【doc】库区蓄水浸没预测评价

1、库区蓄水浸没预测评价第22卷增刊2008年10月资源环境与工程库区蓄水浸没预测评价陈全礼,张志敏(河南省水利勘测有限公司,河南郑州450003)摘要:本文简述了发生浸没条件,浸没评价初判和复判,系统地分析了勘测,预测过程,预测内容及相应公式适用条件,提出库区蓄水浸没评价方法,为类似问题的解决提供一点借鉴.关键词:浸没条件;预测;评价;方法中图分类号:p641;tv221文献标识码:a文章编号:16711211(2008)s30226040引言水库蓄水浸没问题是水库工程勘察与评价的重要内容之一,更是平原盆地型水库区最主要的环境地质灾害问题,其发生不良影响所产生的费用占工程直接费用的比例随着人口增

2、加及社会发展,人均耕地面积逐年减少而增大,是水库设计的重要技术经济评价内容,对于指导国家宏观决策,水库移民动迁方案等起着决定性作用.根据具体地形地貌地质条件,结合必要的水文工程地质勘测,选择适用水文地质参数和预i贝4公式,数值模拟方法对水库蓄水浸没作出较为准确的时空预测有着重要意义.l浸没评价初判和复判1.1发生浸没条件浸没指水库蓄水后使库区周围地下水位上升,导致地面盐碱化,沼泽化及建筑物地基条件恶化等不良地质灾害现象,是由于水库蓄水引起库周地下水位壅高到特定程度而在某一时间段一定范围内次生地质灾害.浸没现象的产生是各种因素综合作用的结果,包括地形,地质结构,水文气象,水库运行和人类活动等.(

3、1)地形:水库蓄水位上下一定高程范围内,地形平缓,特别是地形标高接近或低于原来河床的库岸地段,受库水位影响的低邻谷和洼地,平原水库的坝下游和封闭或半封闭的洼地顺河坝或围堤外侧,原来就是沼泽的边缘,两个阶地的交界处,阶地与洪积扇相接的阶地后缘等;(2)地质结构即组成库岸为有一定透水性的松散岩土体,下部有相对不透水层,地下或地表水排泄不畅,补给区向排泄区强透水向弱透水层过度,补给量大于排泄量地段;(3)地下水位:地下水埋藏较浅的地段;(4)水文,气象等因素;(5)水库运行和人类活动:浸没与水库运行方式,生产,生活环境等密切相关.地下水位壅高需要时间,因此浸没现象的产生尚需一定时间段的足以产生浸没的

4、库水位,也就是说浸没发生涉及到水库运行机制,如超过正常高水位运行.1.2初判库岸由相对不透水岩土层组成或调查地区与库水间有相对不透水层阻隔,且该不透水层的顶部高程高于水库设计正常蓄水位;调查地区与库岸问有经常流水的溪沟,其水位等于或高于水库设计正常蓄水位,具备上述条件之一地区为不易浸没地区.平原水库的坝下游和封闭或半封闭的洼地顺河坝或围堤外侧,地面高程低于库水位地区;盆地型水库边缘与山前洪积扇,洪积裙相连的地区;地下水埋藏较浅,地下或地表水排泄不畅,补给量大于排泄量地段,封闭或半封闭的洼地,沼泽的边缘地区,为易浸没地区条件.1.3复判经初判圈定的浸没地区应进行复判,并应对其危害作出评价.随着社

5、会发展,国家以人为本宏观决策的导向,水库蓄水浸没预测不仅应包含浸没范围和程度,尚应包含时问效应.根据影响水库蓄水浸没的因素及治理浸没不利影响的措施,一般应包含以下内容:浸没的临界地下水位埋深;蓄水浸没后的地下水位壅高值;浸没发生的范围和程度;浸没时间效应.2浸没评价过程收稿日期:20080920作者简介:陈全礼(1963一),男,高级工程师.email:hnslke增刊陈全礼等:库区蓄水浸没预测评价2272.1勘测工作2.1.1地质测绘及调查初步设计阶段大型水库浸没城镇区以1:20001:1000,农业区以1:100001:5000为宜;中小型水库以1:50001:1000为宜j.测绘范围应包

6、括可能浸没地带,一般测至盘地边缘坡麓,或包括正常蓄水位以上第一个阶地的全部宽度,特殊性土如湿陷性或膨胀岩土区应适当扩大.主要内容包括:水库区地形地貌,地层岩性,地质结构,地下水位观测和地表水(泉点)出露调查.同时应向当地农业科研单位和生产单位进行农作物生长期的多年平均水位和植物根系埋深调查.2.1.2水文地质勘探勘探剖面位置一般沿地下水流向或顺地形斜坡布置;勘探间距根据地貌单元复杂程度各异,简单地区50002500iti,中等复杂地区25001000m,复杂地区l000200m;勘探点(钻孔,坑槽,竖井等)应结合地貌单元,地质结构,考虑地下水壅高计算的需要,水库正常高水位处应有钻孔控制,孔距3

7、00500m,地下水坡降大时孔距可缩小为50200rn,剖面长度满足数值计算所需边界条件.一般性勘探孔深度应控制地下水位,控制性钻孔应控制到含水层下的第一个隔水层底板;勘探成果应结合地质测绘提供水文地质剖面.2.1.3水文地质参数测试通过现场抽(注),渗水试验确定各岩土体渗透系数.2.1.4室内试验测定土的容重,含水量,饱和度,比重,液塑限,孔隙度,颗粒分析,渗透系数及湿限性或膨胀性土各项指标;土的毛管上升高度试验;土壤易溶盐测定及地下水化学分析;壅水后地基土承载力等不良变化.2.1.5地下水动态观测分析浸没区地下水动态变化规律及化学成分变化,观测时间不少于一个水文年l2j.2.2浸没的临界地

8、下水位埋深的确定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,或根据下式计算:h+式中:浸没临界地下水位埋深;h地下水位以上,土壤毛管水上升带的高度;日安全超高值(m).2.2.1土壤毛管水上升带的高度确定通过野外实测(河边,坑井内直接测量)或含水量分布曲线法(塑限含水量,最大分子吸水量法)求得土体的毛管水上升高度.2.2.2安全超高值对农业区而言,该值即根系层的厚度;从作物栽培学的角度看,根系最大人土深度一般12m,其中70%90%集中在距地表30

9、50cm范围内,>50cm根系只在作物某个时期及一定程度上可能构成产量影响因素,而不会对作物存活构成威胁,在盐碱化地区还应考虑土壤含盐量的情况随深度变化曲线选取,综合考虑应采取大多数作物(包括稀有植物)不致影响产量,效益的根系埋深和土壤次生盐渍化的最大埋深;城镇和居民区,该值取决于建筑物荷载,基础和砌置深度;并应考虑地基土主要压缩计算层不良变化影响深度.2.3浸没评价标准及影响程度的确定根据浸没的临界地下水位埋深和蓄水后地区地下水埋深关系可对库周进行复判,确定蓄水后地区地下水埋深小于浸没的临界地下水位埋深的地区为浸没区,大于则为非浸没区.对于浸没区应进一步细分为:严重浸没区和一般浸没区.

10、其中严重浸没区对城镇和居民区而言指水库蓄水后地区地下水位埋深小于土壤毛管水上升带的高度加上基础和砌置深度;对农业区而言指水库蓄水后地区地下水位埋深小于土壤毛管水上升带的高度加上作物存活的最低深度或50cm;其余浸没地区属一般浸没区.2.4地下水位壅高值计算地下水位壅高是产生浸没必要条件,产生浸没影响的地下水位不同于一般意义上的地下水的位势,而是指地层中水,气截然分界面,一般为勘探过程中初见水位,其下土壤含水量等于或接近于饱和状态(饱和度>75%).由上述可见一般意义上测压水头准确表达与浸没评价公式选取有着直接关系.2.4.1测压水头表达式分析所谓土壤毛管水上升带通常指潜水面之上土壤含水量

11、等于或接近于饱和状态(饱和度>75%)的分布范围,其顶面为水,气截然分界面,该带顶面高于潜水面的高度既土壤毛管水上升带的高度h;在潜水饱和带中渗流的测压水头表达式为:h=z+h其中z为该点潜水面位置高度,为压强水头.而在大量勘察试验及野外观测发现:具有上粘下砂双层结构地质单元粘性土中实际水,气截然分界面228资2?4-2浸没类型划分由公式和,根据发生浸没地层和含水层关系,将浸没类型划分为:含水层浸没与承压水顶板浸没两种.(1)含水层浸没:预测发生浸没地层与含水层为同一土体单元,或透水性自含水层向上渐大,地下水类型为潜水,其透水性为弱透水性以上(>510一cm/1(2)承压水顶板浸没

12、:预测发生浸没地层与含水层为不同土体单元,或透水性自含水层向上渐小,地下水类型为承压水,其透水性为弱透水性一极微(<5x10.cm/s).2.4.3基本计算公式浸没计算公式多假定无渗入,根据浸没类型及不同的边界条件作一定概化,一般可分以下几种情况分别予以探泔:(1)含水层浸没计算公式:含水层为非均质,隔水层倾斜,地层透水性为弱透水陛及其以上(>510.m/),计算公式(符号意义及相对关系见图1):图1非均质,隔水层倾斜计算剖面y一),d(t+),)=(.+公式中隔水层向河床倾斜时取+,向岸内倾斜时取一;,为回水前上下断面之间的水力梯度;,为雍水前,后断面之间的平均渗透系数,可采用渐

13、进迭代法由公式计算或采用计算机计算kih+(七)=对公式进一步概化含水层由两层渗透性能不同l璺i2隔水层水平计算剖面2k,m(hlh)十2(h一h)=2k1,n(y一y)十五(y一y2)-z对公式进一步概化含水层由单一岩层组成,地层透水性为中等透水以上(1x10cm/),隔水层水平计算公式(符号意义及相对关系见图2):(yt+m).=(.+m).+(y+m).一(+m).(2)承压水顶板浸没计算公式:假定蓄水后测压水头雍高过程无水头损失,含水层为非均质,含水层由两层渗透性能不同的岩层组成,浸没地层透水性为弱透水性一极微透水(5x10cm/s),下部地层透水性为中等透水,计算公式:由公式根据勘探

14、试验可求知蓄水前,0ho/%一1,再根据蓄水后h用公式导出计算公式:(t+)/(,0+1)2.5浸没时效预测目前一般仅对库区浸没范围和程度进行预测,但水库蓄水后运行状态并不是一成不变,库水位总是根据地表水流量及气候的变化而变化,浸没预测时间效应采用粗略反寅.假定某发生浸没土体渗透系数为尼110.510cm/s,在没有水头损失条件下其年渗透距离为3.15171,6个月渗透距离为1.6m,2个月渗透距离为0.542.7m,26个月比较接近该类透水性地层土壤毛管水上升带的高度,因此反过来即司以>(一70)/k来预测正常高水位最段运行时间()后便可能开始发生浸没,从而为水库运行机制作出初步评价;

15、对于大于>510.cm/s土体可采用>(yh)来初步评价.3库区浸没评价数值模拟方法国内尼尔基水库等对蓄水后相对平原,丘陵区浸没影响开展了专题研究.国内外浸没问题研究以前大多采用解析法计算,也曾以电网络模拟方法求解,近年增刊陈全礼等:库区蓄水浸没预测评价229来逐渐采用数值模型计算分析.3.1数值模型二维数值模型,适用于库区宽大,平缓阶地,地质结构简单,蓄水后地下水位主要直线或接近直线边界库水影响而壅高;三维数值模型,适用于库区周边河流切割,地质结构复杂,蓄水后地下水位主要环形或半岛形边界库水影响而壅高.3.2模拟过程二维数值模型比较常规,现以三维数值模型为例作简要说明.(1)建立

16、研究区地层分布的三维数字地形模型,根据实测地层地形勘测资料,采用不规则三角网(tin)技术组成库区数字高程模型(dem).将模拟计算所得的地下水位传人该dem中,利用各点的地表地形减去相应的地下水位就可以得到地下水埋深分布,再利用各区域的地下水临界埋深值,进而分析各区的浸没程度.(2)浸没日寸褒fc预-?贝0:510一em/s以>(tlro)/k;>5x10em/s土体可采用t>(y1一h1)/k,为水库运行机制作出初步粗略反演评价.(3)建立库区浸没的水文地质模型和三维浸没数学模型.根据初判选择典型河间地块进行水文地质勘探试验,建立库区浸没的水文地质模型;模拟计算前首先对模

17、型进行概化,确定边界条件和水文地质计算参数,水文地质参数初值选取主要依据现场勘测试验资料,在此基础上采用统一狈4值水位,依次作为模型验证资料.通过反演计算确定渗透系数计算选用值.通过调整地层参数和调整边界条件,得到了与现场勘察资料及天然渗流场较为一致的地下水分布,检验模型,地层参数和边界条件的选取适应性,可作为地下水浸没预测的模型.(4)通过三维渗流数值模拟预报计算,对典型河间地块进行详细预测;分析库区影响浸没范围的主要因素,建立典型地块与库区浸没的关系式来类比整个库周的浸没范围.4浸没防治4.1降低地下水位结合地区水文地质条件和壅水预测结果,对浸没区布设排渗或疏干工程.4.2综合防治方法采取工程措施与农业措施相结合的综合防治,包括降低正常高水位,改变作物种类和耕作方法等,对城镇和居民区加固建筑物基础和优化建筑物结构.5结语库区蓄水浸没预测应首先根据发生浸没条件,对库区初判和复判;对可能发生区进行地质勘测,确定浸没的临界地下水位埋深,浸没评价标准及影响