特大型水坝对坝区土体可溶盐迁移影响分析

李波文，徐 彬，张 楠

(1.南京市水利规划设计院股份有限公司，南京 210022； 2.淮安市水利勘测设计研究院有限公司，江苏 淮安 223001)

1 概 述

随着国民经济的快速发展，城镇化水平快速增长，我国水利水电事业也处于快速发展期。根据国家发改委发布《可再生能源发展十二五规划》规划，到2020年，全国水电总装机容量达到4.2×108kW，其中常规水电总装机容量达到3.5×108kW，抽水蓄能电站装机容量达到7 000×104kW。水坝虽然在促进社会经济发展与抵抗极端气象灾害方面起着关键作用，但水坝对所在区域环境的综合影响是不可忽视的。

对于特大型水坝坝区研究基本集中在坝区气候、坝区地质灾害与坝区河流生态系统的研究。坝区气候的研究主要是针对坝区与水坝影响区夏季降水量[1-3]、气温极值与日温差[4,5]；坝区地质灾害研究则集中在对滑坡与泥石流等[6-8]地质问题；坝区河流生态系统研究则集中于河流自然服务功能[9,10]。而针对坝区土体可溶盐变化规律的研究仍处于起步阶段。坝区在蓄水时会导致区域气候改变，在连续入渗条件下，阳离子交换作用加强，打破了坝区土水系统原有酸碱平衡条件的改变，使得坝区受到较大影响。

本研究对坝区内土体可溶盐含量与硬度进行分析，结合相应时间周期内小浪底坝区与三峡坝区的气象资料，对坝区可溶盐的迁徙规律进行初步研究。

2 试验方案

2.1 试验场地

试验场地选取为三峡坝区与小浪底坝区内进行。

三峡大坝(图1)位于湖北省宜昌市夷陵区三斗坪镇境内，距下游葛洲坝水利枢纽工程38 km，全长约2 308 m，坝高185 m，蓄水深度175 m，水库长2 335 m，总的水库容量达393×108m3，水坝面积1 084 km3，其中防洪水库容量约210×108m3[11-13]，三峡大坝为南方地区典型的特大型水利枢纽。

小浪底大坝(图2)位于河南省洛阳市孟津县小浪底村境内，上距三门峡水库130 km，下距郑州花园口115 km，是黄河干流三门峡以下唯一能够取得较大库容的控制性工程。小浪底工程坝址控制流域面积69.42×104km2，占黄河流域面积的92.3%。水库总库容126.5×108m3，调水调沙库容为10.5×108m3，死库容为75.5×108m3，有效库容为51.0×108m3。小浪底大坝为北方地区典型的特大型水利枢纽[13-15]。

图1 三峡大坝区域位置图

图2 小浪底大坝区域位置图

2.2 试验监测方案

整理国家气象中心国家级台站1990～2012年坝区控制区域降水与气温等基础气象数据，同时选取具有代表性的3处坝区监测点，监测点均匀布置在坝区内，其位置见表1。

表1 坝区土体采样点与采样时间表

根据《岩土工程勘察规范》进行取样，依据《土工试验方法标准》对所取土样进行易溶盐分析。对比气象资料与土体易溶盐成分分析结果，探究区域气象因素的改变对坝区土体可溶盐含量的影响。

3 试验结果

2002年11月至2012年11月三峡大坝与小浪底大坝坝前水位变化情况见图3与图4。

图3 三峡大坝水位变化图

图4 小浪底大坝水位变化图

由图3、图4可知，三峡大坝在2003年水位升至135 m，水位升高65 m，库容约为221.5×108m3；2006年水位升至175 m，水位升高40 m，库容约为393×108m3。小浪底大坝水位则在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。

对三峡大坝坝区降雨量差值进行分析，以1990～2003年三峡坝区年均降雨量数据为基础数据，比较三峡大坝2003～2006年、2006～2012年年均降雨量数据，得出三峡大坝坝区降雨差值区域图(图5)。

图5 三峡大坝坝区降雨差值云图

由图5可知，三峡坝区坝前降雨量呈现出增加趋势，其中库区年均降雨量增加1.43～2.82 mm，而三峡大坝下游则呈现降雨量减少的趋势，减少值约为0.64～0.78 mm。

同样的，对小浪底坝区进行分析，基础年均降雨量数据仍以1990～2003年为准，分析2003～2005年、2005～2012年年均降雨量(图6)。

图6 小浪底大坝坝区降雨差值云图

小浪底坝区坝前降雨差值与三峡坝区呈现出相类似的规律，库区年均降雨量增加约0.39 mm，而其他区域影响并不明显。

对坝区土体采样点进行相应的土体采样时间点分别于表1进行。

对三峡坝区与小浪底坝区所采土体的易溶盐分析见图7、图8。

图7 三峡坝区土体的易溶盐分析

图8 小浪底坝区土体的易溶盐分析

4 实验结果分析

坝区区域环境降水量受坝区水位抬升影响较大，特别是南方坝区区域气候受水坝水位抬升影响较大。水位抬升会使得库容量增大，坝区水体面积因此而增加，使得本区区域蒸发量增加，因此水位抬升增加了坝区降水量。由于我国南北方分属于不同的气候环境下，三峡大坝位于亚热带地区，而小浪底大坝则位于温带大陆性气候地区，大坝抬高水位造成区域降雨关键性作用强度在亚热带地区更加关键。这解释了三峡大坝修筑后降雨量差值较小浪底大的原因。

对比小浪底坝区可溶盐含量变化与三峡坝区可溶盐含量变化发现：①水位增高所导致的渗流强度增大对坝区土体可溶盐的含量变化影响较弱；②特大型水坝的修建会对坝区环境造成一定的影响，但影响因素大小与坝区区域气候有较大关系，即大型水坝是坝区降雨因素的增幅因素，但不会对大坝所在流域的气候有较大影响。

5 结 论

通过上述分析研究可以得到如下结论:

1) 大型水坝是坝区降雨因素的增幅因素，但不会对大坝所在流域的气候有较大影响。

2) 坝区土体可溶盐含量与坝区水位呈现出显著的负相关关系，即坝区土体可溶盐含量随坝前水位的升高而降低。

3) 坝区土体可溶盐离子含量与坝区水位呈现出较弱的正相关关系，即坝区土体的渗流对土体可溶盐迁移影响较弱。