袁曉繼

(安徽省水利水電勘測設(shè)計院，安徽 合肥 230088)

江巷水庫庫區(qū)浸沒影響分析

袁曉繼

(安徽省水利水電勘測設(shè)計院，安徽 合肥 230088)

為減少水庫蓄水后造成的浸沒損失，根據(jù)庫區(qū)地質(zhì)勘察和試驗資料，分析土壤毛管水上升高度、農(nóng)作物和建筑物基礎(chǔ)安全超高，建立水文地質(zhì)模型和數(shù)學(xué)模型，對水庫蓄水后不同工況條件下，庫岸地下水位的壅高進行了模擬計算，并預(yù)測了水庫浸沒高程和范圍，分析了對農(nóng)作物和居民建筑物基礎(chǔ)的影響，確定水庫征地、移民范圍。

浸沒影響;毛管水上升高度;臨界地下水位;壅高

DO I:10.3969/j.issn.1672-2469.2016.08.011

水庫蓄水使庫岸地下水位壅高、毛管水抬升，當毛管水上升高度達到農(nóng)作物根系或建筑物基礎(chǔ)，且持續(xù)時間較長時，將產(chǎn)生浸沒問題，造成農(nóng)作物減產(chǎn)、建筑物地基損壞，甚至產(chǎn)生環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害。因此，在水庫工程設(shè)計中，需研究浸沒問題，分析浸沒影響高程和范圍，合理確定水庫征地、移民范圍。

本文以安徽省江巷水庫為例，根據(jù)庫區(qū)地質(zhì)勘察、測試、試驗資料，分析毛管水上升高度、土體天然飽和度，調(diào)查居民建筑物基礎(chǔ)形式及埋深、庫周農(nóng)作物類型、鄰區(qū)已有水庫浸沒問題對農(nóng)作物生長影響等，結(jié)合地形、地貌及水文地質(zhì)條件，建立水文地質(zhì)模型和數(shù)學(xué)模型，對水庫蓄水后不同工況條件下，庫岸地下水位的壅高進行了模擬計算，并預(yù)測了水庫浸沒高程和范圍。

1 水庫工程概況

江巷水庫位于安徽省江淮分水嶺北部池河上游，滁州市定遠縣境內(nèi)。水庫建設(shè)的主要任務(wù)是供水和灌溉，兼顧防洪等綜合利用，供水對象為安徽省鹽化工基地和定遠縣城鄉(xiāng)用水，設(shè)計灌溉面積71.59萬畝。水庫總庫容1.3億m3，工程等別為Ⅱ等，工程規(guī)模為大(2)型;設(shè)計洪水標準100年一遇，校核洪水標準2000年一遇。水庫樞紐工程主要建筑物有:攔河壩、溢洪道、灌溉涵洞、放水涵洞等;設(shè)計壩型為碾壓式均質(zhì)土壩，壩長5020m，最大壩高16.33m。

江巷水庫為雙水源水庫，除攔蓄當?shù)貜搅魍?，還結(jié)合駟馬山引江灌溉工程，提引長江水源補充入庫。2015年國家發(fā)改委批復(fù)了江巷水庫項目建議書，并納入國家“十三五”期間規(guī)劃建設(shè)的172項重大水利工程。

2 水文、地質(zhì)條件

2.1 水文氣象

江巷水庫壩址在淮河南岸支流池河上游陳集河、儲城河及青龍河匯合處，水庫控制流域面積735km2。多年平均入庫當?shù)貜搅?.15億m3，流域多年平均降水量934mm，年平均氣溫15℃，水面蒸發(fā)量798mm，平均風(fēng)速3.2～3.5m/s。

2.2 地形地貌

工程區(qū)屬于江淮丘陵的一部分，地形為崗沖起伏、壟畈相間的波狀平原，地勢總體西北高、東南低。工程區(qū)以南為江淮分水嶺，分水嶺高程一般為60～80m。壩址以上流域內(nèi)地貌為崗坳相間的堆積——剝蝕波狀平原，地貌較為單調(diào)，崗地地面高程在50m左右，坳谷地面高程一般在40m以下。

2.3 水文地質(zhì)條件

庫區(qū)地層較為簡單，表層均為第四系上更新統(tǒng)(Q3al)地層覆蓋，層厚15～30m，以重粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)粘土為主;下伏基巖為白堊系紅層，地表無出露。

工程區(qū)內(nèi)地下水類型主要為基巖裂隙水和孔隙水兩大類，地下水主要受降水入滲補給，蒸發(fā)排泄，或受地形影響以地下徑流形式緩慢排向河谷和沖溝。

為滿足研究需要，在庫區(qū)郭小圩、孟嚴、東方曹、齊崗、小廟陳布置了5個地質(zhì)勘探剖面，見圖1。

各剖面上均布置了一對淺孔(進入土層)與深孔(紅層基巖)對比，并于2015年4～5月進行水位觀測。觀測結(jié)果表明，基巖裂隙水與孔隙潛水水力聯(lián)系較弱，孔隙潛水水位略高于基巖裂隙水水位，孔隙潛水受降雨和蒸發(fā)影響，水位變化較大，下伏基巖裂隙水水位較穩(wěn)定。因此認為，下伏紅層為區(qū)域隔水層，上覆孔隙潛水為弱、微透水層。

圖1 江巷水庫勘探剖面布置示意圖

3 浸沒影響分析

江巷水庫正常蓄水位43.0m，按照《水利水電工程建設(shè)征地移民安置規(guī)劃設(shè)計規(guī)范》(SL290-2009)要求，初擬水庫征地、移民水位分別為43.5m和44.0m。為論證水庫征地、移民水位的合理性，除需要進行相關(guān)頻率的洪水計算外，還應(yīng)考慮浸沒影響后綜合確定，庫區(qū)浸沒影響主要因素為土壤毛細上升高度、農(nóng)作物區(qū)和居民區(qū)的安全超高值及水庫蓄水后地下水位壅高值的分析。

3.1 庫區(qū)土壤毛細上升高度和飽和度分析

工程區(qū)地層主要以第四系重粉質(zhì)壤土和粉質(zhì)粘土為主，為了確定毛管水上升，在現(xiàn)場進行了坑探試驗和室內(nèi)土壤含水量和飽和度分析。

分別于陳集河、儲城河、青龍河臨河位置布置6個探坑，現(xiàn)場觀測毛管水上升高度，另于上游延壽水庫和庫外蔡橋水庫分別布置2個探坑，用于相同或相近地質(zhì)環(huán)境水庫蓄水后毛管水上升高度類比。

根據(jù)室內(nèi)土樣分析結(jié)果，繪制土壤含水量和飽和度隨取土深度的變化曲線，計算每個探坑的毛細上升高度，見表1。

表1 各探坑剖面的毛細上升高度計算表

從表1看出，庫區(qū)毛細上升高度為0.35～0.75m，平均值為0.53m，毛細上升高度小于等于0.55m的約占70%，因此庫區(qū)平均毛細上升高度為0.53m。

3.2 浸沒地下水位埋深臨界值

臨界地下水位埋深是指不致引起耕作層土壤鹽漬化所要求保持的地下水最淺埋藏深度。對于浸沒區(qū)的臨界地下水位埋深的確定應(yīng)根據(jù)地區(qū)具體水文地質(zhì)條件、農(nóng)業(yè)科研單位的田間實驗觀測資料和當?shù)厣a(chǎn)實踐經(jīng)驗確定;或者用水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范(GB50487-2008)附錄D提供的公式:

式中，Hcr為浸沒地下水位埋深臨界值(m)，Hk為地下水位以上土壤毛管水上升高度(m)，△H為安全超高值(m)。

3.2.1 安全超高值

(1)農(nóng)作物區(qū)。農(nóng)作物在不同的生長期要求保持一定的地下水適宜深度，影響地下水適宜埋深的因素較多，如農(nóng)作物種類、生育階段，以及氣候、土壤等。庫區(qū)農(nóng)作物以水稻、小麥為主，據(jù)現(xiàn)場探查，小麥根系入土深度一般為0.15～0.20m，水稻為0.20～0.30m，由于水稻為喜水作物，土壤含水量對其影響很小，只有在水稻快成熟的時期，水田要保持一定的干燥度，因此農(nóng)作物區(qū)的安全超高值取0.25m。

(2)居民區(qū)。江巷水庫庫區(qū)均為第四系土層覆蓋，以重粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)粘土為主。調(diào)查當?shù)氐拿穹堪l(fā)現(xiàn):大多房屋基礎(chǔ)埋深一般為0.2～0.7m，少量2層結(jié)構(gòu)房屋基礎(chǔ)埋深0.8～1.5m，由于庫區(qū)地下水位埋深一般為1m左右，因此少量2層結(jié)構(gòu)房屋基礎(chǔ)埋深實際上已經(jīng)在地下水位面以下，但多年觀察發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)強度并沒有降低、且房屋沒有明顯的沉降，表明地下水對建筑物基礎(chǔ)強度的影響較小。因此綜合考慮建筑物基礎(chǔ)埋深的一般情況，居民區(qū)的安全超高值取0.67m。

3.2.2 庫區(qū)地下水位埋深臨界值

根據(jù)公式(1)，庫區(qū)臨界地下水位埋深為毛細上升高度與安全超高之和，由前述庫區(qū)毛細上升高度和安全超高值分析，農(nóng)作物區(qū)和居民區(qū)地下水位埋深臨界值取值分別為0.78m和1.2m，見表2。

表2 庫區(qū)臨界地下水位埋深值

3.3 庫岸地下水位壅高值

確定庫區(qū)的浸沒范圍，還需要計算蓄水后庫區(qū)的地下水位壅高值，庫岸地下水的壅高值與水庫興利調(diào)度、水位持續(xù)時間及土質(zhì)性質(zhì)密切相關(guān)。

3.3.1 水庫興利調(diào)度和水位統(tǒng)計

江巷水庫死水位為41.0m，汛限水位42.4m，正常蓄水位43.0m。汛期5月～9月按汛限水位運行;非汛期10月～次年4月蓄水至正常蓄水位。水庫利用攔蓄當?shù)貜搅骱鸵窟M行灌溉和城鄉(xiāng)供水，當庫水位降到41.5m時，即開機提引江水入庫，汛期引江提水至水庫汛限水位;非汛期引江提水至正常蓄水位。

按上述興利調(diào)度原則對江巷水庫1954～2010系列年進行調(diào)節(jié)計算，分別統(tǒng)計了56年來水庫水位在42.0～43.0m的水位持續(xù)時間和發(fā)生概率，見表3。

表3 水庫水位多年平均統(tǒng)計

從表3中看出:庫水位超過42.0m年均累計256天，概率為70%;超過42.5m年均累計83天，概率為23%;庫水位達到正常蓄水位43.0m年均累計4天，概率為1%。

為便于分析，假定了庫岸初始地下水位為42.5m和43m，不同持續(xù)時間的分析條件，這一假設(shè)是偏保守的，原因可由水庫的多年運行水位看出，實際上水庫常年維持在42.5m以上的時間和概率都很低。

3.3.2 常水位時的地下水位壅高值

根據(jù)多年調(diào)節(jié)計算的水位統(tǒng)計，江巷水庫水位低于42.5m的概率為77%，達到正常蓄水位的概率僅為1%，因此，可以認為水庫常水位為42.5m。

目前地下水位的監(jiān)測資料顯示，庫周一定范圍內(nèi)的地下水位低于42.5m，當水庫水位上升到42.5m時，地下水位也會逐漸抬升。針對5個勘探剖面，分別計算了初始地下水位低于42.5m的區(qū)域和庫水位維持在42.5m時，50年后的地下水位抬升情況，結(jié)果見表4。

表4 庫水位為42.5m時地下水位壅高值(50年)

計算結(jié)果顯示，水庫運行多年后，水庫四周地下水位逐漸升高，距離越遠，地下水位上升越慢。與初始地下水位相比，地下水位最大上升了1.5m (郭小圩剖面);與常水位42.5m相比，水位最大上升為0.43m(齊崗剖面)。最終上升的地下水位線與初始地下水位線重合，因此地下水位上升較高的位置一般距離庫水位較遠，越接近庫水位，地下水位越低。

根據(jù)計算，當庫水位維持在42.5m以上運行50年后，地下水位上升高度為0.24～0.43m，平均值為0.31m，表明地下水位壅高值達到穩(wěn)定的時間很長。

當水庫運行50年后，即使是距離庫岸很近的距離，仍有部分剖面的地下水位低于水庫水位42.5m，這與實際情況也基本一致。如現(xiàn)已運行多年的延壽水庫，常年庫水位為44.75m，根據(jù)在庫周左右岸挖取的2個探坑發(fā)現(xiàn)，左側(cè)探坑距庫岸距離22m，地下水位為 44.41m，低于庫水位約34cm;右側(cè)探坑距庫岸距離23.5m，地下水位為44.69m，也低于庫水位約6cm，說明分析的結(jié)果是合理的。

3.4 水庫浸沒影響范圍的確定

3.4.1 浸沒影響高程

根據(jù)常水位計算的50年后地下水位線，加上地下水位埋深臨界值，取這兩條線與初始地下水位的交點，得到農(nóng)作物區(qū)和居民區(qū)浸沒影響高程，見表5。

表5 庫區(qū)浸沒影響高程 (單位:m)

農(nóng)作物區(qū)浸沒影響高程為43.05～43.69m，僅東方曹剖面的浸沒影響高程略高于征地水位43.5m。實際上庫水位常年維持在42.5m運行的的概率只有23%;水庫水位超過42.5m出現(xiàn)的概率和持續(xù)時間更小更短，計算農(nóng)作物區(qū)的浸沒影響高程均小于43.5m，因此認為水庫蓄水后對農(nóng)作物區(qū)的浸沒影響高程均小于43.5m。

居民區(qū)的浸沒影響高程為43.09～44.24m，僅東方曹剖面的居民區(qū)的浸沒影響高程略高于移民水位44.0m。由地下水位埋深來看，東方曹剖面的居民區(qū)可能存在輕微影響，按現(xiàn)狀居民區(qū)建筑物基礎(chǔ)埋深實際情況，認為水庫建成蓄水后浸沒對居民區(qū)建筑物的影響甚微，居民區(qū)的遷建范圍可以控制在44.0m。

3.4.2 浸沒影響范圍

根據(jù)庫區(qū)浸沒影響高程，計算庫區(qū)浸沒影響范圍，即距水庫常水位 42.5m的水平距離，詳見表6。

表6 庫區(qū)浸沒影響范圍(與常水位42.5m的水平距離，m)

從表6看出，農(nóng)作物區(qū)的浸沒影響范圍為65～264m;居民區(qū)的浸沒影響范圍為74～326m。

4 結(jié)語

(1)水庫建成蓄水后存在浸沒對越冬作物生長產(chǎn)生一定影響的可能性，但不是每年發(fā)生，且出現(xiàn)的年數(shù)較少，概率也較低，征地水位可定為43.5m。

(2)由地下水位埋深來看，東方曹剖面的居民區(qū)可能存在輕微的影響，考慮到現(xiàn)狀居民區(qū)建筑物基礎(chǔ)埋深實際情況，移民搬遷水位可確定為44.0m。

(3)本文在地質(zhì)勘察、試驗資料基礎(chǔ)上，建立水文地質(zhì)模型和數(shù)學(xué)模型，提供了水庫浸沒影響的理論計算方法，為水庫設(shè)計階段征地、移民水位的確定提供了重要技術(shù)依據(jù)，希望對其它水庫工程的設(shè)計提供一定借鑒意義。

［1］GB50487-2008.水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范［S］.

［2］SL290-2009.水利水電工程建設(shè)征地移民安置規(guī)劃設(shè)計規(guī)范［S］.

［3］水利水電部水利水電規(guī)劃設(shè)計院.水利水電工程地質(zhì)手冊［M］.北京:水利電力出版社，1985.

［4］張建國，趙惠君.地下水毛細上升高度及確定［J］.地下水，1988(08).

［5］河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，安徽省水利水電勘測設(shè)計院.江巷水庫庫區(qū)浸沒專題研究報告［R］.合肥.2015.

［6］安徽省水利水電勘測設(shè)計院，安徽農(nóng)業(yè)大學(xué).江巷水庫庫區(qū)浸沒與農(nóng)作物生長關(guān)系研究報告［R］.合肥.2015.

［7］安徽省水利水電勘測設(shè)計院.安徽省定遠縣江巷水庫工程可行性研究報告［R］.合肥.2015.

TV697.2+.5

A

1672-2469(2016)08-0032-04

2015-11-23

袁曉繼(1968年—)，男，高級工程師。