特大型水壩對壩區(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(fā)展，城鎮(zhèn)化水平快速增長，我國水利水電事業(yè)也處于快速發(fā)展期。根據國家發(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，全國水電總裝機容量達到4.2×108kW，其中常規(guī)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(fā)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(qū)域環(huán)境的綜合影響是不可忽視的。

對于特大型水壩壩區(qū)研究基本集中在壩區(qū)氣候、壩區(qū)地質災害與壩區(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)地質災害研究則集中在對滑坡與泥石流等[6-8]地質問題；壩區(qū)河流生態(tài)系統(tǒng)研究則集中于河流自然服務功能[9,10]。而針對壩區(qū)土體可溶鹽變化規(guī)律的研究仍處于起步階段。壩區(qū)在蓄水時會導致區(qū)域氣候改變，在連續(xù)入滲條件下，陽離子交換作用加強，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。

本研究對壩區(qū)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(qū)與三峽壩區(qū)的氣象資料，對壩區(qū)可溶鹽的遷徙規(guī)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(qū)與小浪底壩區(qū)內進行。

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，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(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(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 試驗監(jiān)測方案

整理國家氣象中心國家級臺站1990～2012年壩區(qū)控制區(qū)域降水與氣溫等基礎氣象數(shù)據，同時選取具有代表性的3處壩區(qū)監(jiān)測點，監(jiān)測點均勻布置在壩區(qū)內，其位置見表1。

表1 壩區(qū)土體采樣點與采樣時間表

根據《巖土工程勘察規(guī)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(qū)域氣象因素的改變對壩區(qū)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(qū)降雨量差值進行分析，以1990～2003年三峽壩區(qū)年均降雨量數(shù)據為基礎數(shù)據，比較三峽大壩2003～2006年、2006～2012年年均降雨量數(shù)據，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，其中庫區(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，減少值約為0.64～0.78 mm。

同樣的，對小浪底壩區(qū)進行分析，基礎年均降雨量數(shù)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(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)出相類似的規(guī)律，庫區(qū)年均降雨量增加約0.39 mm，而其他區(qū)域影響并不明顯。

對壩區(qū)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(qū)與小浪底壩區(qū)所采土體的易溶鹽分析見圖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 實驗結果分析

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。水位抬升會使得庫容量增大，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)域降雨關鍵性作用強度在亞熱帶地區(qū)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。

對比小浪底壩區(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水位增高所導致的滲流強度增大對壩區(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對壩區(qū)環(huán)境造成一定的影響，但影響因素大小與壩區(qū)區(qū)域氣候有較大關系，即大型水壩是壩區(qū)降雨因素的增幅因素，但不會對大壩所在流域的氣候有較大影響。

5 結 論

通過上述分析研究可以得到如下結論:

1) 大型水壩是壩區(qū)降雨因素的增幅因素，但不會對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)出顯著的負相關關系，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)出較弱的正相關關系，即壩區(qū)土體的滲流對土體可溶鹽遷移影響較弱。