研究生暑期學(xué)習(xí)報告

暑期學(xué)習(xí)報告水工結(jié)構(gòu)-趙彪目錄低溫水入滲1他山之石-拆壩后的影響2潛流交換與潛流帶的簡單認識3學(xué)習(xí)感悟41.低溫水入滲低溫水--庫底水〔滯溫層,常年維持在5-12℃〕更是接近當(dāng)?shù)啬昶骄鶞囟取?/p>

典型水溫分層型水庫示意圖1.1.低溫水入滲背景對于我國現(xiàn)在高壩林立的現(xiàn)狀，尤其是蓄水后由于水體體積和過水面積過大，水流流速減緩，導(dǎo)致庫水溫垂向分布呈現(xiàn)不同分層，從上至下溫度溫度驟降，尤其庫底水〔滯溫層,常年維持在5-12℃〕更是接近當(dāng)?shù)啬昶骄鶞囟?。由于這些情況的存在，當(dāng)在夏季高溫情況下泄庫水，局部低溫水經(jīng)引水發(fā)電下泄至河道，入滲至兩岸引發(fā)下泄河道兩岸溫度場的驟然變化，低溫水同時也會對農(nóng)作物的生長產(chǎn)量產(chǎn)生較大影響，同時對于整個微生物群和生態(tài)環(huán)境均產(chǎn)生較大影響。所以以低溫水入滲土壤為切入點研究土體水熱運移規(guī)律，改善補救措施，彌補環(huán)境破壞損失有著重要的學(xué)術(shù)和應(yīng)用價值。1.2探究過程實驗通過控制滲水溫和水頭，對長88cm半徑10cm的土柱進行低溫水入滲實驗，通過土體上布置的12個溫度采集器，觀測土體溫度變化過程。利用VS2DH進行一維土柱低溫水入滲模擬，對滲透率、孔隙率和溫度場變化進行敏感性分析。結(jié)果說明，模型可以準確模擬不同入滲水溫和水頭條件下的土壤滲流場和溫度場變化。。低溫水對于地質(zhì)，生態(tài)，生物等各個方面的影響，還有待我們繼續(xù)探究，這一方面仍處于開發(fā)階段。

一維土柱模型1.3探究結(jié)果模型可以準確模擬不同入滲水溫和水頭條件下的土壤滲流場和溫度場的變化；滲透率是影響低溫水入滲時熱運移的主要因素。2.他山之石-拆壩后的影響1.河流流速增大2.河流水溫變化3.水流含砂量的變化4.魚類洄游通道的恢復(fù)5.河岸植被的變化拆壩運動背景隨著我過上世紀六七十年代的建壩大潮，我國許多大壩也度過了五十歲生日〔大局部大壩的使用壽命為50-100年〕，隨著一些使用年限到期、功能喪失、運行效益差等情況時，大規(guī)模的除險加固已經(jīng)不能滿足大壩的平安經(jīng)濟運行時。勢必有局部大壩面臨撤除的境地，與此同時，大壩的撤除對于我們生態(tài)環(huán)境、生物的影響是怎么樣的。于是我看到了這篇文章，因為西方國家工業(yè)較我國開展較快，所以他們已經(jīng)比我們提前來到了拆壩高潮期，我們面臨這些問題可以借鑒他們的一些經(jīng)驗，同時取其精華去其糟粕，因地制宜的處理我國水利建筑物所面臨的問題。美國大壩撤除原因百分比撤除大壩壩高分布撤除年代分布拆壩的局部影響拆壩對于河流生態(tài)系統(tǒng)影響巨大，主要包括河流對物理、化學(xué)、生物的變化范圍、過程等。拆壩后河流的生態(tài)修復(fù)是一項十分艱巨的任務(wù)，對魚類生長環(huán)境影響的評估是河流生態(tài)修復(fù)的重要工作之一。關(guān)系到河流生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)開展、水利漁業(yè)平安生產(chǎn)等目標。2.1河流流速增大攔河筑壩改變了原河流的自然狀態(tài)，控制和調(diào)節(jié)了河流的流量，使河流水流量保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)，大大減小了由降雨引起的洪水影響，壩后水位變化不大。大壩撤除后河流失去了水庫的調(diào)節(jié)作用，流量會隨著降雨量產(chǎn)生變化。河道的流速勢必增大，尤其是急彎、險灘、跌破等處流速明顯增大，造成魚類生長環(huán)境的惡劣變化，小著可能減產(chǎn)，大著可能面臨絕種。2.2河流水溫的變化水溫是魚類生存棲息地環(huán)境的重要指標，直接影響到魚類生長、發(fā)育和繁殖。水庫的水溫主要受到太陽輻射和氣溫。一般的說，夏天炎熱季節(jié)，水庫外表溫度較高，而底部較低，冬夏季。水庫外表溫度過低，而底部較高。建壩以后，河流中原本流動的水在水庫里停滯后便會產(chǎn)生一些變化，同時產(chǎn)生的泥沙沉淀，導(dǎo)致水庫淤積，使河流由渾濁變?yōu)榍宄海该鞫仍龃?，吸收太陽光輻射能力增強，水庫水溫生高。拆壩后造成具體水溫的影響的研究處于初步階段，一般認為會造成水溫下降。如加拿大芬利森壩撤除后，河流水面的外表溫度平均降低了2-5攝氏度，這樣會比較適宜冷水魚的生存，而不適合溫水魚和熱帶魚的生長繁殖。2.3水流含砂量的變化魚卵孵化需要水中氧氣充足，需要松散的沙礫石保護魚卵。大壩建成運行數(shù)十年里由于大壩阻擋了河流泥沙的運移，降低了水流坡降是水流攜帶的大量泥沙淤積庫底。拆壩以后庫內(nèi)淤積的泥砂失去了大壩的支護，隨著流速的增大，河水會沖刷原庫底泥砂，使河流含砂量增大，河水渾濁，抬高低游河床。對于魚類產(chǎn)卵繁殖產(chǎn)生了一些影響。2.4魚類洄游通道的恢復(fù)大壩建設(shè)切斷了洄游性魚類的洄游通道，使一些需要洄游到河道上游產(chǎn)卵的魚類無法產(chǎn)卵繁殖，而在上游庫區(qū)繁殖的幼魚和雌魚也無法洄游到下游成長發(fā)育，久而久之造成洄游性魚類數(shù)量下降。如由于三峽大壩的建成長江流域內(nèi)的中華鱘數(shù)量明顯下降，通過建設(shè)過魚道，同時進行人工養(yǎng)殖，才有效防止了中華鱘魚的絕種。如美國阿拉巴馬州塔泊薩河上的梭羅大壩，經(jīng)過治理后，魚類種量從25種到46種。對于梯度開發(fā)的河流上存在多座大壩假設(shè)只撤除其中一座或幾座，沒有完全撤除河流上所有大壩，魚類的洄游通道沒有完全恢復(fù)，魚類也無法洄游產(chǎn)卵，因此，還必須采取其他救魚措施如魚道、升魚機等過魚建筑物加以解決，也可采取人工繁殖魚苗的生態(tài)補償措施補救。2.5河流岸植被變化

拆壩以后庫區(qū)水位下降，大量水生植物如睡蓮、萵苣、水葫蘆等向自然和段下游漂流，浮游性植物大大減少，濕生植物取代了水生植物種群，形成了新的濕生植物群落。蓄積在水庫周圍岸邊的水潭和泥沼內(nèi)的大量有機淤積物為植物生長提供了充足的養(yǎng)分，為生物群落提供良好的生存條件。魚類生態(tài)環(huán)境修復(fù)的工程措施一、河流岸坡植被修復(fù)二、處理庫底淤積三、魚類棲息地修復(fù)3.潛流交換的探究1.潛流帶和潛流交換2.潛流交換機理3.潛流交換的影響因素4.各物質(zhì)的潛流交換5.潛流交換對生態(tài)環(huán)境的影響3.1潛流帶與潛流交換3.1.1河水和地下水交混區(qū)域———潛流帶。3.1.2河水和地下水之間相互作用———潛流交換。潛流帶潛流交換3.1.1潛流帶河水和地下水交混區(qū)域———潛流帶。河流中顆粒和溶質(zhì)交換、新陳代謝和儲存的主要場所。同時潛流帶還是許多動物的避難和居住的重要場所。潛流帶是指河流河床內(nèi)水分飽和的沉積物層,是河水和地下水相互作用的區(qū)域,也是河床中能與河流存在物質(zhì)和能量交換的區(qū)域。潛流帶也被定義為外表水和地下水雙向遷移和混合的區(qū)域。同時含有河水和地下水是潛流帶一個重要特征。河水含量大于10%但小于98%。潛流帶與河道的飽和地下區(qū)域相連,與河道共有一定的生物、化學(xué)、物理特征。潛流帶是位于溪流或河流河床之下并延伸至河溪邊岸帶和兩側(cè)的水分飽和的沉積物層,潛流帶是河流或溪流連續(xù)性的重要組成局部,它有效地連接著河流的陸地、地表和地下。3.1.2潛流交換河水和地下水之間相互作用———潛流交換。潛流交換引起溶質(zhì)在河床中的滯留,影響著溶質(zhì)在河流中的遷移。營養(yǎng)鹽和污染物在通過河水-地下水界面時主要受潛流交換的控制。潛流交換一般定義為水和溶質(zhì)在活動河道和河床及河岸中的地下沉積層之間的交換。潛流交換是獨特的,因為進入潛流帶中的河水最終在下游的一些點返回河流中。潛流交換定義開始用時,主要指的是水交換,隨著對河道-地下之間的研究的越來越深入,人們開始把溶質(zhì)、顆粒、膠體等在河道和地下之間的相互作用也稱為潛流交換。因此這里給出潛流交換的廣定義:物質(zhì)(水、溶質(zhì)(保守性溶質(zhì)、反響性溶質(zhì))、顆粒和膠體)在河道和河道附近的飽和沉積層之間的相互交換稱之為潛流交換。測量潛流交換的三種方法:液體比重測定法、地下溶質(zhì)示蹤劑法和河流示蹤劑法。3.2潛流交換的機理泵吸交換沖淤交換混合潛流交換泵吸交換河床形態(tài)或者其它不規(guī)那么性(如原木、大石塊和水外表地形)會引起水頭梯度(或者壓力變化),這些水頭梯度誘導(dǎo)了對流傳輸,產(chǎn)生了潛流交換。河床形態(tài)引起泵吸交換，由三角形沙床外表引起的剪切流的擾動產(chǎn)生了壓力變化,壓力變化導(dǎo)致孔隙水移動,河流和飽和沙床之間發(fā)生了交換,這種交換被稱為泵吸交換。泵吸交換發(fā)生非常廣泛,不僅在河流中,在海岸帶和沿海淺灘沙丘也有潛流交換的產(chǎn)生。三角形河床的泵吸交換沖淤交換當(dāng)河床形態(tài)移動時,在河床形態(tài)的上游迎風(fēng)面受到水流沖刷,泥沙被沖走,釋放孔隙水;在河床形態(tài)的下游避風(fēng)坡處,沖走的泥沙在此處沉降,截留河道水充當(dāng)河床新的位置的孔隙水,這個釋放和截留孔隙水的過程引起河床與河流間的物質(zhì)交換,稱為沖淤交換。沖淤交換主要發(fā)生在河床形態(tài)移動或者河床沖刷地區(qū)。理想狀態(tài)下三角形河床形態(tài)的沖淤交換混合潛流交換一般在河床移動時,既有沖淤交換,也有泵吸交換,這兩者的混合被稱為混合潛流交換。在沙丘的迎風(fēng)面受到?jīng)_刷作用,沉積物被沖走,釋放孔隙水到河道中;在沙丘的避風(fēng)面泥沙沉降,截留河流中的水充當(dāng)孔隙水;由于有沙床外表的地形起伏,水流發(fā)生變化,產(chǎn)生壓力分布不均,在沙床上就有潛流交換流動,使河道和沙床之間發(fā)生潛流交換。大局部移動的河床形態(tài)都造成混合潛流交換3.3潛流交換的影響因素發(fā)生在河流中的潛流交換是非常復(fù)雜的,受多種條件的影響。Packman對各種水槽實驗分析得出潛流交換率與河床沉積物的滲透性成正比,與河流流速的平方成正比,與河床深度成反比,與沉積物的空隙率成反比。交換也受河床形態(tài)的幾何形狀的影響,特別是與河床形態(tài)相關(guān)有滲透。在空間尺度上潛流交換隨著流量、梯度、河床形態(tài)、沉積物的滲透性和水外表坡度而變化。流量和流速的影響隨著流量的增加,相應(yīng)的濕周也增加了,致使外表水和沉積物有更多的接觸,增加了潛流交換的時機。調(diào)查數(shù)據(jù)說明,高流速比低流速的潛流交換勢要大;河流流速對交換勢的影響要比河岸的浸潤的季節(jié)變化對交換勢的影響要大。Jonsson通過對在潛流帶的無量綱滯留時間與河流弗勞德數(shù)的相關(guān)性分析,得出隨著弗勞德數(shù)的增加,潛流交換率增加,而隨著弗勞德數(shù)的增加溶質(zhì)的滯留時間下降。在對河流評價中如果采用常數(shù)流量將導(dǎo)致潛流交換被低估,非穩(wěn)定流的影響是非常大的,例如洪水對潛流交換影響就是非常大。河床的幾何情況

溪流和河流中的觀測和詳實的實驗室觀測揭示河床形態(tài)上的壓力不同和流動障礙引起了溶解性物質(zhì)在潛流交換作用下進入潛流帶。在實際河流中,潛流交換率和潛流帶范圍在空間分布上是不均勻的。自然狀態(tài)的河床形態(tài)交換量大于平整河床形態(tài)的交換量,三角形河床的初始交換量要大于正弦波形河床的交換量,但是三角形河床的交換率下降更快。典型沙丘引起的泵吸交換和潛流交換河床的不均勻性與均勻河床相比,不均勻河床水力傳導(dǎo)性引起通過界面的平均流量在空間上變化更大。通過模擬河床流動,不均勻?qū)е碌臐摿鹘粨Q增加了17%到32%。河床分層結(jié)構(gòu)關(guān)系產(chǎn)生了有效的各向異性,這種分層結(jié)構(gòu)使水流更偏愛在空隙中縱向流動;河床分層結(jié)構(gòu)關(guān)系引起了平均孔隙水流隨深度方向發(fā)生了相對快速的下降。與均勻河床相比,進入河床的溶質(zhì)被限定在更淺的區(qū)域。更快的外表遷移和更淺污染物滲入的結(jié)合產(chǎn)生了更短的平均滯留時間。河床泥沙的不均勻性對潛流交換產(chǎn)生了更大的空間局限性。在不均勻河流中潛流交換發(fā)生更大的空間變化。河流形態(tài)

河流彎曲處也能產(chǎn)生潛流交換和滯留性,但是比上面提到的由河床形態(tài)引起的潛流交換在空間尺度上要大的多,水流從側(cè)面經(jīng)過了一定的距離,再重新回到河道。Baxter通過量化在多重空間尺度(排水段、山谷段、寬闊地段和河道段)的潛流交換過程,確定在每種空間尺度上與潛流交換相聯(lián)系的幾何特征,測量垂直水力梯度和河床水力傳導(dǎo)性來量化潛流交換,得出在全部的尺度上這些鮭魚的產(chǎn)卵位置與潛流交換有較強的相關(guān)性?？臻g尺度上的水文學(xué)和地形學(xué)的耦合對潛流交換起著關(guān)鍵的作用。在小的支流中地形對結(jié)構(gòu)潛流交換起著非常大的作用。3.4各物質(zhì)的潛流交換4.1保守性溶質(zhì)的潛流交換4.2膠體3.4.1保守性溶質(zhì)的潛流交換對溶質(zhì)進入河床進行機理行的實驗研究,得出當(dāng)河床靜止或者移動較慢時,用泵吸交換模型進行了模擬,取得了較好的成果。但對平的河床交換的機理沒有做出合理的解釋。河床移動較快時用沖淤模型進行了模擬,在實驗初始階段模擬較好,但是實驗后期模擬結(jié)果與實測值相比偏小。在河床靜止或者移動速度很慢時,明顯可以看出進入泥沙的前頭的溶質(zhì)呈一定的弧線分布,快速移動的河床溶質(zhì)進入河床的前頭局部大概水平。Packman對移動河床進行實驗和模擬得出,在開始階段主要是沖淤交換,發(fā)生在表層,在運行一段時間后,主要是泵吸交換,發(fā)生在深層。初始階段用幾何模型來計算交換量,后來用對流分析其交換量。當(dāng)河床移動非常緩慢時,沖淤交換可以忽略不計。膠體對潛流交換的影響粘土沉積到沙床中主要有三個作用:第一,泵吸交換或者沖淤交換引起的;第二是沉降引起的;第三是過濾引起的,過濾主要是由化學(xué)和靜電作用引起的。由于沉降和過濾的作用,使膠體顆粒的潛流交換速率比保守性溶質(zhì)要快。過濾和沉積對膠體在河床中沉積的影響。針對膠體的潛流交換實驗得出,上覆水中膠體的濃度下降速度要比保守性溶質(zhì)的濃度下降更快。循環(huán)水槽實驗,通過測量上覆水的濃度下降來確定進入河床的膠體的量。由于水流作用和粘土顆粒太小,有小局部不能沉降。在當(dāng)外表水流泥沙濃度不高的情況下,截留的粘土能夠釋放到水體中。大量粘土在河床上聚集改變孔隙水流環(huán)境,這改變了通過河流-沙床界面的流量和泥沙在河床中的沉積。細顆粒泥沙在河流-沙床界面被去除掉。即使當(dāng)河床外表是均勻的,當(dāng)粘土沉積后也變得不均勻。3.4.3反響性污染物和膠體的結(jié)合在外表水中吸附性污染物的運動依賴于懸浮泥沙和床沙。不同性質(zhì)的離子可能改變膠體外表的性質(zhì),也可能改變床沙的性質(zhì),進而影響交換量。Ren的實驗證實了這個結(jié)論,具有吸附性外表帶不同電荷的離子,影響了赤鐵礦在潛流帶的交換。不同性質(zhì)的泥沙對污染物停留在河床中也會產(chǎn)生重要的影響。3.5潛流交換對生態(tài)的影響潛流交換控制著多種棲息地因子(也就是溫度