江巷水库库区浸没影响分析

2017-01-11袁晓继

水利规划与设计 2016年8期

关键词：库岸居民区库区

袁晓继

(安徽省水利水电勘测设计院，安徽合肥 230088)

江巷水库库区浸没影响分析

袁晓继

(安徽省水利水电勘测设计院，安徽合肥 230088)

为减少水库蓄水后造成的浸没损失，根据库区地质勘察和试验资料，分析土壤毛管水上升高度、农作物和建筑物基础安全超高，建立水文地质模型和数学模型，对水库蓄水后不同工况条件下，库岸地下水位的壅高进行了模拟计算，并预测了水库浸没高程和范围，分析了对农作物和居民建筑物基础的影响，确定水库征地、移民范围。

浸没影响;毛管水上升高度;临界地下水位;壅高

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

水库蓄水使库岸地下水位壅高、毛管水抬升，当毛管水上升高度达到农作物根系或建筑物基础，且持续时间较长时，将产生浸没问题，造成农作物减产、建筑物地基损坏，甚至产生环境地质灾害。因此，在水库工程设计中，需研究浸没问题，分析浸没影响高程和范围，合理确定水库征地、移民范围。

本文以安徽省江巷水库为例，根据库区地质勘察、测试、试验资料，分析毛管水上升高度、土体天然饱和度，调查居民建筑物基础形式及埋深、库周农作物类型、邻区已有水库浸没问题对农作物生长影响等，结合地形、地貌及水文地质条件，建立水文地质模型和数学模型，对水库蓄水后不同工况条件下，库岸地下水位的壅高进行了模拟计算，并预测了水库浸没高程和范围。

1 水库工程概况

江巷水库位于安徽省江淮分水岭北部池河上游，滁州市定远县境内。水库建设的主要任务是供水和灌溉，兼顾防洪等综合利用，供水对象为安徽省盐化工基地和定远县城乡用水，设计灌溉面积71.59万亩。水库总库容1.3亿m3，工程等别为Ⅱ等，工程规模为大(2)型;设计洪水标准100年一遇，校核洪水标准2000年一遇。水库枢纽工程主要建筑物有:拦河坝、溢洪道、灌溉涵洞、放水涵洞等;设计坝型为碾压式均质土坝，坝长5020m，最大坝高16.33m。

江巷水库为双水源水库，除拦蓄当地径流外，还结合驷马山引江灌溉工程，提引长江水源补充入库。2015年国家发改委批复了江巷水库项目建议书，并纳入国家“十三五”期间规划建设的172项重大水利工程。

2 水文、地质条件

2.1 水文气象

江巷水库坝址在淮河南岸支流池河上游陈集河、储城河及青龙河汇合处，水库控制流域面积735km2。多年平均入库当地径流1.15亿m3，流域多年平均降水量934mm，年平均气温15℃，水面蒸发量798mm，平均风速3.2～3.5m/s。

2.2 地形地貌

工程区属于江淮丘陵的一部分，地形为岗冲起伏、垄畈相间的波状平原，地势总体西北高、东南低。工程区以南为江淮分水岭，分水岭高程一般为60～80m。坝址以上流域内地貌为岗坳相间的堆积——剥蚀波状平原，地貌较为单调，岗地地面高程在50m左右，坳谷地面高程一般在40m以下。

2.3 水文地质条件

库区地层较为简单，表层均为第四系上更新统(Q3al)地层覆盖，层厚15～30m，以重粉质壤土、粉质粘土为主;下伏基岩为白垩系红层，地表无出露。

工程区内地下水类型主要为基岩裂隙水和孔隙水两大类，地下水主要受降水入渗补给，蒸发排泄，或受地形影响以地下径流形式缓慢排向河谷和冲沟。

为满足研究需要，在库区郭小圩、孟严、东方曹、齐岗、小庙陈布置了5个地质勘探剖面，见图1。

各剖面上均布置了一对浅孔(进入土层)与深孔(红层基岩)对比，并于2015年4～5月进行水位观测。观测结果表明，基岩裂隙水与孔隙潜水水力联系较弱，孔隙潜水水位略高于基岩裂隙水水位，孔隙潜水受降雨和蒸发影响，水位变化较大，下伏基岩裂隙水水位较稳定。因此认为，下伏红层为区域隔水层，上覆孔隙潜水为弱、微透水层。

图1 江巷水库勘探剖面布置示意图

3 浸没影响分析

江巷水库正常蓄水位43.0m，按照《水利水电工程建设征地移民安置规划设计规范》(SL290-2009)要求，初拟水库征地、移民水位分别为43.5m和44.0m。为论证水库征地、移民水位的合理性，除需要进行相关频率的洪水计算外，还应考虑浸没影响后综合确定，库区浸没影响主要因素为土壤毛细上升高度、农作物区和居民区的安全超高值及水库蓄水后地下水位壅高值的分析。

3.1 库区土壤毛细上升高度和饱和度分析

工程区地层主要以第四系重粉质壤土和粉质粘土为主，为了确定毛管水上升，在现场进行了坑探试验和室内土壤含水量和饱和度分析。

分别于陈集河、储城河、青龙河临河位置布置6个探坑，现场观测毛管水上升高度，另于上游延寿水库和库外蔡桥水库分别布置2个探坑，用于相同或相近地质环境水库蓄水后毛管水上升高度类比。

根据室内土样分析结果，绘制土壤含水量和饱和度随取土深度的变化曲线，计算每个探坑的毛细上升高度，见表1。

表1 各探坑剖面的毛细上升高度计算表

从表1看出，库区毛细上升高度为0.35～0.75m，平均值为0.53m，毛细上升高度小于等于0.55m的约占70%，因此库区平均毛细上升高度为0.53m。

3.2 浸没地下水位埋深临界值

临界地下水位埋深是指不致引起耕作层土壤盐渍化所要求保持的地下水最浅埋藏深度。对于浸没区的临界地下水位埋深的确定应根据地区具体水文地质条件、农业科研单位的田间实验观测资料和当地生产实践经验确定;或者用水利水电工程地质勘察规范(GB50487-2008)附录D提供的公式:

式中，Hcr为浸没地下水位埋深临界值(m)，Hk为地下水位以上土壤毛管水上升高度(m)，△H为安全超高值(m)。

3.2.1 安全超高值

(1)农作物区。农作物在不同的生长期要求保持一定的地下水适宜深度，影响地下水适宜埋深的因素较多，如农作物种类、生育阶段，以及气候、土壤等。库区农作物以水稻、小麦为主，据现场探查，小麦根系入土深度一般为0.15～0.20m，水稻为0.20～0.30m，由于水稻为喜水作物，土壤含水量对其影响很小，只有在水稻快成熟的时期，水田要保持一定的干燥度，因此农作物区的安全超高值取0.25m。

(2)居民区。江巷水库库区均为第四系土层覆盖，以重粉质壤土、粉质粘土为主。调查当地的民房发现:大多房屋基础埋深一般为0.2～0.7m，少量2层结构房屋基础埋深0.8～1.5m，由于库区地下水位埋深一般为1m左右，因此少量2层结构房屋基础埋深实际上已经在地下水位面以下，但多年观察发现基础强度并没有降低、且房屋没有明显的沉降，表明地下水对建筑物基础强度的影响较小。因此综合考虑建筑物基础埋深的一般情况，居民区的安全超高值取0.67m。

3.2.2 库区地下水位埋深临界值

根据公式(1)，库区临界地下水位埋深为毛细上升高度与安全超高之和，由前述库区毛细上升高度和安全超高值分析，农作物区和居民区地下水位埋深临界值取值分别为0.78m和1.2m，见表2。

表2 库区临界地下水位埋深值

3.3 库岸地下水位壅高值

确定库区的浸没范围，还需要计算蓄水后库区的地下水位壅高值，库岸地下水的壅高值与水库兴利调度、水位持续时间及土质性质密切相关。

3.3.1 水库兴利调度和水位统计

江巷水库死水位为41.0m，汛限水位42.4m，正常蓄水位43.0m。汛期5月～9月按汛限水位运行;非汛期10月～次年4月蓄水至正常蓄水位。水库利用拦蓄当地径流和引江水量进行灌溉和城乡供水，当库水位降到41.5m时，即开机提引江水入库，汛期引江提水至水库汛限水位;非汛期引江提水至正常蓄水位。

按上述兴利调度原则对江巷水库1954～2010系列年进行调节计算，分别统计了56年来水库水位在42.0～43.0m的水位持续时间和发生概率，见表3。

表3 水库水位多年平均统计

从表3中看出:库水位超过42.0m年均累计256天，概率为70%;超过42.5m年均累计83天，概率为23%;库水位达到正常蓄水位43.0m年均累计4天，概率为1%。

为便于分析，假定了库岸初始地下水位为42.5m和43m，不同持续时间的分析条件，这一假设是偏保守的，原因可由水库的多年运行水位看出，实际上水库常年维持在42.5m以上的时间和概率都很低。

3.3.2 常水位时的地下水位壅高值

根据多年调节计算的水位统计，江巷水库水位低于42.5m的概率为77%，达到正常蓄水位的概率仅为1%，因此，可以认为水库常水位为42.5m。

目前地下水位的监测资料显示，库周一定范围内的地下水位低于42.5m，当水库水位上升到42.5m时，地下水位也会逐渐抬升。针对5个勘探剖面，分别计算了初始地下水位低于42.5m的区域和库水位维持在42.5m时，50年后的地下水位抬升情况，结果见表4。

表4 库水位为42.5m时地下水位壅高值(50年)

计算结果显示，水库运行多年后，水库四周地下水位逐渐升高，距离越远，地下水位上升越慢。与初始地下水位相比，地下水位最大上升了1.5m (郭小圩剖面);与常水位42.5m相比，水位最大上升为0.43m(齐岗剖面)。最终上升的地下水位线与初始地下水位线重合，因此地下水位上升较高的位置一般距离库水位较远，越接近库水位，地下水位越低。

根据计算，当库水位维持在42.5m以上运行50年后，地下水位上升高度为0.24～0.43m，平均值为0.31m，表明地下水位壅高值达到稳定的时间很长。

当水库运行50年后，即使是距离库岸很近的距离，仍有部分剖面的地下水位低于水库水位42.5m，这与实际情况也基本一致。如现已运行多年的延寿水库，常年库水位为44.75m，根据在库周左右岸挖取的2个探坑发现，左侧探坑距库岸距离22m，地下水位为 44.41m，低于库水位约34cm;右侧探坑距库岸距离23.5m，地下水位为44.69m，也低于库水位约6cm，说明分析的结果是合理的。

3.4 水库浸没影响范围的确定

3.4.1 浸没影响高程

根据常水位计算的50年后地下水位线，加上地下水位埋深临界值，取这两条线与初始地下水位的交点，得到农作物区和居民区浸没影响高程，见表5。

表5 库区浸没影响高程 (单位:m)

农作物区浸没影响高程为43.05～43.69m，仅东方曹剖面的浸没影响高程略高于征地水位43.5m。实际上库水位常年维持在42.5m运行的的概率只有23%;水库水位超过42.5m出现的概率和持续时间更小更短，计算农作物区的浸没影响高程均小于43.5m，因此认为水库蓄水后对农作物区的浸没影响高程均小于43.5m。

居民区的浸没影响高程为43.09～44.24m，仅东方曹剖面的居民区的浸没影响高程略高于移民水位44.0m。由地下水位埋深来看，东方曹剖面的居民区可能存在轻微影响，按现状居民区建筑物基础埋深实际情况，认为水库建成蓄水后浸没对居民区建筑物的影响甚微，居民区的迁建范围可以控制在44.0m。

3.4.2 浸没影响范围

根据库区浸没影响高程，计算库区浸没影响范围，即距水库常水位 42.5m的水平距离，详见表6。