平原水库建设对地下水水位的影响预测

周亚群 娄云 喻光晔

平原水库建设对地下水水位的影响预测

周亚群 娄云 喻光晔

平原水库对水资源的蓄积和调剂起了很大作用，但对周边环境也有很大影响，可能存在地基软弱、地基液化、渗漏、周边浸没等问题。这些问题均与地下水环境的改变密切相关，一系列工程措施改变了地下水的赋存环境及补径排条件，使工程建设区附近及下游片区地下水位降低或上升。目前国内外采用的地下水水位预测方法主要有回归分析法、数理统计法、模糊数学法、灰色系统法和人工神经网络法，单一的预测方法各有其优劣势。为提高地下水位预测精度，可采用多种方法融合或变权组合使用的方法。我国针对平原水库地下水环境影响评价可参考的资料少，导则中也没有给出专门的公式，因此探索平原水库建设对地下水水位的影响具有重要的实用价值。本文以拟建的辛集洼水库为例，采用潜水井非稳定流公式预测水库运行期正常工况及事故工况下，库水渗漏对地下水水位的抬升幅度，分析可能产生的土壤次生盐渍化问题并提出相应的控制措施。

一、工程概况

拟建辛集洼水库位于山东省滨州市邹平县城北侧，孙镇辛集村南，距县城约15km。工程规模为中型，总库容3078万m3，死库容364万m3，蓄水位19.11m。主要建筑物工程有引水渠、渠道交叉建筑物、围坝、截渗沟、出入库泵站、出入库涵洞、供水工程、管理设施等。引水渠全长6.045km，设计流量为14m3/s；围坝为复合土工膜防渗体土坝，坝顶高程21.34m；围坝外距坝轴线65.50m处设截渗沟；入库最大设计流量14.0m3/s，最小设计流量4.5m3/s；出库设计流量1.56m3/s，共设4台机组；工业供水管道全长约12.6km；生活供水管道全长7.813km；日供水13.47万m3。

二、水文地质条件

区域内广泛分布第四系沉积物，其岩性松散，孔隙发育，赋存孔隙水。山前地带分布的冲洪积层多由黄土状粘性土或砂性土组成，间夹透镜状碎石层。黄土状土多具垂直裂隙，有不甚发育的大孔隙构造，具一定渗透性。地下水以大气降水补给为主，冲洪积扇地段尚接受大量的上游地下径流补给和下伏裂隙岩溶水补给，形成该区透水性较强的第四系含水层。

北部冲积层系由黄河多次泛滥沉积而成，地形平坦，岩性松散，颗粒较细，砂层多呈带状分布，透水性较强。地下水的补给以大气降水渗入为主，在黄河沿岸一带，尚接受黄河水的侧渗补给，该区孔隙水的赋存均受古河道带控制，古河道带含水砂层发育，透水性较强，古河道间带含水砂层不发育，且层多而薄，岩性多为粉细砂，补给条件较差，透水性较弱。

三、地下水水位现状调查

在辛集洼水库库区布置18座水位观测井，分别于2012年8月17日（丰水期）及2013年5月13日（枯水期）进行了地下水位观测。根据观测结果，丰水期地下水埋深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；丰、枯水期地下水变幅0.40～1.50m。地下水流向总体由西南流向东北，向小清河方向排泄。丰水期地下水补给杏花河河水，在库区附近地下水流场显示地下水向杏花河排泄。丰水期场区周边现状地下水埋深较浅，局部小于浸没临界深度，说明现状局部场区已处于浸没状态。

四、水库建设对地下水水位的影响

本文针对工程运行期正常工况及事故工况下，水库库水渗漏对地下水水位抬升幅度进行预测；预测范围为水库渗漏影响到的最大范围，采用《环境影响评价技术导则—地下水环境》（HJ 610－2011）附录C中C.13公式计算得出辛集洼水库围坝桩号5+677～7+113处含水层渗透系数最大（4.27m/d），其影响半径为1.45km；预测时段自水库建成蓄水起，至运行30d、100d、1a、5a、10a、20a、30a。

1.预测模型

预测模型采用地下水流解析法，计算公式如下：

H-h=Δh

式中：

H—包气带初始厚度，m；

h—预测点包气带厚度，m；

k—包气带综合渗透系数，m/d；

Qi—水库围坝每米单位渗透量，m3/d；

W（ui）—井函数，可通过查表的方式获取井函数的值（《地下水动力学》）；

μ—给水度，无量纲；

ri—预测点到坝轴线的距离；

t—为自水库蓄水开始到计算时刻的时间；

Δh—预测点地下水位变幅。

2.模型概化及假定条件

平原水库为面状地下水补给源，概化为沿围坝一周均匀分布的补给井，对周边地下水的影响概化为每单个井对地下水的影响，补给量为水库渗漏量均分到每单个补给井补给地下水。根据预测模型，结合工程运行及场区水文地质条件，模型计算条件作以下假定：水位计算从水库围坝坝轴线处起，向库外一定距离预测；水库渗漏量假定保持不变，按年渗漏量平均至围坝每米单井日渗漏量；包气带岩土均质各向同性；原始潜水面水平；包气带岩土层渗透系数取各有关层的厚度加权平均值。

3.模型计算及评价

（1）正常工况下

辛集洼水库工程设计中对坝基采取了全库盆铺膜防渗，围坝采取了复合土工膜防渗和坝外截渗沟，正常工况下，工程处理措施均达到设计要求。

1）参数选取

①正常工况下，辛集洼水库年渗漏量316.81万m3，每米单井日渗漏量Q为1.14m3/d。

②按场区丰水期地下水埋深0.8～2.8m，取平均值1.7，包气带初始厚度H取1.7m。

③包气带内分布土层为①层裂隙粘土，岩土层综合渗透系数k为2.08m/d。

④根据包气带岩土层特征，给水度取经验值0.1。

⑤包气带平均厚度M取1.7m。

2）模型计算

根据预测模型和计算参数，正常工况下坝轴线外地下水变幅计算成果见图1。

图1　辛集洼水库正常工况下水库坝轴线外地下水位变幅图

由图1可见，正常工况下，水库蓄水时间越长、地下水位抬升越高、影响范围越大。当水库运行30d后，地下水位最高上升0.213m，距坝轴线约100m处地下水位变幅趋向于0；当水库运行1a后，地下水位最高上升0.288m，距坝轴线约200m外地下水位基本不受影响；当水库运行5a后，库水渗漏对地下水位的影响基本趋于稳定；蓄水30a后地下水位涨幅最大处为0.397m，库水渗漏对地下水位的影响较小。

工程区现状地下水平均埋深1.7m以下，一般大于土壤次生盐渍化的地下水埋深临界值1.2m，正常工况下库水渗漏引起的地下水位涨幅对地下水环境没有影响。对坝基及围坝进行防渗处理后，可以有效控制水库渗漏引起的浸没、土壤次生盐渍化等环境水文地质问题，还有利于减缓丰水期已造成截渗沟附近的浸没及土壤次生盐渍化现象。

（2）事故工况下

此次主要是在防渗措施失效的事故工况下，预测库水渗漏对地下水位的影响。

1）参数选取

防渗措施失效工况即防渗土工膜局部出现破损，致使水库渗漏量较大，水库渗漏量取未防渗时水库渗漏量的50%，即710.15万m3，则每米单井日渗漏量Q为2.56m3/d；其他参数同上。

2）模型计算

根据预测模型和计算参数，防渗措施失效工况下坝轴线外地下水变幅计算成果见图2。

图2　辛集洼水库防渗措施失效工况下水库坝轴线外地下水位变幅图

由图2可知，防渗措施失效工况下，库水渗漏对地下水位的影响较大。当水库运行30d后，地下水位最高上升0.531m；当水库运行1a后，地下水位最高上升0.763m；当水库运行5a后，地下水位最高上升0.950m，距坝轴线约600m外地下水位影响较小；当水库运行10a后，地下水位最高上升1.046m，地下水位变幅增长较慢，库水渗漏对地下水位的影响基本趋于稳定；蓄水30a后地下水位涨幅最大处达1.24m。

因此，蓄水时间超过1a后，受水库渗漏影响，坝后一定范围内地下水埋深将小于土壤次生盐渍化的地下水埋深临界值1.2m，造成坝后浸没现象。局部场区丰水期现状地下水埋藏较浅，已处于浸没状态，事故工况下水库渗漏会造成场区浸没的进一步扩大，加剧土壤次生盐渍化现象。

五、结论及建议

经预测，正常工况下辛集洼水库库水渗漏对地下水位的影响较小，轻微的地下水位涨幅对地下水环境没有影响，且采取防渗措施后可以有效控制地下水水位和环境水文地质问题；事故工况下，库水渗漏引起的地下水位涨幅较大，蓄水超过1a，坝后一定范围内地下水埋深将小于土壤次生盐渍化的地下水埋深临界值1.2m，造成坝后浸没现象进一步扩大，局部可能加剧土壤次生盐渍化现象。

为防止运行期水库渗漏造成地下水大幅度抬升，引起周边浸没、土壤次生盐渍化等环境水文地质问题，除采取必要的工程措施外，建议采取以下防护措施：加强地下水位观测，及时发现问题并加以解决，确保地下水位在浸没临界埋深以下；通过建立生态农业结构控制地下水位；定期进行库水水质监测，防止库水污染影响地下水水质；在管理区设置地埋式一体化污水处理设施，减少对地下水水质污染风险。

（作者单位：淮河水资源保护科学研究所233001）