遼寧省水工混凝土水文氣象運行環境區劃研究

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心的熱點問題[1]。考慮水利工程現場環境條件的多變性，對水工混凝土結構進行水文氣象運行環境分區，是遼寧省水工混凝土建筑結構安全、質量控制與耐久性提升技術研究的重要工作，對水工混凝土結構的耐久性設計、維護和修復等環節具有重大的實際意義。

2 水文氣象運行環境分區

2.1 降水量分區

為系統分析遼寧省水文氣象條件對水工混凝土運行環境的影響，識別其時空分布規律，需對相關水文氣象因素進行全面統計，建立信息數據集。本次研究所采用的氣象資料主要來自中國氣象科學數據共享網、遼寧省河庫管理服務中心基礎數據庫等，共涉及56個地面國家級基本氣象站點。

統計全省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，根據圖1所示，遼寧省降水分布呈現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，可達900 mm以上；年降水量最小位于朝陽、阜新地區，在500 mm以下。由年平均降水量600 mm、800 mm兩個指標將全省劃分為三個區域，分別為濕潤地區(年平均降水量>800 mm)、半濕潤地區(600 mm<年平均降水量≤800 mm)、半干旱地區(年平均降水量≤600 mm)[2]。劃分結果見圖2。

圖1 遼寧省多年平均降水量分布圖(mm)

圖2 遼寧省年降水量區域劃分

2.2 蒸發量分區

由遼寧省氣象站20 cm口徑蒸發器統計65年以來的遼寧省平均蒸發量分布區域圖(圖3)可以看出，遼寧省多年平均年蒸發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，年均蒸發量為全省最小。鐵嶺、朝陽、阜新一帶數值可達1800 mm以上，年均蒸發量最大。

圖3 遼寧省多年平均蒸發量(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據庫為基礎，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；內陸的沈陽、阜新、朝陽以及沿海的葫蘆島、錦州、大連地區冬季相對濕度較小，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，以北地區的夏季相對濕度大致在75%以下；以南地區主要均為沿海地區，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

由于混凝土凝固硬化后其細微孔隙中存在大量游離水分子，在溫度發生變化時，經凍結(溫度低于冰點時)和融化(溫度高于冰點時)的相互交替作用[3-5]，使混凝土產生表面剝蝕開裂和內部疏松的破壞現象為混凝土凍融破壞機理。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的外界水文氣候條件對其產生的影響。遼寧省地處大陸性季風氣候區，年內溫差較大，其氣象影響因素復雜多樣[6]，凍土深度區域劃分對于提升遼寧省水利工程的質量與耐久性、安全性及節約成本至關重要。

統計全省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為，絕大部分站點以七八十年代為節點，呈現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；以南地區在100 cm以下。

圖6 遼寧省凍土層厚度區域劃分圖

2.5 河流冰情相關參數分區

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上，以遼寧省河庫管理服務中心水文基礎信息數據庫為基礎，選取全省代表性河流的重點水文站14處，對典型河流代表站的初冰日期、終冰日期、封凍天數、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行統計。

大部分站點的初冰日期發生在11月、12月。遼寧省初冰日期呈推遲趨勢。大部分站點的終冰日期發生在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，進行區域劃分，結果見圖7。由圖7可以看出，初冰日期從朝陽、阜新至撫順一帶發生最早，在11月上中旬，最晚發生在盤錦至遼陽地區，在11月下旬。終冰日期在阜新、鐵嶺、撫順、本溪和丹東地區發生最晚，在4月上旬，最早發生在葫蘆島、盤錦至遼陽地區，在3月中下旬。

圖7 遼寧省河道初冰、終冰日期區域劃分

2.5.2 河道河心最大冰厚的時空特征

大部分站點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為區域劃分標準，劃分結果見圖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，最小值位于盤錦、鞍山、遼陽和營口地區。

圖8 遼寧省河道河心最大冰厚區域劃分

2.5.3 河道封凍天數的時空特征

據統計，遼寧省大部分站點的封凍天數大約在90天～120天之間，并且總體表現出延長趨勢。將河道封凍天數每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、本溪及丹東地區河道封凍時間最長，大連、朝陽、葫蘆島地區封凍天數最短。

圖9 遼寧省河道封凍天數區域劃分

2.5.4 河道封凍、解凍日期的時空特征

從20世紀80年代末至今大部分站點的封凍日期平均發生在11月、12月，絕大部分代表站的封凍日期呈推遲趨勢。大部分站點的解凍日期發生在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較晚，大致在12月6日以后發生封凍，朝陽地區則在12月1日以后發生；而大連南部、阜新沈陽北部以及本溪丹東東部地區封凍日期最早，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、鞍山和營口地區最早，在3月6日之前；阜新、鐵嶺、本溪、丹東東部地區最晚，在3月16日以后發生。

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

典型代表站當中，河流最大流速呈上升及下降的站點數各占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。據圖12所示，遼寧省盤錦至沈陽地區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 基本風速時空特征

本文采用的最大風速是指某一站重現期50年內出現的最大風速。從圖14可以看出，遼寧省的錦州、盤錦、沈陽、嶺北部地區以及大連地區最大風速相對較大，在16 m/s以上；逐步向東西兩側逐漸減小，14 m/s以下。

圖14 遼寧省最大風速多年平均值分布

3 結語

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

本研究成果填補了遼寧省水工混凝土水文氣象運行環境要素分區的空白，可為遼寧省進行輸水隧洞、大壩等大型跨流域調水工程設計、施工和維護提供重要基礎數據支撐。為遼寧省水利工程工程名錄的收集、耐久性提升關鍵技術以及河道工程管理、河道維護養護、水毀工程修復計劃中提供重要的技術支撐，使相關水利工程可以根據所處的氣候條件采取不同的施工工藝，從根本上節約大量的人力、物力和財力，為遼寧省水利工程規劃和設計提供重要參考，具有重要的實用價值和廣泛的社會效益。