基于MODFLOW的水庫滲漏預測與影響評價數值模擬研究

邵 鵬

(遼寧潤中供水有限責任公司，遼寧 撫順 113006)

1 工程概況

隨著經濟社會的迅速發展，遼寧省岫巖縣城區面積不斷擴大，人口數量逐年增加，因此對供水水源也提出了更高要求。為了保證城區供水安全，亟待修建第二水源。根據第二水源項目的相關規劃，擬在岫巖縣前營子鎮西大營村與狄家堡村交界處新建一座蓄水調節中型水庫。前營子調節水庫的設計庫容為3350萬m3。配套設施為日處理3.5萬m3的凈水廠一座，輸水管線5km。工程建成后可以為岫巖縣城區、前營子農高區、雅河園區提供生活生產用水，項目計劃投資5億元。前營子調節水庫位于大洋河流域，屬于典型的濕潤性季風氣候，多年平均氣溫11.8℃，多年平均降雨量830.5mm。庫區的地層巖性比較單一，主要以砂巖和泥質砂巖為主。研究區的地下水主要為第四系潛水，其水流方向與地形坡度基本一致。地下水補給主要為降水入滲補給、水庫建成后的滲漏補給、側向徑流補給以及承壓水的越流補給，地下水的排泄方式主要是側向徑流排泄、承壓含水層的越流排泄以及人為開采。水庫滲漏是水庫建成運行過程中不可避免的問題，主要表現為庫水沿著巖石的孔隙、裂隙、斷層以及溶洞向溝谷低地和地下水含水層滲漏[1]。水庫的滲漏不僅會影響水庫的效益發揮，還容易誘發次生地質災害和生態危害[2]。鑒于前營子調節水庫的庫盆巖層以砂巖和泥質砂巖為主，容易形成透水性較強的滲漏通道[3]，在工程設計和建設中對水庫的滲漏問題進行研究具有重要的工程價值和必要性。

2 基于MODFLOW的水庫滲漏預測模型

2.1 模擬范圍

根據前營子調節水庫周邊的地形地貌特點以及地下水的流動特征，確定以庫盆為中心，東西寬10500m，南北長7800m的模擬區域，南至岫梨線一帶，北至小繭場和二道溝一帶，西至前李線東陽溝一帶，東至前營鎮，總面積約56.3km2。研究區上至潛水面，下至基巖隔水層，總厚度約60～70m。

2.2 水力特征及邊界條件

根據項目設計階段的地質勘查資料，模擬區域為單一的第四系潛水含水層，具有二維、非均質、各向同性、非穩定流的地下水水力特征。基于此，對模型的邊界條件進行概化并確定相應的邊界條件[4]。其中，上邊界為地下水潛水面，為降雨入滲補給；下邊界為基巖隔水層，為隔水邊界條件；南部邊界和北部邊界上部存在徑流交換，設定為二類流量邊界條件；北部邊界下部與流線大致平行，為隔水邊界條件；東部和西部邊界存在徑流交換，設定為二類流量邊界；庫區為弱透水層，設定為三類混合流量邊界[5]。

2.3 模型的剖分

在MODFLOW軟件中，模型求解采用的是有限差分法[6]。因此，首先需要對構建的幾何模型進行空間網格剖分。根據研究對象的特點以及計算的實際需求，研究中采用不等距單元進行模型的空間網格剖分[7]，最終獲取85行、154列，對模型邊界部位進行網格加密處理，最終獲得13087個計算單元。在模型的垂直方向，鑒于地層結構比較單一，因此剖分成1層[8]。網格剖分示意圖如圖1所示。在模型計算過程中，設置長度為5a的模擬期，以30d為一個時間步長，以1a為一個應力期[9]。

圖1 模型網格剖分示意圖

2.4 模型參數的率定

根據項目地質調查資料，研究區的地下水埋深為7～11m左右。根據相關研究成果，當地下水埋深在5m以上時，潛水的蒸發比較微弱，在研究中可以忽略不計[10]。同時，受到水庫建設的影響，模擬區內的地下水開采量將大幅減少。因此，潛水蒸發、人為開采以及灌溉補給對地下水水位和流場的影響可以忽略不計[11]。基于上述分析，研究中需要考慮的水文地質參數為滲透系數、給水度以及降雨入滲系數[12]。研究中根據庫區的地質資料和監測結果將庫底滲漏區分為7個不同的子區域并給出參數的初始值，分區的示意圖如圖2所示。

圖2 庫區滲漏分區示意圖

在確定模型水文地質參數的基礎上，選取2018年3月—2019年2月為模型參數的率定期。模型參數的率定以研究區2019年2月的地下水流場實測值為基礎，采用“試錯法”進行[13]。最終獲得不同子區域的水文地質參數率定結果，見表1。

表1 水文地質參數率定結果

2.5 模擬工況設計

根據工程特點和實際建設計劃，研究針對第一階段蓄水、低水位運行和高水位運行3個階段，分別設計了3種計算工況，具體設計見表2。

表2 計算工況設計

3 計算結果與分析

3.1 滲漏時空分布特征

利用上節構建的模型，對模擬期不同情景下前營子調節水庫的地下水滲漏補給量進行計算，結果見表3。由計算結果可知，在3種不同的計算工況下，前營子調節水庫的滲漏量均呈現出不斷下降的態勢。究其原因，主要是隨著水庫滲漏，地下水得到相應的補給，因此二者之間的水力梯度以及水位差不斷減小，最終導致滲漏量的不斷減小[14]。因此，地下水位是造成水庫滲漏量時間差異的重要原因。此外，從表中結果可以看出，隨著水庫建設的進行和使用，滲漏量占總庫容的比例雖然有所增加，但是增加的幅度較小，說明水庫的滲漏損失不會對水庫的水量造成比較顯著的影響。

表3 水庫滲漏量計算成果

3.2 地下水和庫水位對滲漏強度的影響分析

由上節的分析可知，前營子調節水庫滲漏強度和滲漏量的主要影響因素是地下水位和庫水位。為了進一步研究庫水位和地下水位對庫區的滲漏量和滲漏強度的影響，本節利用基于MODFLOW的滲漏模型展開進一步研究。

根據模型的模擬計算成果，繪制出研究區內的ob1和ob2兩個觀測井水位和水庫滲漏強度之間的關系，結果如圖3所示。由圖3可知，2個典型觀測井的地下水位和滲漏量之間的具有較好的擬合度，說明地下水流場中的上下游水位和滲漏強度之間存在比較密切的關系，也就是水庫的滲漏強度隨著地下水位的上升而下降。此外，觀測井ob1和ob2的地下水位每上升1m，水庫的滲漏強度分別下降3.39和3.69mm/a，說明觀測井ob2對水庫滲漏強度的影響更為明顯。究其原因，主要是觀測井ob2距離庫區較近，其水位變化對庫區滲漏的影響更為顯著[15]。

為了進一步研究庫水位與水庫滲漏強度之間的關系，利用構建的模型對不同庫水位條件下的水庫滲漏強度，根據計算結果繪制庫水位和水庫滲漏強度之間的變化曲線，如圖4所示。由圖4可知，水庫滲漏量以及滲漏損失占庫容比和庫水位之間存在顯著的正相關關系，具體而言，水庫的庫水位每升高1m，水庫滲漏強度大約增加4.34mm/a，占庫容比則增加0.85‰。在持續高水位運行情況下，水庫的年滲漏量約為298485m3/a，約占總庫容的8.91‰。由此可見，水庫水位的升高會導致滲漏損失的加大，但是水庫年滲漏量占總庫容的比值均在較低水平，對水庫長期運行影響并不大。

圖3 地下水位與滲漏強度關系曲線

圖4 庫水位與滲漏強度關系曲線

4 結語

滲漏是影響水庫運行和效益發揮的重要因素，因此滲漏評價是水庫設計建設中的重要問題。本次研究建立了基于MODFLOW的水庫滲漏模型，研究了滲漏強度的時空分布特征、地下水位和庫水位對滲漏強度的影響，認為前營子調節水庫的滲漏損失不會對水庫的水量造成比較顯著的影響。同時建議在庫盆滲漏比較嚴重的部位采取必要的防滲漏措施，以提高水庫水資源的利用效率。當然，本次研究也存在一些不足，在今后的研究中有必要根據監測數據和庫水滲漏情況，系統考慮降水、下墊面、地下水等多方面因素的影響，以期獲得更為科學的研究成果。