江心洲地下水浸沒預測與控制研究

劉亞南，周志芳， 楊 蘊， 李明遠

(河海大學地球科學與工程學院，江蘇南京 210098)

水庫浸沒是由于水庫蓄水或其他人類工程活動，導致地下水水位上升，引起環(huán)境地質(zhì)災害的一種現(xiàn)象[1]。水庫浸沒研究通常采用解析法或數(shù)值模擬法對研究區(qū)地下水滲流進行計算分析[2]，進而預測研究區(qū)浸沒范圍、浸沒程度和控制浸沒的效果。19世紀60年代到20世紀末，解析法是定量模擬計算地下水滲流問題最有效的方法[3]，但由于解析法大多基于簡化邊界條件下的地下水穩(wěn)定流問題，不能精確刻畫復雜水文地質(zhì)條件下的地下水滲流場動態(tài)變化。自20世紀末期以來，得到飛速發(fā)展的數(shù)值模擬法克服了解析法計算的局限性[4]，已廣泛應用于計算、分析、評價地下水滲流場問題以及滲流機理研究，也是水庫浸沒研究最有效的方法，成熟的商業(yè)軟件為地下水滲流場的精確計算模擬提供了重要的方法和研究基礎。Gleeson等[5]采用數(shù)值方法模擬了山區(qū)地下水滲流場；Doble等[6]建立地下水非穩(wěn)定模型研究了洪水對漫灘淺層地下水滲流的影響；Scibek[7]采用數(shù)值模擬法量化氣候?qū)Φ叵滤疂B流的影響；駱祖江等[8]采用數(shù)值模型預測了水庫蓄水后的不同防滲方案對水庫滲漏量影響。

水庫浸沒控制一般通過工程措施實現(xiàn)，工程控制措施主要有防滲墻和減壓井[9]，許多學者對其控制效果進行了深入研究。王曉燕等[10]通過對比不同懸掛式防滲墻深度下圍堰下游出溢處的滲流坡降，找到最優(yōu)防滲方案；冶雪艷等[11]研究了不同防滲墻長度對庫區(qū)地下水滲流的影響，確定最優(yōu)滲控方案；呂路等[12]通過數(shù)值模擬，研究不同防滲墻深度對人工湖周圍淺層地下水滲流的影響，選取最優(yōu)防滲方案；駱祖江等[13]深入研究了設置到潛水含水層且不同長度的防滲墻對庫區(qū)左岸浸沒的影響；曹洪等[14]分析了減壓井間距和出水口高程不同對庫區(qū)地下水滲流場的影響，選取最優(yōu)防滲方案。

目前，已有許多學者對水庫浸沒及其控制措施進行了深入研究，但類似江心洲浸沒問題的研究卻很少。本文以新干航電樞紐工程江心洲為例，采用數(shù)值模擬的方法結(jié)合垂直防滲墻和減壓井優(yōu)化控制浸沒問題，考慮到多年平均水文條件，按堤外抬田防滲和堤內(nèi)多種浸沒控制措施(防滲墻與減壓井聯(lián)合布設工況方案)進行江心洲浸沒模擬預測與控制。

1 工程區(qū)概況

江西贛江新干航電樞紐工程位于江西省吉安市新干縣域內(nèi)的贛江中游末段，正常蓄水位為32.5 m，回水長度56 km，總庫容5億m3，集水面積64 776 km2，壩址處多年平均徑流量為533億m3，多年平均流量為1 690 m3/s，主要建筑級別為3級，次要建筑物為4級，是以航運為主、兼顧發(fā)電等綜合效益的二等工程。江心洲位于壩址上游8.6 km處，天然條件下江心洲地下水埋深較淺，庫區(qū)蓄水后，邊界條件發(fā)生改變，地下水位相應抬高至接近地表，可能發(fā)生浸沒問題，影響洲上居民生活和生態(tài)休閑旅游區(qū)的建設，因此江心洲浸沒評價和防治方案的研究具有十分重要的意義。

研究區(qū)總面積5.05 km2，其中陸地占31.57%，河道占比68.43%。江心洲地勢平坦低洼，高程在31.54～36.10 m，南部高程高，北部較低，如圖1(a)所示。江心洲上建有莒洲島防護堤，如圖1(b)，堤腳后18 m處有居民建筑物。研究區(qū)地層上覆第四系全新統(tǒng)(Q4)松散沉積物，下伏第三系新余群上段(Exn2)紅層，人工堆積層(Q4s)和河流沖積層(Q4al)構(gòu)成江心洲第四系全新統(tǒng)地層，如圖1(c)所示。第四系全新統(tǒng)地層在莒洲島大橋以北為典型二元結(jié)構(gòu)，上層為壤土和粉質(zhì)黏土，厚約4.5 m，并在莒洲島大橋處尖滅，下層上部是厚約2.6 m的細砂層，下接6～10 m厚的砂卵礫石層；在莒洲島大橋以南為一元結(jié)構(gòu)，直接出露厚度均勻的細砂層，厚約5 m，下接6～10 m厚的砂卵礫石；圍繞江心洲的U型河谷直接切穿到砂卵礫石層。

江心洲地下水主要為第四系松散沉積物孔隙水，接受大氣降水補給。贛江是區(qū)內(nèi)最大地表水體，自南向北流經(jīng)研究區(qū)，天然條件下，枯水期地下水位略高于贛江水位，地下水補給贛江，豐水期贛江水位略高于地下水位，贛江補給地下水。地下水部分以蒸發(fā)、植被蒸騰以及村鎮(zhèn)居民以散點井形式分散開采的方式消耗。

2 研究區(qū)數(shù)值模型

2.1 研究區(qū)水文地質(zhì)概念模型

研究區(qū)以贛江江水位為界，形成了一個具有統(tǒng)一滲流場的完整水文地質(zhì)單元。模型中壤土層、粉質(zhì)黏土層和莒洲島大橋以南的砂層為潛水含水層，莒洲島大橋以北的砂層和研究區(qū)砂卵礫石層為承壓含水層，基巖巖性完整且導水性差為相對隔水層。圍繞江心洲的贛江為第一類邊界，莒洲島大橋以南地下水自由面邊界主要埋藏在砂層中，莒洲島大橋以北地下水自由面邊界埋藏在壤土及粉質(zhì)黏土層中，松散沉積物下部的基巖面為研究區(qū)底部隔水邊界。庫區(qū)蓄水后，由于通航需求，庫水位需長期保持在32.5 m，相應研究區(qū)的地下水位隨著庫水位的抬升也將發(fā)生持續(xù)抬升，水庫達到正常蓄水高程后，莒洲島大橋以北粉質(zhì)黏土層將變?yōu)槌袎汉畬印?/p>

2.2 數(shù)學模型

根據(jù)上述水文地質(zhì)概念模型，得出研究區(qū)為非均質(zhì)介質(zhì)中地下水流系統(tǒng)三維非穩(wěn)定數(shù)學模型：

(1)

式中：Ω為滲流區(qū)域；K為滲透系數(shù)(m/d)；H為水位(m)；μS為貯水率(1/m)；μ為飽和差或給水度；W為單位時間從單位體積含水層流入或流出的水量(1/d)；ε為單位時間在垂向上從單位面積含水層自由面流入或流出的水量(m/d)；H0為初始水位(m)；H1為第一類邊界水位(m)；n為隔水邊界的法線方向；x，y，z為空間位置；Γ1為第一類邊界；Γ2為第二類邊界(隔水邊界)；Γ3為自由面邊界。

2.3 模型識別與驗證

模型平面上共剖分為74 792個單元，最小三角形邊長1.37 m，如圖2(a)所示。根據(jù)新干水文站監(jiān)測水位，按左、右河道水力坡度0.21‰和0.28‰，插值得到贛江天然水位。根據(jù)地形地貌、地層巖性，將整個模型分為15個參數(shù)區(qū)，如圖2(b)，其中砂卵礫石及粉質(zhì)黏土滲透系數(shù)、砂卵礫石貯水率初始值由野外現(xiàn)場抽水試驗和振蕩試驗得到，其余相關參數(shù)初始值由相關規(guī)范獲得[15]，設置的地下水凈補給系數(shù)為地下水凈補給量與降水量的比值，其中地下水凈補給量參考文獻[16]，降水量在吉安市水文信息服務系統(tǒng)上獲取。

選擇初次實測水位時間作為模型識別率定時間，在給定模型邊界條件及地下水凈補給量的基礎上，反復調(diào)試水文地質(zhì)參數(shù)，最終鉆孔水位計算值與實測值擬合結(jié)果較好。模型識別后的地下水滲流場可作為模型驗證的初始條件，在賦予模型2017年1—6月份的邊界條件和地下水凈補給量下，進行模型非穩(wěn)定流計算，時間步長5 d，采用動態(tài)監(jiān)測水位對模型進行校正。在模型識別基礎上，微調(diào)水文地質(zhì)參數(shù)，使得計算值與實測值能較好擬合。擬合結(jié)果如圖3所示，各期監(jiān)測井計算值有86.77%在0.5 m置信區(qū)間內(nèi)，平均誤差為0.11 m。模型擬合結(jié)果表明，模型能夠良好地展現(xiàn)天然地下水形態(tài)，可以用來進行江心洲浸沒和控制方案的預測，此時各地層的水文地質(zhì)參數(shù)見表1。

圖3 各監(jiān)測井承壓水位埋深計算值與實測值擬合Fig.3 Fitting of calculated and measured confined water levels below surface in observation wells

表1 研究區(qū)各地層水文地質(zhì)參數(shù)Tab.1 Hydrogeological parameters of various layers in study area

3 江心洲浸沒預測與控制

江心洲部分表層土為二元結(jié)構(gòu)上部的細顆粒的壤土及粉質(zhì)黏土，部分表層土為一元結(jié)構(gòu)的細砂，用地下水位臨界埋深來判定浸沒標準時，不能忽略土壤毛細管水上升高度。由于江心洲堤內(nèi)區(qū)域建有民舍，堤內(nèi)外浸沒標準不同。地下水位埋深小于0.6 m時，不宜農(nóng)田農(nóng)作，堤內(nèi)外均為嚴重浸沒；地下水位埋深0.6～2.1 m，土地可耕作、不宜建造民舍，堤內(nèi)劃分為中度浸沒，堤外為輕度浸沒；地下水位埋深2.1～2.6 m，民舍地基穩(wěn)定性差，堤內(nèi)劃分為輕度浸沒區(qū)，堤外未浸沒；地下水位埋深大于等于2.6 m，堤內(nèi)及堤外均未發(fā)生浸沒。

江心洲浸沒控制主要考慮抬田(抬田區(qū)為堤外，如圖1(b)，高程為34.6 m)、防滲墻、減壓井3種措施，具體工況為無防滲，堤外抬田，堤外抬田及堤內(nèi)防滲墻不同長度、深度，堤外抬田及堤內(nèi)減壓井井徑、井列線[17]位于堤腳后不同距離，堤外抬田及堤內(nèi)減壓井及不同長度防滲墻共14種工況，具體工況安排見表2，其中防滲墻為垂直截滲墻，滲透系數(shù)為6.68×10-5m/d，并建立在莒州島防護堤上；減壓井均為深入承壓含水層底部的完整井，莒州島大橋以南減壓井井間距為29 m，莒州島大橋以北井間距為13 m。各工況以2018-01-01為初始時刻進行10年預測。預測結(jié)果見表3。

表2 防滲措施布設情況Tab.2 Arrangements of anti-immersion measures in study area

表3 各工況下江心洲浸沒面積統(tǒng)計Tab.3 Statistics of immersed area in mid-channel bar under different conditions

圖4 工況1浸沒范圍和程度Fig.4 Immersion range and degree of study area under condition 1

工況1，庫區(qū)蓄水后，江心洲發(fā)生頂托型浸沒，當?shù)叵滤唤咏€(wěn)定時，發(fā)生浸沒范圍及程度較大(見圖4)。

工況2與工況1對比，堤外抬田會對江心洲浸沒情況產(chǎn)生影響，可控制抬田區(qū)域的浸沒程度及范圍。抬田后，堤內(nèi)嚴重浸沒面積變小(見表3)，這是因為堤外發(fā)生滲漏的區(qū)域經(jīng)抬田后，水流運動到堤內(nèi)區(qū)域時能量損失變大，因此嚴重浸沒面積變小。根據(jù)工程要求，后續(xù)浸沒控制措施均需要配合堤外抬田進行布設，故工況3～14中均加入抬田措施。

工況3，4和5，達到地下水位穩(wěn)定時需要的時間分別是2個月、10個月和25個月，表明貫穿至砂卵礫石層底部的防滲墻的增長可延長地下水位穩(wěn)定時間，但最終工況3，4和5浸沒面積及程度與工況2相同，故防滲墻僅起到延緩浸沒發(fā)生的作用，無法控制最終浸沒情況。而工況6下地下水穩(wěn)定所需時間與工況2相同，均為1個月，浸沒情況也相同，故貫穿至砂卵礫石層頂板的防滲墻既不能延緩浸沒發(fā)生，亦不能控制浸沒情況。

對比工況7和8，結(jié)果顯示，井列線位于防護堤和居民建筑物之間時，井列線離防護堤越遠，堤內(nèi)浸沒控制效果越好(表3)；井列線離防護堤越遠，減壓井總流量越小，減壓井總流量分別為102 257和80 270 m3/d，其中單井流量分別為403 和325 m3/d。

對比工況8，10和9發(fā)現(xiàn)，當井徑由0.6 m變?yōu)?.4和0.2 m時，對應的單井流量為325，295和263 m3/d，相應浸沒范圍為62 590，143 140和370 180 m2，故隨井徑變小，流量也會隨之降低，浸沒范圍也會逐漸減小。

對比工況8，11，12和13可知，隨著防滲墻添加并由1 736 m到3 592和4 336 m時，相應工況總流量分別為80 270，42 878 ，11 621和1 418 m3/d，相應浸沒范圍分別為62 590，53 440，49 630和43 990 m2；故減壓井與防滲墻聯(lián)合布設情況下，當防滲墻添加且加長時，減壓井總排水量會隨之減小，但浸沒范圍變化不大。故考慮到工況13和14中防滲墻布設會大范圍截斷堤后地下水與地表水的水力聯(lián)系，對堤后居民的正常生產(chǎn)生活造成影響，故在有效控制浸沒范圍的前提下，選擇工況11為宜。

在工況3，4，5，6，11，12和13中，堤內(nèi)防滲墻處水力坡度最大為28.26，均沒有超過工程設定極限值60，故上述工況均符合工程安全要求。

4 結(jié) 語

通過建立地下水三維非穩(wěn)定流數(shù)值模型，對新干航電樞紐工程庫區(qū)江心洲進行浸沒預測與控制，得到以下結(jié)論：

(1)江心洲地勢平坦低洼，水庫蓄水后，在工況1無浸沒控制措施情況下，30 d后居民區(qū)發(fā)生浸沒，堤內(nèi)外浸沒面積占江心洲陸地面積的90.8%。

(2)堤外進行抬田。抬田對滲漏型浸沒產(chǎn)生一定影響，對頂托型浸沒基本沒影響，堤內(nèi)主要發(fā)生頂托型浸沒，局部區(qū)域為滲漏型浸沒。

(3)貫穿至砂卵礫石層底部的防滲墻僅延緩地下水浸沒的發(fā)生，最終浸沒情況與未布設防滲墻情況相同。而貫穿至砂卵礫石層頂板的防滲墻既不能延緩浸沒的發(fā)生，也不影響最終浸沒情況。

(4)減壓井是最有效的浸沒控制措施，且井列線離莒洲島防護堤越遠，井徑越大，堤內(nèi)浸沒效果控制越好。防滲墻與減壓井同時布設時，通過設置貫穿至砂卵礫石防滲墻不同長度方案，對比發(fā)現(xiàn)在不影響居民用水情況下，最優(yōu)防滲墻長度為1 736 m(控制點：A→B)，同時可大大減小減壓井排水量。故聯(lián)合布設方案，不僅可有效控制研究區(qū)浸沒情況，且能夠有效控制減壓井排水量，是最優(yōu)布設方案。