第二篇水量平稳原理与水压力

1、第二章水量平稳原理与水压力水库的水量平稳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要紧部份。通常，水库中的水损失是能发觉的，但很难定量地去计算，因为一方面损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层，或一部份进入本地下游的水库和河流，从而出渗口逸出的水并非代表损失水的总量。该情形下，可通过水量平稳计量水的损失量。计算水量平稳时需要在这段时刻内操纵入水口和

2、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，通过库水位能够反映出来，平稳方程可表示为：(Qin)SW(Qin)GW(Qin)PREC(Qout)SW(Qout)EVAPQLEAKQ式中：Qin一操纵时刻内流入的总水量；Qout一流出的总水量；(QGprec一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。这些参数的数值依托于本地要紧水流条件，很容易产生较大的误差。尤其流入量时断时续的小溪仅仅在下雨时才会有水流，只有当整个误差与损失的水量相较极为微小时，平稳方程才能知足。大多情形下，尤其是当损失的水量比流入和流出的总水

3、量小时，那个条件很难知足。因此选一个恰那时期来研究水量平稳是超级重要的，通常，可依照本地的降雨情形，选择干旱季节流入量较小时研究水量平稳。有些情形下，类似于式的平稳方程能够用其它形式推断出来。一按时期内，流入水库的水的某一化学成份或同位素老是以一脉动的形式显现，因此可依照要紧条件，利用流入水库中不同水量的成份如Cl-，SO42-，NO3-，18O等浓度的误差来表示新的平稳方程，这些浓度由实验决定，该方程(或方程组，若是不止利用一种化学成份)联合式那么可排除一个或多个很难或几乎不可能确信的参数。库水位的阻碍渗漏定律成立库水位与下游泉眼中出水量之间的关系是超级重要的，那个关系给出了渗漏水头与渗漏流

4、量之间的对应关系，这确实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转变关系也是很重要的，即含水层中的水位高低反映了库水位的转变。该方式需要按期地测量不同库水位时渗流出逸处的水流速度，显然，测量的次数应依照库水位的转变来选择，考虑到每一出逸处的水流量互不阻碍，而且每一出逸处的水量转变对库水位的反映不同，因此单独测量每一出逸处的流速是超级重要的。另外，水在地层中的运动时刻不同，渗漏途中溶解的化学成份不同也就专门大。因此水中的化学和同位素成份（如稳固的环境同位素笊、氧-18等，见第五章），出水点水温都能提供有效的信息，以帮忙咱们辨别渗漏水是不是来自于不同的地下水，即便是

5、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。所取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，可取得渗漏的起始坡降，如下图。图渗漏流速与库水位于之间的转变关系图有时，受水库第二渗漏地带阻碍，流速与水头之间的直线关系的角度发生转变，必然程度上，当直线的角度转变时，现在水位的转变更大。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专门大），渗透流速与水头之间并非呈直线关系，而是曲线关系，且角度随水位不断增加。泉和孔中的流速对水库水

6、位转变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点。渗漏流速取决于本地岩层的渗透性，另一方面，也依托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持续性，而且使得渗漏流速达到最大值与库水位达最大值有一个时刻上的滞后。库水位的上升和下降的水力转变进程与所观测到的泉中水流转变进程是不同步的，库水位上升时，一部份水流将填补地层中的孔隙，因此，泉中流速增大进程将有必然的滞后，那个时刻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，贮存在孔隙内的水将通过泉排放出来，因此，渗漏流速的减少仍然有必然的滞后，在这两种情形下，当孔隙的体积增加时

7、，这一滞后的时刻进程将会增加。水填补孔隙的速度在图中可清楚地反映出来。水库注水时，可取得反映泉水流动速度转变与库水位上升转变之间函数关系的直线A,由于适合的大气条件，水库注水专门快完成，但出渗口的流速及水量继续增加，乃至库水位已达到最大值时，流量仍在继续增加，从287L/S至ij345L/S,如B线所示。当孔隙全被灌满后，水流渐趋稳固，水库放空时，可取得C线，这一进程也在短时刻内完成。C线和A线的差值反映了泉水转变与库水位降低时的滞后，很明显，若是注水和放空水库的速度很慢，将会取得标有特点D的类似直线，由于孔隙的阻碍，这条线与C线有必然的不同，该事例中，孔隙的体积专门大，它是在勘测某一废弃的矿

8、山时在地层中挖了几个廊道形成的。上述结论说明：同一个泉中的水流在同一库水位下是不一样的，它依托于本地的状况，两种条件下取得的水流情形的差值专门大程度上取决于库水位的转变，同时，也依赖于水位转变范围内岩层中孔隙的体积。图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转变关系图;D线：缓慢注水与放水时大致的流速与水位之间的转变图。0IC 152025时间(d)(*kJ O 5 O 5 0 仪 5 ” H M 7 7 7 7 7 750oo50m50oo 3 3 2 2 1 Ms

9、te说S翳735730图水库的渗透流速、库水位与时刻的关系图附注：A线：库水位随时刻的转变曲线；B线：图所示的水库中所有泉中的总渗透流量曲线；C线：水库缓慢注水时一样的泉的渗透流量，利用B线和C线的差可估算渗漏区域内的最小孔隙体积。.渗漏的时刻演变正如前面章节所述，引历时刻参数来研究渗漏理论是超级方便的，通常绘制图表(如图)来分析库水位与泉中的水流转变与时刻的函数关系，那个图表与图描述的是同一个水库。从图中可看出，库水位上升与下降专门迅速。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间隙体积，若是条件许诺的话，最后的水流情形可用实验来测定，取得的结果也可用来估算泉与水库间地层

10、中的最小孔隙体积，即库水位维持最大高程长时刻维持不变，通过计算泉中的最大水流求得。例如，对应于图中的水库情形，能够明白库水位抵达732m时，孔隙内开始储水，当最大水位维持足够长的时刻，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，关于某一给定库水位h,流量Q能够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=730m,当Q=287L/S,h=761.3m,于是取得如下的直线方程：Q二利用上述方程，对应于某一库水位下的渗漏流量Q能够计算出来，图中的曲线C确实是利用这种方式取得的，用来填补岩层孔隙的水体体积可利用曲线B和曲线C差值取得，曲线B和曲线

11、C可用图解的方式取得，那个实例中所取得数值接近3,显然，那个数值是孔隙的最小值，因为很多孔隙在注水期间，即便注水时刻很短，也只是部份被填充。后发觉这些地层要紧由破碎的白云石形成，它们的孔隙率可能在2%到5%之间，因此，有地下水流渗过的这种岩层的体积在x106m3到x106m3之间，渗漏发生在这么大的范围也说明水库渗漏点与下游泉之间的距离较远，这一地域的矿山廊道在孔隙体积中占了专门大一部份，并引发了很多水体的流失(每秒几个立方米)，后利用罗丹明或铀作示踪剂的示踪实验探测出许多重要的渗漏地带。水位压力研究利用堤坝周围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式，它通经常使用以解决以下一些问

12、题：(1)利用等水头线来决定等压面，可明白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转变关系。(3)钻孔时通过测定孔中测压管水位的转变，可明白孔中的水与水库或与泉之间的水力联系。但需要指出的是，利用这种方式取得的结果表面上简单，却很难给出适当的说明。要紧因为：测压管水位作为唯一调查工具时，通常并非能提供准确的信息，依据本地的水力条件，同一种结论会有不同的说明。尤其在处置裂隙岩体时地下水流能在短距离内有专门大的转变。例如：测压管水位比当前库水位高并非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

13、在底层流动。一样，测压管水位低于库水位并非表示这二者之间有水力联系，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周围的含水层释放到堤坝下游有关，乃至钻孔中的测压管水位对库水位的转变迅速也并非说明钻孔截取了补给下游泉水的地下水，有时即便地层的渗透性极为微小，地下水几乎没有忽略掉，库水水头能够在短时刻内传送到孔中。综上所述，可得出如此的结论：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，但并非是唯一的方式，以下介绍一些辅助方式可帮忙分析和说明测压管数据：(1)孔中水柱的温度和电导可用来判别孔中的水是不是真正来自于水库。(2)利用第七章讲述的技术方式来测量孔中地下水的流速。(3)对孔中掏出的水样进行化学和同位素分析，从而了解孔中水的来源，钻孔中的水与库水和泉水间的水力联系。通常，在水库周围钻孔时，若是钻孔所揭露的地层的渗透性较差，孔中的测压管水位那么比库水位低，相反，若是钻孔揭露的地层渗透性较强，而且孔中的水与库水有联系，那么孔中的测压管