第二章 水量平衡原理与水压力2.doc

第二章 水量平衡原理与水压力
§2.1 水库的水量平衡
水库的水量损失是指因为修建水库，改变了河流的自然状况而增加的额外水量损失。修建水库后，库区水面面积增大，因水面蒸发的蒸发量大于陆面蒸发，使蒸发损失加大。另外，水库建成蓄水后，水位升高，水压增大，渗漏的面积和部位增多，使渗漏损失也加大。蒸发损失和渗漏损失是水库水量损失的主要部分。通常，水库中的水损失是能察觉的，但很难定量地去计算，因为一方面损失的水并不完全出现在下游，另一方面，一部分水流入地下的含水层，或一部分进入当地下游的水库和河流，从而出渗口逸出的水并不代表损失水的总量。
该情况下，可通过水量平衡计量水的损失量。计算水量平衡时需要在这段时间内控制入水口和出水口，通过计算入水口和出水口之间总水量的差值就可求出水的损失量，通过库水位可以反映出来，平衡方程可表示为：
(2.1)
式中：—控制时间内流入的总水量；—流出的总水量；—直接降落在水库表面的降雨量；下标SW、 GW、PREC 和EVAP 各自代表地表水，地下水，降雨量，蒸发量[1]。
这些参数的数值依赖于当地主要水流条件，很容易产生较大的偏差。尤其流入量时断时续的小溪仅仅在下雨时才会有水流，只有当整个偏差与损失的水量相比极其微小时，平衡方程才能满足。大多情况下，尤其是当损失的水量比流入和流出的总水量小时，这个条件很难满足。因此选一个好的恰当时期来研究水量平衡是非常重要的，通常，可根据当地的降雨情况，利用干旱季节保持较小的流入量选择干旱季节流入量较小时研究水量平衡。
有些情况下，类似于式(2.1)的平衡方程可以用其它形式推断出来。一定时期内，流入水库的水的某一化学成份或同位素总是以一脉动的形式出现，因此可根据主要条件，利用流入水库中不同水量的成份如Cl-， SO42-， NO3-，18O等浓度的偏差来表示新的平衡方程，这些浓度由实验决定，该方程（或方程组，如果不止利用一种化学成份）联合式(2.1)则可排除一个或多个很难或几乎不可能确定的参数。
§2.2 库水位的影响
2.2.1 渗漏定律
建立库水位与下游泉眼中出水量之间的关系是非常重要的，这个关系给出了渗漏水头与渗漏流量之间的对应关系，这就是通常所说的渗漏定律。正如以下章节将讲到的，研究库水位与周围钻孔中的水位变化关系也是很重要的，即含水层中的水位高低反映了库水位的变化。
该方法需要定期地测量不同库水位时渗流出逸处的水流速度，显然，测量的次数应根据库水位的变化来选择，考虑到每一出逸处的水流量互不影响，而且每一出逸处的水量变化对库水位的反映不同，因此单独测量每一出逸处的流速是非常重要的。
此外，水在地层中的运动时间不同，渗漏途中溶解的化学成份差别也就很大。因此水中的化学和同位素成份（如稳定的环境同位素氘、氧-18、氚等，见第五章），出水点水温都能提供有用的信息，以帮助我们鉴别渗漏水是否来自于不同的地下水，即使是由同一层地下水补给的，在不同的出逸处水所含的化学成份也各不相同。
所获得的数据可描成图表，当所有渗漏水流都来自水库的同一高程，相应的水流速度与库水位之间的函数关系常为直线，水流速度与库水位或水头成正比关系，将流速直线向横坐标延伸并与之相交，可得到渗漏的起始坡降，如图2.1所示。

图2.1 渗漏流速与库水位于之间的变化关系图
有时，受水库第二渗漏地带影响，流速与水头之间的直线关系的角度发生变化，一定程度上，当直线的角度变化时，此时水位的变化更大。
由于相应的渗流端面的面积在扩大，往不同方向扩散的渗流（渗流发生的高程范围很大），渗透流速与水头之间并不呈直线关系，而是曲线关系，且角度随水位不断增加。
2.2.2 泉和孔中的流速对水库水位变化的响应
泉中水流速度与库水位之间的函数关系反映了水库与下游泉水之间的水力联系特征。渗漏流速取决于当地岩层的渗透性，另一方面，也依赖于水库与泉之间的岩层的储水量，这些水体使渗透水流具有连续性，并且使得渗漏流速达到最大值与库水位达最大值有一个时间上的滞后。
库水位的上升和下降的水力变化过程与所观测到的泉中水流变化过程是不同步的，库水位上升时，一部分水流将填补地层中的孔隙，因此，泉中流速增大过程将有一定的滞后，这个时间幅度依据流入孔隙内的水体体积与进入渗透层的水体体积的比率而定；库水位下降时，储存在孔隙内的水将通过泉排放出来，因而，渗漏流速的减少仍然有一定的滞后，在这两种情况下，当孔隙的体积增加时，这一滞后的时间过程将会增加。
水填补孔隙的速度在图2.2中可清晰地反映出来。水库注水时，可得到反映泉水流动速度变化与库水位上升变化之间函数关系的直线A，由于合适的大气条件，水库注水很快完成，但出渗口的流速及水量继续增加，甚至库水位已达到最大值761.3米时，流量仍在继续增加，从180287L/S到287345L/S，如B线所示。当孔隙全被灌满后，水流渐趋稳定，水库放空时，可获得C线，这一过程也在短时间内完成。C线和A线的差值反映了泉水变化与库水位降低时的滞后，很明显，如果注水和放空水库的速度很慢，将会得到标有特征D的类似直线，由于孔隙的影响，这条线与C线有一定的差别，该事例中，孔隙的体积很大，它是在勘测某一废弃的矿山时在地层中挖了几个廊道形成的。
上述结论表明：同一个泉中的水流在同一库水位下是不一样的，它依赖于当地的状况，两种条件下获得的水流情况的差值很大程度上取决于库水位的变化，同时，也依赖于水位变化范围内岩层中孔隙的体积。

图2.2　水库的渗透流速与库水位之间的关系图
附注：A线：水库快速注水时的流速与库水位之间的关系；
B线：库水位达到最大值后渗透流速仍在增大；
C线：水库快速放空时的流速与库水位之间的变化关系图；
D线：缓慢注水与放水时大致的流速与水位之间的变化图。

图 2.3水库的渗透流速、库水位与时间的关系图
附注：A线：库水位随时间的变化曲线；
B线：图2.2 所示的水库中所有泉中的总渗透流量曲线；
C线：水库缓慢注水时同样的泉的渗透流量，利用B线和C 线的差可估算渗漏区域内的最小孔隙体积。.
2.2.3 渗漏的时间演变
正如前面章节所述，引用时间参数来研究渗漏理论是非常方便的，通常绘制图表（如图2.3）来分析库水位与泉中的水流变化与时间的函数关系，这个图表与图2.2描述的是同一个水库。
从图中可看出，库水位上升与下降特别迅速。可通过快速注水与缓慢注水时泉中水流流量差，估算出渗流区域的最小空隙体积，如果主要条件允许的话，最后的水流情况可用实验来测定，得到的结果也可用来估算泉与水库间地层中的最小孔隙体积，即库水位保持最大高程长时间保持不变，通过计算泉中的最大水流求得。
例如，对应于图2.2中的水库情况，可以知道库水位到达732m时，孔隙内开始储水，当最大水位761.3m保持足够长的时间，流量达到最大值287L/S，因此，假设泉中的流量Q与库水位h之间存在比例关系，对于某一给定库水位h，流量Q可以通过两点间的直线方程计算出来，这条直线由以下两点决定：Q=0，h = 730 m，当Q=287L/S，h = 761. 3 m，于是得到如下的直线方程：
Q=91699.169h-6693 (2.2)
利用上述方程，对应于某一库水位下的渗漏流量Q可以计算出来，图2.3中的曲线C就是利用这种方法得到的，用来填补岩层孔隙的水体体积可利用曲线B和曲线C差值得到，曲线B和曲线C可用图解的方法得到，这个实例中所得到数值接近70.000m3，显然，这个数值是孔隙的最小值，因为很多孔隙在注水期间，即使注水时间很短，也只是部分被填充。后发现这些地层主要由破碎的白云石形成，它们的孔隙率大概在2% 到 5%之间，因此，有地下水流渗过的这类岩层的体积在1.4×106 m3到3.5×106 m3之间，渗漏发生在这么大的范围也表明水库渗漏点与下游泉之间的距离较远，这一地区的矿山廊道在孔隙体积中占了很大一部分，并引起了很多水体的流失（每秒几个立方米），后使用罗丹明或铀作示踪剂的示踪试验探测出许多重要的渗漏地带。
§2.3 水位压力研究
利用堤坝附近的钻孔来测量孔中的测压管水位是调查渗漏的一种普遍方法，它通常用以解决以下一些问题：
(1) 利用等水头线来决定等压面，可知道研究区域内渗漏水流的流向。
(2) 研究库水位与孔中测压管水位之间的变化关系。
(3) 钻孔时通过测定孔中测压管水位的变化，可知道孔中的水与水库或与泉之间的水力联系。
但需要指出的是，利用这种方法得到的结果表面上简单，却很难给出恰当的解释。主要因为：测压管水位作为唯一调查工具时，通常并不能提供准确的信息，依据当地的水力条件，同一种结论会有不同的解释。尤其在处理裂隙岩体时地下水流能在短距离内有很大的变化。例如：测压管水位比当前库水位高并不意味钻孔所截取的地下水与库水毫无关系。这种较高的测压管水位可能来自于地下水的流入，例如：来自上层的含水层，而由水库渗透过来的水在底层流动。同样，测压管水位低于库水位并不表示这两者之间有水力联系，也不意味着钻孔截取了补给下游泉水的地下水，相反，这些低的测压管水位可能是由于地层渗透性差的结果，另一方面，低的测压管水位可能与地下水通过附近的含水层释放到堤坝下游有关，甚至钻孔中的测压管水位对库水位的变化迅速也并不表明钻孔截取了补给下游泉水的地下水，有时即使地层的渗透性极其微小，地下水几乎没有忽略掉，库水水头能够在短时间内传送到孔中。
综上所述，可得出这样的结论：钻孔中的测压管水位对调查渗漏或渗流问题起了举足轻重的作用，但并不是唯一的方法，以下介绍一些辅助方法可帮助分析和解释测压管数据：
(1) 孔中水柱的温度和电导可用来判别孔中的水是否真正来自于水库。
(2) 使用第七章讲述的技术方法来测量孔中地下水的流速。
(3) 对孔中取出的水样进行化学和同位素分析，从而了解孔中水的来源，钻孔中的水与库水以及泉水间的水力联系。
通常，在水库附近钻孔时，如果钻孔所揭露的地层的渗透性较差，孔中的测压管水位则比库水位低，相反，如果钻孔揭露的地层渗透性较强，并且孔中的水与库水有联系，则孔中的测压管水位将迅速上升直至与库水位持平，除非钻孔位置与库水出现的地方特别近，此时地下水位一直与库水位持平。
同样，钻孔过程中的测压管水位变化对于鉴别地层的渗透性和裂隙的长度有很大的价值。如前所述，当钻孔所揭露的都是一些渗透性小的地层时，测压管水位常常低于库水位，但是当与水库相连通的强渗透性地层或破碎带被钻孔揭露时，测压管水位迅速上升，直到与库水位接近为止。
参考文献
[1]．王建主编，现代自然地理学，高等教育出版社，2001年06月第1版。

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