遼寧省水工混凝土水文氣象運(yùn)行環(huán)境區(qū)劃研究

張路新

(遼寧省防汛抗旱指揮部辦公室，遼寧 沈陽 110003)

1 引言

近年來，大量混凝土材料在各類水利工程中投入使用，其服役的安全性、耐久性已成為水利工程界普遍關(guān)心的熱點(diǎn)問題[1]。考慮水利工程現(xiàn)場環(huán)境條件的多變性，對水工混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行水文氣象運(yùn)行環(huán)境分區(qū)，是遼寧省水工混凝土建筑結(jié)構(gòu)安全、質(zhì)量控制與耐久性提升技術(shù)研究的重要工作，對水工混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)、維護(hù)和修復(fù)等環(huán)節(jié)具有重大的實(shí)際意義。

2 水文氣象運(yùn)行環(huán)境分區(qū)

2.1 降水量分區(qū)

為系統(tǒng)分析遼寧省水文氣象條件對水工混凝土運(yùn)行環(huán)境的影響，識別其時空分布規(guī)律，需對相關(guān)水文氣象因素進(jìn)行全面統(tǒng)計(jì)，建立信息數(shù)據(jù)集。本次研究所采用的氣象資料主要來自中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)、遼寧省河庫管理服務(wù)中心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫等，共涉及56個地面國家級基本氣象站點(diǎn)。

統(tǒng)計(jì)全省1951年以來65年的逐年降水量，遼寧省多年平均降水量均值為660 mm，根據(jù)圖1所示，遼寧省降水分布呈現(xiàn)從東南至西北依次減少的趨勢。年降水量最大位于丹東地區(qū)，可達(dá)900 mm以上；年降水量最小位于朝陽、阜新地區(qū)，在500 mm以下。由年平均降水量600 mm、800 mm兩個指標(biāo)將全省劃分為三個區(qū)域，分別為濕潤地區(qū)(年平均降水量>800 mm)、半濕潤地區(qū)(600 mm<年平均降水量≤800 mm)、半干旱地區(qū)(年平均降水量≤600 mm)[2]。劃分結(jié)果見圖2。

圖1 遼寧省多年平均降水量分布圖(mm)

圖2 遼寧省年降水量區(qū)域劃分

2.2 蒸發(fā)量分區(qū)

由遼寧省氣象站20 cm口徑蒸發(fā)器統(tǒng)計(jì)65年以來的遼寧省平均蒸發(fā)量分布區(qū)域圖(圖3)可以看出，遼寧省多年平均年蒸發(fā)量趨勢為由東南向西北逐漸增高。其中本溪、丹東、撫順一帶在1200 mm以下，年均蒸發(fā)量為全省最小。鐵嶺、朝陽、阜新一帶數(shù)值可達(dá)1800 mm以上，年均蒸發(fā)量最大。

圖3 遼寧省多年平均蒸發(fā)量(mm)分布圖示

2.3 相對濕度時空分布特征

2.3.1 冬季相對濕度空間分布特征

以遼寧省氣象部門數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，可知冬季(1月份)的相對濕度年際波動范圍廣，在30%～80%之間，故本文將1月份代表冬季進(jìn)行分析。遼寧省1月份相對濕度的多年平均值分布見圖4。冬季的本溪、撫順、丹東和鐵嶺相對濕度值較大，均在60%以上；內(nèi)陸的沈陽、阜新、朝陽以及沿海的葫蘆島、錦州、大連地區(qū)冬季相對濕度較小，在55%以下。

圖4 遼寧省1月份相對濕度多年平均值

2.3.2 夏季相對濕度時空分布特征

遼寧省夏季(7月份)的相對濕度年際波動較大，并且大部分站點(diǎn)的相對濕度在60%～90%之間(丹東在80%～95%之間)，本文將7月份代表遼寧省夏季進(jìn)行分析。7月份相對濕度的多年平均值分布見圖5。由圖5可以看出，遼寧省夏季相對濕度分布主要由北至南增加，基本以葫蘆島至本溪一線為界，以北地區(qū)的夏季相對濕度大致在75%以下；以南地區(qū)主要均為沿海地區(qū)，在75%以上。

圖5 遼寧省7月份相對濕度多年平均值分布圖

2.4 凍土層深度分區(qū)

由于混凝土凝固硬化后其細(xì)微孔隙中存在大量游離水分子，在溫度發(fā)生變化時，經(jīng)凍結(jié)(溫度低于冰點(diǎn)時)和融化(溫度高于冰點(diǎn)時)的相互交替作用[3-5]，使混凝土產(chǎn)生表面剝蝕開裂和內(nèi)部疏松的破壞現(xiàn)象為混凝土凍融破壞機(jī)理。因此，水工混凝土抗凍級別的確定不僅需考慮工程本身屬性，還需考慮水利工程所在地區(qū)的外界水文氣候條件對其產(chǎn)生的影響。遼寧省地處大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年內(nèi)溫差較大，其氣象影響因素復(fù)雜多樣[6]，凍土深度區(qū)域劃分對于提升遼寧省水利工程的質(zhì)量與耐久性、安全性及節(jié)約成本至關(guān)重要。

統(tǒng)計(jì)全省56個代表站有記錄以來的凍土深度可知，凍土深度的年際波動較大，大部分站點(diǎn)的凍土深度在70 cm～110 cm，大連、丹東等地在40 cm～70 cm，阜新、沈陽、鐵嶺和撫順等地在110 cm以上。凍土深度的年代際特征表現(xiàn)為，絕大部分站點(diǎn)以七八十年代為節(jié)點(diǎn)，呈現(xiàn)先加深后變淺的演變。

以100 cm作為凍土層厚度界限，將其劃分為深層凍土(凍土層厚度≥100 cm)和淺層凍土(凍土層厚度<100 cm)[7]，劃分結(jié)果見圖6。由圖6可以看出，多年平均的凍土厚度大致呈帶狀分布，由南向北逐漸增大。其中，朝陽至撫順一帶，平均凍土厚度在100 cm以上；以南地區(qū)在100 cm以下。

圖6 遼寧省凍土層厚度區(qū)域劃分圖

2.5 河流冰情相關(guān)參數(shù)分區(qū)

2.5.1 河道初、終冰日期的時空特征

在資料相對完整的基礎(chǔ)上，以遼寧省河庫管理服務(wù)中心水文基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，選取全省代表性河流的重點(diǎn)水文站14處，對典型河流代表站的初冰日期、終冰日期、封凍天數(shù)、封凍日期、解凍日期、河流水溫及河心最大冰厚等水文氣象要素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

大部分站點(diǎn)的初冰日期發(fā)生在11月、12月。遼寧省初冰日期呈推遲趨勢。大部分站點(diǎn)的終冰日期發(fā)生在3月份，其總體趨勢演變特征不明顯。

將典型河道初冰日期所處的時間以旬為單位，進(jìn)行區(qū)域劃分，結(jié)果見圖7。由圖7可以看出，初冰日期從朝陽、阜新至撫順一帶發(fā)生最早，在11月上中旬，最晚發(fā)生在盤錦至遼陽地區(qū)，在11月下旬。終冰日期在阜新、鐵嶺、撫順、本溪和丹東地區(qū)發(fā)生最晚，在4月上旬，最早發(fā)生在葫蘆島、盤錦至遼陽地區(qū)，在3月中下旬。

圖7 遼寧省河道初冰、終冰日期區(qū)域劃分

2.5.2 河道河心最大冰厚的時空特征

大部分站點(diǎn)的河心最大冰厚平均在0.5 m～0.7 m之間，并且河心最大冰厚總體趨勢呈變薄趨勢。將河道河心最大冰厚分別以0.5 m和0.6 m為區(qū)域劃分標(biāo)準(zhǔn)，劃分結(jié)果見圖8。由圖8可以看出，河道冰厚的最大值位于阜新和沈陽北部地區(qū)，最小值位于盤錦、鞍山、遼陽和營口地區(qū)。

圖8 遼寧省河道河心最大冰厚區(qū)域劃分

2.5.3 河道封凍天數(shù)的時空特征

據(jù)統(tǒng)計(jì)，遼寧省大部分站點(diǎn)的封凍天數(shù)大約在90天～120天之間，并且總體表現(xiàn)出延長趨勢。將河道封凍天數(shù)每10天劃分為一個等級，則全省主要包括的等級見圖9。由圖9可知，阜新、沈陽、鐵嶺、撫順、本溪及丹東地區(qū)河道封凍時間最長，大連、朝陽、葫蘆島地區(qū)封凍天數(shù)最短。

圖9 遼寧省河道封凍天數(shù)區(qū)域劃分

2.5.4 河道封凍、解凍日期的時空特征

從20世紀(jì)80年代末至今大部分站點(diǎn)的封凍日期平均發(fā)生在11月、12月，絕大部分代表站的封凍日期呈推遲趨勢。大部分站點(diǎn)的解凍日期發(fā)生在2月、3月，各水文代表站的解凍日期大部分呈推遲趨勢。

從遼寧省河流封凍日期多年平均值分布圖上可以看出(圖10)，河流封凍日期呈中部和西部少部分地區(qū)較晚，大致在12月6日以后發(fā)生封凍，朝陽地區(qū)則在12月1日以后發(fā)生；而大連南部、阜新沈陽北部以及本溪丹東東部地區(qū)封凍日期最早，在11月26日之前。從遼寧省河流解凍日期多年平均值分布圖上可以看出(圖11)，河流解凍日期呈由中部向四周逐漸推遲。中部的遼陽、鞍山和營口地區(qū)最早，在3月6日之前；阜新、鐵嶺、本溪、丹東東部地區(qū)最晚，在3月16日以后發(fā)生。

圖10 遼寧省河流封凍日期多年平均值分布

圖11 遼寧省河流解凍日期多年平均值分布

2.6 河流最大流速時空特征

典型代表站當(dāng)中，河流最大流速呈上升及下降的站點(diǎn)數(shù)各占50%。其中繭場水文站最大流速的上升程度最大；凌海水文站最大流速下降程度最大。據(jù)圖12所示，遼寧省盤錦至沈陽地區(qū)的最大流速相對最小，為3.5 m/s以下；本溪、丹東、營口及撫順、朝陽、阜新地區(qū)的最大流速最大，均在4.5 m/s以上。

圖12 遼寧省河流最大流速空間分布

2.7 河流水溫時空特征

由于河流水溫的監(jiān)測資料有限，冬季大多水文站均無可使用資料，本部分僅選取7月份水溫代表夏季水溫進(jìn)行分析。如圖13所示可以看出，河流水溫的年際波動較大，大部分站點(diǎn)的夏季河流水溫在22℃～24℃之間。各水文典型代表站的河流水溫大致呈上升走勢。7月份河流水溫大致呈現(xiàn)從中部向東西逐漸減小的分布。其中葫蘆島、錦州、沈陽、盤錦以及大連南部7月份河流水溫較高，在23℃以上；本溪、丹東東部地區(qū)7月份河流水溫較低，在21℃以下。

圖13 遼寧省7月份河流水溫空間分布圖

2.8 基本風(fēng)速時空特征

本文采用的最大風(fēng)速是指某一站重現(xiàn)期50年內(nèi)出現(xiàn)的最大風(fēng)速。從圖14可以看出，遼寧省的錦州、盤錦、沈陽、嶺北部地區(qū)以及大連地區(qū)最大風(fēng)速相對較大，在16 m/s以上；逐步向東西兩側(cè)逐漸減小，14 m/s以下。

圖14 遼寧省最大風(fēng)速多年平均值分布

3 結(jié)語

混凝土材料具有顯著的干縮濕脹特性，外部嚴(yán)苛的服役環(huán)境易造成混凝土材料由表及里的破壞性損傷，這些復(fù)雜的水文氣象環(huán)境因子具有普遍性、隱蔽性、漸進(jìn)性和突發(fā)性等一系列特征，將導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)的安全性、適用性、耐久性降低，服役能力下降，最終引起結(jié)構(gòu)破壞失效[1]。

本研究成果填補(bǔ)了遼寧省水工混凝土水文氣象運(yùn)行環(huán)境要素分區(qū)的空白，可為遼寧省進(jìn)行輸水隧洞、大壩等大型跨流域調(diào)水工程設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)提供重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。為遼寧省水利工程工程名錄的收集、耐久性提升關(guān)鍵技術(shù)以及河道工程管理、河道維護(hù)養(yǎng)護(hù)、水毀工程修復(fù)計(jì)劃中提供重要的技術(shù)支撐，使相關(guān)水利工程可以根據(jù)所處的氣候條件采取不同的施工工藝，從根本上節(jié)約大量的人力、物力和財力，為遼寧省水利工程規(guī)劃和設(shè)計(jì)提供重要參考，具有重要的實(shí)用價值和廣泛的社會效益。