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地下水库调蓄预测数值模拟
戴长雷
(1.黑龙江大学水利电力学院,黑龙江哈尔滨,150086;2.吉林大学环境与资源学院,吉林长春,130026)
摘要:调蓄能力是地下水库的价值基础,受水源条件、蓄水体结构、人工干预消补的力度等多种因素制约。分析
指出地下水库的调蓄机理在于输入项调控、输出项制约。基于数值模拟技术,对多年调节型地下水库的调蓄预测进
行了系统研究,并提出一套预测评价方法。指出,预测目标为优选人工干预方案和评价环境约束下的蓄水体响应程
度;预测方案应包括模型构建、时段规定、不可控输入预算、(半)可控输入变量预设、输出约束规定等;调试预测步
骤可以分五步进行。结合某河谷型地下水库调蓄数值模拟实际算例,进一步阐释了所提出的预测评价方法。
关键词:地下水库调蓄能力预测数值模拟
水资源是生存生活生产生态必不可少的基础性资源,借助地下蓄水实体巨大的蓄水空间和缓慢
的传导速度,地下水库可以有效地开展水资源调蓄,调节天然水资源在时程分配上的不均匀,提高
供水保证程度,或辅助降低洪水危掣h“。
调蓄能力是地下水库存在的价值基础。由于控制地下水库代谢的人工采补方案及相应的实时调
蓄库容具有时变性和可控陛,因此,为了确定地下水库的多年调蓄能力,有必要对它在一定时段内
的变化情况进行预测推演。当前国内外对地下水库的研究主要集中在地下水坝技术、地下水人工补
给能力和蓄水体水质处理上p叫j,本文将基于数值模拟技术对地下水库调蓄能力的时变特征进行预测
研究。
1地下水库调蓄
地下水库po系指由封闭或近封闭边界圈闭的、具有实用规模库容且可以有效进行水更替的地下
蓄水实体,可供调蓄的水源、用以调蓄的空间和便于干预的水更替条件是它的三个关键要素。调蓄
能力是地下水库的价值体现,它受地下蓄水实体的储水能力、水力水温传导能力和水质净化能力等
多方面因素的制约,可以通过对水源的引导调节、空间的圈闭(如建地下水坝)和采补的控制等措施来
实现。
从系统分析的观点看【9j,地下水库的输入项包括可控变量人工补给、人工开采,半可控变量灌
溉固渗、河道侧渗和不可控变量降雨入渗、潜水蒸发等,输出项包括地下水位水温和水质等。在结
构一定的情况下,地下水库的调蓄体现为对可控输入和半可控输入的调节,而调蓄能力则可以由输
出项的延伸参变量一特征库容来表达。特征库容包括5个量p】,最大、最小库容分别是极限高、低
水位与隔水底板之间赋水介质的重力和弹性释水体积,其中的极限高、低水位一般依据赋水介质的
性质、在不致引起环境负效应前提下的最大疏干程度、当前经济技术条件下的工程提水能力等来确
定。最大调蓄库容系最大库容与最小库容之差,表征地下水库的最大调蓄能力。实时蓄水库容等于
任一时刻库区含水介质在疏干条件下的重力和弹性释水体积,表征任一时刻地下水库的实时蓄水能
力。实时调蓄库容为最大库容与实时蓄水库容之差,表征任一时刻地下水库的实时调蓄能力。
作者简介:戴长雷(1978.),男,山东郓城人,讲师,博士生,主要从事地下水库和地下水信息化方向的研究,E-mail
26.com.
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2调蓄预测模拟
预测就是在已知事实的基础上,通过对事物因果关系的分析,去估计结果。对地下水库调蓄能
力进行预测的目标有两个,一是估测地下水库各可控输入项和半可控输入项在预设情况下的可行陛
组合状态,以便确定对其施加人为干预的力度;二是求算地下水库各输出项对上述预设输入的响应
变化,以便评价地下水库运行对环境的影响程度。
预测方案一般需要规定三方面的内容。一是时段的规定,由于地下水库运行是一个复杂的动态
时变过程,所以时段的确定是预演的大前提,通常采用基准年和规划水平年的组合或者实际水文年
的自然延伸。二是输入项的规定,规划时段内的不可控输入变量应设法预测给出¨…,可控输入应设
计不同的组合方案,以便比较分析,半可控输入介于二者之间,分解后预测或设计给出。三是输出
波动幅度的规定,应将技术可行和环境允许条件下的输出波动极限值予以规定。
数值模拟技术最大的优点在于可以提供一个在不造成任何风险和危害的条件下进行方案试验和
推演的虚拟平台。借助数值模拟技术进行地下水库调蓄能力预测需要经历五个步骤。首先要构建一
个经过调试和识别、能够刻画地下蓄水体结构功能特征的数值仿真模型;其次制订不同的预测方案;
第三将预测方案规定的输入项赋予仿真模型,并针对求算出的输出参量,参考预测方案中规
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