一种河道生态流量地下水补给需水计算方法与流程

本发明属于水利水电工程技术、水文地质和环境工程技术领域，本发明涉及水利水电大坝建设后，下游减脱水河段的下放生态流量中，河道地下水补给需水量的计算问题。

背景技术：

在对河流进行开发建设的过程中，修筑大坝截断河流，可能造成大坝下游河道减脱水，早期考虑较多的是对区域经济的发展和发电效益，而对保护生态水环境考虑的较少。特别是许多中小流域的梯级小水电开发，通过引水式电站开发形式，使得河流水能资源利用超过90%。山区中小流域水能资源的过度开发，导致减水河段河流径流减少，水生态系统受到严重破坏。近年来，环境问题受到重视，水利水电工程减脱水河段的生态流量下放成为一个必须的内容，这就涉及到流量的计算和确定，目前有较多的计算方法，这些方法中均要求河道内产生一定的河道径流量，河道内要产生地表径流，必须首先将河道地下孔隙内充满，地下水位抬升至河道表面，否则将漏失，即首先应满足河道地下径流的补给需水要求，但是涉及河道地下水补给需水计算还没有简单可行的方法。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：大坝建设拦断河流，需要下放生态流量，河道中的地表径流与地下径流是可以相互转化的，不发生渗漏的基岩河段，河道流量基本上为地表径流，而深厚覆盖层的河段地表径流部分转化为地下径流，地表径流会减小。在枯水期，地下径流量比例增大，深厚覆盖层河段的地下径流比例更大，甚至占河道径流量的绝大部分。对于补给型河流，两岸山体还对河流存在地下水补给，对于排泄型河流，下放的生态流量将发生漏失，需要增大生态流量。本发明的目的是建立一种河道生态流量地下水补给需水计算方法。

本发明的技术方案如下：

该方法包括如下步骤：确定计算河段、选择河道代表断面并建立渗流模型，确定计算参数，然后计算河道剖面地下水径流量；根据选择河道断面上游河段岸坡地下水与河流补排关系，分别按照补给型或排泄型的计算公式计算岸坡对河道的地下水单宽补给量或排泄量，根据河道长度计算岸坡对河道的地下水补给量或排泄量；将河道剖面地下水径流量与计算得到的河段补给量或河段排泄量综合计算出河道剖面的地下水补给需水量，比较各代表断面需水量以确定坝址下泄地下水补给需水量。

其中，补给型河段地下水补给需水按下式计算：

h₁——枯水期临江岸坡稳定水位至相对隔水层的高差（m）；

h₂——河床枯期水位至相对隔水层的高差（m）；

H₁——枯水期临江岸坡稳定水位（m）；

H₂——河床枯期水位（m）；

L ——大坝至河床某计算断面的距离（m）；

l₁——河床水边线至枯水期临江岸坡稳定水位线的距离（m）。

其中，排泄型河段地下水补给需水按下式计算：

h₃——枯水期岸坡地下水低槽稳定水位至相对隔水层的高差（m）；

H₃——枯水期岸坡地下水低槽稳定水位（m）；

l₂——河床水边线至枯水期岸坡地下水低槽之间的距离（m）。

最后按照上述方法计算各代表性剖面的地下水补给需水量Q₁ 、Q₁^’、Q₂ 、Q₂^’…… Q_n 、Q_n^’，取最大值为工程下泄地下水补给需水量Q ，即：

采用本发明的流程和计算方法，可以有效计算河道因大坝建设产生的减脱水河段的地下水补给需水量，避免常规方法计算的生态流量的缺项，保护生态环境。

附图说明

图1是地下水补给需水计算流程图；

图2是河道覆盖层地下水径流量计算断面示意图；

图3是河流岸坡地下水对河床的枯水期补给量示意图；

图4是排泄型河流对两岸山体地下水低槽的枯水期补给量示意图；

图5是计算断面A的河床地形和覆盖层分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1：

1.背景情况

马马崖一级水电站坝址及下游为典型的岩溶峡谷河流地貌，两岸宽谷期高程在800m~900m，河流深切峡谷高达300m。基岩地层以三叠系可溶性碳酸盐岩类为主。第四系河床砂卵砾石层（Q^al）厚0m~25m，一般厚度为6~12m不等，由于坝址下游分布多个堆积体，河道内还存在坡积和滑坡堆积覆盖层。地下水在碳酸盐岩区属岩溶裂隙水和岩溶管道水，第四系中存在孔隙水。北盘江为区域内最低排泄基准面，为地下水补给河水类型。电站下游北盘江平均水力比降为2‰。

下游的马马崖二级水电站正在进行可研阶段的勘察设计，正常蓄水位510m，还没有明确的建设计划。下游的董箐水电站已经蓄水发电，水库正常蓄水位490m，死水位483m。

1.2 计算范围和计算断面

马马崖一级水电站与董箐水电站水库死水位（483m）之间无具备稳定流量的河流汇入，在马马崖二级水电站未建设，马马崖一级水电站不下泄流量的情况下，本电站坝脚至董箐水库死水位之间可能为减（脱）水河段。下游河段河床在小花江河段均低于483m高程，河道地下水补给需水计算的范围为马马崖一级水电站大坝坝脚至下游小花江之间的河段。

根据马马崖一级和二级水电站各阶段的勘察设计资料，计算河段覆盖层规模最大的河段为下岩堆积体河段，覆盖层以崩塌堆积和冲积物为主，渗透系数大，同时该河段的水力比降较大，选取该处作为代表性断面，进行地下水补给需水计算，即计算断面A。同时，枢纽区河床可作为其他河段的代表性断面，选取坝下游剖面作为计算断面B。

2 计算方法和过程

2.1 计算断面A

根据勘察资料，计算断面A的河床地形和覆盖层分布见图5，由于未给出该断面的水生生态流基流水位，可用实测的枯期水位代替，为496m，覆盖层底面高程483m，恰好与董箐水电站死水位相同。按照公式（1.2）计算断面A的河床覆盖层内地下水径流量Q_A。式中参数取值：

——计算断面河床覆盖层渗透系数，覆盖层以崩塌堆积和冲积物为主，属极强透水层，渗透系数按照现行国家标准《水力发电工程地质勘察规范》GB 50287中的附录K确定，取0.01m/s；

——计算断面水生生态基流水位以下的河床覆盖层地下水过水断面面积，用实测枯期水位代替生态基流水位，面积为1243.8m²，见附图5；

——计算断面上下游一定范围内的河道水力比降，该剖面附近为险滩，实测水力比将为0.1。

计算得到计算断面A的Q₂ 为1.24m³/s。

为掌握马马崖一级水电站左岸地下水位变化情况，在坝址左岸尖山村分水岭附近打了一个地下水位长观孔，即ZK19钻孔，于2005年9月22日峻工，同年10月20日成功实现孔内分层止水，并进行地下水水位长期观测。

ZK19孔深485m，孔口高程1090m，孔底高程605m，距河床最近距离约1200m。据该孔揭示，左岸杨柳井地层第三段具一定的隔水性，其上下地层，及T₂y⁴和T₂y¹⁺²存在双层地下水位，上层最低水位高程1048.8m；下层最高水位859.2m，最低水位高程851.85m。T₂y¹⁺²与岸边所处的关岭组T₂g地层之间无相对隔水层，应属于同一个含水系统。

经统计河床钻孔中大于3Lu的高程为430m，将此高程作为河床相对隔水层边界。电站下放生态流量31m³/s对应的河床水位为504.66m。

岸坡内深部为新鲜岩体，分析电站钻孔新鲜岩体中下部的压水试验结果，其透水率1~2Lu，按照现行国家标准《水力发电工程地质勘察规范》GB 50287中的附录K中的规定，属于弱透水~微透水等级。按照《工程地质手册（第四版）的（9-3-11）式计算出2Lu相应的渗透系数K 为2.6×10^-7m/s作为岸坡深部微新岩体的渗透系数。

按照公式（1.3-2）计算左岸地下水向河床的枯水期单宽补给量q₁ ，计算示意图见图3。式中各参数取值：

K₂ ——岸坡岩土体渗透系数，取2.6×10^-7m/s；

h₁ ——枯水期临江岸坡稳定水位至相对隔水层的高差，由ZK19最低水位851.85m减去河床中3Lu的透水率下限高程430m，即421.85m；

h₂ ——河床生态基流水位至相对隔水层的高差，电站下放生态流量31m³/s对应的河床水位504.66m减去河床中3Lu的透水率下限高程430m，即74.66m；

H₁ ——枯水期临江岸坡稳定水位，为851.85m；

H₂ ——河床水生生态基流水位，为504.66m；

l₁ ——河床水边线至枯水期临江岸坡稳定水位线的距离，取ZK19至水边线的距离，为1400m。

计算得到左岸地下水向河床的枯水期单宽补给量q₁ 为1.60×10^-5m²/s。

右岸为顺向斜坡地形，分水岭较远，取下游下岩堆积体勘探剖面的水位数据计算地下水向河床的枯水期单宽补给量q₂ 。枯水期临江岸坡稳定水位可达900m，至相对隔水层的高差h₁ 约470m，h₂ 与左岸相同，取74.66m；分水岭距离河边距离l₁ 为2500m，岸坡稳定水位与河床水位差约400m，渗透系数与左岸一致。计算公式和方法同左岸，计算得到右岸地下水向河床的枯水期单宽补给量q₂ 为1.12×10^-5m²/s。

计算断面A至大坝坝脚沿河道的距离L 为6000m。

按照公式（1.3-1）计算枯水期大坝至计算断面A处的河道两岸山体地下水对河床的补给量Q_B 。

计算得到计算断面A的Q_B 为0.16m³/s。

根据兴仁幅区域水文地质图，计算河段区域的地下水径流模数为4~6L/(s·km²)，计算河段两岸地下分水岭以内的流域面积约66km²，根据地下水径流模数估算得到计算河段两岸山体地下水对河床的补给量Q_B 为0.26~0.40m³/s，与按照本公式（1.3-1）计算得到的结果基本一致，说明本发明推荐计算方法是合理的。

根据实际观测，马马崖一级水电站通过渗控系统的坝基及绕坝渗漏量Q_C 为0.06m³/s，其中部分为两岸山体来水。

按照公式（1.1）计算断面A处的河道地下水补给需水量Q_1A。

计算得到计算断面A的Q_1A为1.02m³/s。

2.2 计算断面B

计算断面B为坝下游断面，电站下放生态流量31m³/s在坝下游对应的河床水位为504.66m，该水位以下的河床覆盖层面积为321.7m²，该河段水力比降约2‰。河床覆盖层为冲积的卵砾石层，属强透水层，渗透系数按照现行国家标准《水力发电工程地质勘察规范》GB 50287中的附录K确定，取1×10^-3m/s。按照公式（1.2）计算断面B的河床覆盖层内地下水径流量Q₂ 为6.4×10^-4m³/s，该流量很小，渗控系统渗漏水量远远超过该剖面的地下水补给需水量。

2.3 下泄流量要求

根据各计算断面的补给需水量反推出坝（闸）址处所需的下泄流量，应取各计算断面所需的下泄流量的最大值作为地下水补给需水的计算成果。对马马崖一级水电站来说，只要满足了计算断面A的地下水补给需水即可保证工程下游河段对应水生生态基流水位的河床覆盖层内不脱水，本电站的河道地下水补给需水量为1.02m³/s。

当然，以上只是本发明的具体应用范例，本发明还有其他的实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明所要求的保护范围之内。