特大型水壩對壩區土體可溶鹽遷移影響分析

2018-09-01 01:39:08李波文

水利科技與經濟 2018年3期

李波文，徐彬，張楠

(1.南京市水利規劃設計院股份有限公司，南京 210022； 2.淮安市水利勘測設計研究院有限公司，江蘇淮安 223001)

1 概述

隨著國民經濟的快速發展，城鎮化水平快速增長，我國水利水電事業也處于快速發展期。根據國家發改委發布《可再生能源發展十二五規劃》規劃，到2020年，全國水電總裝機容量達到4.2×108kW，其中常規水電總裝機容量達到3.5×108kW，抽水蓄能電站裝機容量達到7 000×104kW。水壩雖然在促進社會經濟發展與抵抗極端氣象災害方面起著關鍵作用，但水壩對所在區域環境的綜合影響是不可忽視的。

對于特大型水壩壩區研究基本集中在壩區氣候、壩區地質災害與壩區河流生態系統的研究。壩區氣候的研究主要是針對壩區與水壩影響區夏季降水量[1-3]、氣溫極值與日溫差[4,5]；壩區地質災害研究則集中在對滑坡與泥石流等[6-8]地質問題；壩區河流生態系統研究則集中于河流自然服務功能[9,10]。而針對壩區土體可溶鹽變化規律的研究仍處于起步階段。壩區在蓄水時會導致區域氣候改變，在連續入滲條件下，陽離子交換作用加強，打破了壩區土水系統原有酸堿平衡條件的改變，使得壩區受到較大影響。

本研究對壩區內土體可溶鹽含量與硬度進行分析，結合相應時間周期內小浪底壩區與三峽壩區的氣象資料，對壩區可溶鹽的遷徙規律進行初步研究。

2 試驗方案

2.1 試驗場地

試驗場地選取為三峽壩區與小浪底壩區內進行。

三峽大壩(圖1)位于湖北省宜昌市夷陵區三斗坪鎮境內，距下游葛洲壩水利樞紐工程38 km，全長約2 308 m，壩高185 m，蓄水深度175 m，水庫長2 335 m，總的水庫容量達393×108m3，水壩面積1 084 km3，其中防洪水庫容量約210×108m3[11-13]，三峽大壩為南方地區典型的特大型水利樞紐。

小浪底大壩(圖2)位于河南省洛陽市孟津縣小浪底村境內，上距三門峽水庫130 km，下距鄭州花園口115 km，是黃河干流三門峽以下唯一能夠取得較大庫容的控制性工程。小浪底工程壩址控制流域面積69.42×104km2，占黃河流域面積的92.3%。水庫總庫容126.5×108m3，調水調沙庫容為10.5×108m3，死庫容為75.5×108m3，有效庫容為51.0×108m3。小浪底大壩為北方地區典型的特大型水利樞紐[13-15]。

圖1 三峽大壩區域位置圖

圖2 小浪底大壩區域位置圖

2.2 試驗監測方案

整理國家氣象中心國家級臺站1990～2012年壩區控制區域降水與氣溫等基礎氣象數據，同時選取具有代表性的3處壩區監測點，監測點均勻布置在壩區內，其位置見表1。

表1 壩區土體采樣點與采樣時間表

根據《巖土工程勘察規范》進行取樣，依據《土工試驗方法標準》對所取土樣進行易溶鹽分析。對比氣象資料與土體易溶鹽成分分析結果，探究區域氣象因素的改變對壩區土體可溶鹽含量的影響。

3 試驗結果

2002年11月至2012年11月三峽大壩與小浪底大壩壩前水位變化情況見圖3與圖4。

圖3 三峽大壩水位變化圖

圖4 小浪底大壩水位變化圖

由圖3、圖4可知，三峽大壩在2003年水位升至135 m，水位升高65 m，庫容約為221.5×108m3；2006年水位升至175 m，水位升高40 m，庫容約為393×108m3。小浪底大壩水位則在2003年水位升至205 m，水位升高55 m；2005年水位升至250 m，水位升高45 m；2011年水位升至270 m，水位升高20 m。

對三峽大壩壩區降雨量差值進行分析，以1990～2003年三峽壩區年均降雨量數據為基礎數據，比較三峽大壩2003～2006年、2006～2012年年均降雨量數據，得出三峽大壩壩區降雨差值區域圖(圖5)。

圖5 三峽大壩壩區降雨差值云圖

由圖5可知，三峽壩區壩前降雨量呈現出增加趨勢，其中庫區年均降雨量增加1.43～2.82 mm，而三峽大壩下游則呈現降雨量減少的趨勢，減少值約為0.64～0.78 mm。

同樣的，對小浪底壩區進行分析，基礎年均降雨量數據仍以1990～2003年為準，分析2003～2005年、2005～2012年年均降雨量(圖6)。

圖6 小浪底大壩壩區降雨差值云圖

小浪底壩區壩前降雨差值與三峽壩區呈現出相類似的規律，庫區年均降雨量增加約0.39 mm，而其他區域影響并不明顯。

對壩區土體采樣點進行相應的土體采樣時間點分別于表1進行。

對三峽壩區與小浪底壩區所采土體的易溶鹽分析見圖7、圖8。

圖7 三峽壩區土體的易溶鹽分析

圖8 小浪底壩區土體的易溶鹽分析

4 實驗結果分析

壩區區域環境降水量受壩區水位抬升影響較大，特別是南方壩區區域氣候受水壩水位抬升影響較大。水位抬升會使得庫容量增大，壩區水體面積因此而增加，使得本區區域蒸發量增加，因此水位抬升增加了壩區降水量。由于我國南北方分屬于不同的氣候環境下，三峽大壩位于亞熱帶地區，而小浪底大壩則位于溫帶大陸性氣候地區，大壩抬高水位造成區域降雨關鍵性作用強度在亞熱帶地區更加關鍵。這解釋了三峽大壩修筑后降雨量差值較小浪底大的原因。