黑方臺黃土源水文過程規律研究

摘要：指出了中國黃土高原地區農業灌iA面積較大，使得地下水位顯著上升。在甘肅省黑方臺地區，因灌溉引起的的黃土滑坡災害達幾十起，通過野外調查和數值模擬對黑方臺地下水流場進行了研究。由于黑方臺地區地下水塬邊滲透排泄明顯，在此基礎上，建立了黑方臺水文地質數值模型。模擬結果表明，自黑方臺實施大面積農業灌溉以來，大幅抬升了地下水位，特別是在前20年，地下水位上升明顯，1990年以后，地下水位上升較慢，臺塬邊坡一直處于滑坡災害風險較高的狀態。

關鍵詞：黃土滑坡;水流場;數值模擬;黃土源

中圖分類號：Q143 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2019）22-0070-02

1 引言

中國黃土分布面積約64萬km²，其中1/2分布在黃土高原[1]。由于黃土特殊的性質，其在滲水條件下極易引發滑坡災害。在黃土地區，地震、降雨和農業灌溉都會引發大量的滑坡災害[2-5]，其中降雨和灌溉引起的黃土滑坡通常具有滑動速度快，滑移距離遠的特點。例如2013年延安的高強度降雨引發了數千個黃土淺層滑坡。在陜西省徑陽南源，甘肅省永靖縣黑方臺，灌溉誘發了幾十個滑坡[6～8]，國內學者彭建兵，許領，許強等針對黃土源邊灌溉誘發的黃土滑坡進行了較為全面的研究[8]，但是這些研究成果多是集中在滑坡特征和滑坡機理之上的。黑方臺滑坡災害是自該地區實施農業灌溉開始以后多發的，那么研究該地區的地下水系統的演化歷史就顯得很有必要。

2 研究區概況

黑方臺為典型的黃土源地貌，其上堆積有中晚更新世離石黃土和馬蘭黃土，據野外調查及有關資料[1]，黑方臺地層由老到新可分為：①上更新統黃土：灰黃色，成分以粉粒為主，土質均一且疏松多孔，厚度約為25～50m;②中更新統沖積物：可分為2層，上部為厚4～17m的黏土層，下部為卵石層，厚度約2～5m;③白至系河口群：為紫紅色一暗紅色泥巖、砂質泥巖口透水性差的黏土層構成了上更新統黃土的底部隔水層，因此以黃土層底部作為模型的下邊界，只對黃土層水位進行數值模擬，將黑方臺源邊的斜坡地帶作為水文過程數值模擬中的滲流排水邊界。

3 數值模型

3.1 起始條件

水文過程模擬的初始條件非常重要，其決定了模擬結果的準確性和可靠性。20世紀60年代初期，黃河流域修建了劉家峽，鹽鍋峽水壩和水電站，大量居民被安置在黑方臺。西北氣候干旱，灌溉是開展農業生產必不可少的措施。黑方臺源面的農業灌溉始于1968年。20世紀80年代的年灌溉量為7.2×106m³，而20世紀90年代為5.8×106m³。2008年和2009年的灌溉用水量增加到8.8×106m³。在此之前，黑方臺地區的唯一的地表水來源為降雨，因此模擬的起始條件是年平均降雨量為276.8mm/a。

3.2 邊界條件

地下水系統平衡受其邊界條件控制。黃土滑坡的密集發生改變了源邊地貌，滑坡形成的滲透面變大的同時導致了臺源面積較少，從而導致灌溉水量較少，地下水的排泄量反而增大。滑坡發生對地下水系統的總體影響是抑制地下水因灌溉而上升。

在數值模擬中，將黃土層底部的黏土層作為不透水層，黑方臺西北部與北山相連，被磨石溝輕微切割，此外，黑方臺臺源區域地下水流為自西向東流動，其受下覆黏土層地形控制。綜上，將西北部與山相連的邊緣設定為零流量邊界，其他源邊邊坡設為自由滲透邊界，研究區的地下水來源全部為降雨和農業灌溉，因此將臺源上表面概化為補給邊界。

3.3 黃土參數

黃土的水平和垂直滲透系數分別為2.32×10^-2m/d和0.12m/d。黃土的孔隙度為0.45。選擇20102011年一個完整水文年來驗證建模。年內降雨和灌溉情況見表1。

4 結果和分析

水文過程模擬可分為兩個階段。第一個是基于本研究中建立的數值模型的穩態模擬。在穩態模擬中，只考慮了黑方臺的降雨人滲。模擬結果可以顯示1968年灌溉工程建設前的地下水位分布。然后，將穩態模擬的地下水位作為20世紀70年代至2010年瞬態模擬的初始條件。通過瞬態模擬，了解黑方臺地下水在農業灌溉條件下的上升情況。

起始地下水位是開展灌溉條件下地下水流場模擬的前提。在20世紀70年代之前，該地區沒有灌溉，地下水補給主要是由大氣降水引起的。通過穩態模擬得到了20世紀70年代以前研究區的地下水分布。可以看出，飽和區僅存在于黑方臺東部的中心。源邊基本上沒有地下水滲出。這與20世紀70年代之前沒有發生滑坡事件相一致，即斜坡在沒有灌溉的情況下在自然條件下處于穩定狀態。

4.1 1970～2010年歷史水動力場

研究區20世紀70年代，80年代，90年代和2000年的平均灌溉量分別為600×10⁴m³/a，722×10⁴m³/a，576×10⁴m³/a和554×10⁴m³/a。從1970年到1980年，地下水位增加了約14m，而黑方臺西部則增加了更多。從1980～2010年，地下水位的漲幅變得越來越小，水位上升速率越來越慢。臺源東部的地下水位比西部臺源增加得快。這主要是由于黑方臺底層黏土層東低西高，使得地下水從西向東流動。該模擬結果也與觀測結果相一致，即黑方臺東部源邊邊坡地帶有大量的泉水滲出。黃土層在地下水的作用線，強度降低，從而引發了大量的滑坡災害。

5 模擬結果討論

（1）通過數值模擬可以得出，自灌溉以來地下水位持續上升，1970年以前地下水僅僅在黑方臺中心地帶少有分布，到了1980年前后地下水在整個黃土源平均分布。

（2）在灌溉開始的前20年，地下水位上升速度較快，平均每年上升0.6m左右，1990年以后，地下水位的上升變慢，平均每年上升0.15m。地下水水位的上升是該地區大規模滑坡災害的根本原因。

參考文獻：

[1]劉東生.黃土與環境[M].北京：科學出版社，1985.

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[3]Lin Z G，Wang S 1.Collapsibility andDeformation Characteristicsof Deep-seated Loess in China[J].Eng Geol，1988（25）：271～282.

[4]Zhang F，Wang G，Kamai T，et al.Undrained Shear Behavior ofSaturated Loess at Different Concentrations of Sodium ChlorateSolution[J].Eng Geol，2013（155）：69～79.

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[6]馬鵬輝，彭建兵，王啟耀，等.徑陽南源典型黃土滑坡成因、堆積及運動特征分析[J].工程地質學報，2018，26（4）：930～938.

[7]段釗，彭建兵，王啟耀.涇陽南源多序次黃土滑坡特征參數與成因.[J].山地學報，2016，34（1）：71～76.

[8]許元珺，谷天峰，王家鼎，等.黃土裂隙的漫灌效應對斜坡穩定性的影響分析[J].水文地質工程地質，2017，44（4）：153～159.

收稿日期：2019-10-28

作者簡介：嚴冬冬，長安大學公路學院學生。