非常嚴重，導致該研究區(qū)局部地區(qū)富營養(yǎng)化現象非常突出，由此對下游河水造成了嚴重的污染?；诖耍恼聦⒎謩e基于EFDC模型和SWAT分布式水文模型，科學構建黑河水庫庫區(qū)水動力模型及水庫流域水文模型。

圖1 遼寧省丹東市黑河水庫DEM圖

2 基于SWAT分布式水文模型科學構建水庫流域水文模型

文章全部數據來源于該地黑河水庫流域1∶10 000的DEM地形圖和1∶1 000 000的土壤類型圖與1∶10 000的土地利用類型圖。同時，還結合丹東市氣象站氣溫以及降水等相關數據，為該研究區(qū)水庫流域水文模型和庫區(qū)水動力模型的構建提供數據資料。在DEM圖中，經過對河道流域低洼處進行處理，采用辨識分水嶺方法將該研究區(qū)黑河水庫分為25個不同的子流域，然后基于DEM數字地形圖，篩選劃分出七條重要支流，分析氣候條件與河道型水庫動力特征之間的響應關系。

3 基于EFDC模型科學構建庫區(qū)水動力模型

該水庫流域上游至下游全長約22km，在該研究區(qū)主要流域內，包括7條重要的支流，其主要地理坐標通過在Google Earth中提取得到。文章將流域平面圖劃分為11214個相同的網格單元，格距為20 m，庫區(qū)模型實際高程通過DEM地形圖以及現場實地勘查數據結果得到。在此基礎上，文章為了更加直觀對該水庫底部地形剖面特點進行模擬分析，在平面圖的垂直方向，通過α坐標，將其平面分為均等的10層，網格高度通過表層水體厚度和水庫庫底厚度表示。結合流體靜力學連續(xù)性理論[2]，文章在研究中，為了防止α坐標誤差導致水庫壓力梯度分析錯誤，在模擬分析時，將該水庫的坡底坡度系數設為0.33。為了對不同氣候條件下，該水庫水動力特征的相關變化情況進行分析，文章著重選取庫區(qū)內不同代表點，對水齡進行分析。在對該水庫概化河道位置及代表點進行選取時，文章將A、B、D、E、F、H點作為該水庫上游至下游主河道區(qū)域計算的中心點。其中點C位于支流1匯入水庫，點G位于支流6中心。在此基礎上，為了分析、運算過程簡便，文章將黑河水庫劃分為長度不同的3段，該水庫上游水電站至支流2入庫斷面之間的庫區(qū)為水庫上游，長度大約8km，而水庫中游為支流2和支流5匯入主庫區(qū)之間的部分，長度大約10km，下游庫區(qū)長度約4km。

4 水庫流域水文-庫區(qū)水動力綜合模型驗證分析

基于此，文章選取2015年1-5月份大約150d的連續(xù)氣溫資料和降雨量數據，構建驅動水文數據模型，以此對該黑河水庫的實際水流和庫區(qū)水位變化情況進行分析。通過計算分析，結果表明，該模擬值與實測值之間的擬合度較為吻合，相對計算誤差大約在5%之內。因此，進一步表明該水庫庫區(qū)水動力模型以及水庫流域水文模型能夠準確科學對丹東市城區(qū)淺層地下水污染源進行識別和空間分布狀況進行評價[3]。

在上述分析基礎上，文章又著重選取了丹東市氣象站1956—2015年大約60a的歷史降雨量資料進行頻率分析。其中，豐水年以及平水年和枯水年的年降水量分別為20%、50%以及90%。與此同時，文章將每日降雨量以及氣溫作為 SWAT水文模型分析的具體輸入條件，以此對丹東市城區(qū)黑河水庫淺層地下水污染源進行識別分析和分布研究[4]。其中，1992年和1998年、2015年降雨量和氣溫均溫分別為2048mm、1771mm以及1035mm和20.9℃、21.0℃以及21.6℃。因此，從數據模擬結果來看，該庫區(qū)60a的年降雨量以及日均溫分別在逐漸減少以及升高，具體模擬結果圖示如下：

圖2 丹東黑河水庫庫區(qū)水動力 模型及水庫流域水文模型模擬結果

從上述水庫庫區(qū)水動力模型及水庫流域水文模型模擬結果圖示中可以看出，該研究區(qū)作為該地區(qū)典型的河道型水庫之一，水庫總體面積較為狹長，而且地下水位深度及水齡變化較大。因此，文章基于水庫水齡平面分布，最終得到圖3河道流域分布圖：

圖3 基于水動力特征與氣候條件 響應關系的河道流域分布

5 氣候條件與河道型水庫水動力特征的響應關系討論

5.1 淺層地下水污染源平面空間分布特征

從上述水動力特征與氣候條件的響應關系圖中可以發(fā)現，在支流流域面積較大的區(qū)域，其附近水庫庫區(qū)水齡相對較小。因此，該水庫庫區(qū)水動力交換效果顯著[5]。但是，對于支流相對較長以及匯流面積較小的區(qū)域，由于水齡普遍高于主庫區(qū)水齡參數值。因此，從中可以看出，河段實際長度以及匯水面積，會對支流具體水齡參數值產生重要影響。通常情況下，如果庫區(qū)河段較長以及實際匯水面積較大，則其河道的徑流量就會隨之而增大，因此水體交換情況較差，在此種生態(tài)運行系統(tǒng)中，城區(qū)淺層地下水水體容易產生富營養(yǎng)化現象。同時，這一研究結果也進一步表明，氣候條件與水庫水動力特征之間存在一定的相關性。

5.2 淺層地下水污染源垂直方向的空間分布特征

具體而言，在不同的氣候條件之下，當該水庫的入庫流量在豐水年不斷增大時，該水庫水位處于高水位。因此，其水流實際流速也較大，此時水庫內的水體水動力循環(huán)特征較為明顯，水庫水齡分布較為均勻，此時水庫具有河道的特征。但是，隨著在枯水期以及平水期該水庫內的入庫流量逐漸減少，水庫處于低水位。因此，這一時期的水體流速較小，水齡開始分層，故這一階段水庫逐漸呈現出湖泊的特征，從而容易導致污染物大量聚集，使城區(qū)淺層地下水的水體產生嚴重的富營養(yǎng)化現象。

因此，文章通過對環(huán)境流體動力學模型EFDC與流域分布式水文模型SWAT之間的耦合關系進行分析，以此闡述了河道型水庫以水齡為動力特征和氣候條件之間的響應關系[6]。研究分析結果表明，采用SWAT分布式水文模型和EFDC模型，能夠分別構建庫區(qū)水動力模型和水庫流域水文模型。從關系分析中可知，氣候條件會對水庫的水動力特征產生重要影響。文章基于豐水年以及平水年和枯水年三種不同的氣候水文條件，對丹東市黑河水庫的水動力特征進行分析，最終得到如下具體的結論：

1)水庫水體被上游來水交換所消耗的時間可通過水齡表示，且這一指標可更加準確地反映水庫水體動力特征。通常，對于一般水庫而言，水庫水齡越往下游越大[7]。因此，該研究區(qū)上游水庫的水體循環(huán)交換時間要短于下游，故水庫上游水質優(yōu)于下游水庫水質；同樣，對于河道型水庫而言，主庫區(qū)水齡越往下游越大，水庫的動力特征更加明顯。

2)水庫上游以及中游和下游不同的匯水面積，會對水庫支流的水齡值產生重要影響，一般支流匯水面積較大，則其附近水域的水齡值就越大。因此，有利于提升水庫水動力交換和循環(huán)的效果。但是，對于匯水面積較小的支流而言，其水齡值較大，水庫上下游之間的水動力循環(huán)和交換特征不顯著，該生態(tài)系統(tǒng)中，水庫水體會產生嚴重的富營養(yǎng)化現象[8]。

3)在不同的氣候條件下，由于當地降雨量逐漸下降，氣溫隨之而上升，因此水庫內入庫徑流會逐漸減少，此時水庫的水齡也會顯著上升[9]。對于文章研究的丹東市黑河水庫而言，其豐水期與枯水期和平水期相比，年降雨量大約下降約14%和49%，而該水庫的實際入庫徑流量大約下降約24%和61%，同時水庫上游與下游的水齡分別增大約65%和23.6%。因此，從這一分析結果可以看出，該河道型水庫的水動力特征與氣候之間的存在明顯的動力響應關系，尤其是水庫支流受當地氣候條件的影響更為明顯[10]。

6 結 語

綜上所述，當前業(yè)內相關研究主要基于氣候對水庫水資源量的變化進行分析，但是缺少對水庫水動力特征影響的研究。因此，文章以遼寧省丹東黑河水庫為例，著重通過環(huán)境流體動力學模型Environmental Fluid Dynamic Code以及流域分布式水文模型SWAT，科學構建當地水庫流域水文—庫區(qū)水動力綜合模型，以此對當地氣候條件與水庫動力特征的之間響應關系進行分析。最終發(fā)現，在不同的氣候條件影響之下，河道型水庫分別具有湖泊與河道的雙重特性。在豐水期，水庫主庫區(qū)在垂直方向上的水體交換要比水平方向上的水體交換更為頻繁。因此，此時水庫水齡較為均衡。但是，在枯水期和平水期，由于水庫縱向和橫向水體水動力特征不太明顯，因此水齡會逐漸分層，而且水庫具有湖泊特征，因水體分層會產生嚴重的富營養(yǎng)化現象。

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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

唐紅霞(1981-)，女，遼寧丹東人，水利工程師，研究方向為水資源管理、水資源開發(fā)利用、水質監(jiān)測等。

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