第二篇水量平穩(wěn)原理與水壓力

1、第二章水量平穩(wěn)原理與水壓力水庫的水量平穩(wěn)水庫的水量損失是指因?yàn)樾藿ㄋ畮?，改變了河流的自然狀況而增加的額外水量損失。修建水庫后，庫區(qū)水面面積增大，因水面蒸發(fā)的蒸發(fā)量大于陸面蒸發(fā)，使蒸發(fā)損失加大。另外，水庫建成蓄水后，水位升高，水壓增大，滲漏的面積和部位增多，使?jié)B漏損失也加大。蒸發(fā)損失和滲漏損失是水庫水量損失的要緊部份。通常，水庫中的水損失是能發(fā)覺的，但很難定量地去計(jì)算，因?yàn)橐环矫鎿p失的水并非完全出此刻下游，另一方面，一部份水流入地下的含水層，或一部份進(jìn)入本地下游的水庫和河流，從而出滲口逸出的水并非代表損失水的總量。該情形下，可通過水量平穩(wěn)計(jì)量水的損失量。計(jì)算水量平穩(wěn)時(shí)需要在這段時(shí)刻內(nèi)操縱入水口和

2、出水口，通過計(jì)算入水口和出水口之間總水量的差值就可求出水的損失量，通過庫水位能夠反映出來，平穩(wěn)方程可表示為：(Qin)SW(Qin)GW(Qin)PREC(Qout)SW(Qout)EVAPQLEAKQ式中：Qin一操縱時(shí)刻內(nèi)流入的總水量；Qout一流出的總水量；(QGprec一直接降落在水庫表面的降雨量；下標(biāo)SW、GW、PREC和EVAP各自代表地表水，地下水，降雨量，蒸發(fā)量1。這些參數(shù)的數(shù)值依托于本地要緊水流條件，很容易產(chǎn)生較大的誤差。尤其流入量時(shí)斷時(shí)續(xù)的小溪僅僅在下雨時(shí)才會(huì)有水流，只有當(dāng)整個(gè)誤差與損失的水量相較極為微小時(shí)，平穩(wěn)方程才能知足。大多情形下，尤其是當(dāng)損失的水量比流入和流出的總水

3、量小時(shí)，那個(gè)條件很難知足。因此選一個(gè)恰那時(shí)期來研究水量平穩(wěn)是超級(jí)重要的，通常，可依照本地的降雨情形，選擇干旱季節(jié)流入量較小時(shí)研究水量平穩(wěn)。有些情形下，類似于式的平穩(wěn)方程能夠用其它形式推斷出來。一按時(shí)期內(nèi)，流入水庫的水的某一化學(xué)成份或同位素老是以一脈動(dòng)的形式顯現(xiàn)，因此可依照要緊條件，利用流入水庫中不同水量的成份如Cl-，SO42-，NO3-，18O等濃度的誤差來表示新的平穩(wěn)方程，這些濃度由實(shí)驗(yàn)決定，該方程(或方程組，若是不止利用一種化學(xué)成份)聯(lián)合式那么可排除一個(gè)或多個(gè)很難或幾乎不可能確信的參數(shù)。庫水位的阻礙滲漏定律成立庫水位與下游泉眼中出水量之間的關(guān)系是超級(jí)重要的，那個(gè)關(guān)系給出了滲漏水頭與滲漏流

4、量之間的對應(yīng)關(guān)系，這確實(shí)是通常所說的滲漏定律。正如以下章節(jié)將講到的，研究庫水位與周圍鉆孔中的水位轉(zhuǎn)變關(guān)系也是很重要的，即含水層中的水位高低反映了庫水位的轉(zhuǎn)變。該方式需要按期地測量不同庫水位時(shí)滲流出逸處的水流速度，顯然，測量的次數(shù)應(yīng)依照庫水位的轉(zhuǎn)變來選擇，考慮到每一出逸處的水流量互不阻礙，而且每一出逸處的水量轉(zhuǎn)變對庫水位的反映不同，因此單獨(dú)測量每一出逸處的流速是超級(jí)重要的。另外，水在地層中的運(yùn)動(dòng)時(shí)刻不同，滲漏途中溶解的化學(xué)成份不同也就專門大。因此水中的化學(xué)和同位素成份（如穩(wěn)固的環(huán)境同位素笊、氧-18等，見第五章），出水點(diǎn)水溫都能提供有效的信息，以幫忙咱們辨別滲漏水是不是來自于不同的地下水，即便是

5、由同一層地下水補(bǔ)給的，在不同的出逸處水所含的化學(xué)成份也各不相同。所取得的數(shù)據(jù)可描成圖表，當(dāng)所有滲漏水流都來自水庫的同一高程，相應(yīng)的水流速度與庫水位之間的函數(shù)關(guān)系常為直線，水流速度與庫水位或水頭成正比關(guān)系，將流速直線向橫坐標(biāo)延伸并與之相交，可取得滲漏的起始坡降，如下圖。圖滲漏流速與庫水位于之間的轉(zhuǎn)變關(guān)系圖有時(shí)，受水庫第二滲漏地帶阻礙，流速與水頭之間的直線關(guān)系的角度發(fā)生轉(zhuǎn)變，必然程度上，當(dāng)直線的角度轉(zhuǎn)變時(shí)，現(xiàn)在水位的轉(zhuǎn)變更大。由于相應(yīng)的滲流端面的面積在擴(kuò)大，往不同方向擴(kuò)散的滲流（滲流發(fā)生的高程范圍專門大），滲透流速與水頭之間并非呈直線關(guān)系，而是曲線關(guān)系，且角度隨水位不斷增加。泉和孔中的流速對水庫水

6、位轉(zhuǎn)變的響應(yīng)泉中水流速度與庫水位之間的函數(shù)關(guān)系反映了水庫與下游泉水之間的水力聯(lián)系特點(diǎn)。滲漏流速取決于本地巖層的滲透性，另一方面，也依托于水庫與泉之間的巖層的儲(chǔ)水量，這些水體使?jié)B透水流具有持續(xù)性，而且使得滲漏流速達(dá)到最大值與庫水位達(dá)最大值有一個(gè)時(shí)刻上的滯后。庫水位的上升和下降的水力轉(zhuǎn)變進(jìn)程與所觀測到的泉中水流轉(zhuǎn)變進(jìn)程是不同步的，庫水位上升時(shí)，一部份水流將填補(bǔ)地層中的孔隙，因此，泉中流速增大進(jìn)程將有必然的滯后，那個(gè)時(shí)刻幅度依據(jù)流入孔隙內(nèi)的水體體積與進(jìn)入滲透層的水體體積的比率而定；庫水位下降時(shí)，貯存在孔隙內(nèi)的水將通過泉排放出來，因此，滲漏流速的減少仍然有必然的滯后，在這兩種情形下，當(dāng)孔隙的體積增加時(shí)

7、，這一滯后的時(shí)刻進(jìn)程將會(huì)增加。水填補(bǔ)孔隙的速度在圖中可清楚地反映出來。水庫注水時(shí)，可取得反映泉水流動(dòng)速度轉(zhuǎn)變與庫水位上升轉(zhuǎn)變之間函數(shù)關(guān)系的直線A,由于適合的大氣條件，水庫注水專門快完成，但出滲口的流速及水量繼續(xù)增加，乃至庫水位已達(dá)到最大值時(shí)，流量仍在繼續(xù)增加，從287L/S至ij345L/S,如B線所示。當(dāng)孔隙全被灌滿后，水流漸趨穩(wěn)固，水庫放空時(shí)，可取得C線，這一進(jìn)程也在短時(shí)刻內(nèi)完成。C線和A線的差值反映了泉水轉(zhuǎn)變與庫水位降低時(shí)的滯后，很明顯，若是注水和放空水庫的速度很慢，將會(huì)取得標(biāo)有特點(diǎn)D的類似直線，由于孔隙的阻礙，這條線與C線有必然的不同，該事例中，孔隙的體積專門大，它是在勘測某一廢棄的礦

8、山時(shí)在地層中挖了幾個(gè)廊道形成的。上述結(jié)論說明：同一個(gè)泉中的水流在同一庫水位下是不一樣的，它依托于本地的狀況，兩種條件下取得的水流情形的差值專門大程度上取決于庫水位的轉(zhuǎn)變，同時(shí)，也依賴于水位轉(zhuǎn)變范圍內(nèi)巖層中孔隙的體積。圖水庫的滲透流速與庫水位之間的關(guān)系圖附注：A線：水庫快速注水時(shí)的流速與庫水位之間的關(guān)系；B線：庫水位達(dá)到最大值后滲透流速仍在增大；C線：水庫快速放空時(shí)的流速與庫水位之間的轉(zhuǎn)變關(guān)系圖;D線：緩慢注水與放水時(shí)大致的流速與水位之間的轉(zhuǎn)變圖。0IC 152025時(shí)間(d)(*kJ O 5 O 5 0 儀 5 ” H M 7 7 7 7 7 750oo50m50oo 3 3 2 2 1 Ms

9、te說S翳735730圖水庫的滲透流速、庫水位與時(shí)刻的關(guān)系圖附注：A線：庫水位隨時(shí)刻的轉(zhuǎn)變曲線；B線：圖所示的水庫中所有泉中的總滲透流量曲線；C線：水庫緩慢注水時(shí)一樣的泉的滲透流量，利用B線和C線的差可估算滲漏區(qū)域內(nèi)的最小孔隙體積。.滲漏的時(shí)刻演變正如前面章節(jié)所述，引歷時(shí)刻參數(shù)來研究滲漏理論是超級(jí)方便的，通常繪制圖表(如圖)來分析庫水位與泉中的水流轉(zhuǎn)變與時(shí)刻的函數(shù)關(guān)系，那個(gè)圖表與圖描述的是同一個(gè)水庫。從圖中可看出，庫水位上升與下降專門迅速。可通過快速注水與緩慢注水時(shí)泉中水流流量差，估算出滲流區(qū)域的最小間隙體積，若是條件許諾的話，最后的水流情形可用實(shí)驗(yàn)來測定，取得的結(jié)果也可用來估算泉與水庫間地層

10、中的最小孔隙體積，即庫水位維持最大高程長時(shí)刻維持不變，通過計(jì)算泉中的最大水流求得。例如，對應(yīng)于圖中的水庫情形，能夠明白庫水位抵達(dá)732m時(shí)，孔隙內(nèi)開始儲(chǔ)水，當(dāng)最大水位維持足夠長的時(shí)刻，流量達(dá)到最大值287L/S,因此，假設(shè)泉中的流量Q與庫水位h之間存在比例關(guān)系，關(guān)于某一給定庫水位h,流量Q能夠通過兩點(diǎn)間的直線方程計(jì)算出來，這條直線由以下兩點(diǎn)決定：Q=0,h=730m,當(dāng)Q=287L/S,h=761.3m,于是取得如下的直線方程：Q二利用上述方程，對應(yīng)于某一庫水位下的滲漏流量Q能夠計(jì)算出來，圖中的曲線C確實(shí)是利用這種方式取得的，用來填補(bǔ)巖層孔隙的水體體積可利用曲線B和曲線C差值取得，曲線B和曲線

11、C可用圖解的方式取得，那個(gè)實(shí)例中所取得數(shù)值接近3,顯然，那個(gè)數(shù)值是孔隙的最小值，因?yàn)楹芏嗫紫对谧⑺陂g，即便注水時(shí)刻很短，也只是部份被填充。后發(fā)覺這些地層要緊由破碎的白云石形成，它們的孔隙率可能在2%到5%之間，因此，有地下水流滲過的這種巖層的體積在x106m3到x106m3之間，滲漏發(fā)生在這么大的范圍也說明水庫滲漏點(diǎn)與下游泉之間的距離較遠(yuǎn)，這一地域的礦山廊道在孔隙體積中占了專門大一部份，并引發(fā)了很多水體的流失(每秒幾個(gè)立方米)，后利用羅丹明或鈾作示蹤劑的示蹤實(shí)驗(yàn)探測出許多重要的滲漏地帶。水位壓力研究利用堤壩周圍的鉆孔來測量孔中的測壓管水位是調(diào)查滲漏的一種普遍方式，它通經(jīng)常使用以解決以下一些問

12、題：(1)利用等水頭線來決定等壓面，可明白研究區(qū)域內(nèi)滲漏水流的流向。(2)研究庫水位與孔中測壓管水位之間的轉(zhuǎn)變關(guān)系。(3)鉆孔時(shí)通過測定孔中測壓管水位的轉(zhuǎn)變，可明白孔中的水與水庫或與泉之間的水力聯(lián)系。但需要指出的是，利用這種方式取得的結(jié)果表面上簡單，卻很難給出適當(dāng)?shù)恼f明。要緊因?yàn)椋簻y壓管水位作為唯一調(diào)查工具時(shí)，通常并非能提供準(zhǔn)確的信息，依據(jù)本地的水力條件，同一種結(jié)論會(huì)有不同的說明。尤其在處置裂隙巖體時(shí)地下水流能在短距離內(nèi)有專門大的轉(zhuǎn)變。例如：測壓管水位比當(dāng)前庫水位高并非意味鉆孔所截取的地下水與庫水毫無關(guān)系。這種較高的測壓管水位可能來自于地下水的流入，例如：來自上層的含水層，而由水庫滲透過來的水

13、在底層流動(dòng)。一樣，測壓管水位低于庫水位并非表示這二者之間有水力聯(lián)系，也不意味著鉆孔截取了補(bǔ)給下游泉水的地下水，相反，這些低的測壓管水位可能是由于地層滲透性差的結(jié)果，另一方面，低的測壓管水位可能與地下水通過周圍的含水層釋放到堤壩下游有關(guān)，乃至鉆孔中的測壓管水位對庫水位的轉(zhuǎn)變迅速也并非說明鉆孔截取了補(bǔ)給下游泉水的地下水，有時(shí)即便地層的滲透性極為微小，地下水幾乎沒有忽略掉，庫水水頭能夠在短時(shí)刻內(nèi)傳送到孔中。綜上所述，可得出如此的結(jié)論：鉆孔中的測壓管水位對調(diào)查滲漏或滲流問題起了舉足輕重的作用，但并非是唯一的方式，以下介紹一些輔助方式可幫忙分析和說明測壓管數(shù)據(jù)：(1)孔中水柱的溫度和電導(dǎo)可用來判別孔中的水是不是真正來自于水庫。(2)利用第七章講述的技術(shù)方式來測量孔中地下水的流速。(3)對孔中掏出的水樣進(jìn)行化學(xué)和同位素分析，從而了解孔中水的來源，鉆孔中的水與庫水和泉水間的水力聯(lián)系。通常，在水庫周圍鉆孔時(shí)，若是鉆孔所揭露的地層的滲透性較差，孔中的測壓管水位那么比庫水位低，相反，若是鉆孔揭露的地層滲透性較強(qiáng)，而且孔中的水與庫水有聯(lián)系，那么孔中的測壓管