隧洞工程建設(shè)對水環(huán)境影響預(yù)測評價
——以滇中引水工程獅子山隧洞為例

黃靖宇,曾柯耀,趙永川,張 強

(1.成都理工大學(xué),四川 成都 610059;2.云南省水利水電勘測設(shè)計研究院,云南 昆明 650021)

0 引言

山區(qū)地下隧洞(道)工程建設(shè)使得流動系統(tǒng)內(nèi)的地下水徑排條件發(fā)生改變,長期排放地下水也伴隨著影響范圍內(nèi)的地下水水位下降,造成泉水、溝渠及水庫的補給量減少甚至枯竭,從而破環(huán)原有的水環(huán)境平衡,從而滋生一系列生態(tài)環(huán)境問題及效應(yīng)[1-3]。

近年來,隨著國家對于協(xié)調(diào)工程建設(shè)與環(huán)境保護矛盾的問題愈加重視,隧洞(道)建設(shè)與水環(huán)境影響的相互研究也逐漸成為熱點。史景革基于地質(zhì)調(diào)查,結(jié)合隧道涌水量監(jiān)測和隧道滲漏水流量分段測量結(jié)果,張國珍[4]從隧道施工期間和運營期間兩個方面闡述了隧道對環(huán)境的影響,并且總結(jié)了國內(nèi)外一些專家學(xué)者對隧道環(huán)境負效應(yīng)評價研究;梁軍平[5]基于模糊層次分析法建立了巖溶地區(qū)隧道施工對水環(huán)境影響評價指標體系,并對西南地區(qū)某隧道進行了實例驗證,結(jié)果表明該體系可以滿足施工期不斷變化情況對水環(huán)境影響準確評估的要求;萬炳彤[6]考慮到隧道工程地下水環(huán)境中信息的不確定性、未確知性,構(gòu)建了隧道工程地下水環(huán)境負效應(yīng)評價體系并在工程中驗證該體系的可靠適用性;胡偉等[7]以重慶主城擬建鹿角隧道為例,對隧道影響范圍內(nèi)的地下水體、地表水體、土地資源與次生災(zāi)害進行了綜合評價,證明了隧道修筑會對該區(qū)域地下水文地質(zhì)環(huán)境造成較大影響;前人研究為隧道建設(shè)中水環(huán)境的保護積累了豐碩的理論基礎(chǔ)與指導(dǎo)方法。

滇中引水大理Ⅱ段獅子山隧洞的建設(shè)范圍涉及多個環(huán)境敏感點,在前期調(diào)查中地下水環(huán)境影響風險屬中等,亟需深入展開隧洞建設(shè)對水環(huán)境的影響研究。本文在收集區(qū)域自然地質(zhì)背景與查明水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上,基于數(shù)值法對區(qū)域天然滲流場與隧洞施工排水條件下的滲流場進行模擬預(yù)測,并分析區(qū)域滲流場的變化特征,以此作為理論依據(jù)對區(qū)域重要的水環(huán)境敏感點進行評價,為隧洞工程科學(xué)合理的保護區(qū)域生態(tài)環(huán)境提供指導(dǎo)方向。

1 研究區(qū)與工程概況

研究區(qū)地處云嶺橫斷山脈邊緣,云貴高原西南部,山脈總體呈南北走向,地貌形態(tài)多為中～高山構(gòu)造侵蝕山,其間分布數(shù)個小型構(gòu)造盆地,研究區(qū)氣候?qū)俦眮啛釒备咴撅L區(qū),年均降雨810 mm,地表水體由中部的小官村水庫、南東側(cè)的品甸海及多條箐溝組成。區(qū)域巖石地層處楊子準地臺西緣,槽臺轉(zhuǎn)化和川滇古陸隆起對本區(qū)的沉積建造和構(gòu)造運動起到?jīng)Q定性控制作用。

區(qū)域地層按地下水賦存條件可分為下二疊(P1)厚層狀灰?guī)r、康廊組(D1k)灰?guī)r巖溶含水層、中二疊(P2β)斑狀玄武巖風化裂隙含水層、下泥盆蓮花曲組(P2β)頁巖、上三疊白土田組(T3ba)、下侏羅馮家河組(J1f)砂泥巖相對隔水層。研究區(qū)巖溶發(fā)育,地表巖溶形態(tài)多樣,溶蝕洼地、谷地以及大量的溶蝕裂隙、溶孔等散布丘間。地下水接受大氣降雨補給,多在層間或溶蝕裂隙運移,并以泉點或泄流方式在接觸帶或低洼地區(qū)排泄。

滇中引水獅子山隧洞工程設(shè)計全長29 420 m,其中小官村段長9 892 m(DLⅡ46+239～ DLⅡ55+221),最大埋深達400余米。線位橫穿了新村、桑園村和筆馬村等地,主要穿越D1k巖溶含水層,P2β、P2β、T3ba、J1f砂泥巖相對隔水層及侵入體花崗巖(γ53)、輝綠巖(ηυ)。

2 排水條件下滲流場模擬分析

數(shù)值模擬采用行業(yè)內(nèi)認可度較高且使用相對成熟的Visual Modflow軟件[8-10],實現(xiàn)對區(qū)域滲流場變化的可視化模擬展現(xiàn)。

2.1 模型范圍與概化

根據(jù)研究區(qū)地形條件和水文地質(zhì)結(jié)構(gòu),圈定模擬范圍西至北秧凹、東達洗窩帚山隧洞進口,南起海溝頭北抵帽山莊附近,總面積約89.8 km2(圖1)。模型東西向長9 457.5 m,南北寬9 505.36 m,以100 m剖分平面成95×95的網(wǎng)格;垂直方向模擬高程1 300～2 400 m,根據(jù)含水介質(zhì)性質(zhì)和模型計算需求,垂向剖分13層。

圖1 區(qū)域模型等值線圖

2.2 參數(shù)賦值與時間離散

根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)試驗和資料結(jié)果(表1),對研究區(qū)下伏地層6種不同的地層巖性進行賦值,補給強度為243 mm/yr,枯季和雨季分別設(shè)置不同的河流邊界和降雨入滲補給量,其中1-5月補給強度為92 mm,5-12月補給強度為150 mm。時間步長設(shè)置為360 d,約為一個完整水文年,步數(shù)為12,計算間隔時間為10 d,模擬施工時間為5 a。

表1 模型參數(shù)分布示意圖

2.3 模型校驗

選取四個觀測井對模擬天然地下水水位與實測地下水水位對比分析,以確定模型的擬合準確度。模型地下水位隨著時間延續(xù)逐漸接近實測水位,最終水位與實際情況大體相符,誤差比均小于5%,從而驗證了取值參數(shù)得可靠性(見表2)。

表2 模型計算觀測井水位與實測水位擬合表

2.4 天然滲流場模擬結(jié)果

研究區(qū)天然滲流場模擬結(jié)果如圖2,受區(qū)內(nèi)地形地貌、含水巖組分布及構(gòu)造發(fā)育等條件控制,本項目在中高山地區(qū)地下水水位受深切溝谷和排泄基準面的影響,靠近溝谷及河流位置地勢低,地下水位埋深小,而在山坡中,地下水位埋深則較大,小官村水庫是該區(qū)域地下水主要的排泄基準面。模擬結(jié)果與實際水文地質(zhì)條件基本吻合,天然條件滲流場及可用于后續(xù)的隧洞排水條件滲流場變化模擬分析。

圖2 天然滲流場圖

2.5 滲流場變化特征

根據(jù)施工經(jīng)驗,特長隧洞的計劃建設(shè)周期一般在五年左右。因此采用非穩(wěn)定流對隧洞全段開挖五年后的滲流場變化進行預(yù)測模擬,模擬結(jié)果顯示(圖3),隧洞在穿越羅賢觀北側(cè)時將揭露灰?guī)r段,由于滲含水介質(zhì)連通性強,水位相比其他地區(qū)大幅度下降,此外在梁王山新村以西、花交井至羅家山一線水位也發(fā)生了不同程度的下降,隧洞排水對區(qū)域南西側(cè)水位影響較小。

3 水環(huán)境影響評價

隧道施工影響范圍內(nèi)主要涉及梁王山云南源水廠巖溶大泉、馬筆村泉及小官村水庫三處主要的環(huán)境敏感點,結(jié)合基礎(chǔ)水文地質(zhì)調(diào)查與數(shù)值模擬結(jié)果,逐一對其進行環(huán)境影響評價。

3.1 梁王山巖溶大泉

通過對梁山王泉的成因分析認為其補給主要來源于梁王山西側(cè)的巖溶山體,主要含水層與隧洞之間有花崗巖和玄武巖等非可溶巖阻隔,隧洞建設(shè)對西側(cè)的巖溶區(qū)地下水發(fā)生襲奪的可能性較小,數(shù)值模擬分析中佐證了這一觀點,在隧洞全排五年條件下,西側(cè)巖溶山體的水位變化幅度不明顯,只有較高的地下水發(fā)生了局部的下降;綜上認為隧洞施工對梁王山云南源水廠巖溶大泉的影響較小。

3.2 馬筆村泉

馬筆村泉與獅子山隧洞小官村段位于同一水文地質(zhì)單元,且距離較近,且所在區(qū)域滲流場水位下降幅度較大,隧洞施工存在使馬筆村泉水量減小、甚至枯季枯竭的風險。

3.3 小官村水庫

小官村水庫與獅子山隧洞垂直距離約2.5 km,庫盆大部分位于P2β玄武巖地層中,只有少部分位于T3ba厚層狀粉砂巖、砂質(zhì)泥巖。水庫高程2 070 m,隧洞高程1 965 m,其間地層均為非可溶巖,且?guī)r層走向近乎平行于隧洞線,過水通道較少,兩個工程的水力聯(lián)系弱,通過達西定律估算,庫水向隧洞方向滲透最大速度僅0.042 m/d,單寬滲透量較小,隧洞建設(shè)對水庫的蓄水問題影響較小。

小官村水庫的水源包括天然的匯水補給量和“引洱入賓”工程輸水量兩部分,通過對水庫上游的面積測算,小官村水庫的天然補給的總集水面積為84 km2。模型結(jié)果顯示隧洞建設(shè)穿越可溶巖段會使羅賢觀北側(cè)約6 km2的地下水水位下降,其中有約2.5 km2屬于小官村水庫的匯水區(qū)域,小官村水庫隧洞穿越的可溶巖面積占整個水庫總集水面積的2.9%。隧洞穿越的可溶巖匯水面積的產(chǎn)水量估算:2.5(km2)×30(104m3/y)×20%=25×104m3/y,產(chǎn)水量占整個水庫總?cè)霂炝?2 200×104～2 500×104m3)的1.00%～1.13%,故隧洞施工對水庫整體的徑流補給影響較小。

4 結(jié)語

通過水文地質(zhì)調(diào)查與數(shù)值模擬分析,探明了隧洞建設(shè)影響的主要區(qū)域,并以此為理論基礎(chǔ)對研究區(qū)的主要環(huán)境敏感點進行影響評價,主要成果如下:

(1)由于巖溶含水層介質(zhì)連通性強,隧洞建設(shè)在穿越羅賢觀北側(cè)巖溶山地時,地下水的水位下降和影響面積顯著大于非可溶巖地區(qū);

(2)隧洞建設(shè)對同一水文地質(zhì)單元的馬筆村泉水量會產(chǎn)生一定的影響,對梁王山巖溶大泉的水量和小官村水庫徑流補給量與庫盆滲漏影響較小。