黑方台黄土源水文过程规律研究

摘要：指出了中国黄土高原地区农业灌iA面积较大，使得地下水位显著上升。在甘肃省黑方台地区，因灌溉引起的的黄土滑坡灾害达几十起，通过野外调查和数值模拟对黑方台地下水流场进行了研究。由于黑方台地区地下水塬边渗透排泄明显，在此基础上，建立了黑方台水文地质数值模型。模拟结果表明，自黑方台实施大面积农业灌溉以来，大幅抬升了地下水位，特别是在前20年，地下水位上升明显，1990年以后，地下水位上升较慢，台塬边坡一直处于滑坡灾害风险较高的状态。

关键词：黄土滑坡;水流场;数值模拟;黄土源

中图分类号：Q143 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2019）22-0070-02

1 引言

中国黄土分布面积约64万km²，其中1/2分布在黄土高原[1]。由于黄土特殊的性质，其在渗水条件下极易引发滑坡灾害。在黄土地区，地震、降雨和农业灌溉都会引发大量的滑坡灾害[2-5]，其中降雨和灌溉引起的黄土滑坡通常具有滑动速度快，滑移距离远的特点。例如2013年延安的高强度降雨引发了数千个黄土浅层滑坡。在陕西省径阳南源，甘肃省永靖县黑方台，灌溉诱发了几十个滑坡[6～8]，国内学者彭建兵，许领，许强等针对黄土源边灌溉诱发的黄土滑坡进行了较为全面的研究[8]，但是这些研究成果多是集中在滑坡特征和滑坡机理之上的。黑方台滑坡灾害是自该地区实施农业灌溉开始以后多发的，那么研究该地区的地下水系统的演化历史就显得很有必要。

2 研究区概况

黑方台为典型的黄土源地貌，其上堆积有中晚更新世离石黄土和马兰黄土，据野外调查及有关资料[1]，黑方台地层由老到新可分为：①上更新统黄土：灰黄色，成分以粉粒为主，土质均一且疏松多孔，厚度约为25～50m;②中更新统冲积物：可分为2层，上部为厚4～17m的黏土层，下部为卵石层，厚度约2～5m;③白至系河口群：为紫红色一暗红色泥岩、砂质泥岩口透水性差的黏土层构成了上更新统黄土的底部隔水层，因此以黄土层底部作为模型的下边界，只对黄土层水位进行数值模拟，将黑方台源边的斜坡地带作为水文过程数值模拟中的渗流排水边界。

3 数值模型

3.1 起始条件

水文过程模拟的初始条件非常重要，其决定了模拟结果的准确性和可靠性。20世纪60年代初期，黄河流域修建了刘家峡，盐锅峡水坝和水电站，大量居民被安置在黑方台。西北气候干旱，灌溉是开展农业生产必不可少的措施。黑方台源面的农业灌溉始于1968年。20世纪80年代的年灌溉量为7.2×106m³，而20世纪90年代为5.8×106m³。2008年和2009年的灌溉用水量增加到8.8×106m³。在此之前，黑方台地区的唯一的地表水来源为降雨，因此模拟的起始条件是年平均降雨量为276.8mm/a。

3.2 边界条件

地下水系统平衡受其边界条件控制。黄土滑坡的密集发生改变了源边地貌，滑坡形成的渗透面变大的同时导致了台源面积较少，从而导致灌溉水量较少，地下水的排泄量反而增大。滑坡发生对地下水系统的总体影响是抑制地下水因灌溉而上升。

在数值模拟中，将黄土层底部的黏土层作为不透水层，黑方台西北部与北山相连，被磨石沟轻微切割，此外，黑方台台源区域地下水流为自西向东流动，其受下覆黏土层地形控制。综上，将西北部与山相连的边缘设定为零流量边界，其他源边边坡设为自由渗透边界，研究区的地下水来源全部为降雨和农业灌溉，因此将台源上表面概化为补给边界。

3.3 黄土参数

黄土的水平和垂直渗透系数分别为2.32×10^-2m/d和0.12m/d。黄土的孔隙度为0.45。选择20102011年一个完整水文年来验证建模。年内降雨和灌溉情况见表1。

4 结果和分析

水文过程模拟可分为两个阶段。第一个是基于本研究中建立的数值模型的稳态模拟。在稳态模拟中，只考虑了黑方台的降雨人渗。模拟结果可以显示1968年灌溉工程建设前的地下水位分布。然后，将稳态模拟的地下水位作为20世纪70年代至2010年瞬态模拟的初始条件。通过瞬态模拟，了解黑方台地下水在农业灌溉条件下的上升情况。

起始地下水位是开展灌溉条件下地下水流场模拟的前提。在20世纪70年代之前，该地区没有灌溉，地下水补给主要是由大气降水引起的。通过稳态模拟得到了20世纪70年代以前研究区的地下水分布。可以看出，饱和区仅存在于黑方台东部的中心。源边基本上没有地下水渗出。这与20世纪70年代之前没有发生滑坡事件相一致，即斜坡在没有灌溉的情况下在自然条件下处于稳定状态。

4.1 1970～2010年历史水动力场

研究区20世紀70年代，80年代，90年代和2000年的平均灌溉量分别为600×10⁴m³/a，722×10⁴m³/a，576×10⁴m³/a和554×10⁴m³/a。从1970年到1980年，地下水位增加了约14m，而黑方台西部则增加了更多。从1980～2010年，地下水位的涨幅变得越来越小，水位上升速率越来越慢。台源东部的地下水位比西部台源增加得快。这主要是由于黑方台底层黏土层东低西高，使得地下水从西向东流动。该模拟结果也与观测结果相一致，即黑方台东部源边边坡地带有大量的泉水渗出。黄土层在地下水的作用线，强度降低，从而引发了大量的滑坡灾害。

5 模拟结果讨论

（1）通过数值模拟可以得出，自灌溉以来地下水位持续上升，1970年以前地下水仅仅在黑方台中心地带少有分布，到了1980年前后地下水在整个黄土源平均分布。

（2）在灌溉开始的前20年，地下水位上升速度较快，平均每年上升0.6m左右，1990年以后，地下水位的上升变慢，平均每年上升0.15m。地下水水位的上升是该地区大规模滑坡灾害的根本原因。

参考文献：

[1]刘东生.黄土与环境[M].北京：科学出版社，1985.

[2]Gao G R.Formation and Development of the Structure of Collap-sing Loess in China[J].Eng Geol，1988（25）：235～245.

[3]Lin Z G，Wang S 1.Collapsibility andDeformation Characteristicsof Deep-seated Loess in China[J].Eng Geol，1988（25）：271～282.

[4]Zhang F，Wang G，Kamai T，et al.Undrained Shear Behavior ofSaturated Loess at Different Concentrations of Sodium ChlorateSolution[J].Eng Geol，2013（155）：69～79.

[5]Zhou Y F，Tham L G，Yan W M，et al.Laboratory Study on SoilBehavior in Loess SlopeSubjected to Infiltration[J].Eng Geol，2014（183）：31～38.

[6]马鹏辉，彭建兵，王启耀，等.径阳南源典型黄土滑坡成因、堆积及运动特征分析[J].工程地质学报，2018，26（4）：930～938.

[7]段钊，彭建兵，王启耀.泾阳南源多序次黄土滑坡特征参数与成因.[J].山地学报，2016，34（1）：71～76.

[8]许元珺，谷天峰，王家鼎，等.黄土裂隙的漫灌效应对斜坡稳定性的影响分析[J].水文地质工程地质，2017，44（4）：153～159.

收稿日期：2019-10-28

作者简介：严冬冬，长安大学公路学院学生。