水庫蓄放水對地殼形變影響的計算分析范文

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《湖南農業》2017年第5期

摘要：利用資源三號（ZY3）高分辨率多光譜遙感影像提取了三峽庫區江河湖庫水體數據，結合水位數據，通過負荷格林函數積分模型法模型計算出三峽水庫蓄放水導致水位升降的過程中水體對地殼垂直及水平形變的影響。研究發現：①以1a為周期，三峽庫區庫岸及長江近岸地殼垂直及水平形變的趨勢與水庫的蓄放水時期對應；②三峽水庫放水期間水位下降，水庫庫岸及長江近岸地面水平向內形變，方向指向江心，反之向外形變；蓄水期間水位上升，地面下降，反之地殼回彈。

關鍵詞：三峽水庫；蓄放水；地殼垂直形變；地殼水平形變；負荷格林函數積分

長江三峽工程是舉世矚目的水電工程，是世界上最大的水利樞紐工程，是治理和開發長江的關鍵性骨干工程。三峽工程水庫正常蓄水位是175m，總庫容393億m3，水庫全長600余km，平均寬度1．1km，水庫面積1084km2。它具有防洪、發電、航運等巨大的綜合效益。隨著水庫的建成及2003年開始蓄水，按工程計劃，其將采用“冬蓄夏泄”的水位調整方式，期間水位調幅變化可達30m（145～175m）。大量工程實例表明，水庫的蓄水以及庫水位周期性的升降變化不僅使得原來已穩定的滑坡再度失穩，同時還將導致庫岸邊坡的失穩，形成崩塌和滑坡，因此，水庫的地殼形變監測十分重要而且必要。此前，國家地震局等單位在三峽水庫庫首區建立了區域垂直形變網和區域水平形變網，監測數據表明：巨大的水體荷載、大壩工程荷載及其流變效應在庫區及周圍地區產生了明顯的地殼形變效應，地殼垂直形變最大值約35mm（±8．6mm），數值模擬的三峽二期工程蓄水后，荷載引起的整個庫區垂直形變場呈“火腿”狀分布，即垂直形變場由庫首區至庫尾逐漸減小；三峽地區地殼水平形變主要受三峽庫區與華南塊體的水平相對運動影響（0～3mm／a）。從三峽水庫首次蓄水開始，對水庫蓄水的地殼形變效應的研究就從未斷過，但是多以模擬計算為主，或者采用的數字地形模型精度較低。本文利用資源三號（ZY3）高分辨率遙感影像對研究區域進行江河湖庫水體的提取，基于水位數據，利用負荷格林函數積分方法計算了水體對地殼垂直形變和水平形變的影響，從而直觀地反映出三峽庫區在水庫蓄放水期間庫岸和江岸的三維形變。

1計算方法和研究數據

1．1負荷理論

江河湖庫水位變化對庫區及其周圍地區的徑向及水平形變的影響主要包括兩個方面：①巨大的水體荷載引起的直接形變效應；②水位變化過程導致地下水位變化與地下水滲透引起的徑向及水平形變效應。

1．2研究數據

本文使用的影像數據為三峽地區資源三號（ZY3）5．8m高分辨率多光譜遙感影像，研究的三峽水庫庫區范圍為湖北省宜昌市到重慶市這段長江干流，范圍為106．0°～111．5°E，29．0°～31．5°N。利用該遙感影像，在ENVI軟件中，通過DEM數據（SRTM90m分辨率數字高程模型）完成影像的長江水體的提取，在ArcGIS軟件下加載生成水體shp文件，從而轉化為柵格數據，最后完成研究區域長江水體的提取。本文使用的水位數據為三峽庫區水位站的水位數據，忽略邊坡影響，以等效水高［8］形式參與模型的影響計算。

2模擬計算

根據提取的三峽庫區的水體，模擬計算了三峽大壩從145～175m每升高5m的等效水高對區域負荷的影響，為了直觀反映出地殼垂直及水平形變情況，本文給出了三峽水庫水位從145m起每升高10m對地殼垂直及水平形變的影響，參考水位為145m，區域圖中，分別繪制了蓄水至155m、165m、175m水位時，三峽庫區周邊的垂直、水平形變狀況。不難發現，圖1（a）中，三峽水庫水位上升，大壩上游地殼垂直形變增大，而且影響范圍擴大。根據計算結果可以發現，當達到最高水位175m時，相對145m參考水位，庫區最大沉降量達37mm左右。三峽水庫水位上升，江心處水平形變并不大，而江岸兩側水平形變加劇，水平形變最大值總是出現在三峽大壩周邊，比其他庫區形變值大1倍左右。根據計算結果可以發現，當達到最高水位175m時，相對145m參考水位，庫區最大水平形變量只有0．45mm左右。

3實際計算

根據提取出的長江水體數據，結合三峽水庫的水位數據，本文計算出2011年1月至2015年6月三峽庫區每月地殼垂直和水平形變，空間分辨率為2′×2′，時間分辨率為1個月。為了說明江河湖庫水負荷的區域特點和變化情況，本文給出了三峽水庫2013年水位變化情況圖，如圖2所示。根據水庫水位變化圖可知，近年來，三峽水庫水位最低為145m左右，最高到175m左右。2013年1－5月，水位逐漸降低，處于水庫放水期；6－8月，水位穩定在較低水平；9－10月，水位升高，處于蓄水期，而且9月水位升高幅度較大；11－12月，三峽水庫穩定在高水位。根據三峽水庫水位變化情況，在水位下降、低水位、水位上升和高水位4個水位期間，3月、6月、9月和12月4個月份分別代表以上4個時期，由實際提取的三峽水庫地區長江水體數據，結合月水位數據，計算水庫上游長江水體水位變化在這4個月對地殼垂直及水平形變的影響，結果如圖3所示。圖3中，地殼垂直、水平形變的基準月為2012年12月。由實際水位變化的影響結果可知，三峽水庫庫區的長江近岸，2013年1－3月，地殼垂直向上抬升，抬升量級較小；3－6月，地殼垂直向上快速抬升，抬升達到最大值約15mm，且周邊影響范圍擴至最大；6－9月，地殼垂直向下沉降，量級大，速度快，范圍廣；9－12月，地面垂直形變基本為0。與三峽水庫水位變化圖對比可知，三峽水庫放水期間，水位下降，近岸地殼垂直向上抬升；蓄水期間，水位上升，近岸地殼垂直向下形變。由實際水位變化的影響結果可知，三峽水庫庫區的長江近岸，2013年1－3月，水位下降，地殼沿江向外拉伸；3－6月，地殼繼續快速向外拉伸，在三峽大壩周邊達到最大值；6－9月，水位上升，地殼沿江向內收縮，且速度快，范圍廣；9－12月，水位繼續上升，地面水平形變后達到去年參考位置。與三峽水庫水位變化圖對比可知，三峽水庫放水期間，水位下降，近岸地殼沿江水平向外拉伸；蓄水期間，水位上升，近岸地殼水平向內收縮形變。

4結束語

地理國情是地理現象的復雜綜合體，是決策和國家重大戰略的依據和基礎。隨著三峽庫區水位的不斷抬升，三峽庫區地質災害受到了黨和政府的高度重視，國土資源部啟動了三峽庫區地質災害監測預警工程專業監測系統。其對三峽水庫蓄放水對地殼形變的影響研究，大多以小范圍GPS觀測為主，或者采用的數字地形模型精度較低。本文利用高精度資源三號衛星影像提取了三峽庫區長江水體數據，結合水位數據，不僅考慮了直接負荷效應對地殼形變的影響，而且根據負荷格林函數積分模型計算出了水位變化過程導致的滲透及形變引起的間接地殼形變。在模擬計算的基礎上，計算了三峽水庫蓄放水對地殼形變的影響，研究發現，三峽水庫蓄放水對庫岸及長江近岸的地殼垂直形變最大可達35mm左右，出現最大值的地方是庫區長江中心線的江底，離開中心線，垂直形變逐漸減小；對三峽庫區地殼水平形變影響的最大值不超過0．5mm。這將進一步加深水位變化對地殼形變的影響的認識，為三峽庫區水動力環境研究提供參考。

參考文獻

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作者：尹財1，2;章傳銀2;王偉2;楊陽2，3 單位：1山東科技大學測繪科學與工程學院，2中國測繪科學研究院大地測量與地球動力學研究所，3蘭州交通大學測繪與地理信息學院