东北旱区典型季节性河流渗漏速率动态变化特征分析

彭振宇

(辽宁省河库管理服务中心(辽宁省水文局)，辽宁 沈阳 110003)

区域地下水的补给主要来自于河道渗漏量，尤其是在干旱缺水的东北旱区，其河道渗漏补给对于其地下水补给和地下水生态复苏十分重要。近些年来，国内对于河道渗漏水量开展了相关研究，取得一定研究成果，其中应用较为成熟的河道渗漏水量沿程分析的方法为同程演算方法，该方法通过对河道渗漏量沿程分析，渗流量估算结果相对较为合理。但同程演算方法由于不能考虑上游来水影响使得其河道渗漏量一般计算值偏大，尤其是对于季节性河流而言，其上游来水存在明显的季节变化，其渗流量计算的适用性一般不高[15]。为此针对传统同程演算计算值偏大的问题，加入上游来水因子，对其算法进行改进，并以东北旱区典型季节性河流大凌河为具体实例，结合现场渗漏量监测结果对其改进前后算法下河道渗漏水量进行验证。研究成果对于东北地区季节性河流渗漏量分许具有重要参考价值。

1 改进同程演进算法原理

河道渗漏沿程水量平衡计算方程为：

(1)

式中，Q河补—河道渗漏水量估算值，m3/s；Q上、Q下分别—上游和下游过水断面流量，m3/s；Q区入、Q区出—上游和下游断面区间水量，m3/s；λ—计算断面水量分配权重；L′—计算断面纵向距离，km；L—河道演算断面计算步长，km。在进行沿程河道渗漏水量计算时需要对其渗漏能力进行计算：

W渗漏=βW上

(2)

式中，W渗漏—估算渗漏沿程水量，mm；β—渗漏能力，结合现场观测试验对该参数进行分析；W上—上断面过水量，mm。河道渗流量考虑季节性河流来水变化分别进行上游、下游断面过水量的估算：

上断面：W渗漏=0.2431W上+2.4835

(3)

上断面：W渗漏=Max((0.243W上+2.4835)，

WSLB(R))

(4)

式中，WSLB(R)—河道底水量，mm，可采用历史同期最低水量最为其底水量值。

2 大凌河河道渗漏率变化分析

2.1 试验方法

以东北旱区典型季节性河流大凌河为具体实例，大凌河河道水量存在明显的季节性丰枯变化，汛期水量为非汛期水量的4～5倍。采用分辨率0.3m的土壤深层入渗仪大凌河沿程每隔40km安装1个，合计安装11个土壤深层入渗仪，对其河道沿程渗漏水量进行监测。在深度为3m土坑内安装土壤深层入渗仪，在入渗仪上端1.8m固定安装1个记录仪，并结合人工观测方式采用ADCP对上断面水量进行监测。在仪器安装完成后对入渗仪进行调平配置。

2.2 渗漏水量估算精度验证

结合11个土壤深层入渗仪连续观测数据，对比分析改进前后算法对大凌河沿程断面渗漏水量的计算精度。对比分析见表1。

表1 大凌河沿程断面河道渗漏水量估算精度对比

在大凌河从上游到下游凌海水文站每隔40km安装1个土壤入渗监测仪器，对河道渗漏水量进行同步观测，为保证数据观测的连续性和稳定性，对土壤入渗仪监测仪器观测的水量进行分析，通过分析仪器观测的土壤入渗仪相对较为稳定，但在汛期各土壤入渗仪监测的水量相对较大，存在一定的监测误差，为对大凌河沿程断面河道渗漏水量进行相对较为准确的对比，采用11个监测断面渗漏量监测数据的均值，并对其监测的奇异值进行了剔除。从改进前后大凌河各监测断面渗漏量值可看出，大凌河沿程断面渗漏水量总体呈现衰减变化，尤其是到下游凌海站断面衰减量较为明显。从改进前后同程演进算法下估算断面渗漏量和实测监测断面渗漏量的计算误差可看出，相比于改进前的同程演进算法，改进后算法下各断面计算误差均值可降低15%，这主要是因为改进的同程演进算法可综合考虑上游断面来水对其河道渗漏影响，使得其计算精度得到一定程度改善。此外通过设置断面权重值，可以降低区间汇水对各断面渗漏水量的影响。

2.3 上游来水方式对渗漏速率影响

在改进前后同程演算方法对河道渗漏水量分析基础上，针对上游断面长期来水、季节性来水两种方法分析其河道渗漏速率的影响，上游不同来水方式对河道速率影响结果如图1所示。

图1 上游来水方式对河道渗漏速率影响分析结果

以大凌河不同时段上游长期来水和季节性来水的渗漏速率可看出，大凌河河道沿程渗透速率在上游长期来水方式下具有较为明显的变化，沿程渗流速率总体稳定在0.2～0.5mm/min之间，随着上游来水量的加大其沿程渗漏速率逐步加大，当上游来水量达到一定程度后，大凌河沿程渗漏速率逐步趋于稳定变化，此时河道渗漏速率为其河道最大渗漏能力。从上游季节性来水方式下大凌河沿程不同时段渗漏速率变化可看出，河道上游来水量的季节性变化对其河道渗漏速率影响较为明显，季节性来水量较大其渗流速率变化较大且时段较为集中，而来水量较小时，其河道渗漏速率沿程变化差异度降低，且时段分布较散，由此可见河道渗漏速率受上游季节性来水影响较大，因此在估算河道沿程渗漏损失率时需要对其上游来水尤其是季节性来水量进行重点考虑。

2.4 水深对河道渗漏率影响分析

河道上游来水对河道渗漏率影响较大，尤其是对于东北季节性河流而言，河道季节性来水量下河道渗漏速率变化较大，季节来水量较大时其渗漏速率变化较大且时段较为集中，而季节性来水量较小时其渗漏速率变化较小，此外河道沿程水深的变化对其渗漏速率影响也较大，为此结合各监测断面渗漏水量数据，对其不同水深对河道沿程渗漏率的影响进行分析，分析结果如图2所示。

图2 大凌河河道沿程渗漏率受水深影响分析结果

从大凌河河道沿程渗漏率受水深影响分析结果可看出，河道沿程渗漏水量随着水深的递增呈现先递增后趋于稳定的变化，这主要是因为随着水深的增加其渗漏速率有所增加，当增加到河道沿程最大渗漏能力时，河道沿程不再渗漏水量，此时水深再增加其河道渗漏水量也不再发生明显变化，且随着水深的增加其渗漏率将逐步下降变化。此外大凌河河道渗漏水量到水深在10cm时其递增率较为明显，而随着渗漏时间的不断增加当水深在20～30cm之间时其渗漏速率的增幅有所减缓，当水深高于30cm后大凌河河道渗漏速率逐步趋于稳定变化，因此水深30cm对应下的沿程断面渗漏率可为其河道最大渗漏能力。当水深高于50cm后大凌河河道沿程渗漏速率逐步递减，此时河道渗漏水量不再增加。

3 结论

(1)采用改进的同程演进算法对河道沿程渗漏水量进行估算时，建议通过设置断面权重值，上上游断面权重值要小于下游断面，可以降低区间汇水对各断面渗漏水量的影响，从而可提高河道渗漏水量估算精度。

(2)东北季节性来水量较大其渗流速率变化较大且时段较为集中，而来水量较小时，其河道渗漏速率沿程变化差异度降低，且时段分布较散，由此可见河道渗漏速率受上游季节性来水影响较大，因此在估算河道沿程渗漏损失率时需要对其上游来水尤其是季节性来水量要重点考虑。

(3)河道渗漏水量影响因素较为复杂，除受河道水深和来水量影响外，还受河道土层地质影响较大，在后续研究中还应增加其土层地质对其渗漏水量的影响。