洮儿河灌区满洲岱渠首浸没问题分析

姜薇，梁秀娟，肖长来

（1.黑龙江八一农垦大学工程学院，大庆 163319；2.吉林大学环境与资源学院）

洮儿河灌区满洲岱渠首浸没问题分析

姜薇1，梁秀娟2，肖长来2

（1.黑龙江八一农垦大学工程学院，大庆 163319；2.吉林大学环境与资源学院）

洮儿河灌区满洲岱渠首蓄水后，渠首附近村庄、农田可能产生一定的浸没影响，将给人们的生产生活带来危害。根据满洲岱枢纽地形地貌条件，拟采用定性与定量分析相结合的方法，对不同水位运行条件下渠首周围可能出现浸没问题进行预测评价，提出可能浸没的范围及程度。并对浸没产生的影响要素进行分析，影响因素为工程地质、水文地质、水文气象、人为活动等条件。其中水文地质条件中的地下水位的变化为主要因素。

满洲岱；浸没；定性分析；非稳定流；影响因素

浸没是指由于河道建坝蓄水后，河水位抬高引起水库周边地带或附近地区地下水潜水位上升，当水位达到建筑物地基或农作物和树木根系临界高度时，将产生浸没现象。还可能引起土壤盐碱化、沼泽化等次生灾害。浸没现象是在特定的地质环境中各种影响因素共同相互作用的结果，主要影响因素包括库岸地形、地质构造、地层岩性、地下水及水文、气象等自然因素，而且与人类工程活动等因素有密切的关系[1]。随着水利工程的发展，环境地质问题越发突出，而浸没现象是不可忽视的一种环境地质问题，因此对其研究显得尤为重要[7-8]。浸没的研究大致有三个阶段：20世纪90年代以前，主要是对浸没现象的分析；20世纪90年代到2000年，主要是对浸没预测方法与治理措施的研究；2001年至今，主要结合现代技术对水库浸没综合研究[2]。自1955年对浸没研究以来，大部分集中于解析法范围预测、治理方法的研究[1]。对实地定性分析、稳定浸没时间及影响因素研究较少。研究采用实地调查、布勘探剖面定性分析结合地下水动力学原理中地下水向河渠运动的稳定流、非稳定流对其进行定量计算，同时对满洲岱渠首浸没范围、稳定浸没时间、影响因素及防治措施进行分析。

1 区域概况

洮儿河灌区满洲岱渠首拦河坝位于洮儿河中下游的洮南市金祥乡境内，是洮儿河灌区枢纽中最大的一个。满洲岱左岸泄洪闸位于洮儿河主河道上，低水时通过拦蓄河水，利用引水闸引蓄河水用于灌溉。渠首拦河坝抬高水位后，在坝上游160.40 m高程下，耕地被淹没。地处回水淹没线边缘以上的高漫滩，地势低平，地层为双层结构表层为壤土，下部为砂砾石层。当潜水水位壅高进入壤土层时可能产生浸没现象。

研究区地处洮儿河中游的河漫滩上，地形开阔、较为平坦。地面高程多在160 m左右，气候特征为大陆性季风气候。多年平均降水量391.3 mm，冬季最少，只占降水总量的2.9%；夏季降水最多，占降水总量的75.2%。降水量具有分配不均，阶段变化明显，高度集中特点。年平均蒸发量2 070.4 mm，4至5月份蒸发量是降水量的近20倍。

区内第四系松散堆积物发育，厚度约18～25 m，在洮儿河左岸厚度较大，右岸厚度变小。地表普遍分布着褐黑及灰黄色，湿、可塑的壤土，混有少量细砾，层厚0.55～2.2 m。其下为黄褐色，湿至饱和，松散的砂砾石，以砾石为主，混有少量卵石和粘性土，厚度1.10 m。含水层岩性为冲洪积的砂砾卵石，颗粒粗大，细颗粒填充很少，厚度较大，水位埋深较浅（一般小于10 m），且与河流有密切的水力联系。

2 浸没分析与预测

2.1 浸没分析

满洲岱枢纽控制灌溉面积2.67万hm2，是洮儿河灌区最大枢纽。主要建筑物泄洪闸、引水闸及溢流坝。坝顶高程160.40 m，正常蓄水位160.40 m，拦河坝坝底高程157.50 m。枢纽及周边地区地面高程在159.00～162.00 m。地形开阔、较为平坦，河床的左岸至右岸民堤间为低河漫滩，沿洮儿河支流的两侧为低漫滩。砂砾石裸露，大部分是荒地，有牛轭湖，呈条带状分布，有积水，形成沼泽。在其两侧为高漫滩，地势较高，地表岩性为壤土，其下为透水性强的砂砾层，地下水埋深0.50～2.13 m。每年汛期时，河水位很快上升到正常水位，地下水位随之抬高。在坝上游160.40 m高程以下的耕地将被淹没。地势低平，表层为壤土，下部为透水性较强砂砾石层，地下水埋藏较浅，雨季入渗补给量将很大，会使地下水位升高。在以上因素综合作用下，将可能发生浸没现象。为了进一步确定浸没的范围，在研究区内进行一些勘察工作（如表1）。

表1 工程勘察表Table 1 Engineering investigation table

根据水文地质条件确定浸没地下水埋深临界值公式[3]：

式中：Hk为土层毛细水上升高度，m；△H为安全超高值，主要指根系层厚度或建筑物基础埋深，m。

根据实地调查情况及水文地质资料可确定研究区的临界埋深值，壤土层地下水临界埋深，旱田0.8～1.3 m，水田为0.3～0.8 m。

枢纽达到正常蓄水160.40 m时，河水补给地下水，地下水位抬高。回水淹没线于与居民迁移线（160.76 m）之间，地下水位埋深小于临界埋深，旱田产生浸没，低洼地段甚至可能出现积水。居民迁移线到地面高程161.50 m之间，地下水埋深多数在0.8 m左右，旱田产生浸没现象，水田不受影响。地面高程161.50 m以上地段，旱田受到轻微影响（如图1）。

2.2 浸没定量分析

浸没常规的影响因素包括地下水位、土壤质地、地表作物耐水性及建筑物基础等[2]。但地下水位变化是主要因素。库岸区地下水与河水之间有密切的水力联系。河水位的变化，将会影响地下水的变化。根据地下水动力学原理地下水向河渠运动的稳定流、非稳定流进行计算，确定浸没的范围、产生浸没时间及二者之间的关系。

根据研究区地形地貌条件及定性分析结果，选择三个代表性剖面分别通过稳定流和非稳定流进行计算，然后依据两种方法和定性分析确定最终的浸没范围及影响时间。

图1 满洲岱枢纽浸没预测图Fig.1 Manzhoudai hub immersion prediction map

（1）稳定流地下水壅高计算

稳定流计算中主要选择了三个公式进行计算，①当含水层由渗透性不同的岩层组成、隔水层为水平时，采用卡明斯基公式计算；②含水层均一，隔水层水平时，采用公式（2）。

式中：y1——水库正常高水位（m）；1、n、n+1——断面位置；h1，hn、hn+1——蓄水前在断面1，n、n+1处的含水层厚度（m）；y1，yn、yn+1——蓄水后在断面1，n、n+1处的含水层厚度（m）。③含水层均一、隔水层水平，有邻谷的固定壅高时，采用公式（3）。

式中：L——左侧水边线至邻谷水边线的距离；h1，y1——正常高水位（m）；h0，y0——蓄水前在两河谷中的河水位（m）；xn——计算断面左侧水边距离（m）；hn，yn——蓄水前、后在断面n处的含水层厚度（m）。

稳定流浸没范围预测：综合上述三个公式计算平均值初步得出如下结论：

Ⅰ—Ⅰ勘探剖面：洮儿河左岸属于低漫滩，多地高程在160.40 m以下。壅高后地下水埋深0～0.51 m，从河边至探坑K3区间壅高后地下水埋深接近地表，属严重浸没区甚至达到淹没的程度；探坑K3至K1壅高后地下水埋深0.46～0.51 m小于地下水临界埋深属中等浸没区。

Ⅱ—Ⅱ勘探剖面：洮儿河的右岸属于高漫滩，地面高程在160.00 m以上。壅高后地下水埋深0～0.76 m，毛刘屯到探坑K2可能产生淹没；探坑K3至K4之间属于中等浸没区。

Ⅲ—Ⅲ勘探剖面：洮儿河支流右岸属于高漫滩，地面高程在160.00 m以上。壅高后地下水埋深0.27～0.50 m，探坑K3至K4之间属于中等浸没区；K3至K1之间属于轻浸没区。

（2）非稳定流地下水壅高计算

根据研究区的水文地质资料，潜水含水层底板近于水平，含水层近似于均质。水文地质模型可抽象为潜水流的初始状态为稳定流；河渠水位瞬时上升，上升幅度h0，t=h0.t-h0.0，上升后保持不变[4]。计算公式如下：

式中：hx.t——河水位上升h0，t后，距X处断面T时刻的潜水位；hx.0——距河床 X处断面的原始水位；h0.0——河渠原始水位；F（λ）——河渠水位对地下水位的影响系数。其值随时间t和距离x而变化；λ=x/（ 计算出λ值，经查表得F（λ）值）；a=k*hm/μ为压力传导系数（m2/d）；k——含水层渗透系数（m/d）；hm——含水层平均厚度（m）；μ——含水层给水度。

研究区内含水层渗透性较强，蓄水期河水位短时间内达到正常蓄水位，地下水位随之迅速上升，距离河床越近，地下水位上升幅度越大，随着距离河床的距离加大，地下水位上升幅度逐渐变小。如图2：

图2 Ⅰ～Ⅲ剖面距河床不同距离水位壅高与时间关系Fig.2 Ⅰ～ⅢRelationship of dam up stage of different distance between section and river bed with time

由上述三图可以得出，距离河床越近，地下水位上升幅度越大，蓄水在10 d左右，Ⅰ—Ⅰ剖面、Ⅱ—Ⅱ剖面地下水位上升高度达到峰值，大约在20 d地下水位基本达到稳定（特大降雨情况除外），Ⅰ—Ⅰ剖面距离河床50 m处3 d内地下水上升高度达0.929 m，占整个上升高度的90%以上，距离河床60 m、150 m、300 m处地下水位上升的速度随着距离逐渐减弱。而Ⅲ—Ⅲ剖面距离主河道较远地下水上升幅度相对较慢。因此，在浸没防治中可根据地下水位随距离、时间的关系相应制定防护措施。

Ⅰ—Ⅰ剖面距离河床212 m地下水埋深0～0.30 m属于严重浸没区甚至达到淹没程度；212 m至k1探坑地下水埋深0.49～0.77 m属于中等浸没区。

Ⅱ—Ⅱ剖面毛刘屯至510 m地下水埋深0.31～0.96 m属于中等浸没区；510 m至k1探坑地下水埋深0.96～1.00 m属于轻微浸没区，旱田稍有影响，水田不受影响。

Ⅲ—Ⅲ剖面距离主河道较远地下水上升幅度相对较慢，地下水埋深1.15～1.30 m微浸没区，当蓄水达不到正常时，不产生浸没现象。

由定性分析和稳定流、非稳定流定量计算可以得出，稳定流计算地下水位最终上升幅度较非稳定流计算的结果要偏大，预测的范围要大，但对采取防护措施更安全。综合水文地质、气象等因素，定性分析与定量分析相结合计算结果更符合实际情况，定量中以非稳定流为主，稳定流为辅。

根据工程实地类比回水淹没线于与居民迁移线（160.76 m）之间，地下水位埋深小于临界埋深，旱田产生轻微浸没，与采用定量分析方法预测回水淹没线与居民迁移线之间可能产生浸没结论相符。且大量研究表明采用定量分析方法预测的结果与数值模拟预测结果相吻合[6]。综上所述，采用定性和定量相结合的计算结果更符合实际情况。

3 浸没影响因素

浸没是由多种因素共同作用下产生的。主要包括工程地质条件、水文地质条件、水文气象条件及人为活动四大方面。

（1）地形地貌、地质结构等因素。研究区地形平缓，多为河漫滩，地表水、地下水易汇集容易产生浸没；库岸地层上部为透水性小的壤土、下部为透水性大的砂砾石层，壤土渗透性弱，毛细水上升高度大。地下水位壅高进入壤土层时较易产生浸没，且容易产生次生的盐渍化现象。日积月累岩层形成盐渍土，将改变土的特征指标，对地下水质也有一定影响[5]。

（2）地下水的埋深、补排条件。研究区地下水埋藏较浅，受大气降水和河水的补给枢纽蓄水后地下水位壅高，当小于或接近临界埋深时将产生浸没。若有排泄不畅的地区河水不断补给可能发生淹没。

（3）水文气象条件，区域的气候条件对浸没影响较大。雨季降雨入渗的影响，6～8月降雨量约260～300 mm，按降雨入渗补给系数为0.20计，入渗补给地下水量为52～60 mm，粗砾层、壤土层饱和差（或给水度）分别为0.19～0.22和0.04～0.05，则降雨入渗可使粗砾层、壤土层中的地下水位分别上升0.26～0.30 m和1.10～1.30 m，即使地下水流动很快，蓄水后在雨季浸没现象也会明显加重。当蒸发较强时浸没区易发生盐渍土，对农作物经济收入减少。

（4）人为活动，蓄水水位的运行情况与地下水位有着密切的联系。当来水量较大用水量较小河水位升高，从引起地下水位壅高使原本可能未发生浸没地区产生浸没现象。河道淤积也可能使浸没现象加重，河床淤高导致沿河两岸地表水排水出口抬高，排水不畅形成内涝，造成河漫滩浸没[6]。

4 结论

（1）通过定性分析与定量计算相结合，得出满洲岱枢纽达到正常蓄水位160.40 m时，Ⅰ—Ⅰ剖面距离河床212 m达到严重浸没甚至淹没程度；Ⅰ—Ⅰ剖面至Ⅱ—Ⅱ剖面段回水淹没线于与居民迁移线（160.76 m）之间属于中等浸没区；Ⅱ—Ⅱ剖面510 m 至k1探坑区域属于轻微浸没区，居民迁移线以上地段，旱田有影响，水田不受影响也属于轻微浸没区。距离河床越近，地下水位上升幅度越大，上升的速率越快；距河床近的区域，蓄水在10 d左右，地下水位上升高度达到峰值；大约在20 d地下水位基本达到稳定（特大降雨情况除外）。

（2）结合满洲岱枢纽实地浸没特征调查分析，得出影响浸没的主要为工程地质、水文地质、水文气象、人为活动等四大影响要素。其中水文地质条件中的地下水位的变化是主要因素。针对以上影响因素可以制定相应的浸没防治的措施，从而有效减少浸没产生的危害。例如布设排渗井、渗水渠、种植耐涝蒸发能力强的植物等。

［1］孙思淼，戴长雷，吕雅洁.岸边型水库浸没影响因素及防治措施［J］.水电能源科学，2012，30（4）：94-96.

［2］孙思淼.寒区水库浸没影响试验模拟研究［D］.哈尔滨：黑龙江大学，2012.

［3］郑新，张丙先，邓争荣，等.丹江口水库浸没区判别方法及浸没程度评价［J］.人民长江，2011，42（7）：19-23.

［4］薛禹群，朱学愚.地下水动力学［M］.北京：地质出版社，1997.

［5］于新.哈尔滨市松北区城市建设浸没影响评价［D］.长春：吉林大学，2006：38-41.

［6］王迎霜.北京延庆新城规划区浸没预测研究［D］.北京：中国地质大学，2012：30-33.

［7］马向东，于建国，李宝林.三江平原水利建设中的环境问题分析［J］.黑龙江八一农垦大学学报，2006，18（2）：104-107.

［8］朱桂英，于艳清，李维屿，等.基于熵权的区域水资源配置模糊综合评判决策［J］.黑龙江八一农垦大学学报，2014，26（3）：53-58.

Analysis of Immersion Problem of Yaoer Rive Irrigation Area Manzhoudai Headworks

Jiang Wei1，Liang Xiujuan2，Xiao Changlai2
（1.College of Engeering，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319；2.College of Environment and Resources，Jilin University）

It might influence the village and farmland nearby headwork and harm people’s living，after the impoundment of Manzhoudai headworks of Yaoer river irrigation area.According to geographic and geomorphic conditions of Manzhoudai hinge，the immersion problem under different operation water level was forecasted and evaluated，and the method of combination of qualitative and quantitative analysis was adopted，then the possible scope and degree was proposed.After that，the influential factors from immersion were analyzed，which were engineering geology，hydrogeololgy，hydro meteorology，human activity，and so on.The change of underground water level among the condition of hydrogeololgy was the main influence.

Manzhoudai；immersion；qualitative analysis；steady flow；effect factors

TV697.39；P641.72

A

1002-2090（2016）05-0109-05

10.3969/j.issn.1002-2090.2016.05.022

2016-01-01

长白山天然矿泉水形成机理分析（吉林省科技厅重点攻关项目：20100452）。

姜薇（1986-），女，助教，吉林大学毕业，现主要从事农田水利及水资源规划的研究工作。

梁秀娟，女，教授，博士研究生导师，E-mail：jiangwei662998@126.com。