三泉水庫庫區滲漏模式及滲漏強度問題研究

李扭串

(山西省水利水電勘測設計研究院， 山西 太原 030024)

三泉水庫庫區滲漏模式及滲漏強度問題研究

李扭串

(山西省水利水電勘測設計研究院， 山西 太原 030024)

三泉水庫既是禹門口提水、供水工程的調蓄庫，又是古堆泉生態修復工程的主要補給源。本文通過對庫區地質勘查、滲漏點調查、水庫水文監測資料分析、環境同位素測試、滲水試驗以及采用MODFLOW數值反演等手段，研究了三泉水庫的滲漏區分布、滲漏模式和滲漏強度，建立了滲漏量預測模型，為古堆泉生態修復項目設計與修復效果的數值評估提供了關鍵技術支撐。

古堆泉生態修復； 三泉水庫； 滲漏模式； 滲漏強度； 預測模型

1 研究背景

三泉水庫建成于1957年7月，是一座以防洪、灌溉為主的小(1)型水庫，控制流域面積105.2km2。大壩為均質土壩，壩高13.2m，壩頂高程449.00m，正常蓄水位447.50m，總庫容697萬m3。2009年建設禹門口提水東擴工程，三泉水庫為該工程的調蓄庫。古堆泉位于三泉水庫的庫尾，是山西巖溶大泉中唯一的中低溫泉，流量為1.3m3/s[1]，1999年斷流[2]，2016年泉口處地下水埋深63.3m，降落漏斗面積近500km2。2014年山西省政府啟動古堆泉生態復流研究項目，三泉水庫既作為禹門口提水東擴工程的調蓄水庫，又是古堆泉生態修復的主要人工供水補給源，因此，查清水庫的滲漏分區、滲漏模式和滲漏強度是古堆泉生態修復工程設計與修復效果數值評估的關鍵。

2 庫區地質條件

據勘察，庫區出露的地層主要有：

a.奧陶系中統上馬家溝組(O2s)：巖性為淺灰、深灰色中厚層狀灰巖，局部夾泥質灰巖。灰巖巖性堅硬，厚度大于100m，主要出露于庫尾及左岸泉群出露處。

3 庫區滲漏模式分析

3.1 庫區滲透特征分析

a.向外水平滲漏。庫區及兩岸地形高程均高于水庫正常蓄水位高程，庫岸均為低液限黏土、低液限粉土，為弱透水層，庫區兩岸沒有較低鄰谷存在，不存在向外水平滲漏問題。

b.庫區垂直滲漏。庫區主要分布第四系全新統沖洪積物低液限黏土，厚0.5～28.0m，局部夾粉土、含砂粉土透鏡體，屬微～中等透水層，滲透性小。近岸邊及基巖部位分布有碎石土層，為坡積或風積層，滲透性大。

三泉水庫正常蓄水位447.50m，古堆泉群位于庫尾低洼處，由蓮花泉、葫蘆泉、亂泉組成，出露高程440.00～443.60m，低于正常蓄水位。2012年9月禹門口提水東擴工程(一期)試通水，調蓄水庫低水位運行，當初期蓄水位到達443.50～444.00m時，監測發現庫水位呈逐漸下降趨勢，且滲漏量較大。調查發現庫尾左岸澤掌村古堆泉部分泉眼出現回灌現象，在庫水位下降至441.50m時，庫尾出露多處泉眼和滲漏點。

據水庫滲漏觀測：庫水位在444.00～443.53m時滲漏量為5.9萬m3/d，在443.53～442.85m時滲漏量為4.66萬m3/d，在441.85～441.52m時滲漏量為0.78萬m3/d，在441.53～441.46m時滲漏量為0.39萬m3/d。三泉水庫庫尾地面高程440.00～447.30m，庫尾塌陷坑和主要泉眼出露高程442.00～443.60m，只有亂泉高程低于441.00m，據分析觀測數據，當庫水位下降到441.50m，低于主要泉口高程時滲漏量明顯減少。

據調查，調蓄水庫試蓄水后，庫區出現18處大小不等的滲水塌陷坑(見圖1)。一般坑徑0.8～2.0m，深1.0～1.5m，最大塌陷坑為14號坑，口徑3.0×3.5m，深達3.5m，呈漏斗狀。

為使調蓄庫正常運行，2015年年初在庫區滲漏調查基礎上，庫尾設計并修建了防護堤。

3.2 地下水同位素特征分析

地下水的環境同位素特征能夠有效反映地下水補給來源和循環路徑。為查清三泉水庫是否滲漏補給古堆泉巖溶水，對庫水和巖溶地下水進行環境同位素采樣分析。分析結果表明：古堆泉口水樣的δ18O值為-9.8‰，周邊補給區北東向汾陽嶺巖溶水樣的δ18O值為-10.4‰～-11.0‰、九原山東側趙康巖溶水樣的δ18O值為-10.5‰、東南侯馬方向巖溶水樣的δ18O值為-11.4‰，都明顯低于古堆泉中δ18O的含量，而三泉水庫水樣的δ18O值為-7.7‰，遠高于古堆泉以及周邊各補給方向上的巖溶水樣。

鍶是穩定元素，地下水中Sr2+的濃度通常不受人為因素影響，不同地層中鍶含量有明顯差異，且隨地下水徑流途徑增長、水-巖相互作用時間增加，Sr2+濃度逐漸增高，從補給區到徑流區、排泄區，Sr2+濃度總體上是增加的。對同一地下水流動系統，化學元素的濃度同時還與地下水徑流強弱相關。因此，地下水中Sr2+濃度的變化反映著不同地質環境特征[3]。古堆泉口巖溶水Sr2+含量1.62mg/L，而周邊巖溶水樣中Sr2+含量一般在1.74～1.96mg/L，局部高達到3.14mg/L，均高于古堆泉水樣中Sr2+的含量。三泉水庫庫水中Sr2+含量為0.496mg/L，遠低于古堆泉。

圖1 三泉水庫庫區主滲漏區、滲漏點分布

由同位素的監測和分析結果表明，古堆泉巖溶地下水接受三泉水庫滲漏補給的可能性較大。

3.3 滲漏模式及分區

由上分析可知，三泉水庫滲漏區分布于庫尾古堆泉出露區。按照滲漏區地層巖性、滲漏通道和滲漏方式，將其劃分為三個區(見圖2)。

a.巖溶灌入式強滲漏區，位于隔離堤外側或北側，區內分布葫蘆泉、蓮花泉等主泉口，庫水主要通過泉口巖溶通道的灌入式入滲。由于受隔離堤阻隔，只有在庫水漫堤或開閘放水時，該區才有庫水淹沒，因此，該區也可稱為非常態滲漏區。

b.孔隙-巖溶雙重介質慢滲區，位于隔離堤內側或南側，為庫水常態淹沒滲漏區，因此，也可稱為常態滲漏區。作為調蓄庫，首次試蓄水時產生的中小滲坑和古堆泉的散泉群就分布于該區。庫水穿越孔隙-巖溶雙重介質入滲補給孔隙水和巖溶水。根據2016年8月雙環滲水試驗，該區垂向滲透系數為3.6×10-4～6.21×10-4cm/s。

c.根據庫區滲坑側向徑流實驗，孔隙-巖溶雙重介質慢滲區外圍區淤積層孔隙水可通過側向徑流補給滲漏區，暫且稱之為水庫滲漏貢獻區。

根據GIS量測，三泉水庫主滲漏區的分布特征和地形特點，將引黃輸水渠以北的庫尾區劃為滲漏補給區。

圖2 三泉水庫滲漏分區

4 水庫滲漏強度分析

4.1 預測模型建立

三泉水庫的水均衡要素有河流與輸水渠補水量(Qsi)、水面直接接受的降水量補給量(p)、水庫提放水量(Qso)、蒸發量(e)和滲漏量(Sp)。

水量平衡方程為

ΔQ= (Qsi+p)-(Qso+e+Sp)

在無降水時段，如果水庫無來水量，也無提放水量，則水庫的水量均衡方程即可簡化為

ΔQ=-(e+Sp)

(1)

該情況下庫水位的下降或水庫蓄水量的減少量即是由于水庫水面蒸發和滲漏引起的。此時，水庫的滲漏量就等于水庫蓄水的減少量與水面蒸發量之差。

據庫區地形圖及滲漏調查可知，在庫水位高程低于440.00m時，水庫強滲漏區已基本無水，在庫水位高于440.00m時，庫區存在滲漏條件。2015年3月18日至2016年8月2日期間，水庫既無補水，又無提放水，水庫水位水量均衡要素只有蒸發與滲漏兩個要素，計算其平均水位和水位日降幅，并根據2013年實測蒸發量和新絳縣多年月平均蒸發量資料，獲取日均蒸發量，然后計算出滲漏強度。據此得到水庫滲漏強度與庫水位關系預測模型：

Sp=5 × (H-440)+5

(2)

式中Sp——日滲漏強度，mm；

H——庫水位高程，m；

440——滲漏區庫底高程，m。

4.2 水庫動態監測信息對模型的驗證

取2015年3月18日～2016年8月2日這一時段庫水位觀測記錄代入模型進行計算。

2015年4月25日庫水位440.93m，2015年5月9日庫水位440.70m，共15日，水位下降230mm，日均降幅15.3mm。4月和5月多年平均月均蒸發量分別為188mm和240mm(見圖3)，日均蒸發量7.1mm，則水庫日滲漏強度約8.2mm。如果取該段平均庫水位440.80m，模型計算值的日滲漏強度為9.0mm。兩者相對誤差9.7%。

圖3 新絳縣多年月平均氣溫、降雨量和蒸發量對比

2016年7月21日庫水位443.61m，2016年8月2日庫水位443.27m，共12日，水位下降340mm，日均降幅28.3mm。多年平均7月和8月月均蒸發量分別為250mm和218.8mm，日均蒸發量7.6mm，則水庫日滲漏強度為20.7mm。如果取該時段平均庫水位443.44m，模型計算值的日滲漏強度為22.2mm。兩者相對誤差7.2%。

通過上述模型驗證結果表明，模型預測值誤差小于1mm。

據式(2)預測，當水庫蓄水量達到正常蓄水水位447.50m時，其日滲漏強度為42.5mm，則水庫滲漏量為2.8萬m3/d。

4.3 水流數值模擬對滲漏強度的反演驗證

本文運用MODFLOW水流模擬軟件，建立古堆泉三維數值模型，其中設有RES模塊。以2014年和2016年水井調查資料為依據進行模型識別，模擬結果表明，在三泉水位443.00m時水庫日滲漏量分別為1.5萬m3，按8月多年平均蒸發量7.06mm，折合0.47萬m3/d，兩項合計1.97萬m3/d，與無輸入輸出水量的2016年8月8日443.02m，9日443.05m兩日平均監測值2.0萬m3/d，相對誤差為1.5%。

如果按式(2)計算，庫水位為443.0m時，其日滲漏強度分別為20.0mm，即日滲漏量分別為1.32萬m3/d，與數值模擬反演的滲漏量1.5萬m3/d的相對誤差為12.0%。

綜上所述，水庫滲漏強度與庫水位關系可用式(2)來描述。

5 結 論

a.水庫滲漏模式分為巖溶灌入式強滲區、孔隙-巖溶雙重介質慢滲區，以及孔隙水徑流補給貢獻區。其中，孔隙-巖溶雙重介質慢滲區和孔隙水徑流補給貢獻區為常態滲漏區，巖溶灌入式強滲區為非常態滲漏區。

b.建立滲漏強度模型：Sp=5(H-440)+5。

c.采用MODFLOW數值模擬反演結果表明，水庫滲漏強度與庫水位關系可用式(2)來描述。

[1] 韓行瑞,魯榮安,李青松.巖溶水系統——山西巖溶大全[M].北京:地質出版社,1993.

[2] 張江汀.山西省巖溶大泉變遷與保護[M].太原:山西經濟出版社,2011.

[3] 葉萍金,勤勝,周愛國,等.河北平原地下水鍶同位素形成機理[J].地球科學中國地質大學學報,2008,33(1):38-42.

Research on seepage pattern and seepage strength in Sanquan Reservoir area

LI Niuchuan

(Shanxi Water Conservancy and Hydropower Survey and Design Institute, Taiyuan 030024, China)

Sanquan Reservoir is a regulation and storage reservoir in Yumenkou water withdrawal and water supply project. It is also an important supply source for Guduiquan Ecological Restoration Project. In the paper, the seepage area distribution, leakage mode and leakage strength of Sanquan Reservoir are studied through reservoir area geological survey, leakage point survey, reservoir hydrological monitoring data analysis, environmental isotope test, water seepage test, MODFLOW numerical inversion and other means. The leakage prediction model was set up, thereby providing key technical support for designing Guduiquan ecological restoration project and numerical evaluation of restoration effect.

Guduiquan ecological restoration; Sanquan Reservoir; seepage mode; seepage strength; prediction model

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.08.016

TV221

A

1005-4774(2017)08- 0059- 05