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(bǔ)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(bǔ)給對(duì)于其地下水補(bǔ)給和地下水生態(tài)復(fù)蘇十分重要。近些年來，國(guó)內(nèi)對(duì)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(duì)河道滲漏量沿程分析，滲流量估算結(jié)果相對(duì)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(jì)算值偏大，尤其是對(duì)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(jì)算的適用性一般不高[15]。為此針對(duì)傳統(tǒng)同程演算計(jì)算值偏大的問題，加入上游來水因子，對(duì)其算法進(jìn)行改進(jìn)，并以東北旱區(qū)典型季節(jié)性河流大凌河為具體實(shí)例，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)滲漏量監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)其改進(jìn)前后算法下河道滲漏水量進(jìn)行驗(yàn)證。研究成果對(duì)于東北地區(qū)季節(jié)性河流滲漏量分許具有重要參考價(jià)值。

1 改進(jìn)同程演進(jìn)算法原理

河道滲漏沿程水量平衡計(jì)算方程為：

(1)

式中，Q河補(bǔ)—河道滲漏水量估算值，m3/s；Q上、Q下分別—上游和下游過水?dāng)嗝媪髁?，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(jì)算斷面水量分配權(quán)重；L′—計(jì)算斷面縱向距離，km；L—河道演算斷面計(jì)算步長(zhǎng)，km。在進(jìn)行沿程河道滲漏水量計(jì)算時(shí)需要對(duì)其滲漏能力進(jìn)行計(jì)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(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)對(duì)該參數(shù)進(jìn)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(jìn)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(yàn)方法

以東北旱區(qū)典型季節(jié)性河流大凌河為具體實(shí)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(gè)，合計(jì)安裝11個(gè)土壤深層入滲儀，對(duì)其河道沿程滲漏水量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。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(gè)記錄儀，并結(jié)合人工觀測(cè)方式采用ADCP對(duì)上斷面水量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在儀器安裝完成后對(duì)入滲儀進(jìn)行調(diào)平配置。

2.2 滲漏水量估算精度驗(yàn)證

結(jié)合11個(gè)土壤深層入滲儀連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)比分析改進(jìn)前后算法對(duì)大凌河沿程斷面滲漏水量的計(jì)算精度。對(duì)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(duì)比

在大凌河從上游到下游凌海水文站每隔40km安裝1個(gè)土壤入滲監(jiān)測(cè)儀器，對(duì)河道滲漏水量進(jìn)行同步觀測(cè)，為保證數(shù)據(jù)觀測(cè)的連續(xù)性和穩(wěn)定性，對(duì)土壤入滲儀監(jiān)測(cè)儀器觀測(cè)的水量進(jìn)行分析，通過分析儀器觀測(cè)的土壤入滲儀相對(duì)較為穩(wěn)定，但在汛期各土壤入滲儀監(jiān)測(cè)的水量相對(duì)較大，存在一定的監(jiān)測(cè)誤差，為對(duì)大凌河沿程斷面河道滲漏水量進(jìn)行相對(duì)較為準(zhǔn)確的對(duì)比，采用11個(gè)監(jiān)測(cè)斷面滲漏量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的均值，并對(duì)其監(jiān)測(cè)的奇異值進(jìn)行了剔除。從改進(jìn)前后大凌河各監(jiān)測(cè)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(jìn)前后同程演進(jìn)算法下估算斷面滲漏量和實(shí)測(cè)監(jiān)測(cè)斷面滲漏量的計(jì)算誤差可看出，相比于改進(jìn)前的同程演進(jìn)算法，改進(jìn)后算法下各斷面計(jì)算誤差均值可降低15%，這主要是因?yàn)楦倪M(jìn)的同程演進(jìn)算法可綜合考慮上游斷面來水對(duì)其河道滲漏影響，使得其計(jì)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(duì)各斷面滲漏水量的影響。

2.3 上游來水方式對(duì)滲漏速率影響

在改進(jìn)前后同程演算方法對(duì)河道滲漏水量分析基礎(chǔ)上，針對(duì)上游斷面長(zhǎng)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(duì)河道速率影響結(jié)果如圖1所示。

圖1 上游來水方式對(duì)河道滲漏速率影響分析結(jié)果

以大凌河不同時(shí)段上游長(zhǎng)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(zhǎng)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(dāng)上游來水量達(dá)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(shí)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(shí)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(duì)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(shí)段較為集中，而來水量較小時(shí)，其河道滲漏速率沿程變化差異度降低，且時(shí)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(shí)需要對(duì)其上游來水尤其是季節(jié)性來水量進(jìn)行重點(diǎn)考慮。

2.4 水深對(duì)河道滲漏率影響分析

河道上游來水對(duì)河道滲漏率影響較大，尤其是對(duì)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(shí)其滲漏速率變化較大且時(shí)段較為集中，而季節(jié)性來水量較小時(shí)其滲漏速率變化較小，此外河道沿程水深的變化對(duì)其滲漏速率影響也較大，為此結(jié)合各監(jiān)測(cè)斷面滲漏水量數(shù)據(jù)，對(duì)其不同水深對(duì)河道沿程滲漏率的影響進(jìn)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?yàn)殡S著水深的增加其滲漏速率有所增加，當(dāng)增加到河道沿程最大滲漏能力時(shí)，河道沿程不再滲漏水量，此時(shí)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(shí)其遞增率較為明顯，而隨著滲漏時(shí)間的不斷增加當(dāng)水深在20～30cm之間時(shí)其滲漏速率的增幅有所減緩，當(dāng)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(duì)應(yīng)下的沿程斷面滲漏率可為其河道最大滲漏能力。當(dāng)水深高于50cm后大凌河河道沿程滲漏速率逐步遞減，此時(shí)河道滲漏水量不再增加。

3 結(jié)論

(1)采用改進(jìn)的同程演進(jìn)算法對(duì)河道沿程滲漏水量進(jìn)行估算時(shí)，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(duì)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(shí)段較為集中，而來水量較小時(shí)，其河道滲漏速率沿程變化差異度降低，且時(shí)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(shí)需要對(duì)其上游來水尤其是季節(jié)性來水量要重點(diǎn)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(duì)其滲漏水量的影響。