張 楊

(凌源市水利建筑勘測設(shè)計(jì)院，遼寧 凌源 122500)

水庫浸沒一方面會(huì)對(duì)區(qū)域內(nèi)建筑的安全使用產(chǎn)生不利影響[1]；另一方面還會(huì)改變土壤的性質(zhì)，使得土壤的含鹽量增高，不利于植物的生長[2]。浸沒危害嚴(yán)重的地區(qū)甚至?xí)?duì)人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成威脅，不利于社會(huì)以及環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，開展對(duì)浸沒危害的研究已成為近年來研究工作的重點(diǎn)[3]。鄭新[4]等對(duì)浸沒危害嚴(yán)重庫區(qū)的土層分布以及地形地貌等因素進(jìn)行了細(xì)致的研究，并提出在對(duì)邊界可控單元進(jìn)行選擇的同時(shí)，也應(yīng)該對(duì)行政區(qū)劃等的全面性進(jìn)行考慮；凌開瓊[5]等將分析模型簡化為各向同性、三維非均質(zhì)以及非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)，對(duì)不同情形下的模擬結(jié)果進(jìn)行了分析，得到了適合研究地下水可持續(xù)發(fā)展的最優(yōu)方案。本文以菩薩廟水庫周邊浸沒災(zāi)害為例，基于浸沒產(chǎn)生機(jī)理，通過構(gòu)建的地下水模型，對(duì)不同蓄水位下浸沒區(qū)域地下水的水位進(jìn)行了計(jì)算，并結(jié)合灰色聚類評(píng)估模型，對(duì)浸沒災(zāi)害的發(fā)生程度進(jìn)行了綜合評(píng)估，得到了水庫浸沒的產(chǎn)生主要受蓄水水位影響，為浸沒區(qū)的治理及賠償問題提供幫助。

1 工程概況及模型

菩薩廟水庫位于遼寧省凌源四官營子鎮(zhèn)，是遼

寧省重點(diǎn)防洪水庫，總庫容2.5×108m3，蓄水庫容為2.66×107m3，防洪庫容2.3×108m3，以滯洪為主，蓄水為輔。研究區(qū)域氣候特點(diǎn)為降水集中、寒冷期長，降水年際較大，年平均最高溫度為9.15℃，最低溫度為7.23℃，相對(duì)濕度較大。由當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)資料發(fā)現(xiàn)，浸沒區(qū)的表層黏性土層較厚，在階地處大于5m，地下水埋深較淺，漫灘處為2.8m，年變幅為0.2～0.8m，區(qū)域內(nèi)含水巖組呈上細(xì)下粗狀態(tài)，上層為粗砂層，局部為細(xì)中砂，水巖組區(qū)分布面積較廣，厚度為5.2～15m，下部為圓礫含水層，厚度為18m，見表1。

綜合可知，區(qū)域內(nèi)含水層主要為潛水含水層，則在計(jì)算模型中可將模型概化為均質(zhì)、各向同性以及三維穩(wěn)定流的潛水含水層[6]。由水文地質(zhì)概念模型可得，在忽略水密度的前提下，潛水含水層地下水穩(wěn)定流運(yùn)動(dòng)方程可表述為[7- 8]：

(1)

H(x，y，z，t)|Si=φi(x，y，z，t)，(x，y，z)∈Si

(2)

(3)

式中，H—潛水含水層水頭，m；H(x，y，z)—三

表1 含水層滲透系數(shù)表 單位：m/s

維條件下邊界點(diǎn)(x，y，z)在t時(shí)刻的水頭；K—方向滲透系數(shù)；q—Si上單位面積的傾向補(bǔ)給量。

利用GMS創(chuàng)建新的圖層，對(duì)區(qū)域模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并在實(shí)體模型中截取2個(gè)斷面[9]。將模擬計(jì)算獲得的觀測孔水位與實(shí)際水位進(jìn)行擬合，得到表2實(shí)測水位與模擬水位對(duì)比表。由表2中數(shù)據(jù)可知，2個(gè)斷面上觀測點(diǎn)的實(shí)際水位與模擬水位間相對(duì)誤差差別較小，在0.8以下，絕對(duì)誤差小于20的點(diǎn)占到90%，說明模型的模擬效果較好，可利用此模型獲得的等水位線進(jìn)行浸沒程度評(píng)價(jià)。

表2 實(shí)測水位與模擬水位對(duì)比

2 水庫浸沒成因分析

2.1 水庫蓄水對(duì)浸沒的影響

在菩薩廟水庫上游2500m河段布設(shè)8個(gè)水尺進(jìn)行相對(duì)水位觀測，以觀察水位的變化。水庫放水、蓄水期間，共對(duì)水位進(jìn)行了7次觀測，見表3。

表3 水尺相對(duì)讀數(shù) 單位：cm

由表3中數(shù)據(jù)可知，8個(gè)水位觀測點(diǎn)的變化趨勢保持一致，表明水庫水位的變化在不同日期差別較小。圖1為水庫蓄水位的變化曲線，由圖1可知，水庫從17號(hào)開始蓄水，水位逐漸回升。對(duì)其蓄水放水的調(diào)查得知，水庫于5日左右放水清淤，并于17日左右開始蓄水，后期為了保證下游供水，仍進(jìn)行蓄水，圖表與調(diào)查相符。

圖1 水庫蓄水位變化曲線

2.2 土壤含水率變化的浸沒分析

將研究區(qū)域由河劃分為2個(gè)區(qū)，并在2個(gè)區(qū)內(nèi)選取6個(gè)垂直于河道的斷面。對(duì)斷面處土壤的含水率進(jìn)行測量，得到如圖2所示不同深度土壤處含水率的變化趨勢。由圖2可知，斷面1在15cm深度土壤的含水量呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，而隨著距離的增加，35cm與45cm處土壤的含水率逐漸減小，在距離河道180m處3層土壤的含水率差別最大，隨后差別越來越小。而斷面2與斷面3的土壤含水率隨著河道距離的增加呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢，不同深度土壤的含水率差異也逐漸減弱，斷面2在320m處的含水率相差最小，而斷面3的35cm與45cm處深度土壤下的含水率在330m處基本相同。斷面4在35cm和45cm深度處土壤的含水率呈下降趨勢，距離河道360m處3層含水率相差最小。斷面5的取樣點(diǎn)距離河岸較近，各點(diǎn)土壤含水率整體小于25%，而斷面6在15cm與35cm處的土壤含水率出現(xiàn)重合。由6個(gè)斷面含水率的變化曲線可知，各個(gè)斷面3層的含水率都會(huì)隨著距離的增大而降低，在320m后都趨于相同，差異逐漸減小，并且都低于20%，地勢越高，含水率越低。

2.3 地下水位影響因素相關(guān)性分析

對(duì)氣象資料提取的區(qū)域氣候水文資料的時(shí)間序列進(jìn)行無量綱處理后，分別計(jì)算各因素序列與特征序列的綜合關(guān)聯(lián)度、絕對(duì)關(guān)聯(lián)度與相對(duì)關(guān)聯(lián)度，得到地下水影響因素關(guān)聯(lián)度，見表4。由表4可知，3個(gè)關(guān)聯(lián)度對(duì)各個(gè)因素的排列順序保持不變，表明各因素序列幾何形狀相似度的排序與因素序列的變化趨勢相似度基本保持一致，因此，蓄水位影響著地下水位埋深。

圖2 不同深度土壤處含水率的變化趨勢

關(guān)聯(lián)度#號(hào)風(fēng)速蓄水位降雨量空氣濕度蒸發(fā)量相對(duì)關(guān)聯(lián)度綜合關(guān)聯(lián)度絕對(duì)關(guān)聯(lián)度10.40.8000.5620.5560.40020.40.8000.5320.5890.40010.40.9220.4980.5120.40020.40.9320.5140.5120.40010.40.9000.6130.5630.40020.40.9150.6380.5430.400

3 灰色聚類評(píng)估方法在水庫浸沒危害中的應(yīng)用

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)

選取浸沒區(qū)2個(gè)斷面，分別采集7月與8月土樣的天然孔隙比、含水率以及飽和度等相關(guān)性數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后，得到觀測點(diǎn)數(shù)據(jù)，見表5。由表5中數(shù)據(jù)可知，水庫的蓄水位在7月份和8月份都保持在45m左右，含水率及飽和度差異不明顯，主要土壤類別為砂土。

3.2 計(jì)算結(jié)果和分析

表5 觀測點(diǎn)數(shù)據(jù)

表6 浸沒危害程度綜合聚類系數(shù)

表7 灰色評(píng)價(jià)結(jié)果

4 結(jié)語

基于相關(guān)氣象觀測數(shù)據(jù)，結(jié)合區(qū)域浸沒危害產(chǎn)生機(jī)理，對(duì)菩薩廟水庫浸沒問題進(jìn)行了分析和評(píng)價(jià)，通過建立的模型對(duì)浸沒區(qū)地下水位進(jìn)行了分析，并結(jié)合灰色聚類評(píng)估模型進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)孔隙比、含水率以及飽和度等相關(guān)因素進(jìn)行觀測處理后，通過浸沒區(qū)域灰色評(píng)價(jià)結(jié)果，得到了水庫區(qū)域的浸沒危害程度。研究表明：①各個(gè)斷面不同深度土壤的含水率隨著距離的增大而減小，相同河道距離的土壤含水率隨著土壤深度的增大而減??；水庫蓄水位對(duì)地下水位的影響程度要遠(yuǎn)大于其他因素。②在水庫區(qū)域內(nèi)浸沒程度較為嚴(yán)重的觀測點(diǎn)存在10個(gè)，輕度浸沒的觀測點(diǎn)存在4個(gè)，中度浸沒的觀測點(diǎn)有2個(gè)。該水庫區(qū)不適合植物生長，浸沒危害較為嚴(yán)重。