基于灰色聚类评估方法的水库浸没危害评价

张 杨

(凌源市水利建筑勘测设计院，辽宁 凌源 122500)

水库浸没一方面会对区域内建筑的安全使用产生不利影响[1]；另一方面还会改变土壤的性质，使得土壤的含盐量增高，不利于植物的生长[2]。浸没危害严重的地区甚至会对人民群众的生命财产安全构成威胁，不利于社会以及环境的可持续发展，开展对浸没危害的研究已成为近年来研究工作的重点[3]。郑新[4]等对浸没危害严重库区的土层分布以及地形地貌等因素进行了细致的研究，并提出在对边界可控单元进行选择的同时，也应该对行政区划等的全面性进行考虑；凌开琼[5]等将分析模型简化为各向同性、三维非均质以及非稳定地下水流系统，对不同情形下的模拟结果进行了分析，得到了适合研究地下水可持续发展的最优方案。本文以菩萨庙水库周边浸没灾害为例，基于浸没产生机理，通过构建的地下水模型，对不同蓄水位下浸没区域地下水的水位进行了计算，并结合灰色聚类评估模型，对浸没灾害的发生程度进行了综合评估，得到了水库浸没的产生主要受蓄水水位影响，为浸没区的治理及赔偿问题提供帮助。

1 工程概况及模型

菩萨庙水库位于辽宁省凌源四官营子镇，是辽

宁省重点防洪水库，总库容2.5×108m3，蓄水库容为2.66×107m3，防洪库容2.3×108m3，以滞洪为主，蓄水为辅。研究区域气候特点为降水集中、寒冷期长，降水年际较大，年平均最高温度为9.15℃，最低温度为7.23℃，相对湿度较大。由当地水文地质资料发现，浸没区的表层黏性土层较厚，在阶地处大于5m，地下水埋深较浅，漫滩处为2.8m，年变幅为0.2～0.8m，区域内含水岩组呈上细下粗状态，上层为粗砂层，局部为细中砂，水岩组区分布面积较广，厚度为5.2～15m，下部为圆砾含水层，厚度为18m，见表1。

综合可知，区域内含水层主要为潜水含水层，则在计算模型中可将模型概化为均质、各向同性以及三维稳定流的潜水含水层[6]。由水文地质概念模型可得，在忽略水密度的前提下，潜水含水层地下水稳定流运动方程可表述为[7- 8]：

(1)

H(x，y，z，t)|Si=φi(x，y，z，t)，(x，y，z)∈Si

(2)

(3)

式中，H—潜水含水层水头，m；H(x，y，z)—三

表1 含水层渗透系数表 单位：m/s

维条件下边界点(x，y，z)在t时刻的水头；K—方向渗透系数；q—Si上单位面积的倾向补给量。

利用GMS创建新的图层，对区域模型进行网格划分，并在实体模型中截取2个断面[9]。将模拟计算获得的观测孔水位与实际水位进行拟合，得到表2实测水位与模拟水位对比表。由表2中数据可知，2个断面上观测点的实际水位与模拟水位间相对误差差别较小，在0.8以下，绝对误差小于20的点占到90%，说明模型的模拟效果较好，可利用此模型获得的等水位线进行浸没程度评价。

表2 实测水位与模拟水位对比

2 水库浸没成因分析

2.1 水库蓄水对浸没的影响

在菩萨庙水库上游2500m河段布设8个水尺进行相对水位观测，以观察水位的变化。水库放水、蓄水期间，共对水位进行了7次观测，见表3。

表3 水尺相对读数 单位：cm

由表3中数据可知，8个水位观测点的变化趋势保持一致，表明水库水位的变化在不同日期差别较小。图1为水库蓄水位的变化曲线，由图1可知，水库从17号开始蓄水，水位逐渐回升。对其蓄水放水的调查得知，水库于5日左右放水清淤，并于17日左右开始蓄水，后期为了保证下游供水，仍进行蓄水，图表与调查相符。

图1 水库蓄水位变化曲线

2.2 土壤含水率变化的浸没分析

将研究区域由河划分为2个区，并在2个区内选取6个垂直于河道的断面。对断面处土壤的含水率进行测量，得到如图2所示不同深度土壤处含水率的变化趋势。由图2可知，断面1在15cm深度土壤的含水量呈现先增大后减小的变化趋势，而随着距离的增加，35cm与45cm处土壤的含水率逐渐减小，在距离河道180m处3层土壤的含水率差别最大，随后差别越来越小。而断面2与断面3的土壤含水率随着河道距离的增加呈现出逐渐减小的趋势，不同深度土壤的含水率差异也逐渐减弱，断面2在320m处的含水率相差最小，而断面3的35cm与45cm处深度土壤下的含水率在330m处基本相同。断面4在35cm和45cm深度处土壤的含水率呈下降趋势，距离河道360m处3层含水率相差最小。断面5的取样点距离河岸较近，各点土壤含水率整体小于25%，而断面6在15cm与35cm处的土壤含水率出现重合。由6个断面含水率的变化曲线可知，各个断面3层的含水率都会随着距离的增大而降低，在320m后都趋于相同，差异逐渐减小，并且都低于20%，地势越高，含水率越低。

2.3 地下水位影响因素相关性分析

对气象资料提取的区域气候水文资料的时间序列进行无量纲处理后，分别计算各因素序列与特征序列的综合关联度、绝对关联度与相对关联度，得到地下水影响因素关联度，见表4。由表4可知，3个关联度对各个因素的排列顺序保持不变，表明各因素序列几何形状相似度的排序与因素序列的变化趋势相似度基本保持一致，因此，蓄水位影响着地下水位埋深。

图2 不同深度土壤处含水率的变化趋势

关联度#号风速蓄水位降雨量空气湿度蒸发量相对关联度综合关联度绝对关联度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 灰色聚类评估方法在水库浸没危害中的应用

3.1 评价指标数据

选取浸没区2个断面，分别采集7月与8月土样的天然孔隙比、含水率以及饱和度等相关性数据，对数据进行分析处理后，得到观测点数据，见表5。由表5中数据可知，水库的蓄水位在7月份和8月份都保持在45m左右，含水率及饱和度差异不明显，主要土壤类别为砂土。

3.2 计算结果和分析

表5 观测点数据

表6 浸没危害程度综合聚类系数

表7 灰色评价结果

4 结语

基于相关气象观测数据，结合区域浸没危害产生机理，对菩萨庙水库浸没问题进行了分析和评价，通过建立的模型对浸没区地下水位进行了分析，并结合灰色聚类评估模型进行评价，对孔隙比、含水率以及饱和度等相关因素进行观测处理后，通过浸没区域灰色评价结果，得到了水库区域的浸没危害程度。研究表明：①各个断面不同深度土壤的含水率随着距离的增大而减小，相同河道距离的土壤含水率随着土壤深度的增大而减小；水库蓄水位对地下水位的影响程度要远大于其他因素。②在水库区域内浸没程度较为严重的观测点存在10个，轻度浸没的观测点存在4个，中度浸没的观测点有2个。该水库区不适合植物生长，浸没危害较为严重。