水利工程论文-太行山典型小流域潜流动态变化研究.doc

水利工程论文-太行山典型小流域潜流动态变化研究摘要：为了科学地对太行山区地下水环境进行综合评价，本试验采用了“翻斗式”自计量水技术，对该区普遍存在的裂隙潜流的动态变化过程进行新监测.根据监测的数据分析了该区潜流的日动态变化过程和水文年动态变化过程，分析结果说明造成这种动态变化的根本原因是太阳净辐射的变化，直接原因是植物的蒸散作用；同时，降雨对潜流的年内变化也有着直接的影响.关键词：典型小流域潜流动态变化1太行山地下水环境概况太行山区主要以花岗片麻岩为主，另有少量的石灰岩区，其中花岗片麻岩区基岩裂隙一般比较发育.由于地质构造、岩性、地貌的不同、造成山区地下水的资源量在时空分布与存在形式上均有较大差异，山区地下水按其不同的存在形式，可分为裂隙水、孔隙水及岩溶水.其中裂隙水主要以裂隙岩体非饱和流的形式存在于花岗片麻岩区的基岩裂缝中，孔隙水主要以潜流的形式存在于山间河谷区的砂砾石层中，而岩溶水主要以承压的形式存在于石灰岩区的溶洞中.从蓄水构造的角度讲，3种形式的地下水均需要不漏水的基底、较大的集水面积和能蓄水的含水层.在花岗片麻岩区一般由于基岩裂隙发育比较广泛，因此裂隙水较普遍；但由于缺乏良好的能够蓄水的含水层，从而造成裂隙水的水量较小，同时这也是造成山区裂隙水资源利用率较低的一个重要原因.但作为山区唯一而宝贵的水资源，始终是当地人民生存与发展必不可少的资源之一.2典型小流域基本概况典型小流域位于中科院太行山山地生态试验站的西侧，东经1141558，北纬375244，典型小流域属花岗片麻岩山地，流域面积0.02625km2，植被是20年生的人工刺槐疏林.坡面坡度在25%35%之间的占90%左右，平均坡长为65m，阴坡面上的土层厚度在2030cm之间的占50%左右，而阳坡面上的土层厚度在05cm之间的占90%左右；主沟为人工水平台地，土层厚度在1.0m左右，东西走向.典型小流域基岩裂隙比较发育，多年平均地表径流系数较小，而浅层地下潜流在全年的绝大部分时间都存在.典型小流域潜流属于裂隙岩体非饱和渗流，其实质是“水在由局部饱和区域构成的连通渗流路径中的流动”.3截潜工程及量测系统为了研究潜流的动态变化规律及充分利用有限的水资源，在典型小流域的出口处修建了截流沟和集水池，截流沟和集水池之间用管道连接，同时为了能让截流沟所截出的水全部及时的流入蓄水池，管道的首部紧挨着截流沟的底部，并以5%的坡度铺设管道.由于潜水流量较小，一般在1001/h以下，常用量水设备与方法(水表、堰流法)均不能较准确对潜流进行长期连续监测.经过长期不断研究与探索，在受数字(自计)雨量计的启发的基础上，大胆地将日本千叶大学教授新滕静夫自行研制的“翻斗式”自计量水系统用于小流域潜流的监测中，从监测手段上避开了通过测定水位来求得流量的传统方法，从而避免了水温对水位测定所带来的影响.该系统主要由“翻斗式”量水器和事件记录仪(或数据采集器)组成；在起初使用事件记录仪(HOBO)的过程中，由于其内存有限(一般为2000次或8000次)，只能连续监测2d左右，不能满足监测需要，同时所带来的工作量也较大，后经进一步研究，最后将数据采集器(CR10X)与“翻斗式”量水器有机的结合在一起，便使“翻斗式”自计量水系统达到了比较完备的阶段.4潜流动态变化4.1潜流日变化潜流日变化在不同的季节具有不同的变化情况.在夏季，日变化比较明显；在冬季，日变化比较平缓；而春季和秋季的日变化介于冬夏之间.图1为典型小流域2000年夏季(六月下旬)和冬季(12月下旬)典型3d的潜流变化情况.从图中可以看出，在夏季，潜流的日变化有一个共同的特点，即在每天早晨6：00前后，潜水流量达到最大，之后将一直减小，直至下午18：00左右，降低到最低点，早晚潜水流量之比约为1.21；从3d的整体情况看，潜水流量是呈减小趋势，以每天的最大值计，3d时间流量减少了21.21/h.根据以上分析，潜流动态日变化可用一句话来概括，即“夜间(18：006：00)逐渐增大、白天(6：0018：00)逐渐减小的类似正弦曲线的变化趋势”；图1潜流动态日变化曲线在冬季，潜流的日变化比较平缓，且无类似正弦曲线的变化趋势；而在春季和秋季，潜流的日变化情况介于冬夏之间，春季和秋季的日变化较夏季不同之处主要在于，白天潜水流量减小的阶段有所缩短，即早上开始下降的时间有所后移，而傍晚开始上升的时间有所提前.4.2潜流的年内变化图2为典型小流域1999年6月至2000年6月的一个水文年内，潜水流量的动态变化曲线.从图2中可以看出，典型小流域潜水流量在一个水文年间的变化较大，以2月份所测得的流量最大(62.41/h)，以6月份所测得的流量最小(11.041/h).在一个水文年内，随着雨季的到来，潜水流量开始增长，但这种增长较降雨稍有滞后，且极不稳定，这种增长将一直持续到第二年的2月份，而后又逐渐下降至6月份.在潜流增长阶段的前期(611月)由于强烈的植被蒸散，潜流增长比较缓慢，有时还表现出忽升忽降的现象；在后期(122月)由于植被的蒸散较前期大大减小，从而潜流的增长比较快.在潜流下降阶段，同样由于植被蒸散情况的不同，在前期(24月)潜流下降较缓慢，而在后期(4-6月)潜流下降较快.5潜流动态变化结果分析典型小流域浅层地下潜流的补给源主要是天然降雨，并且主要是当年和前一年的降雨，或着说就是当年(以水文年计)的降雨；排泄方式主要有植物的蒸腾失水和沟口的流出失水两种.影响潜层地下潜流的因素很多，其变化受天文、气象、水文、地质、生物等多方面的自然因素和人为活动的影响.图2潜流的年内变化图3降雨对潜流变化的影响5.1降雨对潜流变化的影响降雨作为典型小流域浅层地下潜流的主要补给源，它直接影响着潜流的变化，特别是在雨季来临前，由于春旱和强烈的大气蒸发力作用，经常导致潜水的断流，而后又随着雨季的来临骤然增加，恢复潜流.但如果不是连续降雨或阴天，潜流会很快下降至某一数值.然后再以较平缓的趋势变化.图3为1999年雨季来临前后，典型3d的潜水流量的日变化情况.由1999年6月16日和1999年7月12日2d的变化情况可以看出，在前期土壤含水量较小的情况下，一场53.9mm的降雨，对潜流几乎没有什么影响，依然持续雨季前的下降趋势.图4六月下旬至七月中旬的降雨情况由1999年7月12日和1999年7月13日2d的变化情况可以看出，在刚刚降雨53.9mm左右的基础上，再降雨86.2mm，潜流有了明显的变化，由1999年7月12日的平均流量5.41/h，骤然增大到1999年7月13日的平均流量56.481/h，将近增大了10倍.图4为6月下旬至7月中间的降雨情况.其中6月28日至7月11日共降雨53.9mm，7月12日降雨