姜薇，梁秀娟，肖長(zhǎng)來

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶 163319；2.吉林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院）

洮兒河灌區(qū)滿洲岱渠首浸沒問題分析

姜薇1，梁秀娟2，肖長(zhǎng)來2

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶 163319；2.吉林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院）

洮兒河灌區(qū)滿洲岱渠首蓄水后，渠首附近村莊、農(nóng)田可能產(chǎn)生一定的浸沒影響，將給人們的生產(chǎn)生活帶來危害。根據(jù)滿洲岱樞紐地形地貌條件，擬采用定性與定量分析相結(jié)合的方法，對(duì)不同水位運(yùn)行條件下渠首周圍可能出現(xiàn)浸沒問題進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)，提出可能浸沒的范圍及程度。并對(duì)浸沒產(chǎn)生的影響要素進(jìn)行分析，影響因素為工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、水文氣象、人為活動(dòng)等條件。其中水文地質(zhì)條件中的地下水位的變化為主要因素。

滿洲岱；浸沒；定性分析；非穩(wěn)定流；影響因素

浸沒是指由于河道建壩蓄水后，河水位抬高引起水庫周邊地帶或附近地區(qū)地下水潛水位上升，當(dāng)水位達(dá)到建筑物地基或農(nóng)作物和樹木根系臨界高度時(shí)，將產(chǎn)生浸沒現(xiàn)象。還可能引起土壤鹽堿化、沼澤化等次生災(zāi)害。浸沒現(xiàn)象是在特定的地質(zhì)環(huán)境中各種影響因素共同相互作用的結(jié)果，主要影響因素包括庫岸地形、地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、地下水及水文、氣象等自然因素，而且與人類工程活動(dòng)等因素有密切的關(guān)系[1]。隨著水利工程的發(fā)展，環(huán)境地質(zhì)問題越發(fā)突出，而浸沒現(xiàn)象是不可忽視的一種環(huán)境地質(zhì)問題，因此對(duì)其研究顯得尤為重要[7-8]。浸沒的研究大致有三個(gè)階段：20世紀(jì)90年代以前，主要是對(duì)浸沒現(xiàn)象的分析；20世紀(jì)90年代到2000年，主要是對(duì)浸沒預(yù)測(cè)方法與治理措施的研究；2001年至今，主要結(jié)合現(xiàn)代技術(shù)對(duì)水庫浸沒綜合研究[2]。自1955年對(duì)浸沒研究以來，大部分集中于解析法范圍預(yù)測(cè)、治理方法的研究[1]。對(duì)實(shí)地定性分析、穩(wěn)定浸沒時(shí)間及影響因素研究較少。研究采用實(shí)地調(diào)查、布勘探剖面定性分析結(jié)合地下水動(dòng)力學(xué)原理中地下水向河渠運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定流、非穩(wěn)定流對(duì)其進(jìn)行定量計(jì)算，同時(shí)對(duì)滿洲岱渠首浸沒范圍、穩(wěn)定浸沒時(shí)間、影響因素及防治措施進(jìn)行分析。

1 區(qū)域概況

洮兒河灌區(qū)滿洲岱渠首攔河壩位于洮兒河中下游的洮南市金祥鄉(xiāng)境內(nèi)，是洮兒河灌區(qū)樞紐中最大的一個(gè)。滿洲岱左岸泄洪閘位于洮兒河主河道上，低水時(shí)通過攔蓄河水，利用引水閘引蓄河水用于灌溉。渠首攔河壩抬高水位后，在壩上游160.40 m高程下，耕地被淹沒。地處回水淹沒線邊緣以上的高漫灘，地勢(shì)低平，地層為雙層結(jié)構(gòu)表層為壤土，下部為砂礫石層。當(dāng)潛水水位壅高進(jìn)入壤土層時(shí)可能產(chǎn)生浸沒現(xiàn)象。

研究區(qū)地處洮兒河中游的河漫灘上，地形開闊、較為平坦。地面高程多在160 m左右，氣候特征為大陸性季風(fēng)氣候。多年平均降水量391.3 mm，冬季最少，只占降水總量的2.9%；夏季降水最多，占降水總量的75.2%。降水量具有分配不均，階段變化明顯，高度集中特點(diǎn)。年平均蒸發(fā)量2 070.4 mm，4至5月份蒸發(fā)量是降水量的近20倍。

區(qū)內(nèi)第四系松散堆積物發(fā)育，厚度約18～25 m，在洮兒河左岸厚度較大，右岸厚度變小。地表普遍分布著褐黑及灰黃色，濕、可塑的壤土，混有少量細(xì)礫，層厚0.55～2.2 m。其下為黃褐色，濕至飽和，松散的砂礫石，以礫石為主，混有少量卵石和粘性土，厚度1.10 m。含水層巖性為沖洪積的砂礫卵石，顆粒粗大，細(xì)顆粒填充很少，厚度較大，水位埋深較淺（一般小于10 m），且與河流有密切的水力聯(lián)系。

2 浸沒分析與預(yù)測(cè)

2.1 浸沒分析

滿洲岱樞紐控制灌溉面積2.67萬hm2，是洮兒河灌區(qū)最大樞紐。主要建筑物泄洪閘、引水閘及溢流壩。壩頂高程160.40 m，正常蓄水位160.40 m，攔河壩壩底高程157.50 m。樞紐及周邊地區(qū)地面高程在159.00～162.00 m。地形開闊、較為平坦，河床的左岸至右岸民堤間為低河漫灘，沿洮兒河支流的兩側(cè)為低漫灘。砂礫石裸露，大部分是荒地，有牛軛湖，呈條帶狀分布，有積水，形成沼澤。在其兩側(cè)為高漫灘，地勢(shì)較高，地表巖性為壤土，其下為透水性強(qiáng)的砂礫層，地下水埋深0.50～2.13 m。每年汛期時(shí)，河水位很快上升到正常水位，地下水位隨之抬高。在壩上游160.40 m高程以下的耕地將被淹沒。地勢(shì)低平，表層為壤土，下部為透水性較強(qiáng)砂礫石層，地下水埋藏較淺，雨季入滲補(bǔ)給量將很大，會(huì)使地下水位升高。在以上因素綜合作用下，將可能發(fā)生浸沒現(xiàn)象。為了進(jìn)一步確定浸沒的范圍，在研究區(qū)內(nèi)進(jìn)行一些勘察工作（如表1）。

表1 工程勘察表Table 1 Engineering investigation table

根據(jù)水文地質(zhì)條件確定浸沒地下水埋深臨界值公式[3]：

式中：Hk為土層毛細(xì)水上升高度，m；△H為安全超高值，主要指根系層厚度或建筑物基礎(chǔ)埋深，m。

根據(jù)實(shí)地調(diào)查情況及水文地質(zhì)資料可確定研究區(qū)的臨界埋深值，壤土層地下水臨界埋深，旱田0.8～1.3 m，水田為0.3～0.8 m。

樞紐達(dá)到正常蓄水160.40 m時(shí)，河水補(bǔ)給地下水，地下水位抬高。回水淹沒線于與居民遷移線（160.76 m）之間，地下水位埋深小于臨界埋深，旱田產(chǎn)生浸沒，低洼地段甚至可能出現(xiàn)積水。居民遷移線到地面高程161.50 m之間，地下水埋深多數(shù)在0.8 m左右，旱田產(chǎn)生浸沒現(xiàn)象，水田不受影響。地面高程161.50 m以上地段，旱田受到輕微影響（如圖1）。

2.2 浸沒定量分析

浸沒常規(guī)的影響因素包括地下水位、土壤質(zhì)地、地表作物耐水性及建筑物基礎(chǔ)等[2]。但地下水位變化是主要因素。庫岸區(qū)地下水與河水之間有密切的水力聯(lián)系。河水位的變化，將會(huì)影響地下水的變化。根據(jù)地下水動(dòng)力學(xué)原理地下水向河渠運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定流、非穩(wěn)定流進(jìn)行計(jì)算，確定浸沒的范圍、產(chǎn)生浸沒時(shí)間及二者之間的關(guān)系。

根據(jù)研究區(qū)地形地貌條件及定性分析結(jié)果，選擇三個(gè)代表性剖面分別通過穩(wěn)定流和非穩(wěn)定流進(jìn)行計(jì)算，然后依據(jù)兩種方法和定性分析確定最終的浸沒范圍及影響時(shí)間。

圖1 滿洲岱樞紐浸沒預(yù)測(cè)圖Fig.1 Manzhoudai hub immersion prediction map

（1）穩(wěn)定流地下水壅高計(jì)算

穩(wěn)定流計(jì)算中主要選擇了三個(gè)公式進(jìn)行計(jì)算，①當(dāng)含水層由滲透性不同的巖層組成、隔水層為水平時(shí)，采用卡明斯基公式計(jì)算；②含水層均一，隔水層水平時(shí)，采用公式（2）。

式中：y1——水庫正常高水位（m）；1、n、n+1——斷面位置；h1，hn、hn+1——蓄水前在斷面1，n、n+1處的含水層厚度（m）；y1，yn、yn+1——蓄水后在斷面1，n、n+1處的含水層厚度（m）。③含水層均一、隔水層水平，有鄰谷的固定壅高時(shí)，采用公式（3）。

式中：L——左側(cè)水邊線至鄰谷水邊線的距離；h1，y1——正常高水位（m）；h0，y0——蓄水前在兩河谷中的河水位（m）；xn——計(jì)算斷面左側(cè)水邊距離（m）；hn，yn——蓄水前、后在斷面n處的含水層厚度（m）。

穩(wěn)定流浸沒范圍預(yù)測(cè)：綜合上述三個(gè)公式計(jì)算平均值初步得出如下結(jié)論：

Ⅰ—Ⅰ勘探剖面：洮兒河左岸屬于低漫灘，多地高程在160.40 m以下。壅高后地下水埋深0～0.51 m，從河邊至探坑K3區(qū)間壅高后地下水埋深接近地表，屬嚴(yán)重浸沒區(qū)甚至達(dá)到淹沒的程度；探坑K3至K1壅高后地下水埋深0.46～0.51 m小于地下水臨界埋深屬中等浸沒區(qū)。

Ⅱ—Ⅱ勘探剖面：洮兒河的右岸屬于高漫灘，地面高程在160.00 m以上。壅高后地下水埋深0～0.76 m，毛劉屯到探坑K2可能產(chǎn)生淹沒；探坑K3至K4之間屬于中等浸沒區(qū)。

Ⅲ—Ⅲ勘探剖面：洮兒河支流右岸屬于高漫灘，地面高程在160.00 m以上。壅高后地下水埋深0.27～0.50 m，探坑K3至K4之間屬于中等浸沒區(qū)；K3至K1之間屬于輕浸沒區(qū)。

（2）非穩(wěn)定流地下水壅高計(jì)算

根據(jù)研究區(qū)的水文地質(zhì)資料，潛水含水層底板近于水平，含水層近似于均質(zhì)。水文地質(zhì)模型可抽象為潛水流的初始狀態(tài)為穩(wěn)定流；河渠水位瞬時(shí)上升，上升幅度h0，t=h0.t-h0.0，上升后保持不變[4]。計(jì)算公式如下：

式中：hx.t——河水位上升h0，t后，距X處斷面T時(shí)刻的潛水位；hx.0——距河床 X處斷面的原始水位；h0.0——河渠原始水位；F（λ）——河渠水位對(duì)地下水位的影響系數(shù)。其值隨時(shí)間t和距離x而變化；λ=x/（ 計(jì)算出λ值，經(jīng)查表得F（λ）值）；a=k*hm/μ為壓力傳導(dǎo)系數(shù)（m2/d）；k——含水層滲透系數(shù)（m/d）；hm——含水層平均厚度（m）；μ——含水層給水度。

研究區(qū)內(nèi)含水層滲透性較強(qiáng)，蓄水期河水位短時(shí)間內(nèi)達(dá)到正常蓄水位，地下水位隨之迅速上升，距離河床越近，地下水位上升幅度越大，隨著距離河床的距離加大，地下水位上升幅度逐漸變小。如圖2：

圖2 Ⅰ～Ⅲ剖面距河床不同距離水位壅高與時(shí)間關(guān)系Fig.2 Ⅰ～ⅢRelationship of dam up stage of different distance between section and river bed with time

由上述三圖可以得出，距離河床越近，地下水位上升幅度越大，蓄水在10 d左右，Ⅰ—Ⅰ剖面、Ⅱ—Ⅱ剖面地下水位上升高度達(dá)到峰值，大約在20 d地下水位基本達(dá)到穩(wěn)定（特大降雨情況除外），Ⅰ—Ⅰ剖面距離河床50 m處3 d內(nèi)地下水上升高度達(dá)0.929 m，占整個(gè)上升高度的90%以上，距離河床60 m、150 m、300 m處地下水位上升的速度隨著距離逐漸減弱。而Ⅲ—Ⅲ剖面距離主河道較遠(yuǎn)地下水上升幅度相對(duì)較慢。因此，在浸沒防治中可根據(jù)地下水位隨距離、時(shí)間的關(guān)系相應(yīng)制定防護(hù)措施。

Ⅰ—Ⅰ剖面距離河床212 m地下水埋深0～0.30 m屬于嚴(yán)重浸沒區(qū)甚至達(dá)到淹沒程度；212 m至k1探坑地下水埋深0.49～0.77 m屬于中等浸沒區(qū)。

Ⅱ—Ⅱ剖面毛劉屯至510 m地下水埋深0.31～0.96 m屬于中等浸沒區(qū)；510 m至k1探坑地下水埋深0.96～1.00 m屬于輕微浸沒區(qū)，旱田稍有影響，水田不受影響。

Ⅲ—Ⅲ剖面距離主河道較遠(yuǎn)地下水上升幅度相對(duì)較慢，地下水埋深1.15～1.30 m微浸沒區(qū)，當(dāng)蓄水達(dá)不到正常時(shí)，不產(chǎn)生浸沒現(xiàn)象。

由定性分析和穩(wěn)定流、非穩(wěn)定流定量計(jì)算可以得出，穩(wěn)定流計(jì)算地下水位最終上升幅度較非穩(wěn)定流計(jì)算的結(jié)果要偏大，預(yù)測(cè)的范圍要大，但對(duì)采取防護(hù)措施更安全。綜合水文地質(zhì)、氣象等因素，定性分析與定量分析相結(jié)合計(jì)算結(jié)果更符合實(shí)際情況，定量中以非穩(wěn)定流為主，穩(wěn)定流為輔。

根據(jù)工程實(shí)地類比回水淹沒線于與居民遷移線（160.76 m）之間，地下水位埋深小于臨界埋深，旱田產(chǎn)生輕微浸沒，與采用定量分析方法預(yù)測(cè)回水淹沒線與居民遷移線之間可能產(chǎn)生浸沒結(jié)論相符。且大量研究表明采用定量分析方法預(yù)測(cè)的結(jié)果與數(shù)值模擬預(yù)測(cè)結(jié)果相吻合[6]。綜上所述，采用定性和定量相結(jié)合的計(jì)算結(jié)果更符合實(shí)際情況。

3 浸沒影響因素

浸沒是由多種因素共同作用下產(chǎn)生的。主要包括工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、水文氣象條件及人為活動(dòng)四大方面。

（1）地形地貌、地質(zhì)結(jié)構(gòu)等因素。研究區(qū)地形平緩，多為河漫灘，地表水、地下水易匯集容易產(chǎn)生浸沒；庫岸地層上部為透水性小的壤土、下部為透水性大的砂礫石層，壤土滲透性弱，毛細(xì)水上升高度大。地下水位壅高進(jìn)入壤土層時(shí)較易產(chǎn)生浸沒，且容易產(chǎn)生次生的鹽漬化現(xiàn)象。日積月累巖層形成鹽漬土，將改變土的特征指標(biāo)，對(duì)地下水質(zhì)也有一定影響[5]。

（2）地下水的埋深、補(bǔ)排條件。研究區(qū)地下水埋藏較淺，受大氣降水和河水的補(bǔ)給樞紐蓄水后地下水位壅高，當(dāng)小于或接近臨界埋深時(shí)將產(chǎn)生浸沒。若有排泄不暢的地區(qū)河水不斷補(bǔ)給可能發(fā)生淹沒。

（3）水文氣象條件，區(qū)域的氣候條件對(duì)浸沒影響較大。雨季降雨入滲的影響，6～8月降雨量約260～300 mm，按降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)為0.20計(jì)，入滲補(bǔ)給地下水量為52～60 mm，粗礫層、壤土層飽和差（或給水度）分別為0.19～0.22和0.04～0.05，則降雨入滲可使粗礫層、壤土層中的地下水位分別上升0.26～0.30 m和1.10～1.30 m，即使地下水流動(dòng)很快，蓄水后在雨季浸沒現(xiàn)象也會(huì)明顯加重。當(dāng)蒸發(fā)較強(qiáng)時(shí)浸沒區(qū)易發(fā)生鹽漬土，對(duì)農(nóng)作物經(jīng)濟(jì)收入減少。

（4）人為活動(dòng)，蓄水水位的運(yùn)行情況與地下水位有著密切的聯(lián)系。當(dāng)來水量較大用水量較小河水位升高，從引起地下水位壅高使原本可能未發(fā)生浸沒地區(qū)產(chǎn)生浸沒現(xiàn)象。河道淤積也可能使浸沒現(xiàn)象加重，河床淤高導(dǎo)致沿河兩岸地表水排水出口抬高，排水不暢形成內(nèi)澇，造成河漫灘浸沒[6]。

4 結(jié)論

（1）通過定性分析與定量計(jì)算相結(jié)合，得出滿洲岱樞紐達(dá)到正常蓄水位160.40 m時(shí)，Ⅰ—Ⅰ剖面距離河床212 m達(dá)到嚴(yán)重浸沒甚至淹沒程度；Ⅰ—Ⅰ剖面至Ⅱ—Ⅱ剖面段回水淹沒線于與居民遷移線（160.76 m）之間屬于中等浸沒區(qū)；Ⅱ—Ⅱ剖面510 m 至k1探坑區(qū)域?qū)儆谳p微浸沒區(qū)，居民遷移線以上地段，旱田有影響，水田不受影響也屬于輕微浸沒區(qū)。距離河床越近，地下水位上升幅度越大，上升的速率越快；距河床近的區(qū)域，蓄水在10 d左右，地下水位上升高度達(dá)到峰值；大約在20 d地下水位基本達(dá)到穩(wěn)定（特大降雨情況除外）。

（2）結(jié)合滿洲岱樞紐實(shí)地浸沒特征調(diào)查分析，得出影響浸沒的主要為工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、水文氣象、人為活動(dòng)等四大影響要素。其中水文地質(zhì)條件中的地下水位的變化是主要因素。針對(duì)以上影響因素可以制定相應(yīng)的浸沒防治的措施，從而有效減少浸沒產(chǎn)生的危害。例如布設(shè)排滲井、滲水渠、種植耐澇蒸發(fā)能力強(qiáng)的植物等。

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Analysis of Immersion Problem of Yaoer Rive Irrigation Area Manzhoudai Headworks

Jiang Wei1，Liang Xiujuan2，Xiao Changlai2
（1.College of Engeering，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319；2.College of Environment and Resources，Jilin University）

It might influence the village and farmland nearby headwork and harm people’s living，after the impoundment of Manzhoudai headworks of Yaoer river irrigation area.According to geographic and geomorphic conditions of Manzhoudai hinge，the immersion problem under different operation water level was forecasted and evaluated，and the method of combination of qualitative and quantitative analysis was adopted，then the possible scope and degree was proposed.After that，the influential factors from immersion were analyzed，which were engineering geology，hydrogeololgy，hydro meteorology，human activity，and so on.The change of underground water level among the condition of hydrogeololgy was the main influence.

Manzhoudai；immersion；qualitative analysis；steady flow；effect factors

TV697.39；P641.72

A

1002-2090（2016）05-0109-05

10.3969/j.issn.1002-2090.2016.05.022

2016-01-01

長(zhǎng)白山天然礦泉水形成機(jī)理分析（吉林省科技廳重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目：20100452）。

姜薇（1986-），女，助教，吉林大學(xué)畢業(yè)，現(xiàn)主要從事農(nóng)田水利及水資源規(guī)劃的研究工作。

梁秀娟，女，教授，博士研究生導(dǎo)師，E-mail：jiangwei662998@126.com。