平原水庫建設(shè)對地下水水位的影響預(yù)測

周亞群 婁云 喻光曄

平原水庫建設(shè)對地下水水位的影響預(yù)測

周亞群 婁云 喻光曄

平原水庫對水資源的蓄積和調(diào)劑起了很大作用，但對周邊環(huán)境也有很大影響，可能存在地基軟弱、地基液化、滲漏、周邊浸沒等問題。這些問題均與地下水環(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。目前國內(nèi)外采用的地下水水位預(yù)測方法主要有回歸分析法、數(shù)理統(tǒng)計法、模糊數(shù)學法、灰色系統(tǒng)法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，單一的預(yù)測方法各有其優(yōu)劣勢。為提高地下水位預(yù)測精度，可采用多種方法融合或變權(quán)組合使用的方法。我國針對平原水庫地下水環(huán)境影響評價可參考的資料少，導(dǎo)則中也沒有給出專門的公式，因此探索平原水庫建設(shè)對地下水水位的影響具有重要的實用價值。本文以擬建的辛集洼水庫為例，采用潛水井非穩(wěn)定流公式預(yù)測水庫運行期正常工況及事故工況下，庫水滲漏對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題并提出相應(yīng)的控制措施。

一、工程概況

擬建辛集洼水庫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，總庫容3078萬m3，死庫容364萬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、出入庫泵站、出入庫涵洞、供水工程、管理設(shè)施等。引水渠全長6.045km，設(shè)計流量為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；入庫最大設(shè)計流量14.0m3/s，最小設(shè)計流量4.5m3/s；出庫設(shè)計流量1.56m3/s，共設(shè)4臺機組；工業(yè)供水管道全長約12.6km；生活供水管道全長7.813km；日供水13.47萬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給為主，沖洪積扇地段尚接受大量的上游地下徑流補給和下伏裂隙巖溶水補給，形成該區(qū)透水性較強的第四系含水層。

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，砂層多呈帶狀分布，透水性較強。地下水的補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，古河道間帶含水砂層不發(fā)育，且層多而薄，巖性多為粉細砂，補給條件較差，透水性較弱。

三、地下水水位現(xiàn)狀調(diào)查

在辛集洼水庫庫區(qū)布置18座水位觀測井，分別于2012年8月17日（豐水期）及2013年5月13日（枯水期）進行了地下水位觀測。根據(jù)觀測結(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。豐水期地下水補給杏花河河水，在庫區(qū)附近地下水流場顯示地下水向杏花河排泄。豐水期場區(qū)周邊現(xiàn)狀地下水埋深較淺，局部小于浸沒臨界深度，說明現(xiàn)狀局部場區(qū)已處于浸沒狀態(tài)。

四、水庫建設(shè)對地下水水位的影響

本文針對工程運行期正常工況及事故工況下，水庫庫水滲漏對地下水水位抬升幅度進行預(yù)測；預(yù)測范圍為水庫滲漏影響到的最大范圍，采用《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則—地下水環(huán)境》（HJ 610－2011）附錄C中C.13公式計算得出辛集洼水庫圍壩樁號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)測時段自水庫建成蓄水起，至運行30d、100d、1a、5a、10a、20a、30a。

1.預(yù)測模型

預(yù)測模型采用地下水流解析法，計算公式如下：

H-h=Δh

式中：

H—包氣帶初始厚度，m；

h—預(yù)測點包氣帶厚度，m；

k—包氣帶綜合滲透系數(shù)，m/d；

Qi—水庫圍壩每米單位滲透量，m3/d；

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

μ—給水度，無量綱；

ri—預(yù)測點到壩軸線的距離；

t—為自水庫蓄水開始到計算時刻的時間；

Δh—預(yù)測點地下水位變幅。

2.模型概化及假定條件

平原水庫為面狀地下水補給源，概化為沿圍壩一周均勻分布的補給井，對周邊地下水的影響概化為每單個井對地下水的影響，補給量為水庫滲漏量均分到每單個補給井補給地下水。根據(jù)預(yù)測模型，結(jié)合工程運行及場區(qū)水文地質(zhì)條件，模型計算條件作以下假定：水位計算從水庫圍壩壩軸線處起，向庫外一定距離預(yù)測；水庫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.模型計算及評價

（1）正常工況下

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

1）參數(shù)選取

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

②按場區(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)驗值0.1。

⑤包氣帶平均厚度M取1.7m。

2）模型計算

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

圖1　辛集洼水庫正常工況下水庫壩軸線外地下水位變幅圖

由圖1可見，正常工況下，水庫蓄水時間越長、地下水位抬升越高、影響范圍越大。當水庫運行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；當水庫運行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；當水庫運行5a后，庫水滲漏對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，庫水滲漏對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，正常工況下庫水滲漏引起的地下水位漲幅對地下水環(huán)境沒有影響。對壩基及圍壩進行防滲處理后，可以有效控制水庫滲漏引起的浸沒、土壤次生鹽漬化等環(huán)境水文地質(zhì)問題，還有利于減緩豐水期已造成截滲溝附近的浸沒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)測庫水滲漏對地下水位的影響。

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，致使水庫滲漏量較大，水庫滲漏量取未防滲時水庫滲漏量的50%，即710.15萬m3，則每米單井日滲漏量Q為2.56m3/d；其他參數(shù)同上。

2）模型計算

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

圖2　辛集洼水庫防滲措施失效工況下水庫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，庫水滲漏對地下水位的影響較大。當水庫運行30d后，地下水位最高上升0.531m；當水庫運行1a后，地下水位最高上升0.763m；當水庫運行5a后，地下水位最高上升0.950m，距壩軸線約600m外地下水位影響較小；當水庫運行10a后，地下水位最高上升1.046m，地下水位變幅增長較慢，庫水滲漏對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1.24m。

因此，蓄水時間超過1a后，受水庫滲漏影響，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，造成壩后浸沒現(xiàn)象。局部場區(qū)豐水期現(xiàn)狀地下水埋藏較淺，已處于浸沒狀態(tài)，事故工況下水庫滲漏會造成場區(qū)浸沒的進一步擴大，加劇土壤次生鹽漬化現(xiàn)象。

五、結(jié)論及建議

經(jīng)預(yù)測，正常工況下辛集洼水庫庫水滲漏對地下水位的影響較小，輕微的地下水位漲幅對地下水環(huán)境沒有影響，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)問題；事故工況下，庫水滲漏引起的地下水位漲幅較大，蓄水超過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，造成壩后浸沒現(xiàn)象進一步擴大，局部可能加劇土壤次生鹽漬化現(xiàn)象。

為防止運行期水庫滲漏造成地下水大幅度抬升，引起周邊浸沒、土壤次生鹽漬化等環(huán)境水文地質(zhì)問題，除采取必要的工程措施外，建議采取以下防護措施：加強地下水位觀測，及時發(fā)現(xiàn)問題并加以解決，確保地下水位在浸沒臨界埋深以下；通過建立生態(tài)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)控制地下水位；定期進行庫水水質(zhì)監(jiān)測，防止庫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，減少對地下水水質(zhì)污染風險。

（作者單位：淮河水資源保護科學研究所233001）