水库蓄放水对地壳形变影响的计算分析范文

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《湖南农业》2017年第5期

摘要：利用资源三号（ZY3）高分辨率多光谱遥感影像提取了三峡库区江河湖库水体数据，结合水位数据，通过负荷格林函数积分模型法模型计算出三峡水库蓄放水导致水位升降的过程中水体对地壳垂直及水平形变的影响。研究发现：①以1a为周期，三峡库区库岸及长江近岸地壳垂直及水平形变的趋势与水库的蓄放水时期对应；②三峡水库放水期间水位下降，水库库岸及长江近岸地面水平向内形变，方向指向江心，反之向外形变；蓄水期间水位上升，地面下降，反之地壳回弹。

关键词：三峡水库；蓄放水；地壳垂直形变；地壳水平形变；负荷格林函数积分

长江三峡工程是举世瞩目的水电工程，是世界上最大的水利枢纽工程，是治理和开发长江的关键性骨干工程。三峡工程水库正常蓄水位是175m，总库容393亿m3，水库全长600余km，平均宽度1．1km，水库面积1084km2。它具有防洪、发电、航运等巨大的综合效益。随着水库的建成及2003年开始蓄水，按工程计划，其将采用“冬蓄夏泄”的水位调整方式，期间水位调幅变化可达30m（145～175m）。大量工程实例表明，水库的蓄水以及库水位周期性的升降变化不仅使得原来已稳定的滑坡再度失稳，同时还将导致库岸边坡的失稳，形成崩塌和滑坡，因此，水库的地壳形变监测十分重要而且必要。此前，国家地震局等单位在三峡水库库首区建立了区域垂直形变网和区域水平形变网，监测数据表明：巨大的水体荷载、大坝工程荷载及其流变效应在库区及周围地区产生了明显的地壳形变效应，地壳垂直形变最大值约35mm（±8．6mm），数值模拟的三峡二期工程蓄水后，荷载引起的整个库区垂直形变场呈“火腿”状分布，即垂直形变场由库首区至库尾逐渐减小；三峡地区地壳水平形变主要受三峡库区与华南块体的水平相对运动影响（0～3mm／a）。从三峡水库首次蓄水开始，对水库蓄水的地壳形变效应的研究就从未断过，但是多以模拟计算为主，或者采用的数字地形模型精度较低。本文利用资源三号（ZY3）高分辨率遥感影像对研究区域进行江河湖库水体的提取，基于水位数据，利用负荷格林函数积分方法计算了水体对地壳垂直形变和水平形变的影响，从而直观地反映出三峡库区在水库蓄放水期间库岸和江岸的三维形变。

1计算方法和研究数据

1．1负荷理论

江河湖库水位变化对库区及其周围地区的径向及水平形变的影响主要包括两个方面：①巨大的水体荷载引起的直接形变效应；②水位变化过程导致地下水位变化与地下水渗透引起的径向及水平形变效应。

1．2研究数据

本文使用的影像数据为三峡地区资源三号（ZY3）5．8m高分辨率多光谱遥感影像，研究的三峡水库库区范围为湖北省宜昌市到重庆市这段长江干流，范围为106．0°～111．5°E，29．0°～31．5°N。利用该遥感影像，在ENVI软件中，通过DEM数据（SRTM90m分辨率数字高程模型）完成影像的长江水体的提取，在ArcGIS软件下加载生成水体shp文件，从而转化为栅格数据，最后完成研究区域长江水体的提取。本文使用的水位数据为三峡库区水位站的水位数据，忽略边坡影响，以等效水高［8］形式参与模型的影响计算。

2模拟计算

根据提取的三峡库区的水体，模拟计算了三峡大坝从145～175m每升高5m的等效水高对区域负荷的影响，为了直观反映出地壳垂直及水平形变情况，本文给出了三峡水库水位从145m起每升高10m对地壳垂直及水平形变的影响，参考水位为145m，区域图中，分别绘制了蓄水至155m、165m、175m水位时，三峡库区周边的垂直、水平形变状况。不难发现，图1（a）中，三峡水库水位上升，大坝上游地壳垂直形变增大，而且影响范围扩大。根据计算结果可以发现，当达到最高水位175m时，相对145m参考水位，库区最大沉降量达37mm左右。三峡水库水位上升，江心处水平形变并不大，而江岸两侧水平形变加剧，水平形变最大值总是出现在三峡大坝周边，比其他库区形变值大1倍左右。根据计算结果可以发现，当达到最高水位175m时，相对145m参考水位，库区最大水平形变量只有0．45mm左右。

3实际计算

根据提取出的长江水体数据，结合三峡水库的水位数据，本文计算出2011年1月至2015年6月三峡库区每月地壳垂直和水平形变，空间分辨率为2′×2′，时间分辨率为1个月。为了说明江河湖库水负荷的区域特点和变化情况，本文给出了三峡水库2013年水位变化情况图，如图2所示。根据水库水位变化图可知，近年来，三峡水库水位最低为145m左右，最高到175m左右。2013年1－5月，水位逐渐降低，处于水库放水期；6－8月，水位稳定在较低水平；9－10月，水位升高，处于蓄水期，而且9月水位升高幅度较大；11－12月，三峡水库稳定在高水位。根据三峡水库水位变化情况，在水位下降、低水位、水位上升和高水位4个水位期间，3月、6月、9月和12月4个月份分别代表以上4个时期，由实际提取的三峡水库地区长江水体数据，结合月水位数据，计算水库上游长江水体水位变化在这4个月对地壳垂直及水平形变的影响，结果如图3所示。图3中，地壳垂直、水平形变的基准月为2012年12月。由实际水位变化的影响结果可知，三峡水库库区的长江近岸，2013年1－3月，地壳垂直向上抬升，抬升量级较小；3－6月，地壳垂直向上快速抬升，抬升达到最大值约15mm，且周边影响范围扩至最大；6－9月，地壳垂直向下沉降，量级大，速度快，范围广；9－12月，地面垂直形变基本为0。与三峡水库水位变化图对比可知，三峡水库放水期间，水位下降，近岸地壳垂直向上抬升；蓄水期间，水位上升，近岸地壳垂直向下形变。由实际水位变化的影响结果可知，三峡水库库区的长江近岸，2013年1－3月，水位下降，地壳沿江向外拉伸；3－6月，地壳继续快速向外拉伸，在三峡大坝周边达到最大值；6－9月，水位上升，地壳沿江向内收缩，且速度快，范围广；9－12月，水位继续上升，地面水平形变后达到去年参考位置。与三峡水库水位变化图对比可知，三峡水库放水期间，水位下降，近岸地壳沿江水平向外拉伸；蓄水期间，水位上升，近岸地壳水平向内收缩形变。

4结束语

地理国情是地理现象的复杂综合体，是决策和国家重大战略的依据和基础。随着三峡库区水位的不断抬升，三峡库区地质灾害受到了党和政府的高度重视，国土资源部启动了三峡库区地质灾害监测预警工程专业监测系统。其对三峡水库蓄放水对地壳形变的影响研究，大多以小范围GPS观测为主，或者采用的数字地形模型精度较低。本文利用高精度资源三号卫星影像提取了三峡库区长江水体数据，结合水位数据，不仅考虑了直接负荷效应对地壳形变的影响，而且根据负荷格林函数积分模型计算出了水位变化过程导致的渗透及形变引起的间接地壳形变。在模拟计算的基础上，计算了三峡水库蓄放水对地壳形变的影响，研究发现，三峡水库蓄放水对库岸及长江近岸的地壳垂直形变最大可达35mm左右，出现最大值的地方是库区长江中心线的江底，离开中心线，垂直形变逐渐减小；对三峡库区地壳水平形变影响的最大值不超过0．5mm。这将进一步加深水位变化对地壳形变的影响的认识，为三峡库区水动力环境研究提供参考。

参考文献

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作者：尹财1，2;章传银2;王伟2;杨阳2，3 单位：1山东科技大学测绘科学与工程学院，2中国测绘科学研究院大地测量与地球动力学研究所，3兰州交通大学测绘与地理信息学院