地下水位动态（精选9篇）
地下水位动态 篇1
摘要：利用多年观测资料,对济南引黄灌区地下水位动态变化特征及趋势进行了分析,结果表明:1近二十年济南引黄灌区地下水位年际变化趋势主要受引黄灌溉水量的影响,2002-2013年来地下水位波动下降明显;多年月均地下水位变化出现两个峰值,主峰值主要受汛期降水的影响,次峰值主要受春季引黄灌溉的影响。2对地下水位多年序列和季节序列进行M-K趋势和参数特征分析表明,灌区2000年以后地下水位呈下降趋势,且在2012年以后下降趋势较显著;春季和夏季地下水位总体上无明显趋势,而秋季和冬季分别在2003年和2006年以后呈现较明显的下降趋势。3由于秋季灌区引黄供水远远不能满足实际需水量,为缓解地下水位下降,应适当增加秋季引黄量。
关键词：引黄灌区,地下水位,动态变化,M-K趋势检验
引黄灌区地下水补给除降水外,引黄灌溉水入渗也是一种非常重要的补给来源。济南引黄灌区位于黄河下游北岸,鲁北黄泛平原南部,引黄控制面积约26万hm2,包括邢家渡、田山、陈孟圈、胡家岸等大中型引黄灌区10余处[1]。在灌区的发展过程中,由于外部环境因素和人工开采的影响,灌区地下水系统循环条件发生了很大变化。而地下水又与生态环境相连,地下水位的变化可引起诸如土壤水盐运动状态、地下水质、植被群落以及生态需水量等生态环境效应[2]。因此,对灌区地下水位动态及趋势进行研究,对于区域生态环境、地下水、地表水合理利用以及农业社会的可持续发展有着极为重要的意义[3,4]。本文以邢家渡灌区为例,利用灌区1986-2013年地下水埋深、降水量和引黄灌溉资料,分析灌区内地下水位动态变化和趋势,为水渠系工程建设、生态环境保护和防治灌区区域性地下水位下降提供科学依据。
1 数据资料与研究方法
1.1 数据资料
地下水动态观测井网是地下水动态研究的基础。选择济南引黄灌区邢家渡典型灌区,综合考虑观测井在该流域的代表性以及资料的完整性与可靠性,结合灌区的水文地质条件及实际情况,选取18眼监测井1986-2013年28年的5日地下水位资料,观测井的位置按网格法布置,以及同时段内相邻气象站点的降水资料和各分灌区管理处提供的灌溉资料。
1.2 研究方法
数据分析主要用SPSS软件,绘图主要用origin和matlab软件。
地下水位趋势检验采用Mann-Kendall检验法(以下简称M-K方法)。M-K方法通常用来检验趋势的显著性,在水文气象趋势检验分析中得到广泛的应用[5,6,7]。M-K统计检验如下:
设样本序列为H0为X1,X2,…,Xn,n为时间序列的长度,定义统计量:
其中:
式中:Xj、Xk分别为j、k年的相应测量值,且k>j;S为正太分布,均值为0;Var(S)为S的为方差,t为任意给定结点的范围。
当n>10时,Zc收敛于标准正态分布,S标准化公式为
双边检验趋势中,在给定的在双边的趋势检验中,在给定的α置信水平上,若Zc≥Z1-α/2,原假设H0不成立,即在α置信水平上,时间序列数据存在明显的上升或下降趋势,Zc为正上升趋势,为负下降趋势,|Zc|≥1.28,1.64,2.32时,分别是信度为90%,95%,99%的显著检验。
样本序列为H0为X1,X2,…,Xn,n为时间序列的长度,Sk表示第i个样本Xi≥Xj(1≤j≤i)的累计数,定义统计量:
在时间序列随机独立的假设下,Sk的均值和方差分别为:
将Sk标准化:
其中,UF1=0给定显著性水平α,若|UFk|>Uα,序列存在明显的趋势变化。所有UFk组成一条曲线。将此方法引用到反序列,把反序列Xn,Xn-1,…,X1表示为X1′,X2′,…,Xn′。表示第i个样本大于Xj(i≤j≤n)的累计数。当i′=n+1-i时,,反序列的UBk带入公式(4)、(5)求得。
给定显著性水平α=0.05,如果|UF|>α,表示序列有明显变化趋势。曲线中UF或UB的值大于0,则表示地下水位序列呈下降(加深)趋势,小于0则上升(变浅)趋势。当它们值超过临界线时,表明上升或下降趋势显著。如果UF和UB两条曲线出现交点,且交点在临界值之间,那么交点对应的值便是突变的开始。
2 地下水位变化特征
2.1 地下水位年际变化特征
邢家渡引黄灌区1986-2013年地下水年均埋深与年际降水总量、年际引黄总量年序列变化特征如图1所示。
由图1和表1可见,济南邢家渡引黄灌区多年平均地下水埋深范围为1.4~2.6m,1986-2013年28年来地下水位波动变化,其变化曲线走势主要受年际降水总量和引黄灌溉总量影响,降水量和引黄灌溉水量较高的年份,地下水位较高,反之亦然。1986-1995年地下水位整体波动上升,年际降水量波动较大,水面蒸发量由1 187mm波动增加为1 351mm,说明1986-1995年引黄量不仅弥补某些年份降水的不足且盈余补充地下水。1996-2013年地下水位整体波动下降,1996-2013年相比1986-1995年平均降水量由547.6mm增加为586.5mm,水面蒸发量由1 283.2mm减少为1 100.7mm,同时邢家渡灌区,引黄取水许可量由1995年的2.90亿m3依次减少为2000年1.81亿m3、2005年的1.65亿m3和2010年的1.29亿m3,相应的灌溉应水量比例减少,说明虽然降水量增加和蒸发量的减少,引黄灌溉总量的减少是导致地下水位持续减少的主要原因,此外,引水渠系的完善和节水灌溉的实施,使灌溉水利用系数由原来的0.45提高到目前0.58,在减少了引水利用浪费的同时,导致灌区地下水补给量下降。
2.2 地下水位年内变化特征
邢家渡引黄灌区对多年月均地下水埋深、降水量、引黄量年内变化情况如图2所示。
由图2可以看出,灌区年内地下水位变化出现两个峰值,主峰值出现在8月份,说明地下水位主要受降水量的影响,6-8月份是灌区主要降水期,占全年降水量的70%,降水下渗补给地下水,使地下水位达到全年最高;次峰值出现在5月份,主要是受引黄量的影响,由于春季小麦返青、拔节、灌浆期需水量较大,而在此期间降水量较小,因此灌区引黄灌溉主要集中在3-5月份,占全年引黄水量的61%。由于灌区土壤质地以壤土、沙壤土为主,透水性较好,春灌剩余水量能快速补给地下水,致使地下水位明显升高。在11月份到次年2月份期间,灌区降水量和引黄量均较低,地下水缺乏足够的补给来源,地下水位达到全年最低。
3 地下水位年际变化和季节变化趋势分析和参数统计特征
为了进一步了解地下水位年序列和季节序列变化趋势,采用M-K趋势分析和参数统计方法进行分析,结果如图3和表2所示。
图3(a)中地下水位M-K趋势分析表明:从多年平均序列来看,地下水位存在较明显上升和下降趋势,如1990-1996年地下水位波动上升明显,显著水平均超过0.05临界线(U0.05=1.96);2000-2013年地下水位波动下降,尤其是2011年以来地下水位下降明显,显著水平超过0.05临界线。自2000年以来,济南引黄灌区引黄量明显较少,加上受黄河上游小浪底水库调水调沙的影响,黄河河床遭受严重冲刷,使引黄闸前水位多年来无法满足正常引水条件,致使灌区引水困难,地下水补给量减少导致地下水位明显下降。
综合图3(b)~3(e)和表2可以看出:灌区平均地下水位冬季最低,夏季最高。春季(3、4、5月)地下水埋深变化范围1.53~2.10 m,地下水位有上升趋势但不明显(显著水平小于0.05);夏季(6、7、8月)地下水埋深变化范围0.51~2.45m,受降雨量变化的影响,地下水位变化波动大,有升有降。秋季(9、10、11月)地下水埋深变化范围1.75~2.74 m,近十年来年地下水位下降趋势明显,显著水平超过0.05;冬季(1、2、12月)地下水埋深变化范围2.02~2.93 m,2006年以来地下水位下降趋势明显,显著水平超过0.05。
济南引黄灌区农业种植作物主要是小麦、玉米、棉花等。根据作物生长特点,灌区灌溉需水主要集中在每年3-5月和8-10月份,需水量分别占全年总需水量的61.0%和24.8%。据资料,济南引黄灌区2002-2013年3-5月和8-10月份引黄量分别占全年总引黄量的69.0%和12.6%。春季加之地下水位略有上升,说明地面有盈余水补给地下水,可见引黄量能够满足全灌区农业用水需求,而8-10月份灌区为缓解玉米成熟前旱情或冬小麦播种造墒用水量较大,引黄供水远远不能满足实际需水量,需要大量开采地下水进行灌溉,使得秋季地下水位明显下降,近8~10年春、夏季地表来水对地下水的补给、储备不足,秋、冬季需开采地下水灌溉,导致近些年年均地下水位持续下,今后应适当增加秋季引黄量,缓解水资源供需矛盾。
4 结语
本文利用济南引黄灌区1986-2013年28年的观测资料,采用M-K趋势检验的方法,对灌区地下水位动态变化特征及趋势分析进行了分析,主要结论有。
(1)近二十年济南引黄灌区地下水位年际变化趋势主要受年际引黄总量的影响,2002-2013年地下水位波动下降且达到年序列最低;多年月均地下水位变化出现两个峰值,主峰值主要受汛期降水的影响,次峰值主要受春季引黄灌溉的影响。
(2)对地下水位多年序列和季节序列进行M-K趋势和参数特征分析,1988-1999年地下水位呈上升趋势,1990-1996年上升趋势显著,显著性水平超过0.05临界线,2000-2013年地下水位呈下降趋势,主要原因是2000年以来,济南引黄灌区引黄量明显较少,加上受黄河上游小浪底水库调水调沙的影响,灌区引水困难,地下水补给量减少导致地下水位明显下降。
(3)1986-2013年春季和夏季地下水水位变化趋势不明显,波动不大,而秋季在2003-2013和冬季在2006-2013年近8~10年内地下水位出现较明显下降趋势,秋季、冬季和年均水位持续下降,这是因为近些年秋季灌区引黄供水长期满足不了实际需水量,且雨量减少,需要大量开采地下水进行灌溉,而春、夏季地表来水对地下水的补给不足,加之秋、冬季需开采地下水灌溉,导致年均地下水位持续下降,今后应适当增加秋季引黄量,缓解水资源供需矛盾。
参考文献
[1]杜丙福,绪正瑞.浅述济南市大型灌区续建配套与节水改造[J].水利技术监督,2006,14(1):57-59.
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[4]王红雨.节水灌溉条件下宁夏银北灌区地下水动态研究[J],中国农村水利水电,2006,(2):20-23.
[5]Hirsch R M,Slack J R.Non-parametric trend test for seasonal data with serial dependence[J].Water Resource Research,1984,20(6):727-732.
[6]Douglas E M,Vogel R M,Kroll C N.Trends in floods and low flows in the United States:impact of spatial correlation[J].Journal of Hydrology,2000(240):90-105.
[7]刘燕.泾惠渠灌区地下水位动态变化特征及成因分析[J].人民长江,2010,(8):100-107.
地下水位动态 篇2
区域地下水位监测提供了定量评价含水层地下水位持续下降及其对环境影响必不可少的信息.历史上的地下水位监测网是为了评价地下水资源或监测水源地降落漏斗而设立的.,目前它们已经不能适应为流域水资源综合管理提供必需的信息.本文在综述国际地下水位监测现状的基础上,介绍了区域地下水位监测网优化设计的方法.采用地理信息系统编制的地下水动态类型图为地下水位监测井位置的选择提供了坚实的水文地质基础;克里金插值法能定量评价监测网观测值绘制的地下水位等高线的精度,因而可以用来定量设计地下水位监测网;时间序列分析和统计检验提供了优化地下水位监测频率的定量标准.这些方法已被应用于北京平原、乌鲁木齐河流域和济南岩溶泉域,其成果将在本刊分期发表.
作 者：周仰效 李文鹏 ZHOU Yang-xiao LI Wen-peng 作者单位：周仰效,ZHOU Yang-xiao(联合国教科文组织荷兰水资源学院,荷兰德尔福特)
李文鹏,LI Wen-peng(中国地质环境监测院,北京,100081)
棉花滩水库动态汛限水位研究初探 篇3
【关键词】棉花滩;水库;汛限水位;动态
1、项目背景
国家防汛抗旱总指挥部于2005年5月31日发布了《水库汛限水位动态控制试点工作意见》（以下简作《意见》），并组织开展了12座试点水库开展汛限水位动态控制研究工作，通过科学研究和行政审批调整了汛限水位或对汛限水位实施动态控制，取得了明显的社会效益和经济效益。基于本公司需求和国家政策支持，公司决定开展此项研究工作。
2、项目必要性和可行性分析
2.1必要性。棉花滩工程以发电为主，并承担下游一定的防洪任务，电站担任电网调频调峰任务。开展此项研究，能够妥善处理防洪与兴利之间的矛盾，在不影响防洪安全的前提下，提高电站的发电效益。
2.2可行性。棉花滩大坝运行状况良好，各项监测指标正常，经安全鉴定为一类坝;公司专门设置一个班组管理大坝、一个班组负责水库调度，人员充足，技术力量较强，制定了完善的规程、制度，管理水平较高;公司建设了水情自动测报系统，运行稳定，洪水预报精度可靠。具备了开展此项工作的基础条件。
3、水情自动测报系统及洪水预报方案评定
水情自动测报系统：评定指标有畅通率、故障次数、误码率。参照有关规定作出硬件指标是否符合要求的评价。各水库均建设了水情测报系统，且运行良好，各种指标均能够达到要求。洪水预报方案：依据《水文情报预报规范（SL250—2000）》，评定指标：确定性系数、洪峰流量场次合格率、峰现时差合格率、洪峰預报时效性系数、洪量场次合格率、水量平衡系数。计算预报误差与允许误差比，据此进行评定，预报精度满足规范要求。
4、设计洪水复核
设计洪水复核是汛限水位复核的基础工作。复核工作按照《水利水电工程设计洪水计算规范SL44-2006》进行。需要注意的是，一、水库蓄水后的坝址洪水资料，应进行换算和一致性处理，以与蓄水前洪水系列保持一致性。二、复核应采用多种方法、多种途径，经过综合分析比较后，选用最为合理的结果作为最终成果。棉花滩水库分别采用上下游站面积内插法、上游站与坝址面积比法、下游站与坝址面积比法三种方法计算，经过误差分析、综合比较，不同的汛期分期洪水分别采用最为合理的计算结果作为最终成果。
5、下游防洪目标设计洪水分析、防洪标准复核
棉花滩水库承担下游防洪任务，由于防洪目标（断面）设计洪水、防洪标准变化，直接影响水库的防洪调度，因此需算下游防洪断面及区间设计洪水，并调查、分析防洪目标防洪标准变化情况。计算坝址、下游防洪断面和区间设计洪水地区组成。根据设计洪水规范按水量平衡原理，水库、下游及区间设计洪水组成分两种情况组合：一、坝址、下游防洪断面发生同频率洪水，区间发生相应洪水。二、下游防洪断面、区间发生同频率洪水坝址发生相应洪水。成果应选用对水库防洪最不利地区组合。下游防洪目标的防洪标准复核，主要复核有无新的防洪工程建成，已有防洪工程是否能够达到原来的设计标准，防洪标准有无变化。
6、汛限水位复核
采用上述的设计洪水复核成果，根据洪水的时间分布规律及当地气象规律，结合数理统计方法，尝试对汛期进行分期，分别对各分期各种频率的设计洪水进行调洪演算，确定各分期汛限水位。棉花滩流域由于暴雨成因的不同，将汛期分为主汛期（前汛期）和次汛期（后汛期）。
7、动态汛限水位研究
7.1确定动态汛限水位上限值。分别采用以下三种方法，并进行综合，确定动态汛限水位的上限。预报调度法：利用洪水预报的洪峰和洪量，在不改变水库防洪标准确保水库及上下游防洪安全的前提下，改变水库洪水调度弃水条件、保坝敞泄条件等判别条件，确定新的汛限水位，作为动态控制上限值，静态汛限水位作为下限值。预泄能力约束法：利用天气预报和洪水预报的预见期，按照洪水起涨到下游安全泄量时库水位必须降至静态汛限水位的要求，预见期内按下游河道安全泄量进行泄洪，确定汛限水位动态控制上限值。上述两种方法相结合：考虑短期洪水预报，在有效预见期内，利用水库的泄流能力，在满足下游防洪安全前提下，根据短期实时洪水预报和降雨预报信息，上浮或下调预见期内的汛限水位，控制汛限水位在规划的可行约束域内。上浮的水位在遭遇设计洪水、流量起涨到下游河道安全泄量时降回到静态汛限水位，以确保水库和下游防洪安全;若预报洪水量级小于设计洪水，则根据预报改变调度判别条件，进行预报调度。
7.2制定动态汛限水位实际操作方案。（1）涨水段动态控制方案。研究实时调度工作中如何具体开展汛限水位动态控制。在涨水段，按照现有调度方案，可以在入库流量小于某限制流量时浮动汛限水位（该限制流量≤安全控制泄量，该值越小则越偏安全），当入库流量大于此限制流量时，使用静态汛限水位控制。对比以下三种操作方案：方案一、防洪效益最大为目标：当已知有降雨发生，则按安全泄量控泄，腾空库容至汛限水位。此法优点是能够确保防洪安全，缺点不能充分利用洪水资源。方案二、弃水最小为目标：有降雨发生，则逐步加大控泄流量至安全控泄流量，库水位逐渐降低。当来水流量等于安全控泄流量时，此时控泄流量亦为安全控泄流量，此时的库水位恰好降至汛限水位。此方案遇到小洪水时能充分回蓄，小洪水是大概率事件，因此节约了水资源，但从防洪角度来说是不利的。方案三、分级差量控制法：洪水涨水是有一定变幅特性的过程，逐渐上涨、逐渐消退的过程，在预报有洪水来临时，逐渐加大泄流至安全控泄流量，在洪水流量达到限制流量（≤安全控泄流量）时腾空库容至静态汛限水位。方案三是方案一和方案二的折衷方案。可根据需要进行过权衡比较，选择合适的方案。（2）退水段回蓄控制。结合拟合退水曲线和预报洪水过程曲线，进行回蓄控制。回蓄水量ΔW=W动-W静，W动和W静分别为动态汛限水位上限值对应的蓄水量、静态汛限水位对应的蓄水量。统计设计洪水各频率区间洪水相应流量退水洪量，可得到退水洪量W退=f（Q退，Qm），其中Q退为退水流量，Qm为洪峰流量。退水段流量应为天然入库流量扣除发电流量后的“净入库流量”，退水洪量也应是扣除发电用水量后的“可蓄水量”。实际工作时，可按照洪峰流量，进行分级差量统计。
8、风险评价
一方面，动态汛限水位方案存在不确定性。编制方案所依据的资料以及方案本身都是存在误差的，如气象、水文、水力、建筑物施工误差、观测资料、风浪影响等。另一方面，动态汛限水位方案应用于生产实际的调度操作存在不确定性。由于实时的洪水都是非典型的一般洪水，不可能完全恪守依据典型洪水过程。调度要符合设计的调度原则，又要根据实际发生而又未能准确预知的洪水，兼顾上、下游的要求，兼顾防洪、兴利效益，适时控制洪水蓄、泄过程。在防洪调度中，受信息采集及传输、入库洪水预报系统、人力管理操作等因素影响，实际调度与设计情况下的精确调度也有一定偏差。汛限水位的影响因素众多，因此需要从多个方面来综合分析论证。（1）设计洪水计算的不确定性影响分析;（2）汛期分期设计洪水和分期汛限水位与水库防洪标准之间的关系分析;（3）不同典型洪水过程的影响分析;（4）水库上游库区移民淹没线的影响分析;（5）水库防洪风险定量分析。
9、结束语
地下水位动态 篇4
1西辽河平原区概况
西辽河平原位于内蒙古自治区东部, 大兴安岭南段山地与冀北、辽西山地之间, 东与松辽平原相接, 是西辽河及其支流联合形成的冲积平原。该区北起科尔沁右翼中旗, 南至奈曼旗, 西起翁牛特旗, 东至吉林省双辽市。地理坐标为:东经119°04′～124°33′, 北纬42°33′～44°58′, 总面积为5.23万km2, 成不规则形状。
据统计, 全区多年平均地下水天然补给资源量为47 152.26万m3/a, 矿化度均小于1 g/L。其中, 大气降水入渗量38 015.77万m3/a, 农田灌溉水入渗量2 134.32万m3/a, 地下水径流量2 518.86万m3/a, 干渠入渗量235.34万m3/a, 水库渗漏量1 781.68万m3/a。地下水天然补给资源量主要为大气降水入渗量, 占全部的80.62%, 其次为上游地下水径流流入量, 占全部的5.34%。全区地下水可开采资源量为24 624.05万m3/a, 矿化度均小于1 g/L。从地下水资源分区看, 可开采资源量以教来河最多, 为5 050.58万m3/a, 占总开采资源量的20.51%;库伦沟最少, 为127.75万m3/a, 占总开采资源量的0.52%。鉴于西辽河平原区特定的自然地理和水文地质条件, 在地表水资源相对贫乏的干旱、半干旱地区, 地下水一直是该区水资源的重要组成部分, 是区内人、畜饮用水, 农田灌溉用水的主要水源。缺水是引起该区经济不发达、贫困的主要原因之一, 已成为制约地区经济发展的“瓶颈”[6,7]。
2西辽河平原区地下水水位动态分析
2.1地下水水位动态影响因素
地下水动态的影响因素主要有气象因素、水文因素、地质因素和人为因素[8,9]。
a. 气象因素。气象因素对潜水动态的影响最为普遍。降水的数量及其时间分布, 影响潜水的补给, 从而使含水层的水量增加、水位抬升、水质变淡; 气温、湿度、风速等与其他条件结合, 影响潜水的蒸发与排泄, 从而使含水层的水量减少、水位降低、水质变咸。
b. 水文因素。地表水体对地下水的补给, 使地下水水位抬升。这种抬升随着远离河流水位变幅减小, 发生变化的时间滞后。
c. 地质因素。地质因素是影响输入信息变换的因素。包气带厚度和岩性控制着地下水水位对降水的响应; 含水层的透水性、厚度和给水度影响着河水补给地下水引起的地下水动态变化。
d. 人为因素。人工开采或补给地下水, 都会使地下水动态发生变化。此外, 还有天文因素、土壤因素、生物因素等, 但从大的区域范围看并结合已有研究结果可以肯定, 这些因素均为次要影响因素, 不足以引起地下水水位明显、有趋势性的变化。
2.2地下水水位动态类型
通过对气象、水文、地下水水位等资料的统计和评价, 将西辽河平原区分成以下6个地下水动态类型。
2.2.1 人工开采型
人工开采型地下水动态类型主要分布于内蒙古自治区通辽市科尔沁区、科尔沁左翼后旗以及奈曼旗的中部等地下水集中开采的地区, 地下水水位主要受开采影响。如图1所示, 该区域的降水量在夏季丰水期 (6～9月) 较高, 8月达到年内最高值, 而地下水水位在该时段却大幅下降, 主要因为该时期为农业开采期, 地下水集中开采, 水位受人工开采影响较大, 随开采量的增加而下降, 随开采量的减少而升高。
2.2.2 降水入渗开采型
降水入渗开采型地下水动态类型主要分布于内蒙古自治区通辽市开鲁西部、奈曼旗西北部, 地下水水位主要受大气降水和人工开采2个因素影响。如图2所示, 该区域降水量在6月达到年内最高值, 降水的不断入渗补给量一般大于地下水的开采量, 使得地下水水位得到恢复, 动态曲线呈缓慢上升的趋势;到8、9月农业集中开采期, 地下水开采量大幅增加, 成为主要控制因素, 地下水水位渐趋下降, 降水量的增加可以缓解地下水水位下降的速度。在年内, 地下水水位的变幅较大, 存在着较为明显的波谷, 而波峰反映不明显。
2.2.3 降水入渗型
降水入渗型地下水动态类型分布于内蒙古自治区通辽市开鲁东部, 地下水水位主要受到降水入渗量的控制。如图3所示, 该区降水量在6月达到峰值, 地下水水位与其相对应也达到峰值, 在枯水期 (1～4月) 和平水期 (9～12月) 相对较平稳, 变化不大。该型地下水水位过程线比较单一, 为单峰型, 高水位与雨季对应。
2.2.4 降水入渗蒸发型
降水入渗蒸发型地下水动态类型分布于内蒙古自治区通辽市科尔沁左翼中旗蒸发作用强烈的地区, 地下水水位主要受蒸发量的控制。如图4所示, 该区域蒸发量在5月达到年内最高值, 随之逐渐减少, 地下水水位在5月因蒸发量增大而降低, 到8月因降水量达到年内最高值, 降水入渗补给使得地下水水位逐渐上升。
2.2.5 径流型
径流型地下水动态类型分布于内蒙古自治区通辽市扎鲁特旗东部的沿河地区及库伦旗山前倾斜平原区, 由于地形坡度相对较大, 地下径流畅通, 地表水与地下水交换积极, 地下水主要以径流形式排泄。如图5所示, 在丰水期径流量较大, 地下水水位较高, 地下水水位过程线起伏变化较多。
2.2.6 降水入渗径流型
降水入渗径流型地下水动态类型分布于内蒙古自治区通辽市扎鲁特旗西部、开鲁东部, 地下水水位受降水入渗和地表径流的共同影响。如图6所示, 该区地下水在3、4月份得到地表径流冻融水的补给, 地下水水位升高, 在夏季降水集中的季节, 地下水水位随降水入渗和地表径流的补给而升高。
3地下水水位动态对水资源的影响
由上述地下水水位动态类型分析可见, 人工开采是影响西辽河平原区地下水的主要因素。随着地下水的大量开采, 区内地下水水位逐年下降, 特别是通辽市城区由于集中供水、地下水开采量大, 自20世纪70年代末就形成了以科尔沁区为中心的地下水降落漏斗。经过30多年的发展, 该漏斗分布面积已达1 290.21 km2, 漏斗中心水位埋深达13 m。除此之外, 地下水的大量开采还会引起地面沉降、土壤盐渍化、水资源衰竭, 以及由于受工业废水、生活污水、农业灌溉等的影响产生的水质污染与恶化等一系列问题。为了合理利用水资源, 需要加强地下水动态监测, 研究地下水均衡状态, 优化城市供水水源结构, 合理控制地下水开采量, 以便让有限的地下水资源得到更合理、更充分地利用。
4结 语
根据西辽河平原区地下水动态及气象、水文等资料, 对地下水水位动态进行了分析研究, 确定了西辽河平原区的地下水动态类型, 并根据实际情况将西辽河平原区分成6个地下水动态类型:人工开采型, 降水入渗开采型, 降水入渗型, 降水入渗蒸发型, 径流型, 降水入渗径流型。从地下水动态类型可以看出, 西辽河平原区地下水动态主要影响因素为气象因素及人为因素, 地下水的大量开采对西辽河平原区的水资源可持续利用产生了极大的影响。西辽河平原区地下水动态影响因素及动态类型的分析结果, 可为当地地下水资源的开发利用规划、管理与保护提供科学依据。
摘要：根据西辽河平原区地下水位动态及气象、水文等资料, 分析了地下水水位动态, 确定了该区的地下水位动态类型:人工开采型, 降水入渗开采型, 降水入渗型, 降水入渗蒸发型, 径流型, 降水入渗径流型。结果表明, 西辽河平原区地下水动态主要影响因素为气象因素及人为因素, 地下水的大量开采对该区水资源可持续利用产生了极大的影响。
关键词：地下水资源,水位动态,动态特征,西辽河平原
参考文献
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[8]王振山, 董小辉.白城地区地下水位动态分析[J].地下水, 2009, 31 (1) :33-34.
地下水位动态 篇5
西夏水库是宁夏自治区党委和政府为保护银川市西部的地下水环境, 优化区域水资源配置, 向银川市西部提供优质的地表水和自然过滤源水水源而批准实施的一项重要的水资源配置工程, 工程为沙坡头北干渠的重要组成部分, 供水对象为银川市西部的工业企业, 设计年供水总量6200万m3/a, 日供水量17万m3/d。
西夏水库位于银川市西南, 由原银西防洪体系的第一拦洪库改建而成。水库地处贺兰山东麓的洪积扇上, 库区底部的防渗效果和基础渗流特性是安全监测的主要目标之一;由于水库建成之后必然引起周围水环境的改变, 特别是由于渗漏量增大, 抬高水库下游农田的地下水位, 因此水库下游农田保护区的地下水位监测是目标之二, 同时也是辐射井群提水设施工作的控制目标。
2 主要工程监测项目
2.1 变形监测
在坝顶设置视准线一条, 测点间间距为100m, 共设置表面标点18个;在桩号1+500和2+150, 轴距+4.0米处, 布设沉降管各1条;在输水塔闸房外四个边角各设置4个水准监测点, 两外在输水塔工作桥上布设10个水准点。
2.2 渗流监测
坝体渗流压力观测断面选择0+675、0+966、1+500、2+150和3+000五个横断面进行坝体渗流观测, 埋设渗压计36支。
2.3 保护区和辐射井区地下水位监测
辐射井区地下水位监测相当坝后水位观测, 也反映了辐射井区提水设施的工作效果, 设置水位井18个, 测井深度为15m, 安装水位计18支。
3 系统网络整体结构
西夏水库工程安全监测自动化系统及测站、中心站网络采用分层分布式的网络结构。测站层由各测点传感器和数据测量控制装置组成;监测中心站位于水库大坝管理处, 监测中心站由数据采集接收机、监测工作站、服务器等组成。
将监测数据、系统参数和其它信息资料存放在数据库中, 数据库运行在监测服务器上以实现资源共享;监测工作站作为前端用户访问, 服务器处理数据库中的数据。除系统管理员可以直接在监测服务器上对系统进行参数设置、数据库管理等操作外, 其他操作人员通过权限设置在监测工作站对监测自动化系统进行数据的查询、监视等操作。
系统通信主要完成M C U之间及M C U与控制中心之间的数据通信, 采用支持分布式控制、通用的Lon W orks通信方式。
4 渗流特性分析
西夏水库大坝渗流监测断面有5个, 坝后水位观测井共18个, 根据西夏水库渗流监测断面以及水位井的设置, 此次主要针对西夏水库2013年4月初至2014年6月中旬各监测断面上埋设渗压计监测数据以及坝后水位井水位监测数据进行分析。
2#渗流监测断面 (0+966) 为输水洞断面, 该断面共埋设渗压计11支, 编号为:P2-1~P2-11。由于在该断面上的测点P2-2、P2-3、P2-5、P2-7、P2-9处埋设的渗压计数据波动加大, 且波动范围也较大, 因此在分析过程中只考虑断面上其余测点在2013年4月初至2014年6月中旬的渗流压力水头与孔隙压力过程线与库水位过程线对比, 如图1、2所示。
从图可以看到:0+966断面上测点孔隙水压力水头、孔隙水压力变化过程与库水位的变化过程一致, 且变化过程比较同步;对于测点P2-11一直处于负压状态, 表明该测点位置的土壤一直处于非饱和状态;从各测点的孔隙水压力水位大小来看, 目前测点的孔隙水压力水头变化区间在1131~1135m之间;目前测点孔隙水压力大小的变化区间基本都在25~45KPa之间, 除测点P2-11处于负压状态, 其余测点均处于正压状态;从测点孔隙水压力水头分布来看, 测点的渗流压力水头分布与理论分布基本一致, 从断面上游到断面下游呈逐渐减小的分布状态。
5#渗流监测断面 (3+000) 共埋设渗压计6支, 编号为:P5-1~P5-6。分别绘制各支仪器从2013年4月初至2014年6月中旬渗流压力水头和孔隙水压力变化过程线, 如图所示。
从图可以看到:3+000断面测点的孔隙水压力水头、孔隙水压力变化过程与库水位的变化过程基本一致 (除测点P5-6) , 且断面上测点孔隙水压力水头测值与上游库水位值相差较小, 表明该断面位置的材料渗透性比较强;从测点的孔隙水压力变化来看, 测点P5-6的孔隙水压力基本在0KPa附近波动, 表明测点位置土壤处于饱和与非饱和状态的临界位置, 而其余测点的孔隙水压力均处于正压状态, 孔隙水压力范围在0~150KPa之间。从监测断面上所有测点的孔隙水压力水头值与测点位置分布来看, 测点水头值基本满足从上游向下游逐渐减小的趋势, 与理论分布基本一致。
5 坝后水位井监测特性分析
根据水位井 (O H 5-1) 监测数据, 绘制从2013年4月初至2014年6月中旬测点的渗流压力水头与水库水位变化过程对比图, 如图所示。
可以看到:水位井O H 5-1的水位变化波动较小, 水位井的水位变化与水库水位的变化在2013年11月份之前比较一致, 2013年11月份之后水位井O H 5-1的水位变化过程比较稳定, 受上游库水位的变化过程影响较小。
6 坝后水位井不同时刻水位与原始水位比较分析
2013年11月25日、2014年6月20日西夏水库坝后地下水位分布基本呈现出从坝址向坝后延伸处逐渐降低的趋势, 地下水位从坝址1130m逐渐降低为1126m, 与坝后地形走势情况基本一致。与坝基、坝后初始地下水位分布图比较, 发现在坝后集渗廊道之前地下水位有所升高, 而集渗廊道之后的地下水位出现略微下降的现象, 这表明通过坝后集渗廊道的截留及坝后泵站抽排, 西夏水库渗漏水量部分被截留回抽, 对集渗廊道之后的地下水位高低有一定影响, 但是影响的范围比较有限。
坝基、坝后地下水位的分布图如下:
7 总结
根据西夏水库蓄水过程、地形上来看, 坝后地形为逐渐降低的过程, 地下水位也呈逐渐降低的趋势。
水库坝后设置集渗廊道用来进行坝体及坝基的渗漏水量截留, 从坝后集渗廊道的运行来看, 通过截留在一定程度上降低了水库的渗漏对下游土地的影响, 但是由于坝基的渗透量较大, 坝后集渗廊道无法完全截留水库的全部渗漏水量, 因此水库的高水位蓄水时可能会对水库下游的土地有较大影响。运行管理单位后期要严格执行水库及水库坝后泵站的运行管理制度, 并实时监测水库坝体、坝基及坝后水位的变化情况, 避免由于坝后集渗廊道的抽排水不及时导致坝后地下水位的迅速增加的情况发生, 为更充分合理的进行水库及泵站运行管理积累丰富的资料。
参考文献
[1]SL274-2001.碾压土石坝设计规范.
[2]SL360—2006.地下水监测站建设技术规范.
地下水位动态 篇6
焉耆盆地是新疆典型的山间内陆盆地和大规模开垦荒地大规模推广膜下滴灌高效节水技术致使地下水位下降典型区, 因此探讨该区地下水位下降和灌溉农业变化之间的关系,对焉耆盆地适度开垦荒地,合理推广高效节水,科学利用地表水、地下水具有重要意义,对干旱区山间内陆盆地合理进行水土开发具有参考作用。本文应用相关分析法、RS及MapGis空间特征分析技术,探讨了焉耆盆地21世纪以来地下水位下降与耕地面积增大、大规模推广高效节水的多元耦合关系与响应机制。
1研究区概况
焉耆盆地位于天山中段南麓新疆巴音郭楞蒙古自治州境内,面积约13 612km2。四周环山,呈菱形,地势从西北向东南倾斜,从周边山岭向盆地中心 - 博斯腾湖倾斜。博斯腾湖[5,6]是我国最大的内陆淡水湖,分为大、小两个湖区,大湖区是湖体的主要部分,东西长约55km,南北平均宽约20km,湖面海拔为1 048.75m时,水域面积达1 002.4km2,体积为88亿m3, 平均水深7.38m,多年平均降水量64.7mm,多年平均蒸发量2 194.7mm,属于典型的大陆性干旱气候。
研究区指焉耆盆地绿洲区,面积约4 120km2,区内河流来源于南天 山冰雪融 水和降水,多年平均 总径流量42.15亿m3/a,主要河流有开都河、黄水河和 清水河,多年平均 径流量[7,8]分别为34.82、2.89和1.05亿m3/a。区内地下水主要赋存于第四系松散堆积物中,补给来源 有河流、渠系渗漏,山区河谷和基岩地下径流,大气降水入渗,田间灌溉水渗漏。排泄归纳起来有3种形式:一是潜水蒸发,二是通过农排渠排泄及向河流湖泊泄流,三是人工开采。研究区地下水资源8.91亿m3/a,其中开都河区地下水资源量为6.71亿m3/a,和静北部 诸小河区地下水资源量为1.055亿m3/a,和硕独立 小河区地 下水资源量为1.217亿m3/a,不引起地 表生态环 境退化的 地下水可持续开采量[9]为3.8亿m3/a。
2地下水位演变特征
2.1初始特征
研究区天然状态下地下水流场的流向是自西北向东南运动,在2000年,区内湖泊 湿地面积1 695.6km2,占研究区 的30.13% ;地下水位 埋深小于5 m的分布区 面积为2 930.4 km2,占52.07%,大于5 m的埋深区 面积1 002.1km2,占17.81%。
2.2现状特征
根据2011年水文地质测绘表明,研究区内湖泊湿 地面积1 392.7km2,占研究区的25.65% ;地下水位埋深小于5m的分布区面积为2 407.1km2,占44.34%,大于5m的埋深区面积1 629.5km2,占30.01%。
2.3演变特征
由图1可以看出环绕博斯腾湖由外到内,地下水位埋深呈现出由深变浅的特征。通过对图1(a)与图1(b)对比可知,经过11年时间演变,研究区内地下水位埋深>10m区域明显增大,其范围由近山区向近湖区逼近,主要分布在盆地西侧和东北侧;在内陆中心区域,地下水位埋深2~3m区域面积有所增加;博斯腾湖面积呈现出减少的趋势,在湖的西北岸和东北岸较为明显。
2000年研究区 内湖泊湿 地面积达1 695.6 km2,占30.13%,埋深0~3m区域2 311.5km2,占41.07%,埋深3~ 5m区域618.9km2,占11%,埋深>5m区域1 002.1km2,占17.81%;2007年湖泊湿 地面积缩 小至1 488.7 km2,占26.44%,埋深 >5 m的分布区 面积扩大 至1 317.1km2,占23.39%;进入2011年,湖泊湿地 面积进一 步缩小至24.73%,埋深0~3m区域缩小至1 585.8km2,占28.16%,埋深3~5 m区域扩大到822.93km2,占14.61%,埋深>5m区域继续扩大,达到1 829.5km2,占32.49%(见表1)。
以定边界区域内陆地地下水位以上土体厚度来衡量研究区内总体地下水位埋深情况,由于盆地内陆地面积相对整个盆地面积而言波动幅度小于6%,因此可以如此定义,该厚度值越大则表明盆地内总体地下水位埋深越大,该值越小则表明盆地内总体地下水位埋深越小。地下水位以上土体厚度计算公式如下:
式中:hi为第i年不同地下水位埋深值;Ai为第i年不同hi对应的面积值;为第t年定边界区域内平均地下水位埋深。
取0~1m埋深值为0.5m、1~2m埋深值为1.5m、2~3 m埋深值为2.5m、3~5m埋深值为4m、5~10m埋深值为7.5 m、>10 m埋深值为15 m,经过计算 得
由此可知11年来,盆地内地 下水位一 直在下降,20002007年期间,平均每年下降0.096m;2007-2011年期间,平均每年下降0.303m,下降速度翻了3倍以上。
3耕地面积和灌溉方式变化特征
3.1耕地面积变化
为掌握研究区不同 时期土地 利用类型 的变化情 况,利用RS与MapGis空间特征 分析技术,对研究区2000、2007及2011年的遥感数据基于Mapgis平台进行人机交互式解译,将盆地内的土地利用类型分为水域、湿地、盐碱地、耕地、沙地、建设用地、未利用地和林草地等8大类,针对研究区域不同时期的土地利用类型变化情况进行分析,得出研究区内11年来耕地的演变过程。
通过图2(a)与图2(b)对比可知,近11年来,焉耆盆地绿洲区耕地面积明显增加,2000年耕地外围大面积未利用地到2011年时转变为 耕地。2007年耕地面 积比2000年增长了428.63km2,增长率达61.23km2/a;2007-2011年4a时间里增长了6.07%,增长率达85.46km2/a;11a的时间里 盆地内耕地面积增加了13.66%。
水域面积自2000-2011年一直处于减少阶段,第一阶段2000-2007年减少了3.31%,第二阶段减少了0.85%;未利用地面积一直处于高速缩减状态,第一阶段缩减2.48%,第二阶段缩减2.4%;林草地也是大规模减少,第一阶段减少了2.6%, 第二阶段减少了0.76%。通过对比我们可 以看出,在20002007年期间,耕地面积的增加主要由水域面积、未利用地和林草地面积的缩小演变而来;在2007-2011年这4年里,耕地面积增加了341.08km2,其中未利用地面积大量转换为耕地,4年即转换了135.04km2,剩余200km2由水域、湿地、沙地、林草地和盐碱地转变而来,这其中,高效节水技术的推广,在一定程度上节约了部分 水资源,利用这部 分水资源 加速了荒 地的开垦。
3.2灌溉方式变化
在2000年之前,焉耆盆地一直以常规灌溉为主,常规灌溉包括沟畦灌和冬灌的大水漫灌。自2000年以来焉耆盆地开始试点膜下滴灌高效节水技术,最开始只是在棉花、辣椒、葡萄等作物上试验,由于其节水能力大,增产效果明显,后来大面积推广到小麦、甜菜等作物。
由表3可知,在2000年研究区 内高效节 水面积仅1.61 km2,占实际灌溉面积的0.09%;经过7年的发展,到2007年达到128.7km2,占5.83%;2008年之后,伴随着政府对高效节水技术的大力支持,盆地内膜 下滴灌开 始大规模 迅速推广 开来,到2011年规模达到844.55km2,占当年实 际灌溉面 积的31.55%。
农业综合毛用水定额包括作物生长期内灌溉和冬灌两项, 在焉耆盆地,常规灌溉地和高效节水灌溉地冬灌均采用大水漫灌,定额在2 700m3/hm2左右,通过对常规灌溉与高效节水灌溉对比(见表4)可知,高效节水灌溉的灌溉水利用系数比常规灌溉大0.35以上,节水3 000m3/hm2以上,其中常规灌溉渠系水利用 系数比高 效节水灌 溉小0.3以上,渠系渗漏 损失2000、2007、2011年分别为3 519、3 028、2 718m3/hm2,而对应的高效节水渠系渗漏 损失仅为241、180、101 m3/hm2,由此可见常规灌溉渠系渗漏对地下水的补给是很大的,滴灌的渠系渗漏对地下水的补给微乎其微。
4地下水位下降与灌溉农业关系
区域单元内地下水位不断下降是由于排泄量大于补给量, 针对焉耆盆地灌溉农业区地下水位不断下降可划分为两个阶段(见图3),阶段一:2007年之前,即大规模开垦荒地实施常规灌溉阶段,在这一阶段,研究区内部分林草地转换为耕地,引水量不断增大,渠系渗漏增大致使补给量有所增加,局部地区地下水位在灌溉期有所升高,同时,盆地东北部和西部原本靠汲取地下水生长的自然植被和未利用地转为依赖灌溉收成的农作物,在增大潜水蒸散发的同时又增大了当地地下水开采量, 东北部和西部地下水位降低,总体上排泄量大于补给量,区内地下水位有所下降;阶段二:2007年之后,在盆地的中心区域, 高效节水技术实施推广,渠系渗漏补给量有所减少,地下水开采量有所加大,在盆地的 东北部和 西部开垦 荒地规模 继续加大,地下水开采量和潜水蒸散发量继续加大,排泄量和补给量均减小,从而致使地下水位迅速下降。
2007年之前,虽然地下水开采使得地下水位下降,但常规灌溉入渗补给地下水量较大,因此,随耕地面积增大,地下水位下降的幅度较小,耕地面积每增加100km2,研究区地下水位全区平均降幅0.15m。在2007-2011年4a时间里,区内部分常规灌溉转变为膜下滴灌,致使地下水开采量加大,另外新开垦荒地也增大了地下水开采量,高效节水灌溉面积每增加100 km2,焉耆盆地地下水位平均降幅0.25m,相对2007年之前地下水位降幅增大66.67%。
从农业开采井数和地下水开采量来佐证上述研究结果(见图4)。在2000年,研究区开采机井数仅683眼,至2007年,开采井数增加至1 243眼,2011年达到3 216眼,分别增加了2.6倍和4.7倍。年开采从2000年最初的1.25亿m3/a,增大为2007年2.57亿m3/a和2011年的6.92亿m3/a,分别增大2.1倍和5.5倍。11年来累计开采地下水35.97亿m3,超采地下水6.02亿m3(对应多年可持续开采量3.8亿m3/a),平均超采模数达到14.61万m3/km2。该超采量除以盆地内浅层含水层综合给出度0.085(盆地内浅层地下水含水层地下水给出度介于0.05~0.12),对应地下水位的降幅为1.72m,与近11年来研究区内实 际地下水 位降幅相 差0.16 m,误差8.5% 小于10%,认为累计降幅基本一致。
5结语
灌溉农业迅速发展的焉耆盆地,地下水位下降的幅度与区内耕地面积扩大和灌溉方式变化密切相关(见图5)。
2000年以来,常规灌溉耕地面积每增加100km2,地下水位平均降幅0.15 m,膜下滴灌 高效节水 耕地面积 每增加100 km2,地下水位平均降幅0.25m。2000年研究区平均地下水位埋深4.98m,到2007和2011年分别下降到5.65和6.86m, 截止2013年12月全区平均地下水位已下降至7.93m,远低于盆地内地下水生态安全水位[10]3.5~5.0m, 由此带来一系列环境问题。天然植被衰败,活植株盖度降低,随处可见枯死的灌木丛,具有极强抗旱能力的胡杨、怪柳仅断断续续生长在河床两边数百米范围内。博斯腾大湖水位由2002年达到的 史上最高 水平1 049.39 m降到2013年12月的1 045.06m,接近最低控制水位1 045m,大湖面积由1 230.2km2萎缩至912.31km2;在湖水位下降、湖面积不断萎缩的过程中,博斯腾湖区域生态环境持续退化,小湖区,原来草盛木青的湿地草甸现已是植被稀疏,主产业芦苇面积缩小、长势衰退;大湖区,有机质污染日益严重,湖水矿化度增加,水质不断恶化,鱼类种数和产量减少,直接影响到区域经济可持续发展。
因此,适度开垦荒地,优化灌溉农业布局结构,理性推广膜下滴灌高效节水技术,对于缓解焉耆盆地地下水位逐年下降十分必要。□
摘要：2000年,焉耆盆地内平均地下水位埋深4.98m,耕地面积1 656.26km2,高效节水灌溉面积1.61km2;盆地内灌溉农业经过11年由常规灌溉向高效节水灌溉的转型发展,到2011年,平均地下水位埋深下降至6.86m,耕地面积增加至2 426.73km2,高效节水灌溉面积增加至844.55km2。针对这一问题,基于大量实测资料和RS及MapGis技术与相关分析方法,通过近10年来区内耕地面积和灌溉方式变化特征对地下水位下降响应机制研究。结果表明:2000年以来常规灌溉耕地面积每增加100km2或高效节水灌溉面积每增加100km2,研究区地下水位下降幅度为0.15和0.25m。
地下水位动态 篇7
目前在抗浮设计中常用的方法有自重抗浮、压重抗浮、基底配重抗浮、打抗拔桩抗浮或打锚杆抗浮等多种, 降低地下水位法由于其特殊的降水措施近年来得到越来越多的应用。这些方法各有特点, 针对不同的建设场地和不同结构体型的地下室选用不同的抗浮措施, 会对结构受力和工程造价产生较大的影响。
1 降低地下水位法
水池的抗浮计算公式为:G/F≥1.05
式中, G为地下室自重等永久作用荷载;F为地下水浮力;N1为池底抗浮桩或锚杆的抗拔力。见图1。
降低地下水位法是通过在地下室四周排水沟和地下室外墙打泄水孔, 让地下水有组织的进入室内排水系统降低水浮力F来达到抗浮的目的。该方法安全、经济, 施工较为方便。此方法最早是当地下室由于水浮力产生破坏时采取的补救措施, 在抗浮补救中有着非常好的效果, 后来也逐渐用于抗浮设计。由于该方法具有一定的局限性, 其运用并不是很普及也没有相应的规范。
降低地下水位法对地下室土体的要求比较高, 适用于地表渗水, 不适应于承压水和淤泥质土。该方法较之于相比较配重法和抗拔桩与抗拔锚杆有明显的优势, 其施工方便, 价格便宜。所以该方法用于抗浮补救或在适宜的地质条件下进行抗浮设计有着非常好的运用前景。
2 工程设计实例
该处以“某地地下室抗浮工程”为例, 对降低地下水位法在具体工程实例中的运用进行分析。
工程概况:该工程地下室为地下一层, 面积约25 000m2, 主要作为地下车库使用。地下室 (地下车库区域) 为框架结构, 采用柱下独基, 底板建筑标高-5.700m, 结构标高-5.750m, 建筑±0.000标高为高程31.40m。目前该地下室未建设, 场地地下水为赋存于第 (1) 层杂填土中的上层滞水和基岩中的裂隙水。上层滞水水位为地表下1.0~2.2m。
处理方法:第一种是压重法, 可通过在地下室压重或增加地下室底板来增加原结构的重量或覆土重量以此来提高G达到抗浮的目的, 该方法对原设计地下室截面配筋率相对较大的地下室最为适用, 由于该工程抗浮水位高 (该工程抗浮设计水位为±0.000标高高程31.40m) , 此方法实施难度大;第二种是抗浮桩 (抗浮锚杆) 加固法, 通过桩或锚杆的抗拔力N1来抗浮, 该方法对大体积地下室的抗浮相当有效, 不仅能满足地下室的整体抗浮, 还能通过合理布桩或锚杆来解决局部抗浮问题, 但此方法成本高, 施工周期长;根据该工程的实际情况主要考虑上层滞水, 故采用降低地下水位法。处理方法如下:
1) 基坑周边土回填前, 保持周边降水工作, 以免造成地下室的上浮;
2) 利用建筑要求设置的排水沟和在靠近外墙内侧设置的排水沟, 形成排水系统。在排水沟和外墙上布置泄水孔, 并在孔内安装滤水装置, 使进入基底的地表水经过泄水孔后通过排水系统抽排出去, 避免在基底形成水浮力。排水系统和泄水孔布置见图2, 泄水孔设置见图3。
3) 为避免上层滞水大量渗至地下室底板底, 导致在使用中经常性排水, 地下室周边杂填土应挖除, 重新回填粘性土, 并分层夯实。处理方法见图4。
排水系统的施工工艺:预留泄水孔→洛阳铲掏土→滤水网制作→填充滤水材料→填塞钢丝球或尼龙丝→排水沟设置。
4) 滤水网筒制作完毕后, 往网筒内灌入砂石并捣实, 密封网筒两端, 网筒装入滤水孔前, 在网筒安装完毕后, 在滤水孔端、泄水孔内填塞钢丝球或尼龙球。
5) 新设排水沟范围详见施工图, 浇筑混凝土时预留沟槽即可。
6) 工程造价对比
/元
通过对比可知, 在可以运用降低地下水位法的条件下其成本约为打锚杆桩法的1/4、配重法的1/3, 该方法可大量降低工程造价。
3 结语
比较详细的介绍了降低地下水位法应用原理以及适用范围和主要特点, 通过具体的实例比较详细的介绍了降低地下水位法在实际工程中的施工工艺和注意事项, 以及另外两种常用抗浮方法的主要特点。通过工程造价对比可以看出降低地下水位法相比其它两种常用方法节约成本的优势非常明显, 并且降低地下水位法施工简便易行, 可以为其它类似工程提供参考。
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地下水位动态 篇8
为了及时掌握地下水位变化情况,实现地下水资源的合理开发利用,近些年来地下水位远程监控技术得到了不断的发展,但是由于终端设备价格高,野外环境恶劣,供电可靠性差,监测系统运行速度慢,设备上线率低,工程量和施工难度大,后期维护费用高等原因,地下水远程监控系统未能得到广泛的应用[1]。
本文设计了一种基于GPRS网络通信的地下水位远程监控系统,对水位数据进行采集、存储,并在监控终端和中心之间实现了多点的数据实时传输,解决野外监测设备供电可靠性差,设备上线率低等问题。
1 地下水位监测系统总体设计
整个系统的设计包括水位监测终端的设计、通信协议处理、GPRS终端与监控中心的互联、监控中心的网络接入与软件设置,如图1所示。
地下水位监测系统通过GPRS无线网络,将分布在不同地区的水位监测终端、监控中心服务器和用户联系起来,实时地获取水位监测终端所采集到的水位数据,用户可以对监测地点的水位历史数据进行查询、统计和分析[2]。
2 组网方式和通信协议
本系统采用分布式的网络结构,监控中心申请专线服务接入Internet,IP绑定,具有一定的带宽,监测终端能够比较容易的连接到监控中心。为保证连接的可靠性和数据传输的准确性,在监测终端和监控中心之间采用TCP协议[3],并且终端和监控中心之间制定各自的通信协议,通过误码/超时重传等方式,确保数据的安全准确。
3 水位监测终端设计
3.1 水位监测终端的硬件设计
监测终端主要由传感器和采集传输通信部分组成,硬件结构图如图2所示。液位传感器选用投入式压力硅传感器,输出4~20 mA电流,更易于远距离传输。数据处理器选用ATmega128L微控制器,具有丰富的外围资源、极低的功耗、较大的SRAM和片内FLASH[4]。GPRS模块选用SIM300,内嵌强大的TCP/IP协议栈,支持透传模式,工作温度为-20~+55 ℃,能适应较恶劣的工作环境[5]。
3.2 水位监测终端的软件设计
监测终端实现以下几个功能:键盘设置监测终端的参数并存储,包括埋深、量程、手机号等;水位数据的采集和发送,实现一个月的水位数据的存储;与监测中心保持时钟同步。
ATmega128通过UART与GPRS模块连接,控制GPRS的初始化、建立TCP连接以及数据传输,在建立透传模式后,GPRS模块接收到监控中心数据后,原封不动地发送给单片机,单片机通过串口中断接收数据、解析指令然后响应指令[6],主程序流程图如图3所示。
4 监测终端可靠性设计
使用GPRS网络作为通信网络方案,供电和通信可靠性差是水位监测项目难以广泛实施的重要原因。
4.1 供电可靠性设计
监测终端多安装于农田和野外水井房内,电源现状比较复杂:农村电源多为三相四线或五线制交流电,且不稳定;在部分地区交流电接入困难,或者在野外废弃井房内无法接入交流电;在不灌溉的时间,部分地区井房内断电现象严重;山区地形复杂,很多地区日照不足。因此单一的依靠交流电或者太阳能蓄电池都是不可靠的。针对设备供电困难的问题,电源设计部分采用了交流电和太阳能电池互补的方案。供电方式结构图如图4所示。
(1) 监测终端的主电源采用交流电,经开关电源转换为12 V后进行供电。
(2) 备用电源使用12 V/24 A·h的蓄电池,能够保证在主电源断开的情况下正常工作10天。使用理想二极管控制器LTC4412实现双电源切换,并输出主电源工作状态的开关量,其电路如图5所示。
(3) 主电源供电情况下,为了保证蓄电池的基本电量,优先采用交流部分的充电器给蓄电池充电,并对充电时间进行计时。终端对蓄电池电压进行检测并根据开关量判断主电源的工作状态,使用继电器切换蓄电池充电方式。在充电器充电满一小时后,断开继电器,使用太阳能控制器充电。
(4) 备用电源供电的情况下,需要设备有较低的功耗。设备的功耗主要有三部分:GPRS模块、液晶屏和A/D转换。在终端设备休眠状态下,外围A/D转换、液晶屏被设置为不使能状态。除此之外,电源接口安装了独立电源的定时器开关,在夜间关闭设备电源,节省电量,白天重新开启电源。
4.2 通信可靠性设计
为了保证数据传输的规范性和准确性,终端和监控中心各自制定了数据传输规约,规定了数据传输的帧格式、数据编码及传输规则,可实现监测中心对终端执行主从问答以及终端主动上传方式的通信。本规约遵从GB/T18657推荐的传输规约模式,采用三层增强型结构[7],帧格式如图6所示。
帧类型主要包括登陆帧、登录应答帧、心跳包帧、心跳应答帧、数据帧、数据应答帧等。登陆帧和心跳包帧用于实现设备的登录和GPRS连接维持,其数据域都为空。数据域的数据格式如图7所示。
控制域根据功能可划分为确认/否认、参数设置和查询、主动上报。测终端在接收到监控中心发出的查询指令后,根据相应的功能码对水位数据等数据进行查询,然后封装成固定的帧格式上传给监控中心[8]。
5 监控中心前台软件设计
地下水位监控中心要能实现将分布在全省多个地点的水位数据的实时采集,并将数据存储在数据库中;满足普通用户和管理层对单个地点/多个地点的历史数据的查询、统计、分析,给出异常数据的报警[9]。监控中心主要分为监控中心通信服务器和Web服务器两个部分,系统总体框架如图8所示。
通信服务器主要负责监听端口,同终端进行数据通信,接收来自终端的数据信息,在得到监控中心发出的控制指令后,通过Internet和GPRS网络发到指定终端上[10]。Web服务器负责与用户交互,实现用户管理。用户通过Internet登录到Web服务器,可以查询监测终端的实时水位数据,查询历史数据等。中心通信服务器与Web服务器之间的信息交互通过数据库来实现。
监控中心的软件设计采用B/S架构,前台Web服务器采用Myeclipse作为开发工具,通过JBoss 4.0作为应用服务器,使用STRUTS开发网页框架,数据库采用Mysql。使用Socket套接字方式,利用ServerSocket类和Socket类实现监听过程, 多线程方式同时处理多台终端通信。各线程内部TCP传输通道建立和数据库操作相互独立,各自完成相应与GPRS终端的数据通信。Web服务器界面如图9所示。
6 结 论
本文设计了基于GPRS无线技术的地下水位远程监控系统,实现了地下水位的远程监控,为水文分析提供可靠的数据。主要阐述了水位监测终端的硬件和软件设计,数据传输规约以及监控中心软件设计等,重点解决供电可靠性和通信可靠性问题。目前,地下水位监测系统的监测终端已运行上千台,由于各地项目推进程度不一,目前采用这种供电方式的系统上线率超过了85%,系统运行稳定,经过了冬季供电困难时期的考验。
摘要：针对水位监测中的供电可靠性差和上线率低的问题,设计了一种地下水位监测系统。监测终端采用双电源供电,上位机采用Java实现网络通信,通过GPRS无线网络实现了监测终端和监控中心之间的数据实时采集和传输,并在实际中得到很好的应用。
关键词：水位监测,GPRS,远程监控,上线率
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地下水位动态 篇9
呼伦贝尔市地域广阔, 以大兴安岭为界, 气候差异较大, 生态类型复杂, 全市共设地下水位监测站点12个, 分布于农田、草原、森林各生态区, 从2005—2010年的全市地下水位监测数据分析, 各生态区地下水位表现为:草原生态区地下水位平均以每年0.08 m的速度呈逐年上升趋势;农田生态区地下水位平均以每年0.05 m的速度呈逐年下降趋势;森林生态区地下水位平均以每年0.05 m的速度呈逐年上升趋势 (表1) 。
2 气象因素对地下水位变化的影响
草原生态区2005—2010年降水量除2008年略多外, 其他年份都低于常年平均值;气温2007年、2008年偏高, 其他年份全部偏低。
注:表中变化一栏中正数表示地下水位下降, 负数表示地下水位上升。
地下水位2007年下降0.11 m, 2008年没有变化, 其他年份升幅为0.15~0.23 m。2007年草原生态区年平均气温偏高, 与历年相比均偏高1.6℃, 降水量偏少21.7%, 阶段性干旱严重, 是近6年气温和降水量波动最大的一年, 也是对地下水蓄积最为不利的一年, 不良的气候条件导致地下水位呈下降趋势;2008年气温偏高, 降水量略多, 利弊抵消, 地下水位基本无变化。其他年份气温均偏低, 降水量偏少, 在气候条件综合影响下, 地下水位表现为略有升高的趋势, 但升幅较小。
农田生态区2005—2010年降水量, 2006—2008年偏少, 其他年份略多;气温2007年、2008年偏高, 其他年份全部偏低或接近常年。地下水位2007年、2008年分别下降了0.58、0.46 m, 降幅较大, 其他年份表现为上升趋势, 其中2009年升幅较大, 为0.55 m。2007年、2008年农田生态区年平均气温与历年相比均偏高1.7、1.4℃, 降水量偏少26.4%、2.7%, 气候条件对地下水位的影响极为不利, 导致地下水位呈下降趋势, 且降幅较大;其他年份气温均偏低, 降水量除2006年偏少, 其他年份略多, 在气候条件综合影响下, 地下水位表现为升高的趋势, 其中2009年升幅较大, 与2009年6月上旬农田生态区的低温多雨天气有关 (气温偏低3℃, 降水量偏多110%~189%, 属异常偏多) , 利于地下水资源的蓄积[1]。
森林生态区2005—2010年降水量, 除2009年略多, 其他年份均偏少;气温偏低或接近常年。地下水位除2006年下降, 其他年份表现为逐年上升趋势, 但升幅不大, 为0.07~0.27 m。虽然此区降水量偏少, 但由于森林具有强大的蓄积降水的能力, 加之气温偏低, 蒸发量较小, 可能使地下水位呈现逐年略有上升的趋势。
将各生态区2005—2010年的年平均地下水位与年平均气温、降水量数据作相关性分析, 得出相关系数 (表2) 。各生态区地下水位与气温的相关系数均大于与降水量的相关系数, 说明气温的影响要大于降水量;且年平均地下水位值与年平均气温呈正相关, 气温升高, 地下水位值越大, 即水位下降。
3 地下水位变化对生态、农业的影响
由以上分析可知, 2005—2010年间, 呼伦贝尔市草原、森林生态区地下水位略有上升, 间接地说明了地下水资源量略有增加, 在草原生态区有助于根系较发达的沙生植物的生长, 对改善当地的生态环境、有效遏止呼伦贝尔沙地扩张具一定的作用;在森林生态区地下水位上升, 可使一些因地下水干涸导致死亡的树种重新成活, 在一定程度上可增加森林生物的多样性。农田生态区的地下水位下降与近年发展灌溉农业、大量开采地下水有关, 如不对其加以限制, 势必造成农田生态环境的恶化, 最终影响到粮食增产和农民增收。
4 对策
4.1 加大宣传力度
加大水资源保护与开发的宣传力度, 建立全民节水意识, 充分发挥政府政策、指令作用, 杜绝用任何借口以恶化水资源环境为代价来发展经济[2]。
4.2 充分利用人工增雨技术
开展规模化的科学作业是增加可调蓄水量的一条投资少、见效快的新途径。扩大人工增雨作业范围, 积极与周边省市、地区联合作业, 并加密作业次数, 达到“秋雨春用”的效果, 从而加大空中水资源的开发力度, 逐步提高人工增雨作业能力和效益, 缓解地下水资源的不足。
4.3 建设自然降水的调蓄工程, 提高水资源的应变能力
大量的气候事实证明, 呼伦贝尔市处于半干旱地区, 降水年内分配高度集中, 且降水年际变化大。因此, 全市原有的不少水库已不具备足够的调蓄能力, 需要建设或改建小型水库等水利工程, 对于调剂季节性或年际间降水余缺、充分利用当地水资源具有重要作用。
4.4 采取科学灌溉技术, 大力节约农业用水
农业是用水大户, 科学用水不仅潜力巨大, 而且是解决农业需水的主要出路。根据全市夏季多雨、秋季底墒较好、冬季耗水不多、春季少雨干旱的气候特点, 推广应用合理的耕作制度、适宜的生物措施和工程措施。如:合理安排作物布局, 选用抗旱、耐旱的作物品种;研制优化灌溉气象预测技术, 改变传统的灌溉模式, 在作物对水分最为敏感的需水期实施灌溉;改进粗放的漫灌方式, 采用节水的喷灌、滴灌技术;适时施肥, 以肥调水, 充分发挥肥水的耦合效应;综合使用磨耙滚压等多种保墒措施, 都可以减少水分消耗, 提高水分利用率[2]。
4.5 加强水资源变化的监测研究, 掌握水资源变化规律
水资源与降水的关系十分密切且时空变化都非常大。加强对降水、江河径流、地下水位、土壤墒情以及植被的实时监测, 提高各种时段的天气气候和水文预报准确率, 是实施正确水资源调度的基础。准确的监测预报可以改善水库调度, 充分利用土壤水, 减少水的浪费;可以及时部署防洪措施, 减少洪灾损失。但目前呼伦贝尔市降水观测站网的密度和观测方式尚不足以全面、准确地监测时空分布极不均匀的降水, 更不足以评估其实际的降水资源分布情况[3]。因此, 必须完善呼伦贝尔市的大气探测系统, 特别是南北山区的观测站密度布局。
4.6 建立和完善市、旗县两级旱涝预警系统
呼伦贝尔市为半干旱地区, 旱涝变化具有准周期性、地域性、群发性的特点, 春旱、春夏连旱发生频繁, 在主汛期也因暴雨强度大、降水多出现洪涝现象。这些特点给较准确预测不同时段的降水以及区域性干旱、暴雨等灾害性天气过程提供了可能。这就要从水资源需求角度建立和完善市、旗县两级旱涝预警系统, 为水资源调度和把握时机适时蓄水及防洪提供准确及时的服务[4,5]。
4.7 继续加强气候变化对水资源影响的理论研究
基于呼伦贝尔市水资源承载能力和水环境承载能力, 开展未来10~50年气候变化的研究, 这对水资源管理和可持续利用具有方向性、战略性的意义。目前, 由于人们对气候系统的认知还十分有限, 对未来气候变化预测的准确性与需求还有较大的差距。因此, 融合地理、地质、生态、农牧业、水文等相关学科技术, 探讨气候变化机理, 并深入研究气候变化对水资源影响的机理, 提高长期气候变化及其对水资源影响预测的可靠性势在必行[6,7,8,9,10]。
4.8 完善水资源保护政策, 加强城乡水资源统一管理
探索和建立水权分配机制, 实行水资源优化配置。强化市政府对水源地的垂直管理, 在水源地实施水资源统一管理, 重点协调水、生态、环境、城建、林业、农业、气象、工业等机构的关系, 形成节水、保水、洁水和增水的管理机制。提升与水有关的管理机构的管理地位, 共同管好人类的“生命之泉”, 造福人民[11,12]。
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