特大型水壩對(duì)壩區(qū)土體可溶鹽遷移影響分析

李波文，徐 彬，張 楠

(1.南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，南京 210022； 2.淮安市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 淮安 223001)

1 概 述

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化水平快速增長(zhǎng)，我國(guó)水利水電事業(yè)也處于快速發(fā)展期。根據(jù)國(guó)家發(fā)改委發(fā)布《可再生能源發(fā)展十二五規(guī)劃》規(guī)劃，到2020年，全國(guó)水電總裝機(jī)容量達(dá)到4.2×108kW，其中常規(guī)水電總裝機(jī)容量達(dá)到3.5×108kW，抽水蓄能電站裝機(jī)容量達(dá)到7 000×104kW。水壩雖然在促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與抵抗極端氣象災(zāi)害方面起著關(guān)鍵作用，但水壩對(duì)所在區(qū)域環(huán)境的綜合影響是不可忽視的。

對(duì)于特大型水壩壩區(qū)研究基本集中在壩區(qū)氣候、壩區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與壩區(qū)河流生態(tài)系統(tǒng)的研究。壩區(qū)氣候的研究主要是針對(duì)壩區(qū)與水壩影響區(qū)夏季降水量[1-3]、氣溫極值與日溫差[4,5]；壩區(qū)地質(zhì)災(zāi)害研究則集中在對(duì)滑坡與泥石流等[6-8]地質(zhì)問(wèn)題；壩區(qū)河流生態(tài)系統(tǒng)研究則集中于河流自然服務(wù)功能[9,10]。而針對(duì)壩區(qū)土體可溶鹽變化規(guī)律的研究仍處于起步階段。壩區(qū)在蓄水時(shí)會(huì)導(dǎo)致區(qū)域氣候改變，在連續(xù)入滲條件下，陽(yáng)離子交換作用加強(qiáng)，打破了壩區(qū)土水系統(tǒng)原有酸堿平衡條件的改變，使得壩區(qū)受到較大影響。

本研究對(duì)壩區(qū)內(nèi)土體可溶鹽含量與硬度進(jìn)行分析，結(jié)合相應(yīng)時(shí)間周期內(nèi)小浪底壩區(qū)與三峽壩區(qū)的氣象資料，對(duì)壩區(qū)可溶鹽的遷徙規(guī)律進(jìn)行初步研究。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)場(chǎng)地

試驗(yàn)場(chǎng)地選取為三峽壩區(qū)與小浪底壩區(qū)內(nèi)進(jìn)行。

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

小浪底大壩(圖2)位于河南省洛陽(yáng)市孟津縣小浪底村境內(nèi)，上距三門(mén)峽水庫(kù)130 km，下距鄭州花園口115 km，是黃河干流三門(mén)峽以下唯一能夠取得較大庫(kù)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(kù)總庫(kù)容126.5×108m3，調(diào)水調(diào)沙庫(kù)容為10.5×108m3，死庫(kù)容為75.5×108m3，有效庫(kù)容為51.0×108m3。小浪底大壩為北方地區(qū)典型的特大型水利樞紐[13-15]。

圖1 三峽大壩區(qū)域位置圖

圖2 小浪底大壩區(qū)域位置圖

2.2 試驗(yàn)監(jiān)測(cè)方案

整理國(guó)家氣象中心國(guó)家級(jí)臺(tái)站1990～2012年壩區(qū)控制區(qū)域降水與氣溫等基礎(chǔ)氣象數(shù)據(jù)，同時(shí)選取具有代表性的3處壩區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)均勻布置在壩區(qū)內(nèi)，其位置見(jiàn)表1。

表1 壩區(qū)土體采樣點(diǎn)與采樣時(shí)間表

根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》進(jìn)行取樣，依據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)所取土樣進(jìn)行易溶鹽分析。對(duì)比氣象資料與土體易溶鹽成分分析結(jié)果，探究區(qū)域氣象因素的改變對(duì)壩區(qū)土體可溶鹽含量的影響。

3 試驗(yàn)結(jié)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(jiàn)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(kù)容約為221.5×108m3；2006年水位升至175 m，水位升高40 m，庫(kù)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(duì)三峽大壩壩區(qū)降雨量差值進(jìn)行分析，以1990～2003年三峽壩區(qū)年均降雨量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，比較三峽大壩2003～2006年、2006～2012年年均降雨量數(shù)據(jù)，得出三峽大壩壩區(qū)降雨差值區(qū)域圖(圖5)。

圖5 三峽大壩壩區(qū)降雨差值云圖

由圖5可知，三峽壩區(qū)壩前降雨量呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)，其中庫(kù)區(qū)年均降雨量增加1.43～2.82 mm，而三峽大壩下游則呈現(xiàn)降雨量減少的趨勢(shì)，減少值約為0.64～0.78 mm。

同樣的，對(duì)小浪底壩區(qū)進(jìn)行分析，基礎(chǔ)年均降雨量數(shù)據(jù)仍以1990～2003年為準(zhǔn)，分析2003～2005年、2005～2012年年均降雨量(圖6)。

圖6 小浪底大壩壩區(qū)降雨差值云圖

小浪底壩區(qū)壩前降雨差值與三峽壩區(qū)呈現(xiàn)出相類(lèi)似的規(guī)律，庫(kù)區(qū)年均降雨量增加約0.39 mm，而其他區(qū)域影響并不明顯。

對(duì)壩區(qū)土體采樣點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的土體采樣時(shí)間點(diǎn)分別于表1進(jìn)行。

對(duì)三峽壩區(qū)與小浪底壩區(qū)所采土體的易溶鹽分析見(jiàn)圖7、圖8。

圖7 三峽壩區(qū)土體的易溶鹽分析

圖8 小浪底壩區(qū)土體的易溶鹽分析

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

壩區(qū)區(qū)域環(huán)境降水量受壩區(qū)水位抬升影響較大，特別是南方壩區(qū)區(qū)域氣候受水壩水位抬升影響較大。水位抬升會(huì)使得庫(kù)容量增大，壩區(qū)水體面積因此而增加，使得本區(qū)區(qū)域蒸發(fā)量增加，因此水位抬升增加了壩區(qū)降水量。由于我國(guó)南北方分屬于不同的氣候環(huán)境下，三峽大壩位于亞熱帶地區(qū)，而小浪底大壩則位于溫帶大陸性氣候地區(qū)，大壩抬高水位造成區(qū)域降雨關(guān)鍵性作用強(qiáng)度在亞熱帶地區(qū)更加關(guān)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。

對(duì)比小浪底壩區(qū)可溶鹽含量變化與三峽壩區(qū)可溶鹽含量變化發(fā)現(xiàn)：①水位增高所導(dǎo)致的滲流強(qiáng)度增大對(duì)壩區(qū)土體可溶鹽的含量變化影響較弱；②特大型水壩的修建會(huì)對(duì)壩區(qū)環(huán)境造成一定的影響，但影響因素大小與壩區(qū)區(qū)域氣候有較大關(guān)系，即大型水壩是壩區(qū)降雨因素的增幅因素，但不會(huì)對(duì)大壩所在流域的氣候有較大影響。

5 結(jié) 論

通過(guò)上述分析研究可以得到如下結(jié)論:

1) 大型水壩是壩區(qū)降雨因素的增幅因素，但不會(huì)對(duì)大壩所在流域的氣候有較大影響。

2) 壩區(qū)土體可溶鹽含量與壩區(qū)水位呈現(xiàn)出顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，即壩區(qū)土體可溶鹽含量隨壩前水位的升高而降低。

3) 壩區(qū)土體可溶鹽離子含量與壩區(qū)水位呈現(xiàn)出較弱的正相關(guān)關(guān)系，即壩區(qū)土體的滲流對(duì)土體可溶鹽遷移影響較弱。