平原水庫(kù)建設(shè)對(duì)地下水水位的影響預(yù)測(cè)

周亞群 婁云 喻光曄

平原水庫(kù)建設(shè)對(duì)地下水水位的影響預(yù)測(cè)

周亞群 婁云 喻光曄

平原水庫(kù)對(duì)水資源的蓄積和調(diào)劑起了很大作用，但對(duì)周邊環(huán)境也有很大影響，可能存在地基軟弱、地基液化、滲漏、周邊浸沒(méi)等問(wèn)題。這些問(wèn)題均與地下水環(huán)境的改變密切相關(guān)，一系列工程措施改變了地下水的賦存環(huán)境及補(bǔ)徑排條件，使工程建設(shè)區(qū)附近及下游片區(qū)地下水位降低或上升。目前國(guó)內(nèi)外采用的地下水水位預(yù)測(cè)方法主要有回歸分析法、數(shù)理統(tǒng)計(jì)法、模糊數(shù)學(xué)法、灰色系統(tǒng)法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，單一的預(yù)測(cè)方法各有其優(yōu)劣勢(shì)。為提高地下水位預(yù)測(cè)精度，可采用多種方法融合或變權(quán)組合使用的方法。我國(guó)針對(duì)平原水庫(kù)地下水環(huán)境影響評(píng)價(jià)可參考的資料少，導(dǎo)則中也沒(méi)有給出專門的公式，因此探索平原水庫(kù)建設(shè)對(duì)地下水水位的影響具有重要的實(shí)用價(jià)值。本文以擬建的辛集洼水庫(kù)為例，采用潛水井非穩(wěn)定流公式預(yù)測(cè)水庫(kù)運(yùn)行期正常工況及事故工況下，庫(kù)水滲漏對(duì)地下水水位的抬升幅度，分析可能產(chǎn)生的土壤次生鹽漬化問(wèn)題并提出相應(yīng)的控制措施。

一、工程概況

擬建辛集洼水庫(kù)位于山東省濱州市鄒平縣城北側(cè)，孫鎮(zhèn)辛集村南，距縣城約15km。工程規(guī)模為中型，總庫(kù)容3078萬(wàn)m3，死庫(kù)容364萬(wàn)m3，蓄水位19.11m。主要建筑物工程有引水渠、渠道交叉建筑物、圍壩、截滲溝、出入庫(kù)泵站、出入庫(kù)涵洞、供水工程、管理設(shè)施等。引水渠全長(zhǎng)6.045km，設(shè)計(jì)流量為14m3/s；圍壩為復(fù)合土工膜防滲體土壩，壩頂高程21.34m；圍壩外距壩軸線65.50m處設(shè)截滲溝；入庫(kù)最大設(shè)計(jì)流量14.0m3/s，最小設(shè)計(jì)流量4.5m3/s；出庫(kù)設(shè)計(jì)流量1.56m3/s，共設(shè)4臺(tái)機(jī)組；工業(yè)供水管道全長(zhǎng)約12.6km；生活供水管道全長(zhǎng)7.813km；日供水13.47萬(wàn)m3。

二、水文地質(zhì)條件

區(qū)域內(nèi)廣泛分布第四系沉積物，其巖性松散，孔隙發(fā)育，賦存孔隙水。山前地帶分布的沖洪積層多由黃土狀粘性土或砂性土組成，間夾透鏡狀碎石層。黃土狀土多具垂直裂隙，有不甚發(fā)育的大孔隙構(gòu)造，具一定滲透性。地下水以大氣降水補(bǔ)給為主，沖洪積扇地段尚接受大量的上游地下徑流補(bǔ)給和下伏裂隙巖溶水補(bǔ)給，形成該區(qū)透水性較強(qiáng)的第四系含水層。

北部沖積層系由黃河多次泛濫沉積而成，地形平坦，巖性松散，顆粒較細(xì)，砂層多呈帶狀分布，透水性較強(qiáng)。地下水的補(bǔ)給以大氣降水滲入為主，在黃河沿岸一帶，尚接受黃河水的側(cè)滲補(bǔ)給，該區(qū)孔隙水的賦存均受古河道帶控制，古河道帶含水砂層發(fā)育，透水性較強(qiáng)，古河道間帶含水砂層不發(fā)育，且層多而薄，巖性多為粉細(xì)砂，補(bǔ)給條件較差，透水性較弱。

三、地下水水位現(xiàn)狀調(diào)查

在辛集洼水庫(kù)庫(kù)區(qū)布置18座水位觀測(cè)井，分別于2012年8月17日（豐水期）及2013年5月13日（枯水期）進(jìn)行了地下水位觀測(cè)。根據(jù)觀測(cè)結(jié)果，豐水期地下水埋深0.80～2.80m，地下水位8.99～11.35m；枯水期地下水埋深1.50～3.70m，地下水位8.09～ 10.25m；豐、枯水期地下水變幅0.40～1.50m。地下水流向總體由西南流向東北，向小清河方向排泄。豐水期地下水補(bǔ)給杏花河河水，在庫(kù)區(qū)附近地下水流場(chǎng)顯示地下水向杏花河排泄。豐水期場(chǎng)區(qū)周邊現(xiàn)狀地下水埋深較淺，局部小于浸沒(méi)臨界深度，說(shuō)明現(xiàn)狀局部場(chǎng)區(qū)已處于浸沒(méi)狀態(tài)。

四、水庫(kù)建設(shè)對(duì)地下水水位的影響

本文針對(duì)工程運(yùn)行期正常工況及事故工況下，水庫(kù)庫(kù)水滲漏對(duì)地下水水位抬升幅度進(jìn)行預(yù)測(cè)；預(yù)測(cè)范圍為水庫(kù)滲漏影響到的最大范圍，采用《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則—地下水環(huán)境》（HJ 610－2011）附錄C中C.13公式計(jì)算得出辛集洼水庫(kù)圍壩樁號(hào)5+677～7+113處含水層滲透系數(shù)最大（4.27m/d），其影響半徑為1.45km；預(yù)測(cè)時(shí)段自水庫(kù)建成蓄水起，至運(yùn)行30d、100d、1a、5a、10a、20a、30a。

1.預(yù)測(cè)模型

預(yù)測(cè)模型采用地下水流解析法，計(jì)算公式如下：

H-h=Δh

式中：

H—包氣帶初始厚度，m；

h—預(yù)測(cè)點(diǎn)包氣帶厚度，m；

k—包氣帶綜合滲透系數(shù)，m/d；

Qi—水庫(kù)圍壩每米單位滲透量，m3/d；

W（ui）—井函數(shù)，可通過(guò)查表的方式獲取井函數(shù)的值（《地下水動(dòng)力學(xué)》）；

μ—給水度，無(wú)量綱；

ri—預(yù)測(cè)點(diǎn)到壩軸線的距離；

t—為自水庫(kù)蓄水開始到計(jì)算時(shí)刻的時(shí)間；

Δh—預(yù)測(cè)點(diǎn)地下水位變幅。

2.模型概化及假定條件

平原水庫(kù)為面狀地下水補(bǔ)給源，概化為沿圍壩一周均勻分布的補(bǔ)給井，對(duì)周邊地下水的影響概化為每單個(gè)井對(duì)地下水的影響，補(bǔ)給量為水庫(kù)滲漏量均分到每單個(gè)補(bǔ)給井補(bǔ)給地下水。根據(jù)預(yù)測(cè)模型，結(jié)合工程運(yùn)行及場(chǎng)區(qū)水文地質(zhì)條件，模型計(jì)算條件作以下假定：水位計(jì)算從水庫(kù)圍壩壩軸線處起，向庫(kù)外一定距離預(yù)測(cè)；水庫(kù)滲漏量假定保持不變，按年滲漏量平均至圍壩每米單井日滲漏量；包氣帶巖土均質(zhì)各向同性；原始潛水面水平；包氣帶巖土層滲透系數(shù)取各有關(guān)層的厚度加權(quán)平均值。

3.模型計(jì)算及評(píng)價(jià)

（1）正常工況下

辛集洼水庫(kù)工程設(shè)計(jì)中對(duì)壩基采取了全庫(kù)盆鋪膜防滲，圍壩采取了復(fù)合土工膜防滲和壩外截滲溝，正常工況下，工程處理措施均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

1）參數(shù)選取

①正常工況下，辛集洼水庫(kù)年滲漏量316.81萬(wàn)m3，每米單井日滲漏量Q為1.14m3/d。

②按場(chǎng)區(qū)豐水期地下水埋深0.8～2.8m，取平均值1.7，包氣帶初始厚度H取1.7m。

③包氣帶內(nèi)分布土層為①層裂隙粘土，巖土層綜合滲透系數(shù)k為2.08m/d。

④根據(jù)包氣帶巖土層特征，給水度取經(jīng)驗(yàn)值0.1。

⑤包氣帶平均厚度M取1.7m。

2）模型計(jì)算

根據(jù)預(yù)測(cè)模型和計(jì)算參數(shù)，正常工況下壩軸線外地下水變幅計(jì)算成果見圖1。

圖1　辛集洼水庫(kù)正常工況下水庫(kù)壩軸線外地下水位變幅圖

由圖1可見，正常工況下，水庫(kù)蓄水時(shí)間越長(zhǎng)、地下水位抬升越高、影響范圍越大。當(dāng)水庫(kù)運(yùn)行30d后，地下水位最高上升0.213m，距壩軸線約100m處地下水位變幅趨向于0；當(dāng)水庫(kù)運(yùn)行1a后，地下水位最高上升0.288m，距壩軸線約200m外地下水位基本不受影響；當(dāng)水庫(kù)運(yùn)行5a后，庫(kù)水滲漏對(duì)地下水位的影響基本趨于穩(wěn)定；蓄水30a后地下水位漲幅最大處為0.397m，庫(kù)水滲漏對(duì)地下水位的影響較小。

工程區(qū)現(xiàn)狀地下水平均埋深1.7m以下，一般大于土壤次生鹽漬化的地下水埋深臨界值1.2m，正常工況下庫(kù)水滲漏引起的地下水位漲幅對(duì)地下水環(huán)境沒(méi)有影響。對(duì)壩基及圍壩進(jìn)行防滲處理后，可以有效控制水庫(kù)滲漏引起的浸沒(méi)、土壤次生鹽漬化等環(huán)境水文地質(zhì)問(wèn)題，還有利于減緩豐水期已造成截滲溝附近的浸沒(méi)及土壤次生鹽漬化現(xiàn)象。

（2）事故工況下

此次主要是在防滲措施失效的事故工況下，預(yù)測(cè)庫(kù)水滲漏對(duì)地下水位的影響。

1）參數(shù)選取

防滲措施失效工況即防滲土工膜局部出現(xiàn)破損，致使水庫(kù)滲漏量較大，水庫(kù)滲漏量取未防滲時(shí)水庫(kù)滲漏量的50%，即710.15萬(wàn)m3，則每米單井日滲漏量Q為2.56m3/d；其他參數(shù)同上。

2）模型計(jì)算

根據(jù)預(yù)測(cè)模型和計(jì)算參數(shù)，防滲措施失效工況下壩軸線外地下水變幅計(jì)算成果見圖2。

圖2　辛集洼水庫(kù)防滲措施失效工況下水庫(kù)壩軸線外地下水位變幅圖

由圖2可知，防滲措施失效工況下，庫(kù)水滲漏對(duì)地下水位的影響較大。當(dāng)水庫(kù)運(yùn)行30d后，地下水位最高上升0.531m；當(dāng)水庫(kù)運(yùn)行1a后，地下水位最高上升0.763m；當(dāng)水庫(kù)運(yùn)行5a后，地下水位最高上升0.950m，距壩軸線約600m外地下水位影響較??；當(dāng)水庫(kù)運(yùn)行10a后，地下水位最高上升1.046m，地下水位變幅增長(zhǎng)較慢，庫(kù)水滲漏對(duì)地下水位的影響基本趨于穩(wěn)定；蓄水30a后地下水位漲幅最大處達(dá)1.24m。

因此，蓄水時(shí)間超過(guò)1a后，受水庫(kù)滲漏影響，壩后一定范圍內(nèi)地下水埋深將小于土壤次生鹽漬化的地下水埋深臨界值1.2m，造成壩后浸沒(méi)現(xiàn)象。局部場(chǎng)區(qū)豐水期現(xiàn)狀地下水埋藏較淺，已處于浸沒(méi)狀態(tài)，事故工況下水庫(kù)滲漏會(huì)造成場(chǎng)區(qū)浸沒(méi)的進(jìn)一步擴(kuò)大，加劇土壤次生鹽漬化現(xiàn)象。

五、結(jié)論及建議

經(jīng)預(yù)測(cè)，正常工況下辛集洼水庫(kù)庫(kù)水滲漏對(duì)地下水位的影響較小，輕微的地下水位漲幅對(duì)地下水環(huán)境沒(méi)有影響，且采取防滲措施后可以有效控制地下水水位和環(huán)境水文地質(zhì)問(wèn)題；事故工況下，庫(kù)水滲漏引起的地下水位漲幅較大，蓄水超過(guò)1a，壩后一定范圍內(nèi)地下水埋深將小于土壤次生鹽漬化的地下水埋深臨界值1.2m，造成壩后浸沒(méi)現(xiàn)象進(jìn)一步擴(kuò)大，局部可能加劇土壤次生鹽漬化現(xiàn)象。

為防止運(yùn)行期水庫(kù)滲漏造成地下水大幅度抬升，引起周邊浸沒(méi)、土壤次生鹽漬化等環(huán)境水文地質(zhì)問(wèn)題，除采取必要的工程措施外，建議采取以下防護(hù)措施：加強(qiáng)地下水位觀測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并加以解決，確保地下水位在浸沒(méi)臨界埋深以下；通過(guò)建立生態(tài)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)控制地下水位；定期進(jìn)行庫(kù)水水質(zhì)監(jiān)測(cè)，防止庫(kù)水污染影響地下水水質(zhì)；在管理區(qū)設(shè)置地埋式一體化污水處理設(shè)施，減少對(duì)地下水水質(zhì)污染風(fēng)險(xiǎn)。

（作者單位：淮河水資源保護(hù)科學(xué)研究所233001）