寒区水库浸没影响试验模拟研究——以大顶子山水库为例

摘要

水库浸没是由于水库蓄水或其他人类活动抬升地表水位，促使浅层地下水位壅高，从而引发各种问题的一种综合灾害。寒区低温条件的耦合，使得原本复杂的浸没问题在机理、影响、表现上都更加复杂。
　　 以地处寒区、浸没特征典型的大顶子山航电枢纽工程上游浸没范围的全部与局部区域分别为典型区与计算区，通过对大范围典型区的浸没特征进行调查与分析，以识别出寒区水库浸没影响因素，并对常规影响因素（地下水位、土壤质地即毛细水上升高度、地表植被与建筑物即安全超高）和寒区特殊影响因素（积雪融雪与冻融作用）的影响机理进行定性分析。在此基础上，以小范围计算区为对象开展水库浸没影响的数值模拟量化研究。
　　 在进行计算区含水层边界、结构、功能、输入与输出分析的基础上，利用地下水模拟软件GMS建立水文地质概念模型，并转化为数值模拟模型并进行识别与验证。结合浸没判别与评价方法，构建包含适用于水库浸没的潜水地下水流运动模型、水库浸没判别模型、耦合模型三部分的水库浸没影响评价模型，并将各影响因素的影响机理嵌入模型实现动态模拟。
　　 模型应用包括两方面：
　　 ①从加剧浸没角度，进行一个参考情景与五个影响因素变化预设情景的浸没模拟评价，得到一定范围内各影响因素对水库浸没的影响规律；
　　 ②从治理浸没角度，将改变影响因素作为预设治理方案，对其治理效果与可行性进行模拟评价。
　　 结果：表明水库浸没的三种常规影响因素在相同变幅下地下水位上升对水库浸没的影响比毛细水上升高度或安全超高影响更加剧烈；寒区特殊影响因素中，积雪融雪对浸没区短期影响相对显著，冻融作用中冻结期对浸没影响较大，融冻期可以加剧浸没，但不明显。在治理方案上，理论上降低地下水位、毛细水上升高度或安全超高都能取得较好的效果，实际上仅有改变地下水位对大范围治理可行性较高。
　　 研究最后给出了大顶子山水库上游松花江干流的整体浸没范围，对黑龙江流域水库浸没概况进行了梳理，并对本文基于实测与数值模拟方法的利弊进行评价。

目录

Contents

前言

0.1 研究目的及意义

0.2 研究思路及论文结构

0.3 区域浸没研究程度

0.4 主要外业工作

0.5 研究成果及创新点

第一章 寒区水库浸没影响研究背景梳理

1.1 相关概念梳理

1.1.1 水库浸没概念与分类

1.1.2 水库浸没成因

1.1.3 水库浸没影响研究进展及存在问题

1.2 研究思路梳理

1.2.1 影响对象

1.2.2 影响因素

1.2.3 影响程度

1.3 典型区与计算区选取

1.3.1 典型区与计算区选取的思路

1.3.2 实例区选取

1.4 本章小结

第二章 典型区浸没特征分析

2.1 大顶子山水库上游壅水特征分析

2.1.1 松花江干流水力条件

2.1.2 大顶子山航电枢纽

2.1.3 典型区自然地理概况

2.1.4 典型区壅水特征

2.2 地表水与地下水的水力联系分析

2.2.1 水文地质条件

2.2.2 地表水与地下水的水力联系

2.3 积雪冻融特征分析

2.3.1 积雪特征

2.3.2 冻融特征

2.4 浸没影响对象分析

2.4.1 土壤与作物

2.4.2 建筑物基础

2.4.3 地下建筑物

2.5 本章小结

第三章 寒区水库浸没影响因素识别与分析

3.1 典型区浸没影响调查

3.1.1 浸没影响调查方法

3.1.2 典型区水库浸没影响调查

3.2 寒区水库浸没影响因素识别

3.3 积雪与常规条件下地下水位变化的影响

3.3.1 常规条件下地下水位升高

3.3.2 积雪条件下地下水位升高

3.4 冻融与常规条件下土壤质地的影响

3.4.1 常规条件下土壤质地

3.4.2 冻融条件下土壤质地

3.5 作物耐水性与建筑物基础的影响

3.5.1 作物耐水性对水库浸没的影响

3.5.2 建筑物基础对水库浸没的影响

3.6 本章小结

第四章 寒区水库浸没影响评价模型的构建

4.1 含水层特征概化

4.1.1 含水层范围

4.1.2 含水层结构

4.1.3 含水层边界

4.2 地下水动态分析

4.2.1 年际地下水动态

4.2.2 年内地下水动态

4.2.3 计算区实测动态

4.3 含水层源汇项概化

4.3.1 均衡区与均衡期

4.3.2 均衡方程

4.3.3 源汇项计算

4.3.4 均衡计算结果分析

4.4 地下水流数值模拟模型的构建

4.4.1 模型构建及求解方法

4.4.2 模型的构建

4.4.3 模型的识别

4.4.4 模型的验证

4.5 寒区水库浸没评价模型的构建

4.5.1 适用于水库浸没的潜水地下水流运动模型

4.5.2 水库浸没判别模型

4.5.3 地下水流与浸没判别耦合模型

4.5.4 寒区水库浸没影响评价模型的构建

4.6 本章小结

第五章 基于模型的计算区水库浸没影响评价

5.1 浸没加剧情景

5.1.1 浸没加剧情景设计

5.1.2 关键技术处理

5.2 浸没加剧情景下的影响评价

5.2.1 作为参照的多年平均情景

5.2.2 地下水位上升情景评价

5.2.3 毛细水上升高度增加情景评价

5.2.4 地表植被建筑物变化(安全超高增加)情景评价

5.2.5 积雪融雪增加情景评价

5.2.6 冻融作用加剧情景评价

5.2.7 综合分析

5.3 浸没治理情景

5.3.1 地下水控制性关键水位治理办法

5.3.2 浸没治理方案设计

5.4 浸没治理方案设计下的影响评价

5.4.1 地下水位降低治理方案评价

5.4.2 毛细水上升高度减小治理方案评价

5.4.3 地表植被建筑物改变(减小安全超高)治理方案评价

5.5 本章小结

第六章 寒区水库浸没影响研究拓展讨论

6.1 关于典型区水库浸没影响研究方法的讨论

6.2 水库浸没利弊两重性的讨论

6.3 关于大顶子山水库浸没范围的讨论

6.3.1 浸没范围划分依据

6.3.2 浸没范围划分结果

6.4 关于典型区所在黑龙江流域水库浸没的讨论

6.4 本章小结

第七章 结论与建议

7.1 主要内容

7.2 主要结论

7.3 进一步研究建议

图件索引

表格索引

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文

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