格爾木新城地下水在工程建設(shè)中的環(huán)境效應(yīng)

謝世杰，唐顯軍，劉加杰

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格爾木新城地下水在工程建設(shè)中的環(huán)境效應(yīng)

謝世杰1，唐顯軍2，劉加杰2

（1.四川省地質(zhì)工程勘察院，成都 610072；2.四川鹽業(yè)地質(zhì)鉆井大隊，四川 自貢 643000）

在對格爾木新城水文地質(zhì)特征研究的基礎(chǔ)上，建立模型并借助Visual Modflow軟件對格爾木新城規(guī)劃區(qū)地下水滲流場現(xiàn)狀、采取不同治水措施后的效果預(yù)測及地下水位對工程建設(shè)的適應(yīng)性進行模擬研究。通過模擬研究對格爾木新城區(qū)地下水對工程建設(shè)的環(huán)境效應(yīng)進行了評價，為該地區(qū)今后地下水的有效控制提供了一定的科學(xué)依據(jù)。

地下水；Visual Modflow；環(huán)境效應(yīng)；格爾木新城

格爾木新城建設(shè)面臨最大的難題是溢出帶附近地下水埋藏過淺，不利于工程建設(shè)的開展。對此需要有效控制地下水水位，針對整個宏觀城市規(guī)劃區(qū)，對具體的建筑物尤其是基坑處于地下水水位以下的工程，應(yīng)該給出相應(yīng)的地下水治理措施。對于整個宏觀的城市規(guī)劃區(qū)的地下水水位，從已經(jīng)調(diào)查的資料和城市規(guī)劃方案揭示，大部分建筑物群設(shè)計在潛水深埋帶和潛水淺埋帶，少部分建筑物位于溢出帶附近。首要問題是控制潛水淺埋帶和溢出帶的水位，其次對地下水位埋藏深度不利于生態(tài)環(huán)境的地段給出相應(yīng)的地下水治理措施[1]，主要是水位埋藏過淺的地段給出降水措施建議，水位埋藏過深地段給出比較有效控制地下水位的措施建議。

1 自然地理條件

2.1 地理

格爾木，蒙語“河流密集的地方”，位于青海省西部柴達木盆地中南部。地理坐標東經(jīng)94°35'~95°05'，北緯36°08′~36°30′。市域由南柴達木盆地和唐古拉山區(qū)的兩個不相鄰部分組成，平均海拔在 2 800m左右，總面積11.89×104km2。

1.2 氣候

格爾木區(qū)深居內(nèi)陸，遠離海洋，具典型高原溫極度干旱氣候特征。區(qū)內(nèi)降雨稀少，蒸發(fā)強烈，晝夜溫差大，日照時間長，冬季寒冷而漫長，具有夏季涼爽而短促等氣候特點。格爾木區(qū)多年平均年降水深為131.1mm，折合水量47.46×108m3。（表1）

表1 格爾木區(qū)降水量代表站1956～2007系列多年平均年內(nèi)分配統(tǒng)計表

1.3 水文

區(qū)內(nèi)主要河流自西向東有托拉黑河、清水河、躍進河、格爾木河等。格爾木河為區(qū)內(nèi)最大、系柴達木盆地第二大河流。格爾木河流域于1955年開始水文測驗工作，現(xiàn)納赤臺水文站和格爾木水文站開展水資源監(jiān)測工作，氣象觀測有格爾木氣象站。

2 地形地貌和地層巖性

2.1 地形地貌（圖1）

格爾木市處于山地與平原的轉(zhuǎn)折帶，地形南高北低，昆侖山橫亙聳峙尤如屏障，察爾汗低陷，二者反差十分強烈。海拔高度從5 720 m到2 710 m，相對高差達3 000m。地貌上依次可分為4 200m以上的冰雪高山、3 200～4 200m的雨雪中山、3 000～3 200m的干寒低殘山、2 800～3 200m的戈壁平原、2 770～2 800m的細土平原及2 770～2 710m的鹽沼平原，有清晰的層狀和環(huán)帶狀結(jié)構(gòu)，嚴格控制了地下水的系統(tǒng)性和多次轉(zhuǎn)化的水文地質(zhì)規(guī)律。

2.2 地層巖性

在格爾木河水流大系統(tǒng)范圍內(nèi)，可明顯分為兩大地質(zhì)單元，即前第四紀巖層含巖漿巖組成的基巖和廣布盆地的第四紀松散碎屑巖兩大類型。前者屬秦嶺—昆侖緯向沉積構(gòu)造帶，全部老地層均發(fā)生變質(zhì)、構(gòu)造作用，產(chǎn)生一系列的大規(guī)模東西向壓型斷裂，伴隨橫向張裂，從而制約了山區(qū)水系發(fā)育與走向，也為扇前堆積帶來了巨大的物質(zhì)來源。自第三紀以來，在新構(gòu)造作用下，柴達木盆地持續(xù)下降，堆積了巨厚的松散碎屑物，僅中上更新世冰水、沖洪積物厚達600m以上。

圖1 　格爾木市交通位置圖[2]

表2 模擬選取滲透系數(shù)

表3 各觀測井模擬水位與實測水位對比

區(qū)內(nèi)平原區(qū)第四系分為全新統(tǒng)（Q4）一般厚小于40m，巖性有風積砂、沖洪積卵礫石、砂礫石、粉土、粉質(zhì)粘土，向北逐漸變?yōu)闆_湖積、湖沼鹽類堆積的細粒物質(zhì)。上更新統(tǒng)沖洪積（Q3、Q3）厚層卵礫石、砂礫石，溢出帶以北粒度變細，砂礫石、砂層夾粉質(zhì)粘土或互層厚88～127m。中更新統(tǒng)冰水洪積、冰水湖積（Q2、 Q2）層，厚150～200m，為砂礫石、砂層，局部夾粉質(zhì)粘土。下更新統(tǒng)冰水、冰水湖積層（Q1、Q1）厚80～310m，巖性為含泥卵礫石、砂礫石過渡為砂層，北部平原區(qū)逐漸變細為粉土、粉質(zhì)粘土或泥巖，已膠結(jié)或半膠結(jié)。

3 區(qū)域水文地質(zhì)條件

地下水的賦存與分布主要受地質(zhì)構(gòu)造、地貌、巖性、氣候和古地貌條件的控制，根據(jù)賦存條件和水理特征，格爾木的地下含水系統(tǒng)分為基巖裂隙水和松散巖類孔隙水兩大含水系統(tǒng)[3]。

基巖裂隙水含水系統(tǒng)分布在南部山區(qū)地段，是昆侖山的一部分。該含水系統(tǒng)具有含水性差，富水性強的特點，推測單井涌水量一般小于100 m3/d，地下水大多沿溝谷巖層裂隙滲出，補給格爾木河河水。

松散巖類孔隙水含水系統(tǒng)分布在山前平原地段，向平原地區(qū)發(fā)展含水結(jié)構(gòu)不斷變化，從而導(dǎo)致了地層含水性、富水性、導(dǎo)水性、承壓性、水化學(xué)等產(chǎn)生了有規(guī)律的變化。總體規(guī)律為戈壁礫石區(qū)為粗粒厚單層潛水含水系統(tǒng)，細土平原區(qū)為中粒中厚層多層承壓含水系統(tǒng)，鹽沼平原區(qū)為細粒薄層多層承壓自流含水系統(tǒng)[4]。

4 地下水滲流場模擬

4.1 模型的建立

本次模擬采用加拿大Waterloo公司開發(fā)的三維地下水流及污染物運移模擬軟件Visual MODFLOW 4.0來模擬地下水流動過程。本次地下水流模擬的重點是為了評價格爾木新城區(qū)地下水水位的變化狀況，預(yù)測未來工程建設(shè)中各個降水措施即開挖集水廊道、格爾木河河道整治、新城區(qū)內(nèi)人工湖的防滲對格爾木新城區(qū)地下水水位的影響。

模型空間范圍：東西X方向14 000m，南北Y方向19 000m，平面共剖分單元180×319個，剖分后每層包括57 420個單元格；設(shè)計深度2 500～3 000m。模型在垂向上分為9層。

在水流模型的參數(shù)選取上，本次模型主要考慮各分層的給水度和滲透系數(shù)。模擬區(qū)地層主要由第四紀沖洪積Q41（al+pl）砂礫石和粘土組成，根據(jù)前期大量鉆孔的抽水和注水試驗成果經(jīng)過分析整理，獲得參數(shù)K，如表2所示。圖2為滲流模型范圍圖，圖3為模型內(nèi)地層剖分示意圖。

圖2 格爾木新城所處地貌示意圖

圖3 滲流模型范圍圖

4.2 模型的校驗

本文利用前期大量鉆孔水位利用surfer進行差分獲得該區(qū)地下水位，以此作為模型初始水頭，賦予模型各個單元。模擬現(xiàn)狀條件下，對模型生成的各觀測井水位與各觀測井實測水位進行對比，校驗?zāi)Ｐ?。各觀測井模擬水位與實測水位的對比情況如表3所示。由對比結(jié)果可知，各觀測井水位與實測水位擬合度較好，顯示所建模型與地質(zhì)原型相符。

4.3 模擬地下水埋深對工程建設(shè)的適應(yīng)性

地下水廣泛存在于地基土中，土中含水量的高低不僅對土的物理、力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響，而且還會影響建筑物的穩(wěn)定性和耐久性（孔祥國，2005）。地下水位埋深對地基基礎(chǔ)施工和地基承載力也會有較大的影響，鋼筋混凝土基礎(chǔ)會受到地下水的腐蝕[5]。

圖４ 模型內(nèi)地層剖分示意圖

圖4是格爾木新城規(guī)劃區(qū)模型范圍內(nèi)的現(xiàn)狀地下水潛水埋深等值線圖，圖5是地下水對地基基礎(chǔ)建設(shè)的適應(yīng)性圖，結(jié)合這兩幅圖可知，在新城規(guī)劃范圍內(nèi)，地下水埋藏深度<1m的區(qū)域，即地下水位對工程建設(shè)的適應(yīng)性差的區(qū)域面積約為8.83km2，分布在格茫公路兩側(cè)，為圖中紅色區(qū)域。在新城規(guī)劃范圍內(nèi)，地下水位埋藏深度在1~3m的區(qū)域，即地下水位對工程建設(shè)的適應(yīng)性較差的區(qū)域面積約為1.48km2，分布規(guī)劃區(qū)中部以及小島村以北和中村村范圍內(nèi)，為圖中橙色區(qū)域。在新城規(guī)劃范圍內(nèi)，地下水位埋藏深度在3~5m的區(qū)域，即地下水位對工程建設(shè)的適應(yīng)性較好的區(qū)域面積約為0.69km2，分布在規(guī)劃區(qū)中部和汽車三隊范圍內(nèi)，為圖中黃色區(qū)域。在新城規(guī)劃范圍內(nèi)，地下水位埋藏深度>5m的區(qū)域，即地下水位對工程建設(shè)的適應(yīng)性良好的區(qū)域面積約為13.60km2，分布在規(guī)劃區(qū)中部以南范圍內(nèi)，為圖中綠色區(qū)域。

格爾木新城規(guī)劃區(qū)總面積約為24.6 km2，其中地下水位對工程建設(shè)的適應(yīng)性良好的區(qū)域較大，占總面積的55%；地下水位對工程建設(shè)的適應(yīng)性較好的區(qū)域占總面積的3%；地下水位對工程建設(shè)的適應(yīng)性較差的區(qū)域占總面積的6%；地下水位對工程建設(shè)的適應(yīng)性差的區(qū)域占總面積的36%，如圖6所示。

圖5 模擬區(qū)現(xiàn)狀地下水埋深等值線圖

圖6 現(xiàn)狀地下水位對工程建設(shè)的適應(yīng)性

5 降水方案建議

水庫岸邊滲漏和水庫調(diào)蓄、控水作用是引起格爾木地區(qū)地下水上升的主要原因，但對水庫修建防滲帷幕投資巨大，勞民傷財，不予考慮。本文提供兩種降水方案，分別是：

1）河道防滲。一是河道整治，束窄河床寬度，減小河流入滲面積，一是對河床底部采取水泥鋪底，河堤壩采取混凝土砌筑，減小河道入滲系數(shù)，以此減小河水對新城區(qū)地下水的入滲補給。

2）在格爾木新城區(qū)內(nèi)重要問題地帶修建排水溝。格爾木新城規(guī)劃區(qū)內(nèi)地下水位埋深最淺的地帶即地下水溢出帶位于新城規(guī)劃區(qū)格茫公路附近，由于該區(qū)地下水位埋藏太淺，對工程建設(shè)尤其是地基基礎(chǔ)建設(shè)會產(chǎn)生不利影響，為消除此影響，使工程建設(shè)順利的進行，給新建建筑物提供安全保障，本論文提出了在地下水溢出帶附近修建排水溝的設(shè)想。

圖7 地下水位對工程建設(shè)適應(yīng)性分布范圍餅狀圖

[1] 張靜. 旱區(qū)地下水位變化引起的表生生態(tài)效應(yīng)及其評價[D]. 長安大學(xué), 2011.

[2] 寇文杰. 格爾木河流域地表水與地下水相互轉(zhuǎn)換關(guān)系及其合理開發(fā)利用研究[D]. 中國地質(zhì)大學(xué) (北京), 2006.

[3] 汪生斌. 淺論大柴旦地區(qū)某水源地地下水資源評價[J]. 中國西部科技, 2012, 11(3): 53-54.

[4] 羅銀飛. 青海省格爾木河流域山前平原區(qū)地下水系統(tǒng)及地下水資源評價[D]. 中國地質(zhì)大學(xué) (北京), 2013.

[5] 劉慧. 山西龐龐塔井田地下水環(huán)境影響評價研究[D]. 中國地質(zhì)大學(xué) (北京), 2013.

Environmental Effect of Groundwater in the Golmud New City District in Engineering Construction

XIE Shi-jie1TANG Xian-jun2LIU Jia-jie2

(1-Sichuan Research Institute of Geological Engineering Survey, Chengdu 610072; 2-Sichuan Geological and Drilling Team for Salt Industry, Zigong, Sichuan 643000)

A model is established based on hydrogeological features of the Golmud new city district. The model is applied tosimulation study of current situation of drainage seepage, forecast of effect after water treatment and adaptability of groundwater level to engineering construction in the Golmud new city district by means of Visual Modflow. Environmental effect of groundwater to engineering construction in the Golmud new city district is evaluated.

groundwater; Visual Modflow; environmental effect; Golmud new city district

2018-05-18

謝世杰（1987-），男，四川眉山人，工程師，主要從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)方面工作

P641.69

A

1006-0995（2019）01-0101-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2019.01.024