黃蓋湖流域水利工程建設對地下水流場的影響研究

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(水利部長江勘測技術(shù)研究所，湖北 武漢 430000)

黃蓋湖位于長江城陵磯下游約60 km的長江南岸，下距赤壁鎮(zhèn)約10 km，為湖南省與湖北省界湖，湖面面積約70 km2。入湖主要河流有新店河(又名潘河)、沅潭河等，湖水經(jīng)由太平河(又名鴨棚河)注入長江。該流域是湖南臨湘和湖北赤壁兩市重要的糧、棉、油、魚生產(chǎn)基地，沿湖現(xiàn)有大小堤垸40處，保護區(qū)涉及鄉(xiāng)鎮(zhèn)13個[1]。

長江中下游提防工程是長江防洪的重要屏障[2]。黃蓋湖沿湖堤垸均為上世紀六、七十年代當?shù)厝罕娮园l(fā)修建，現(xiàn)狀防洪標準不足10 a一遇，洪澇災害頻繁。其次，現(xiàn)有的堤垸還存在許多先天不足，如堤身矮小單薄，堤頂高程不足，而且堤身的填土質(zhì)量差，滲漏嚴重；部分穿堤涵管破損，存在著嚴重的事故隱患[1,3]。為保障防洪安全，改善水環(huán)境，需對黃蓋湖進行綜合治理。堤壩防滲加固工程是促進水利工程安全運營的重要措施[4,5]。但水利工程改造在增加防洪能力的同時，可能會影響本區(qū)的地下水環(huán)境安全。開展水利工程建設前，進行地下水安全影響評價研究對于地下水的安全、水資源的可持續(xù)利用具有重要意義[2,6-9]。

本文針對黃蓋湖沿湖堤垸存在的主要問題，擬利用堤垸加高工程增強防洪能力。利用Visual Modflow模擬了堤垸加高后，地下水流動模式、地下水水位的改變；并評價了堤防治理工程對地下水環(huán)境的影響。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理

黃蓋湖，位于湖南、湖北兩省交界處，是湖南省第二大內(nèi)湖，同時瀕臨長江也是洞庭湖區(qū)的一部分(見圖1)。該流域總體地勢南高北低，黃蓋湖以北及江南陸城一帶為長江沖積地貌，地勢平坦，地面高程在21～24 m之間；流域南部地形由剝蝕殘丘過渡為低山，地形起伏較大。本區(qū)降雨充沛，年內(nèi)分配不均。年均降水量1 582.5 mm，主要集中在3—8月。流域年平均氣溫為17.0℃左右，以1月氣溫為最低，7月氣溫最高。地表水系發(fā)達，主要由新店河(又名潘河)和源潭河組成。

1.2 地層巖性

工程區(qū)主要位于河湖區(qū)，出露地層以第四系為主，包含有人工堆積的粉質(zhì)黏土；全新世沖積粉質(zhì)黏土及中更新世坡積堆積的黃褐色網(wǎng)紋狀黏土。新店河及源潭河中上游兩岸山區(qū)有基巖出露，從老到新地層有：元古界冷家溪群，一套淺變質(zhì)的粉砂質(zhì)板巖、變質(zhì)細砂巖及石英砂巖；寒武系中上統(tǒng)，主要為灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r；志留系中統(tǒng)，主要為粉砂質(zhì)頁巖、薄層炭質(zhì)頁巖等。侏羅系中下統(tǒng)、上白堊統(tǒng)～第三系，主要為泥質(zhì)粉砂巖、砂質(zhì)頁巖及含礫砂巖。

圖1 黃蓋湖地理位置

1.3 水文地質(zhì)條件

工程區(qū)地下水主要為第四系松散層孔隙水及基巖裂隙水。其中松散層地下水賦存于粉土、粉質(zhì)黏土等含水介質(zhì)中，一般為孔隙潛水，部分為季節(jié)性承壓水。主要接受大氣降水的垂直入滲補給及山丘地下水的側(cè)向補給，地下水向黃蓋湖以北的沖積平原運移排泄。隨季節(jié)變化，地下水與河水等地表水體呈互補關(guān)系，枯季地下水向河、渠排泄，汛期江河水沿透水層向堤內(nèi)運移，補給地下水。地表、地下水聯(lián)系密切?；鶐r裂隙水賦存于河流兩岸的巖體內(nèi)，多為微弱透水巖組。

2 研究區(qū)水質(zhì)現(xiàn)狀

2.1 水化學特征

在研究區(qū)共采集水樣15個，其中地表水樣品6個，地下水樣品9個，采樣位置如圖1所示。測試了水樣的陰、陽離子、微量元素以及總氮和總磷。地表和地下水均為淡水，弱堿性，TDS介于82～615 mg/L，其中地下水礦化度略高。水化學類型為HCO3-Ca·Mg或HCO3·SO4-Ca。

從水質(zhì)標準來看，6個地表水樣品中50%Fe含量超標，66.67%Mn含量超標(GB3838-2002Ⅲ類水質(zhì)標)，這些樣品緊鄰黃蓋湖區(qū)，F(xiàn)e、Mn超標與湖區(qū)的地質(zhì)環(huán)境相關(guān)；CODcr僅SY-9赤壁市新店鎮(zhèn)紙廠排污水超標，表明排污水中有機污染物含量很高；SY-12羊樓司鎮(zhèn)鐵路橋下新店河內(nèi)TP含量超標，分析為側(cè)邊有一生活污水排放口，匯入新店河，生活污水中的高磷致使TP含量超標；樣品中66.67%的TN含量超標，分析為湖區(qū)內(nèi)養(yǎng)殖魚類投放含氮量較高的飼料所致(見表1)。

地下水與地表水類似，F(xiàn)e，Mn含量超標，同時少部分樣品NO3-含量超標，可能由地表污水的排泄導致。

表1 地表水水樣水質(zhì)質(zhì)量表 mg/L

2.2 地表潛在污染源

黃蓋湖區(qū)的污染物主要是集中居民生活污染源、農(nóng)業(yè)面污染源及水產(chǎn)養(yǎng)殖污染源，工礦企業(yè)較少。其中面源污染主要有化肥農(nóng)藥污染源、禽畜養(yǎng)殖污染源、水產(chǎn)養(yǎng)殖污染源和農(nóng)村分散居民生面污染源活污染源四個方面。

3 堤防治理工程對地下水的影響模擬

堤防工程為線性工程，且都位于沖湖積平原區(qū)，在平面概念上，地下水流與河流的補給排泄方向與河流呈大角度相交，近似垂直，所以可以用剖面二維流代替三維流來模擬堤防治理工程對地下水流場的影響。

根據(jù)湖區(qū)水文地質(zhì)條件的特點及生態(tài)保護區(qū)的位置，分別選取臨近湖區(qū)而又位于自然保護區(qū)范圍內(nèi)的源潭河入湖口處的Ⅰ剖面作為代表性模擬剖面。Ⅰ剖面堤身主要位于厚層的湖積粉質(zhì)粘土上。黃蓋湖堤防中的大部分在枯水期、平水期及雨季的非降雨時期，河湖水位低于堤身以下，堤身常年多處于非飽和甚至干燥狀態(tài)，僅在洪水時期河流水位猛漲而堤防承擔擋御洪水的作用；有部分堤防因堤內(nèi)外均為湖水或一側(cè)湖水而一側(cè)為養(yǎng)魚池塘，堤身常年起到擋御內(nèi)外水流的作用，常年多處于浸水狀態(tài)。對前一種堤防而言，常年大部分時間，河流水與沖湖積平原地下水的補給排泄運移不經(jīng)過堤身，則堤防的加固運行對地下水流場沒有影響，僅需模擬并比較暴雨或集中降雨后河湖水位猛漲、地下水流場在有無堤防加固的兩種情況下變化幅度的差異；對后一種堤防而言，洪水或枯水位時對應的內(nèi)外水頭差最大，在內(nèi)外水頭差最大時，堤防加固前后的滲流場差異也達到最大，因此，針對這樣的堤防是需模擬對比在洪水或枯水位時對應的內(nèi)外水頭差最大時、堤防加固前后地下水流場變化的幅度。

3.1 水文地質(zhì)概念模型與數(shù)學模型

模擬剖面Ⅰ的平面與地質(zhì)剖面圖見圖2所示。在Ⅰ剖面兩側(cè)均為水體，側(cè)邊界設置為水頭邊界。上邊界為自由潛水面，其邊界條件由大氣降水入滲、蒸發(fā)排泄等因素確定。模型的上邊界接受降雨的補給和蒸發(fā)，由于軟件的限制，只能輸入一個入滲和蒸發(fā)的一個差值，即有效入滲量。模型的下邊界設置為隔水邊界。因為選取的剖面底層普遍發(fā)育有元古界冷家溪群易家橋組粉細砂巖和二疊系下統(tǒng)茅口組灰?guī)r，該巖層為弱風化狀態(tài)、完整性好，滲透性極差。

圖2 模擬剖面地層巖性與參數(shù)分布

因此黃蓋湖堤防加厚對地下水流場的模擬模型可認為二維非穩(wěn)定滲流模型，數(shù)學模型如下：

式中：Ω為地下水滲流區(qū)域；H0為初始地下水位(m)；H1為定水頭(m)；h為含水層厚度(m)；S1為第一類邊界；S2為第二類邊界；μ為給水度；Kxx，Kyy分別為x、y主方向的滲透系數(shù)(m/d)；w為源匯項，包括蒸發(fā)，降雨入滲補給，井的抽水量(m3/d)；q(x,y,t)表示在邊界不同位置上不同時間的流量(m3/d)；

3.2 模型參數(shù)的選取

參數(shù)的選取主要依據(jù)黃蓋湖防洪治理工程可研勘察階段的成果，并結(jié)合本次野外的抽水試驗，各巖土層的參數(shù)取值如下：Ⅰ剖面位于源潭河入湖口，堤防堤身填土滲透系數(shù)取其平均值，為1.40×10-4cm/s，加固后取1.0×10-5cm/s；其下厚約8 m的沖積粉質(zhì)粘土，滲透系數(shù)為4.80×10-7cm/s；下部厚約5.8 m的沖洪積粉質(zhì)粘土，取其滲透系數(shù)的平均值，為6.90×10-7cm/s;下部接著為厚約2.6 m 的粉土，滲透系數(shù)為2.0×10-6cm/s；卵礫石層厚約3.6 m，由本次現(xiàn)場抽水試驗可知其滲透系數(shù)為2.3×10-2cm/s；再下為粉細砂巖，是本次剖面模擬的下邊界條件，參照以往工程經(jīng)驗，選定滲透系數(shù)2.0×10-5cm/s。

本次模擬剖面位于沖湖積的湖區(qū)，地表已修建有較完善的溝渠排水系統(tǒng)，而模擬的工況為強降雨條件，根據(jù)參考值和經(jīng)驗值，降雨入滲系數(shù)最終選取為0.10。

給水度根據(jù)《水文地質(zhì)手冊》，粉土和粉質(zhì)粘土取為0.05，砂礫石取為0.20，加固后的堤身取為0.02，基巖取為0.01。

3.3 模擬結(jié)果分析

根據(jù)收集的降雨資料，在2010年7月14日，趙李橋觀測站觀測到的最大24 h強烈暴雨降水量達110.0 mm，選取該天的降雨作為模擬模型的一天降雨強度。Ⅰ剖面的源潭河臨近黃蓋湖，堤外的枯水位為24.50 m，洪水位為27.32 m，堤內(nèi)池塘水位基本維持為23.2 m。根據(jù)以上參數(shù)和模型模擬條件，采用MODFLOW軟件，模擬得到堤防Ⅰ剖面加固前后的洪枯期滲流場如圖3所示。

a.未加固洪水期；b.加固洪水期；c.未加固枯水期；d.加固枯水期

圖3 Ⅰ剖面堤防加固前后地下水流場

Ⅰ剖面的河流水位高于堤內(nèi)地表、地下水位，河流向地下水排泄。由滲流場圖可以看出，堤防加固前堤內(nèi)坡有地下水滲出，尤其是洪水期內(nèi)外水頭差大、堤內(nèi)坡有大片地下水溢出區(qū)；堤防加固后，滲流途徑途徑變長，內(nèi)堤腳沒有地下水溢出。這反映了堤防加固的效果。

為對比堤防加固前后地下水位的影響，分別在堤身中心、堤內(nèi)距堤身30 m、70 m設置了3個虛擬觀測孔YT-1、YT-2、YT-3，從流場圖中讀取這3個虛擬觀測孔地表高程、地下水位埋深見表2。

由表2可以看出，加固前后，三個觀測孔的水位略有波動，且洪水期水位變化大于枯水期；最大變化值為位于堤身中心的YT-1號觀測孔，洪水期加固后的水位較加固前高0.282 m，枯水期加固后的水位較加固前高0.074 m；而距堤身30 m的YT-2號觀測孔，洪水期加固后的水位較加固前僅高0.037 m，枯水期加固后的水位較加固前僅高0.007 m；YT-3的水位變化加固前后變化更小。

黃蓋湖堤防一般高為2～8 m，本次堤防加固主要是對堤身進行加厚，堤身在加固前的滲透系數(shù)為10-4～10-5cm/s，也起到一定的擋水作用，所以分析判斷堤防加固對地下水滲流場的影響會比較小，不會引發(fā)明顯的生態(tài)環(huán)境問題。

表2 Ⅰ剖面堤防加固前后水位變化 m

注：埋深為負值時，是因上部有地表魚塘水，故地下水頭比池塘的地形高程高。

4 結(jié)語

黃蓋湖流域總體地勢南高北低，出露地層以第四系為主。區(qū)內(nèi)地下水以松散層孔隙水和基巖裂隙水為主。經(jīng)水質(zhì)分析，流域內(nèi)地表水污染嚴重，主要有居民生活污染源、農(nóng)業(yè)面污染源及水產(chǎn)養(yǎng)殖污染源；淺層地下水同樣受到污染，表現(xiàn)為Fe，Mn和硝酸鹽超標。為提高堤壩的防洪能力，對堤防進行了綜合治理，數(shù)值模擬結(jié)果表明，該工程不會影響與地下水有關(guān)的環(huán)境問題。治理工程涉及用量較少的化學物，但其可溶性較差，只要控制用料的質(zhì)量和用量，對水質(zhì)的影響會很輕微。