戴長雷,樊喬銘,李洪明,楊 波,李治軍,呂雅潔
(黑龍江大學(xué)a.寒區(qū)地下水研究所;b.水利電力學(xué)院;c.招生就業(yè)處,哈爾濱 150080)
水庫浸沒是由于水庫蓄水或其他人類工程活動,促使淺層地下水位上升,引起各類災(zāi)害的一種現(xiàn)象。水庫浸沒既是備受關(guān)注的水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)問題又是評價(jià)水庫的重要因素之一[1]。目前,在水庫浸沒影響的研究內(nèi)容中,主要有浸沒機(jī)理、浸沒評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、浸沒范圍預(yù)測和浸沒預(yù)防治理措施等。在這些研究內(nèi)容中,很重要的一項(xiàng)是浸沒評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的確定。而在浸沒評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的確定中,關(guān)鍵之一是要確定浸沒臨界埋深,即在滿足農(nóng)作物正常生長和建筑物安全條件下地下水位至地表的最小距離。當(dāng)?shù)叵滤坏穆裆畲笥谶@一最小距離時(shí),農(nóng)作物可以正常生長,建筑物基礎(chǔ)以下的地基仍然滿足承載力和變形的要求;當(dāng)?shù)叵滤坏穆裆钚∮谶@一最小距離時(shí),土壤容易發(fā)生沼澤化和鹽漬化,影響農(nóng)作物生長,建筑物容易發(fā)生傾斜、下沉甚至倒塌等[2]。因此如何合理確定寒區(qū)地下水臨界埋深對寒區(qū)的生態(tài)環(huán)境、土壤質(zhì)量、建筑物基礎(chǔ)/路橋地基/地下管道及其他設(shè)施的安全穩(wěn)定尤為重要[3]。
臨界深度不是一個常數(shù),影響因素很多,主要有氣候、土壤 (特別是土壤的毛管性能)、水文地質(zhì) (特別是地下水的礦化度)和人為措施4個方面。不同區(qū)域所采用的方法不同,若沒有充分考慮其因素影響,其結(jié)論有時(shí)會對工程立項(xiàng)和投資估算帶來負(fù)面影響。因此,如何采用合理的方法確定地下水臨界埋深,一直是引起大家關(guān)注的問題[4]。
本文主要研究內(nèi)容包含以下幾點(diǎn):
1)采用調(diào)查方法來確定地下水臨界埋深值。
2)凍層生消和積雪消融對地下水臨界埋深的影響識別,地表覆被 (建筑物、地表植被)對地下水臨界埋深的影響識別,土質(zhì) (毛細(xì)水上升高度)對地下水臨界埋深的影響識別。
地下水臨界埋深確定方法大致分為:野外調(diào)查法、理論分析法、觀測法、試驗(yàn)法等。
2.1.1 野外調(diào)查法
即在相同的自然和人為措施條件下,調(diào)查不同地下水埋深時(shí)的土壤積鹽情況,從中找出不致引起積鹽的地下水埋藏深度。野外調(diào)查法是利用自然界的相關(guān)因子,在大面積中進(jìn)行調(diào)查,在調(diào)查中注意土壤質(zhì)地、地下水位、礦化度以及土壤含鹽狀況等等,根據(jù)資料繪制相關(guān)曲線,找出地下水埋深與礦化度的關(guān)系、土壤含鹽量與地下水埋深的關(guān)系[5]。
2.1.2 理論分析法
水庫雍水浸沒標(biāo)準(zhǔn)指地下水對市政建筑、工礦企業(yè)、道路和各種農(nóng)作物的安全埋藏深度,即發(fā)生浸沒的地下水臨界深度,或地下水的最低允許埋藏深度。一般將產(chǎn)生浸沒的地下水埋藏深度稱為地下水的臨界深度?!端姽こ痰刭|(zhì)勘察規(guī)范》中規(guī)定:浸沒的臨界地下水位埋深可按下式計(jì)算:
式中Hcr為浸沒的臨界地下水位埋深 (m);Hk為地下水位以上土壤毛管水上升帶的高度 (m);ΔH為安全超高值 (m)。對農(nóng)業(yè)區(qū),該值即根系層的厚度。
農(nóng)田地下水的臨界埋深通常取作物根系深與根系下土的毛細(xì)上升最大高度之和。對于建筑物,根據(jù) 《水庫工程地質(zhì)勘察技術(shù)規(guī)定》,浸沒的地下水臨界埋深一般取建筑物基礎(chǔ)的砌置深度與基礎(chǔ)下土的毛細(xì)水上升最大高度之和[2]。最大毛管上升高度可通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)或田間測定來確定[6]。
2.1.3 觀測法
長期定位觀測的方法,根據(jù)定點(diǎn)、定期觀測地下水位,采集土樣、水樣進(jìn)行化學(xué)分析,并同時(shí)測定含水率,注意土壤含鹽量年內(nèi)消長狀況或多年均衡狀況,從連續(xù)資料數(shù)據(jù)加以分析,確定臨界深度值,由于結(jié)合大田 (栽培管理措施)采取多點(diǎn)、連續(xù)觀測水、鹽動態(tài),無疑對確定一個地區(qū)的地下水臨界深度是很有價(jià)值的,但問題在于要做到真正的動態(tài)觀測。
2.1.4 試驗(yàn)法
采用測量潛水蒸發(fā)量的方法確定臨界深度。地下水沿毛管孔隙向土壤表層補(bǔ)給耗損于蒸發(fā)的水t,稱為潛水的蒸發(fā)量。蒸發(fā)耗損的水量愈多,其積鹽t也就愈多。潛水蒸發(fā)量的大小,除受氣象因素影響外,直接受到地下水位高低,土坡質(zhì)地及其土層結(jié)構(gòu)的影響,各地的試驗(yàn)都表明,地下水位相同的情況下,輕質(zhì)的蒸發(fā)量大,黏質(zhì)的或厚層黏質(zhì)的蒸發(fā)量小,積鹽量與蒸發(fā)量呈正相關(guān),而蒸發(fā)強(qiáng)度與潛水埋深成反相關(guān)。
在上述各種測定方法中,目前對土壤——地下水的水、鹽動態(tài)進(jìn)行連續(xù)的田間定位觀測和室內(nèi)模擬試驗(yàn)相結(jié)合的方法較好[7],但其實(shí)驗(yàn)成本很高,而調(diào)查法具有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。
根據(jù)實(shí)際情況以及當(dāng)前的條件,選擇了兩種比較可行的方法:實(shí)地調(diào)查法與走訪問卷法。
2.2.1 實(shí)地調(diào)查法
實(shí)地調(diào)查法是一種直接調(diào)查法。直接深入現(xiàn)場、進(jìn)入一定情景中去,用自己的感官或借助觀察儀器直接 “接觸”所研究對象,調(diào)查正在發(fā)生、發(fā)展,且處于自然狀態(tài)的社會事物和現(xiàn)象。它能收集到較真實(shí)可靠的一手材料,收集到直觀、具體、生動的材料。
原理:在典型浸沒區(qū)勘探實(shí)際情況,記錄水位和浸沒相關(guān)數(shù)據(jù),整理后得出相關(guān)結(jié)論。由于條件受限,水位的測量可以通過測量井深后粗略作為地下水埋深值,而相關(guān)的高程數(shù)據(jù)則依據(jù)GPS定位測得。
步驟:
a)前期準(zhǔn)備階段。查詢典型浸沒區(qū)的相關(guān)信息,選取具有典型現(xiàn)象的定位點(diǎn)進(jìn)行調(diào)研,并準(zhǔn)備相關(guān)工具以用于測量。
b)實(shí)測階段。在研究區(qū)所定點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)測量與記錄。
c)內(nèi)業(yè)計(jì)算。將測量的數(shù)據(jù)加以整編分析得出結(jié)論。
2.2.2 問卷調(diào)查法
問卷調(diào)查法也稱 “書面調(diào)查法”,或稱 “填表法”。用書面形式間接搜集研究材料的一種調(diào)查手段。通過向調(diào)查者發(fā)出簡明扼要的征詢單 (表),請示填寫對有關(guān)問題的意見和建議來間接獲得材料和信息的一種方法。問卷調(diào)查法也稱問卷法,它是調(diào)查者運(yùn)用統(tǒng)一設(shè)計(jì)的問卷向被選取的調(diào)查對象了解情況或征詢意見的調(diào)查方法。研究者將所要研究的問題編制成問題表格,以郵寄方式、當(dāng)面作答或者追蹤訪問方式填答,從而了解被調(diào)查者對某一現(xiàn)象或問題的看法和意見,所以又稱問題表格法。問卷法的運(yùn)用,關(guān)鍵在于編制問卷,選擇被試和結(jié)果分析。問卷調(diào)查法的最大優(yōu)點(diǎn)是,它能突破時(shí)空限制,在廣闊范圍內(nèi),對眾多調(diào)查對象同時(shí)進(jìn)行調(diào)查。便于對調(diào)查結(jié)果進(jìn)行定量研究,對調(diào)查的雙方都比較方便,并且節(jié)省人力、時(shí)間和經(jīng)費(fèi)。
原理:通過進(jìn)行走訪、問卷調(diào)查來收集所需要的數(shù)據(jù),然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和整理,比實(shí)測調(diào)查法更加便捷,節(jié)省人力物力。
調(diào)查方法:
a)設(shè)計(jì)調(diào)查問卷。充分考慮到各種情況后,設(shè)計(jì)出一份比較符合情況的調(diào)查問卷。
b)分發(fā)問卷。在調(diào)查過程中,走訪并分發(fā)調(diào)查問卷,回收后妥善保存。
c)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)并分析。分析數(shù)據(jù)得出相應(yīng)結(jié)論。
位于大頂子山航電樞紐上游松花江北岸的低漫灘區(qū)上的腰堡灌區(qū),灌區(qū)內(nèi)含水層直接受江河水補(bǔ)給,地下水也較豐富。含水層厚30m,滲透系數(shù)K=10~30m/d,透水性好,富水性強(qiáng),單井涌水量 (井徑300mm,降5m)達(dá)3 000m3/d。腰堡灌區(qū)內(nèi)現(xiàn)有人口33 414人,總土地面積4 562.07 hm2。腰堡灌區(qū)土地肥沃,總的地形是東北高西南低,海撥高程116~121m。大頂子山水庫正常蓄水位為116m。所選典型區(qū)處于松花江干流上唯一水庫大頂子山水庫上游,其浸沒現(xiàn)象和寒區(qū)現(xiàn)象非常顯著,故選取該區(qū)作為調(diào)查區(qū)域。
最準(zhǔn)確的浸沒影響評價(jià)方法即是高精度、高密度、較長序列的地下水位/埋深監(jiān)測,然而該方法未能廣泛使用也有其相應(yīng)的局限性:①建立高密度、長序列地下水監(jiān)測站網(wǎng)人力/經(jīng)費(fèi)成本高、數(shù)據(jù)處理量較大;②對于尚未建立統(tǒng)測站網(wǎng)的面積較大的浸沒區(qū)域來說,長期堅(jiān)持具有一定時(shí)間/空間密度的地下水位統(tǒng)測和浸沒災(zāi)害調(diào)查人力/經(jīng)費(fèi)成本過高、工作量大、不宜開展;③與數(shù)值模擬相比,采用地下水位監(jiān)測方法的浸沒評價(jià)僅能對浸沒現(xiàn)狀進(jìn)行詳細(xì)評價(jià)和對浸沒態(tài)勢進(jìn)行推測,不能得到具有較高精度的浸沒預(yù)測。然而包含水文地質(zhì)勘察、地下水位統(tǒng)測、地下水開采利用調(diào)查的綜合浸沒災(zāi)害評價(jià)又是確定浸沒影響、劃定浸沒分區(qū)以及采用數(shù)值模擬進(jìn)行評價(jià)或預(yù)測的基本情報(bào)基礎(chǔ),是不可替代的重要研究手段[5,8]。因此,結(jié)合實(shí)際工作,總結(jié)此綜合水庫浸沒災(zāi)害調(diào)查方法如下。
3.1.1 研究范圍選取
1)浸沒調(diào)查應(yīng)選取在水庫上游庫岸上發(fā)生浸沒的地區(qū),選擇存在人類居住、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)密集、道路暢通的地區(qū),對于無人、無耕地、無開發(fā)潛力的地區(qū)不視為浸沒災(zāi)害區(qū);
2)盡量選擇水文地質(zhì)條件相似 (在同一水文地質(zhì)單元內(nèi)),且邊界情況可控的單元;
3)盡量兼顧考慮行政區(qū)劃、灌區(qū)等區(qū)劃的完整性,以便準(zhǔn)確、便捷的收集開采信息。
3.1.2 測點(diǎn)布設(shè)原則
1)除借助水利部門設(shè)置的監(jiān)測站網(wǎng)測點(diǎn)外,選擇適當(dāng)?shù)拇寰?、民井作為測點(diǎn),測點(diǎn)密度應(yīng)達(dá)到1~5眼/km2,實(shí)際布設(shè)中以每自然屯1眼為宜,可另設(shè)1眼輔助校準(zhǔn)或備用。
2)應(yīng)通過調(diào)查鉆孔深度、巖性描述和含水層分析綜合判斷該井是否在待測含水層之內(nèi),測井屬性以待測含水層完整井為最佳,非完整井亦可,但應(yīng)除去非待測含水層中的井;測井以長期監(jiān)測井為最佳,以不常使用的民井、田井為次佳,井孔徑不宜過細(xì) (<5cm視為過細(xì)),井孔不能有折曲。
3)應(yīng)選擇測點(diǎn)所屬民家支持測量的,測井盡量在室外且有保溫措施,避免因各種情況 (不允許測量、民家無人井被鎖住,冰凍、破壞,道路阻斷等)而終止測量。
4)確定測點(diǎn)后應(yīng)用精度較高的GPS進(jìn)行大地坐標(biāo)X,Y (或經(jīng)緯度)與井口標(biāo)高測量。
3.1.3 浸沒監(jiān)測方法
1)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況確定測量密度和時(shí)長,為監(jiān)測到豐、枯、平水期不同動態(tài),監(jiān)測總時(shí)長應(yīng)不宜<1a,密度不疏于1次/30d。
2)測量可按實(shí)際測點(diǎn)情況選用以下方法:地下水位測盅、電接觸懸錘式水尺等地下水位人工觀測儀器,或浮子式地下水位計(jì)、壓力式地下水位計(jì)、自動跟蹤式懸錘水尺等地下水位自動監(jiān)測儀器。
3)注意事項(xiàng) “測量3個不”:不采用剛抽過水的井的水位數(shù)據(jù)、不采用隔日測量數(shù)據(jù)、不采用非多次測量平均值數(shù)據(jù)。
3.1.4 浸沒影響調(diào)查方法
除向水利部門、地質(zhì)部門、國土資源部門、統(tǒng)計(jì)部門等收集數(shù)據(jù)外,應(yīng)盡量通過實(shí)際調(diào)查方法收集并驗(yàn)證已有數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,在測量過程中或單獨(dú)開展的用水、浸沒調(diào)查中對以下信息進(jìn)行調(diào)查:①水文地質(zhì)情況 (井深、井徑、打井時(shí)間、花管位置、鉆井過程、揭露巖性,以及研究區(qū)邊界條件等);②區(qū)域用水情況 (人口、行政區(qū)劃、種植作物特征、灌溉用水特征、土地利用、工業(yè)/養(yǎng)殖業(yè)耗水等);③浸沒災(zāi)害情況 (受災(zāi)范圍、受災(zāi)程度、道路建筑物裂縫/凍脹/失穩(wěn)情況、土地鹽堿化現(xiàn)狀或趨勢、農(nóng)田淹沒損失等)。
分為江南與江北[9]兩部分,進(jìn)行地下水調(diào)查的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括鉆孔數(shù)據(jù)[9-10]、地下水動態(tài)數(shù)據(jù)、浸沒災(zāi)害調(diào)查以及研究區(qū)基本概況信息,主要資料見表1[11]。
表1 典型區(qū)水庫浸沒影響調(diào)查內(nèi)容Table 1 Investigation of inundation influences in the analysis area
測量數(shù)據(jù)見表2。
表2 測量所得數(shù)據(jù)Table 2 Measurement data /m
而調(diào)查中發(fā)現(xiàn),編號1和編號2中的浸沒現(xiàn)象非常明顯,而編號3所在位置,基本沒有受到浸沒影響。可知,浸沒的高程應(yīng)該介于116.53m與118.24m之間。那么臨界地下水埋深值為1.84~2.39m。
調(diào)查結(jié)果見表3。
表3 問卷走訪調(diào)查統(tǒng)計(jì)表Table 3 Interviews and investigations tables
1)確定安全超高值 (ΔH)。通過統(tǒng)計(jì)分析安全超高值 (ΔH),對于農(nóng)作物來說,為農(nóng)作物根系的深度,而居民區(qū)則需要看地基深度。通過調(diào)查,農(nóng)作物主要為玉米,其次為水稻,一些近鎮(zhèn)村落內(nèi)種有蔬菜,主要作物的根系層厚度分別為:玉米0.8~1.0m,水稻為喜水植物暫可忽略,蔬菜0.5~0.8m。居民區(qū)多為1層建筑采用毛石混凝土基礎(chǔ),埋置深度0.5~1.0m。部分新建筑為2層建筑,建筑物采用磚混結(jié)構(gòu),且做了較好的防水措施,基礎(chǔ)埋深1.0~1.5m,浸沒對該部分建筑物穩(wěn)定性影響不大。綜合考慮,對農(nóng)田區(qū)安全超高值按0.8~1.2m計(jì);居民區(qū)安全超高值可根據(jù)不同建筑取0.8~1.5m。故該區(qū)域的安全超高值,可略估計(jì)為0.8~1.5m。
2)確定毛細(xì)水上升高度 (Hk)。土壤毛細(xì)水上升高度 (Hk)一般較難準(zhǔn)確確定,工程實(shí)踐中多采用經(jīng)驗(yàn)值。研究區(qū)內(nèi)大部分都是黑土,而黑土的成土母質(zhì)比較簡單,上部以黏土層為主,中下部砂質(zhì)增加或?yàn)樯梆らg層,底部則以砂礫層為主[12]。各種土體的毛細(xì)水上升高度數(shù)值見表4。
表4 土體毛細(xì)水上升高度值Table 4 Height of capillary water rising in soil/m
綜上所述,確定地下水臨界埋深,見表5。
表5 典型區(qū)地下水臨界埋深值Table 5 Critical depth of groundwater burial in typical region/m
不同的地區(qū),不同的地形地質(zhì)條件,水庫浸沒影響程度是大不相同的。形成浸沒現(xiàn)象的因素很多,包括庫岸地形、巖石組成和結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)、水庫運(yùn)行方式等。寒區(qū)的特殊地帶的影響,使得寒區(qū)水庫浸沒的影響更為復(fù)雜,為了進(jìn)一步做好水庫設(shè)計(jì)工作,探討寒區(qū)水庫浸沒的規(guī)律性,對寒區(qū)水庫浸沒影響因素加以識別總結(jié)是有實(shí)際意義的。通過對地下水臨界埋深的定義以及計(jì)算方法的分析,地下水臨界埋深從數(shù)值上由毛細(xì)水上升高度與安全超高值組成,分析影響地下水臨界埋深的影響因素。聯(lián)系寒區(qū)特殊的氣候以及地域現(xiàn)象,影響臨界深度的因素很多,但主要可歸為氣候條件 (蒸發(fā)、降雨、溫度),土壤性狀 (特別是與土壤毛管性能有關(guān)的,如質(zhì)地,結(jié)構(gòu)和剖面層次狀況),水文地質(zhì)條件 (礦化度、組成、徑流通暢程度)和人為措施 (主要是農(nóng)業(yè)措施和水利措施)等4個方面[7]。
寒區(qū)特殊的低溫會使土體溫度降至冰點(diǎn)以下,土體原空隙中部分水結(jié)冰,進(jìn)而形成凍層,此因素大致在兩方面影響地下水臨界埋深:①凍層的形成會改變土壤結(jié)構(gòu),因此會對毛細(xì)水上升高度有一定影響;②凍層消融會在一定程度上補(bǔ)給地下水,使地下水位發(fā)生變化,進(jìn)而間接影響臨界地下水埋深的潛在值。凍層融化后的水分會補(bǔ)給地下水,有可能促使地下水位升高進(jìn)而影響地下水臨界埋深。
綜上所述,歸納起來凍層的生消對土壤毛細(xì)水上升高度的影響因素主要有:凍層改變土壤結(jié)構(gòu)、凍層消融后補(bǔ)給地下水。
在寒區(qū),冬季降水以雪的形式為主;積雪會產(chǎn)生兩方面影響:①積雪覆蓋表面使得土體中水分蒸發(fā)減弱,而蒸發(fā)帶給毛細(xì)水的上升力會變小,使得毛細(xì)水上升高度比同條件正常蒸發(fā)狀態(tài)的值偏低;②積雪消融后的水分會補(bǔ)給地下水,故融雪會加劇地下水浸沒的嚴(yán)重性。
土壤性質(zhì)不同地下水臨界深度也不同。土壤是個多孔體,土壤中的孔道是水鹽運(yùn)動的交通網(wǎng),土壤返鹽,主要是由于含鹽的地下水借助于土壤中的交通網(wǎng)向土壤表層移動的結(jié)果,其中起主要作用的是毛細(xì)管,補(bǔ)給表層土壤鹽分的多少,與土壤毛細(xì)管水上升的高度及毛細(xì)管向上輸水的速度有關(guān)。對砂性土和黏性土,地下水臨界深度可以小些,而對砂壤土、壤土的地下水臨界深度就要大些。
建筑物與農(nóng)作物耐水性因素對地下水臨界埋深的影響體現(xiàn)在對安全超高值ΔH的取值上:對農(nóng)業(yè)區(qū),ΔH值取當(dāng)?shù)刂脖桓祵拥暮穸?;對城?zhèn)居民區(qū)及公路鐵路,ΔH值取決于建筑物荷載,基礎(chǔ)形式和砌置深度。
對于農(nóng)業(yè)區(qū)來說,農(nóng)作物的根系層厚度越大,其安全超高值越大,臨界埋深越深。另外,若種植的作物具有良好的耐水性,如水稻等作物的地下水埋深值較小。
對于城鎮(zhèn)區(qū)建筑物,建筑物耐水性既表現(xiàn)在基礎(chǔ)深度上,又表現(xiàn)在基礎(chǔ)防滲能力上。在浸沒區(qū)或浸沒過渡區(qū)內(nèi),在保證建筑物穩(wěn)定的情況下,建筑物基礎(chǔ)埋深越小可能受到的浸沒影響越小。而在浸沒區(qū)內(nèi),建筑物基礎(chǔ)防滲能力越好,受到浸沒危害也越小,同建筑物耐水性不同,若耐水性較好、地基較高則地下水臨界埋深數(shù)值較大[13]。
本文通過調(diào)查和參考前人研究成果,粗略地確定了腰堡灌區(qū)的地下水臨界埋深值。
1)在多種確定地下水臨界埋深的方法中,調(diào)查方法是確定地下水臨界埋深的一種很簡潔、有效的方法。通過對多種方法的選取,最終選取了實(shí)測調(diào)查法與走訪問卷法確定典型區(qū)的地下水臨界埋深。此法可用于寒區(qū)的地下水臨界埋深的確定。
2)在所分析的典型區(qū)內(nèi),由于特殊的低溫及凍融作用,與非寒區(qū)相比,寒區(qū)水庫浸沒形成機(jī)理相對復(fù)雜。因此如何合理確定寒區(qū)地下水臨界埋深對寒區(qū)的生態(tài)環(huán)境、土壤質(zhì)量、建筑物基礎(chǔ)/路橋地基/地下管道及其他設(shè)施的安全穩(wěn)定尤為重要。
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