大顶子山航电枢纽蓄水后上游临江地区地下水浸没影响态势初步分析

戴长雷,李治军,高淑琴

(1.黑龙江大学 a.水利电力学院;b.寒区地下水研究所,哈尔滨 150080;2.太原科技大学 环境与安全学院,太原030024)

1 问题的提出

由于水库浸没引起的多种环境地质灾害往往会给生态环境以及社会经济都带来严重的危害,因此浸没问题引起了人们重视。关于水库浸没的研究多以实例浸没问题的评价与治理为主,较早的研究体现于1955～1958年间对官厅水库浸没引起的一系列环境地质问题的分析、评价,阐述了浸没的形成及特性以及相应水文地质勘察的具体操作[1-5]。上世纪80年代及90年代初以黄河三门峡水库[6]、河南人和水库[7]、双阳河水库[8]及官厅水库[9]为例,主要介绍了水库浸没的预测与工程治理措施。90年代中期至2000年间出现了归纳、总结水库浸没条件、预测及计算方法的讨论[10],2000年后利用数值模拟及模拟软件的方法分析、评价水库浸没问题以及对浸没机理进行讨论成为主流[11-14],对岩溶区水库特殊浸没问题的特征、机理也进行了相应研究[15-16]。

松花江大顶子山航电枢纽工程是以航运、发电为主的多功能水利枢纽,坝址位于松花江干流呼兰河汇合口下游46 km处,库区北岸为哈尔滨市呼兰区,南岸为哈尔滨市道外区以及宾县。自2007年春蓄水以来,水库正常蓄水位116 m,比枯水期水位高出许多[17]。由于地表水与两岸地下水具有密切的水力联系,加上临江低阶地区地势低、含水层透水性好的特点,使得由江水位升高引起的南、北两岸地下水位壅高以及随之而来的库区浸没现象备受关注。

2 分析目标

在梳理已有资料和野外调查资料的基础上,查明研究区内的地形地貌与水文地质条件,重点是地下水的类型、埋藏条件和含水层特征及参数等[18-19]。以水位统测与现场调查为数据基础,对研究区地下水动态情况与循环条件进行分析,同时绘制等埋深图与浸没态势图以评价浸没态势。基于研究区浸没现状,分析水文地质条件及地下水循环条件对浸没的控制影响程度。

3 资料与方法

3.1 研究资料

研究区分为江南与江北[20]两部分 (如图1),本文采用的基础数据包括钻孔数据[20-21]、地下水动态数据、水位数据以及研究区基本概况信息,主要资料见表1。

图1 研究区位置范围示意图Fig.1 Location and range of the researching area

3.2 研究方法

地下水浸没影响态势分析的思路主要包括:

1)水文地质条件分析。水文地质条件分析应基于现有钻孔资料,分析目标含水层岩性特征、埋藏深度、分布范围;结合相关工程勘察报告或野外试验获得水文地质参数,主要指含水层的渗透系数、水力梯度等;结合钻孔资料、地形图以及江水位数据具体分析含水层边界环境特征[22]。

2)地下水动态与循环条件分析。地下水动态分析应广泛采集研究区内外现有钻孔水位数据并适当进行实地补测,绘制流场并得出研究区各处地表水与地下水的补排关系;地下水循环条件应结合研究区水文、水文地质条件,分析研究区地下水补给项、排泄项,通过地下水动力学等相关理论,进行地下水循环条件分析,其结果应与地下水动态分析结果进行比较。

3)地下水浸没态势分析。地下水浸没态势分析首先应绘制地下水等埋深图,然后参考相关资料,确定研究区适合的地下水浸没影响评价标准。最后根据浸没影响评价标准绘制浸没态势图,确定严重影响区、过渡区与无影响区。根据地下水埋深资料和地表高程资料,分析现状条件下地下水浸没影响程度。

4)综合分析。在现有水文地质分析、地下水动态与循环分析以及浸没态势分析的基础上,应切换研究区实际情况,对研究区浸没原因、影响因素进行综合分析,尝试探讨治理建议。

表1 大顶子山工程地下水浸没影响态势分析资料Table 1 Basic data of groundwater immersion situation analysis causing by Dadingzishan Navigation Hydropower Project

4 分析结果

研究区位于大顶子山航电枢纽工程上游松花江干流两岸,沿松花江呈条带状分布的低、高漫滩上,临江一侧以江堤为界,远江一侧以漫滩和阶地相交处的120 m等高线为界。江南部分主要包含哈尔滨市道外区东风镇、民主乡、巨源乡所处的新仁灌区,总面积117.65 km2,地面高程116～121 m。江北部分主要包括哈尔滨市呼兰区腰堡乡所处的腰堡灌区,总面积58.48 km2,地面高程117～122 m。

4.1 含水系统特征

水文地质体结构是根据区域水文地质条件,结合钻孔资料概化出来的含水系统特征因素的标识。据钻孔资料显示,含水层厚31～37 m,表层为黏性亚黏土和黑黏土,厚度约1 m;下层为细砂,厚度8～12 m;第三层为粗砂层,厚度为22～24 m;底层为不透水泥岩。

4.2 地下水位动态及循环

4.2.1 地下水动态

据2010年8月下旬与9月上旬地下水统测水位数据,研究区江南部分大部分地区地面高程在116～121 m,地下水水位为114～117 m;研究区江北部分大部分地区地面高程为117～122 m,地下水水位一般为114～117 m。统测期内地下水位总体呈下降趋势,变幅为0.1～0.5 m,与江水位变化趋势相同。

4.2.2 地下水循环

地下水循环的宏观表现在于补给、排泄的动态平衡[23]。一般情况下补给项主要有5个来源:①降水入渗;②地表水补给地下水;③含水层侧向径流补给;④深层含水层顶托补给浅层含水层;⑤农田灌溉(鱼塘)回渗量。排泄项也主要包括5个:①(水面、陆面、植被)蒸散发;②人工开采地下水;③含水层侧向径流排泄;④浅层含水层越流补给深层含水层;⑤地下水补给地表水。

分析研究区具体情况可知,补给项有:降水入渗、松花江水补给地下水、台地侧向补给地下水、农田灌溉回渗及鱼塘回渗;其排泄项有:蒸散发、人工开采。研究区地下水循环过程可概括为:在丰水季节(本文统测数据为8月下旬及9月上旬),江水位与高处阶地水位因降水丰沛而抬升,持续补给中部低洼地区,而由于温度与光照强度较高以及潜水位抬升,在研究区内水面、陆面、植被上蒸散发量非常可观,同时人工开采量(除去稻田、鱼塘的回渗量)对于地下水排泄贡献较大,在部分下游地区似也存在地下水向江水泄流的情况。

4.3 地下水浸没态势

根据研究区统测地下水位,绘制不同条件下的等水位线图,以及水库壅水浸没发生的地下水临界深度,从而确定浸没范围。据实测数据,研究区内地下水位埋藏浅,其中江南部分埋深多为1～3 m;江北部分埋深多为1～4 m。同时,在统测期间由于无降水出现,地下水位及埋深变幅很小 (图2、图3)。

根据研究区表层土的岩性及分布特征,按地下水位埋深的差异,对研究区进行分区,可分为可能浸没区、过渡区、不发生浸没区。江南、江北浸没分区结果详见图4、图5。

由浸没分区结果可见:研究区江南部分,可能浸没区面积约为20%,呈小块状分布于研究区西南、中部及东北近江地区过渡区;过渡区约占47%,呈条块状集中于研究区的中部;不浸没区约占33%,主要沿南侧及东侧高地成条状分布。江北部分可能浸没区面积约为27%,分布于研究区南部偏东近江一带;过渡区约占33%,呈散射状分布于可能浸没区外围,位于研究区中部;不浸没区约占40%,呈3个条块分别位于研究区西、北及东北部地区的高地上。

5 结论与讨论

5.1 水文地质结构条件对浸没的影响

一般情况下,浸没现象的产生是地形地貌、水文地质、人类活动等多重因素综合作用的结果,可能诱发浸没的条件归纳如下:

1)库区上游漫滩或阶地区的洼地、低谷等地区一般受库水位抬升影响较大,特别是地面高程低于或接近正常蓄水位的地段易产生浸没;

2)含水层是透水性较好的岩土,如均质砂、砾石等,由于地表水与地下水交换频繁、畅通,通常会诱发浸没产生;

3)在地下水埋深较浅的地区,由于地表水和地下水可能排泄不畅,或者补给量大于排泄量的库岸地带也易产生浸没;

4)水库调度运行不当,超过正常高水位运行可能造成库岸周围泉水出露点上升。另外排水沟深度未考虑排泄水库渗水和山区渗水,也是产生浸没的原因。

研究区处于临江低阶地区,地面高程略高于江水位;研究区地形狭长,透水性良好的含水层一侧被河道切穿,与江水水力联系十分密切,另一侧与高阶地直接相连,由高阶侧向径流流入研究区的水量较多;同时,区内地下水埋深普遍较浅。由此可见,由大顶子山水库蓄水造成的水位抬升对研究区地下水位影响剧烈,研究区易产生浸没现象。

5.2 地下水循环条件对浸没的影响

防治、治理浸没应从控制水循环条件即调控补给项与排泄项之间的关系入手。研究区内以潜水蒸发、人工开采、向江泄水为主要消耗方式,以降水入渗、河流及侧向补给为主要补给来源。其中含水层侧向径流量无显著改变的情况下,一旦江水位抬高,一方面江水向研究区流入量增加,另一方面研究区向江的泄水受阻,只能设法增加蒸发量、加大人工开采的力度才能构建新的地下水循环和动态平衡,以避免或降低浸没危害。

5.3 浸没态势

由上述分析可知,研究区接近1/3面积为可能浸没区,又有接近1/3面积为过渡区,因此有必要采用适当措施治理浸没,防治措施从如下3种思路着手:①增加地下水蒸发量;②加大人工开采/排水力度;③减少地表水向含水层地下水流入。对于浸没治理应综合多种治理措施,择优配合。

1)增加蒸发量:种植蒸散发能力强的作物,如水稻、豆类或喜水性植物 (柳树、杨树、水杉等);或鼓励鱼塘建设,开发湿地旅游等;

2)加大人工开采/排水力度:修建地下排水井、排水沟是常用的水库壅水浸没治理措施,在低洼地区或高程骤减地区也可结合地表水排水系统,或修建排水沟渠;

3)减少地表水向含水层地下水流入:沿河堤修建防渗墙,对路基底部垫砂隔绝地下水的毛细上升、对建筑物地基加强防水处理等。

5.4 浸没治理思路

大顶子山枢纽蓄水后,由于松花江水位抬升,不可避免地会在上游临江地势较低的地区形成浸没影响区。对于这一问题,除了防治以外,借助研究区毗邻哈尔滨城区的地理条件,设法因势构建滨江湿地生态旅游区,也应成为值得探讨的研究浸没治理对策之一。

5.5 进一步研究的建议

地下水浸没分析的关键在于地下水动态与均衡,因此,应在地下水动态实测、提高研究精度、优化研究方法三方面着手改进。据之,建议如下:

1)充分利用现有钻孔数据,适当延长、加密、拓展补充地下水动态监测,以补充、精确分析计算的资料依据。

2)补充相关室内外试验,以确定含水层渗透、降水入渗、灌溉回渗、泡塘渗流、潜水蒸发等相关参数;同时也应补充开展用水定额、研究区用水状况等信息的调查核实工作。

3)在资料适用的前提下浸没评价的方法应改用能够精确计算的研究方法。

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