研究生暑期学习报告

暑期学习报告水工结构-赵彪目录低温水入渗1他山之石-拆坝后的影响2潜流交换与潜流带的简单认识3学习感悟41.低温水入渗低温水--库底水〔滞温层,常年维持在5-12℃〕更是接近当地年平均温度。

典型水温分层型水库示意图1.1.低温水入渗背景对于我国现在高坝林立的现状，尤其是蓄水后由于水体体积和过水面积过大，水流流速减缓，导致库水温垂向分布呈现不同分层，从上至下温度温度骤降，尤其库底水〔滞温层,常年维持在5-12℃〕更是接近当地年平均温度。由于这些情况的存在，当在夏季高温情况下泄库水，局部低温水经引水发电下泄至河道，入渗至两岸引发下泄河道两岸温度场的骤然变化，低温水同时也会对农作物的生长产量产生较大影响，同时对于整个微生物群和生态环境均产生较大影响。所以以低温水入渗土壤为切入点研究土体水热运移规律，改善补救措施，弥补环境破坏损失有着重要的学术和应用价值。1.2探究过程实验通过控制渗水温和水头，对长88cm半径10cm的土柱进行低温水入渗实验，通过土体上布置的12个温度采集器，观测土体温度变化过程。利用VS2DH进行一维土柱低温水入渗模拟，对渗透率、孔隙率和温度场变化进行敏感性分析。结果说明，模型可以准确模拟不同入渗水温和水头条件下的土壤渗流场和温度场变化。。低温水对于地质，生态，生物等各个方面的影响，还有待我们继续探究，这一方面仍处于开发阶段。

一维土柱模型1.3探究结果模型可以准确模拟不同入渗水温和水头条件下的土壤渗流场和温度场的变化；渗透率是影响低温水入渗时热运移的主要因素。2.他山之石-拆坝后的影响1.河流流速增大2.河流水温变化3.水流含砂量的变化4.鱼类洄游通道的恢复5.河岸植被的变化拆坝运动背景随着我过上世纪六七十年代的建坝大潮，我国许多大坝也度过了五十岁生日〔大局部大坝的使用寿命为50-100年〕，随着一些使用年限到期、功能丧失、运行效益差等情况时，大规模的除险加固已经不能满足大坝的平安经济运行时。势必有局部大坝面临撤除的境地，与此同时，大坝的撤除对于我们生态环境、生物的影响是怎么样的。于是我看到了这篇文章，因为西方国家工业较我国开展较快，所以他们已经比我们提前来到了拆坝高潮期，我们面临这些问题可以借鉴他们的一些经验，同时取其精华去其糟粕，因地制宜的处理我国水利建筑物所面临的问题。美国大坝撤除原因百分比撤除大坝坝高分布撤除年代分布拆坝的局部影响拆坝对于河流生态系统影响巨大，主要包括河流对物理、化学、生物的变化范围、过程等。拆坝后河流的生态修复是一项十分艰巨的任务，对鱼类生长环境影响的评估是河流生态修复的重要工作之一。关系到河流生态系统的可持续开展、水利渔业平安生产等目标。2.1河流流速增大拦河筑坝改变了原河流的自然状态，控制和调节了河流的流量，使河流水流量保持相对稳定的状态，大大减小了由降雨引起的洪水影响，坝后水位变化不大。大坝撤除后河流失去了水库的调节作用，流量会随着降雨量产生变化。河道的流速势必增大，尤其是急弯、险滩、跌破等处流速明显增大，造成鱼类生长环境的恶劣变化，小着可能减产，大着可能面临绝种。2.2河流水温的变化水温是鱼类生存栖息地环境的重要指标，直接影响到鱼类生长、发育和繁殖。水库的水温主要受到太阳辐射和气温。一般的说，夏天炎热季节，水库外表温度较高，而底部较低，冬夏季。水库外表温度过低，而底部较高。建坝以后，河流中原本流动的水在水库里停滞后便会产生一些变化，同时产生的泥沙沉淀，导致水库淤积，使河流由浑浊变为清澈，透明度增大，吸收太阳光辐射能力增强，水库水温生高。拆坝后造成具体水温的影响的研究处于初步阶段，一般认为会造成水温下降。如加拿大芬利森坝撤除后，河流水面的外表温度平均降低了2-5摄氏度，这样会比较适宜冷水鱼的生存，而不适合温水鱼和热带鱼的生长繁殖。2.3水流含砂量的变化鱼卵孵化需要水中氧气充足，需要松散的沙砾石保护鱼卵。大坝建成运行数十年里由于大坝阻挡了河流泥沙的运移，降低了水流坡降是水流携带的大量泥沙淤积库底。拆坝以后库内淤积的泥砂失去了大坝的支护，随着流速的增大，河水会冲刷原库底泥砂，使河流含砂量增大，河水浑浊，抬高低游河床。对于鱼类产卵繁殖产生了一些影响。2.4鱼类洄游通道的恢复大坝建设切断了洄游性鱼类的洄游通道，使一些需要洄游到河道上游产卵的鱼类无法产卵繁殖，而在上游库区繁殖的幼鱼和雌鱼也无法洄游到下游成长发育，久而久之造成洄游性鱼类数量下降。如由于三峡大坝的建成长江流域内的中华鲟数量明显下降，通过建设过鱼道，同时进行人工养殖，才有效防止了中华鲟鱼的绝种。如美国阿拉巴马州塔泊萨河上的梭罗大坝，经过治理后，鱼类种量从25种到46种。对于梯度开发的河流上存在多座大坝假设只撤除其中一座或几座，没有完全撤除河流上所有大坝，鱼类的洄游通道没有完全恢复，鱼类也无法洄游产卵，因此，还必须采取其他救鱼措施如鱼道、升鱼机等过鱼建筑物加以解决，也可采取人工繁殖鱼苗的生态补偿措施补救。2.5河流岸植被变化

拆坝以后库区水位下降，大量水生植物如睡莲、莴苣、水葫芦等向自然和段下游漂流，浮游性植物大大减少，湿生植物取代了水生植物种群，形成了新的湿生植物群落。蓄积在水库周围岸边的水潭和泥沼内的大量有机淤积物为植物生长提供了充足的养分，为生物群落提供良好的生存条件。鱼类生态环境修复的工程措施一、河流岸坡植被修复二、处理库底淤积三、鱼类栖息地修复3.潜流交换的探究1.潜流带和潜流交换2.潜流交换机理3.潜流交换的影响因素4.各物质的潜流交换5.潜流交换对生态环境的影响3.1潜流带与潜流交换3.1.1河水和地下水交混区域———潜流带。3.1.2河水和地下水之间相互作用———潜流交换。潜流带潜流交换3.1.1潜流带河水和地下水交混区域———潜流带。河流中颗粒和溶质交换、新陈代谢和储存的主要场所。同时潜流带还是许多动物的避难和居住的重要场所。潜流带是指河流河床内水分饱和的沉积物层,是河水和地下水相互作用的区域,也是河床中能与河流存在物质和能量交换的区域。潜流带也被定义为外表水和地下水双向迁移和混合的区域。同时含有河水和地下水是潜流带一个重要特征。河水含量大于10%但小于98%。潜流带与河道的饱和地下区域相连,与河道共有一定的生物、化学、物理特征。潜流带是位于溪流或河流河床之下并延伸至河溪边岸带和两侧的水分饱和的沉积物层,潜流带是河流或溪流连续性的重要组成局部,它有效地连接着河流的陆地、地表和地下。3.1.2潜流交换河水和地下水之间相互作用———潜流交换。潜流交换引起溶质在河床中的滞留,影响着溶质在河流中的迁移。营养盐和污染物在通过河水-地下水界面时主要受潜流交换的控制。潜流交换一般定义为水和溶质在活动河道和河床及河岸中的地下沉积层之间的交换。潜流交换是独特的,因为进入潜流带中的河水最终在下游的一些点返回河流中。潜流交换定义开始用时,主要指的是水交换,随着对河道-地下之间的研究的越来越深入,人们开始把溶质、颗粒、胶体等在河道和地下之间的相互作用也称为潜流交换。因此这里给出潜流交换的广定义:物质(水、溶质(保守性溶质、反响性溶质)、颗粒和胶体)在河道和河道附近的饱和沉积层之间的相互交换称之为潜流交换。测量潜流交换的三种方法:液体比重测定法、地下溶质示踪剂法和河流示踪剂法。3.2潜流交换的机理泵吸交换冲淤交换混合潜流交换泵吸交换河床形态或者其它不规那么性(如原木、大石块和水外表地形)会引起水头梯度(或者压力变化),这些水头梯度诱导了对流传输,产生了潜流交换。河床形态引起泵吸交换，由三角形沙床外表引起的剪切流的扰动产生了压力变化,压力变化导致孔隙水移动,河流和饱和沙床之间发生了交换,这种交换被称为泵吸交换。泵吸交换发生非常广泛,不仅在河流中,在海岸带和沿海浅滩沙丘也有潜流交换的产生。三角形河床的泵吸交换冲淤交换当河床形态移动时,在河床形态的上游迎风面受到水流冲刷,泥沙被冲走,释放孔隙水;在河床形态的下游避风坡处,冲走的泥沙在此处沉降,截留河道水充当河床新的位置的孔隙水,这个释放和截留孔隙水的过程引起河床与河流间的物质交换,称为冲淤交换。冲淤交换主要发生在河床形态移动或者河床冲刷地区。理想状态下三角形河床形态的冲淤交换混合潜流交换一般在河床移动时,既有冲淤交换,也有泵吸交换,这两者的混合被称为混合潜流交换。在沙丘的迎风面受到冲刷作用,沉积物被冲走,释放孔隙水到河道中;在沙丘的避风面泥沙沉降,截留河流中的水充当孔隙水;由于有沙床外表的地形起伏,水流发生变化,产生压力分布不均,在沙床上就有潜流交换流动,使河道和沙床之间发生潜流交换。大局部移动的河床形态都造成混合潜流交换3.3潜流交换的影响因素发生在河流中的潜流交换是非常复杂的,受多种条件的影响。Packman对各种水槽实验分析得出潜流交换率与河床沉积物的渗透性成正比,与河流流速的平方成正比,与河床深度成反比,与沉积物的空隙率成反比。交换也受河床形态的几何形状的影响,特别是与河床形态相关有渗透。在空间尺度上潜流交换随着流量、梯度、河床形态、沉积物的渗透性和水外表坡度而变化。流量和流速的影响随着流量的增加,相应的湿周也增加了,致使外表水和沉积物有更多的接触,增加了潜流交换的时机。调查数据说明,高流速比低流速的潜流交换势要大;河流流速对交换势的影响要比河岸的浸润的季节变化对交换势的影响要大。Jonsson通过对在潜流带的无量纲滞留时间与河流弗劳德数的相关性分析,得出随着弗劳德数的增加,潜流交换率增加,而随着弗劳德数的增加溶质的滞留时间下降。在对河流评价中如果采用常数流量将导致潜流交换被低估,非稳定流的影响是非常大的,例如洪水对潜流交换影响就是非常大。河床的几何情况

溪流和河流中的观测和详实的实验室观测揭示河床形态上的压力不同和流动障碍引起了溶解性物质在潜流交换作用下进入潜流带。在实际河流中,潜流交换率和潜流带范围在空间分布上是不均匀的。自然状态的河床形态交换量大于平整河床形态的交换量,三角形河床的初始交换量要大于正弦波形河床的交换量,但是三角形河床的交换率下降更快。典型沙丘引起的泵吸交换和潜流交换河床的不均匀性与均匀河床相比,不均匀河床水力传导性引起通过界面的平均流量在空间上变化更大。通过模拟河床流动,不均匀导致的潜流交换增加了17%到32%。河床分层结构关系产生了有效的各向异性,这种分层结构使水流更偏爱在空隙中纵向流动;河床分层结构关系引起了平均孔隙水流随深度方向发生了相对快速的下降。与均匀河床相比,进入河床的溶质被限定在更浅的区域。更快的外表迁移和更浅污染物渗入的结合产生了更短的平均滞留时间。河床泥沙的不均匀性对潜流交换产生了更大的空间局限性。在不均匀河流中潜流交换发生更大的空间变化。河流形态

河流弯曲处也能产生潜流交换和滞留性,但是比上面提到的由河床形态引起的潜流交换在空间尺度上要大的多,水流从侧面经过了一定的距离,再重新回到河道。Baxter通过量化在多重空间尺度(排水段、山谷段、宽阔地段和河道段)的潜流交换过程,确定在每种空间尺度上与潜流交换相联系的几何特征,测量垂直水力梯度和河床水力传导性来量化潜流交换,得出在全部的尺度上这些鲑鱼的产卵位置与潜流交换有较强的相关性。空间尺度上的水文学和地形学的耦合对潜流交换起着关键的作用。在小的支流中地形对结构潜流交换起着非常大的作用。3.4各物质的潜流交换4.1保守性溶质的潜流交换4.2胶体3.4.1保守性溶质的潜流交换对溶质进入河床进行机理行的实验研究,得出当河床静止或者移动较慢时,用泵吸交换模型进行了模拟,取得了较好的成果。但对平的河床交换的机理没有做出合理的解释。河床移动较快时用冲淤模型进行了模拟,在实验初始阶段模拟较好,但是实验后期模拟结果与实测值相比偏小。在河床静止或者移动速度很慢时,明显可以看出进入泥沙的前头的溶质呈一定的弧线分布,快速移动的河床溶质进入河床的前头局部大概水平。Packman对移动河床进行实验和模拟得出,在开始阶段主要是冲淤交换,发生在表层,在运行一段时间后,主要是泵吸交换,发生在深层。初始阶段用几何模型来计算交换量,后来用对流分析其交换量。当河床移动非常缓慢时,冲淤交换可以忽略不计。胶体对潜流交换的影响粘土沉积到沙床中主要有三个作用:第一,泵吸交换或者冲淤交换引起的;第二是沉降引起的;第三是过滤引起的,过滤主要是由化学和静电作用引起的。由于沉降和过滤的作用,使胶体颗粒的潜流交换速率比保守性溶质要快。过滤和沉积对胶体在河床中沉积的影响。针对胶体的潜流交换实验得出,上覆水中胶体的浓度下降速度要比保守性溶质的浓度下降更快。循环水槽实验,通过测量上覆水的浓度下降来确定进入河床的胶体的量。由于水流作用和粘土颗粒太小,有小局部不能沉降。在当外表水流泥沙浓度不高的情况下,截留的粘土能够释放到水体中。大量粘土在河床上聚集改变孔隙水流环境,这改变了通过河流-沙床界面的流量和泥沙在河床中的沉积。细颗粒泥沙在河流-沙床界面被去除掉。即使当河床外表是均匀的,当粘土沉积后也变得不均匀。3.4.3反响性污染物和胶体的结合在外表水中吸附性污染物的运动依赖于悬浮泥沙和床沙。不同性质的离子可能改变胶体外表的性质,也可能改变床沙的性质,进而影响交换量。Ren的实验证实了这个结论,具有吸附性外表带不同电荷的离子,影响了赤铁矿在潜流带的交换。不同性质的泥沙对污染物停留在河床中也会产生重要的影响。3.5潜流交换对生态的影响潜流交换控制着多种栖息地因子(也就是温度