基于灰色聚類評估方法的水庫浸沒危害評價

張 楊

(凌源市水利建筑勘測設計院，遼寧 凌源 122500)

水庫浸沒一方面會對區域內建筑的安全使用產生不利影響[1]；另一方面還會改變土壤的性質，使得土壤的含鹽量增高，不利于植物的生長[2]。浸沒危害嚴重的地區甚至會對人民群眾的生命財產安全構成威脅，不利于社會以及環境的可持續發展，開展對浸沒危害的研究已成為近年來研究工作的重點[3]。鄭新[4]等對浸沒危害嚴重庫區的土層分布以及地形地貌等因素進行了細致的研究，并提出在對邊界可控單元進行選擇的同時，也應該對行政區劃等的全面性進行考慮；凌開瓊[5]等將分析模型簡化為各向同性、三維非均質以及非穩定地下水流系統，對不同情形下的模擬結果進行了分析，得到了適合研究地下水可持續發展的最優方案。本文以菩薩廟水庫周邊浸沒災害為例，基于浸沒產生機理，通過構建的地下水模型，對不同蓄水位下浸沒區域地下水的水位進行了計算，并結合灰色聚類評估模型，對浸沒災害的發生程度進行了綜合評估，得到了水庫浸沒的產生主要受蓄水水位影響，為浸沒區的治理及賠償問題提供幫助。

1 工程概況及模型

菩薩廟水庫位于遼寧省凌源四官營子鎮，是遼

寧省重點防洪水庫，總庫容2.5×108m3，蓄水庫容為2.66×107m3，防洪庫容2.3×108m3，以滯洪為主，蓄水為輔。研究區域氣候特點為降水集中、寒冷期長，降水年際較大，年平均最高溫度為9.15℃，最低溫度為7.23℃，相對濕度較大。由當地水文地質資料發現，浸沒區的表層黏性土層較厚，在階地處大于5m，地下水埋深較淺，漫灘處為2.8m，年變幅為0.2～0.8m，區域內含水巖組呈上細下粗狀態，上層為粗砂層，局部為細中砂，水巖組區分布面積較廣，厚度為5.2～15m，下部為圓礫含水層，厚度為18m，見表1。

綜合可知，區域內含水層主要為潛水含水層，則在計算模型中可將模型概化為均質、各向同性以及三維穩定流的潛水含水層[6]。由水文地質概念模型可得，在忽略水密度的前提下，潛水含水層地下水穩定流運動方程可表述為[7- 8]：

(1)

H(x，y，z，t)|Si=φi(x，y，z，t)，(x，y，z)∈Si

(2)

(3)

式中，H—潛水含水層水頭，m；H(x，y，z)—三

表1 含水層滲透系數表 單位：m/s

維條件下邊界點(x，y，z)在t時刻的水頭；K—方向滲透系數；q—Si上單位面積的傾向補給量。

利用GMS創建新的圖層，對區域模型進行網格劃分，并在實體模型中截取2個斷面[9]。將模擬計算獲得的觀測孔水位與實際水位進行擬合，得到表2實測水位與模擬水位對比表。由表2中數據可知，2個斷面上觀測點的實際水位與模擬水位間相對誤差差別較小，在0.8以下，絕對誤差小于20的點占到90%，說明模型的模擬效果較好，可利用此模型獲得的等水位線進行浸沒程度評價。

表2 實測水位與模擬水位對比

2 水庫浸沒成因分析

2.1 水庫蓄水對浸沒的影響

在菩薩廟水庫上游2500m河段布設8個水尺進行相對水位觀測，以觀察水位的變化。水庫放水、蓄水期間，共對水位進行了7次觀測，見表3。

表3 水尺相對讀數 單位：cm

由表3中數據可知，8個水位觀測點的變化趨勢保持一致，表明水庫水位的變化在不同日期差別較小。圖1為水庫蓄水位的變化曲線，由圖1可知，水庫從17號開始蓄水，水位逐漸回升。對其蓄水放水的調查得知，水庫于5日左右放水清淤，并于17日左右開始蓄水，后期為了保證下游供水，仍進行蓄水，圖表與調查相符。

圖1 水庫蓄水位變化曲線

2.2 土壤含水率變化的浸沒分析

將研究區域由河劃分為2個區，并在2個區內選取6個垂直于河道的斷面。對斷面處土壤的含水率進行測量，得到如圖2所示不同深度土壤處含水率的變化趨勢。由圖2可知，斷面1在15cm深度土壤的含水量呈現先增大后減小的變化趨勢，而隨著距離的增加，35cm與45cm處土壤的含水率逐漸減小，在距離河道180m處3層土壤的含水率差別最大，隨后差別越來越小。而斷面2與斷面3的土壤含水率隨著河道距離的增加呈現出逐漸減小的趨勢，不同深度土壤的含水率差異也逐漸減弱，斷面2在320m處的含水率相差最小，而斷面3的35cm與45cm處深度土壤下的含水率在330m處基本相同。斷面4在35cm和45cm深度處土壤的含水率呈下降趨勢，距離河道360m處3層含水率相差最小。斷面5的取樣點距離河岸較近，各點土壤含水率整體小于25%，而斷面6在15cm與35cm處的土壤含水率出現重合。由6個斷面含水率的變化曲線可知，各個斷面3層的含水率都會隨著距離的增大而降低，在320m后都趨于相同，差異逐漸減小，并且都低于20%，地勢越高，含水率越低。

2.3 地下水位影響因素相關性分析

對氣象資料提取的區域氣候水文資料的時間序列進行無量綱處理后，分別計算各因素序列與特征序列的綜合關聯度、絕對關聯度與相對關聯度，得到地下水影響因素關聯度，見表4。由表4可知，3個關聯度對各個因素的排列順序保持不變，表明各因素序列幾何形狀相似度的排序與因素序列的變化趨勢相似度基本保持一致，因此，蓄水位影響著地下水位埋深。

圖2 不同深度土壤處含水率的變化趨勢

關聯度#號風速蓄水位降雨量空氣濕度蒸發量相對關聯度綜合關聯度絕對關聯度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 灰色聚類評估方法在水庫浸沒危害中的應用

3.1 評價指標數據

選取浸沒區2個斷面，分別采集7月與8月土樣的天然孔隙比、含水率以及飽和度等相關性數據，對數據進行分析處理后，得到觀測點數據，見表5。由表5中數據可知，水庫的蓄水位在7月份和8月份都保持在45m左右，含水率及飽和度差異不明顯，主要土壤類別為砂土。

3.2 計算結果和分析

表5 觀測點數據

表6 浸沒危害程度綜合聚類系數

表7 灰色評價結果

4 結語

基于相關氣象觀測數據，結合區域浸沒危害產生機理，對菩薩廟水庫浸沒問題進行了分析和評價，通過建立的模型對浸沒區地下水位進行了分析，并結合灰色聚類評估模型進行評價，對孔隙比、含水率以及飽和度等相關因素進行觀測處理后，通過浸沒區域灰色評價結果，得到了水庫區域的浸沒危害程度。研究表明：①各個斷面不同深度土壤的含水率隨著距離的增大而減小，相同河道距離的土壤含水率隨著土壤深度的增大而減小；水庫蓄水位對地下水位的影響程度要遠大于其他因素。②在水庫區域內浸沒程度較為嚴重的觀測點存在10個，輕度浸沒的觀測點存在4個，中度浸沒的觀測點有2個。該水庫區不適合植物生長，浸沒危害較為嚴重。