径河东庄水库地下水环境影响效应研究

雷春荣 宋宪琳 王泉伟

摘要：径河东庄水库蓄水后地表水位大幅抬升，两岸地下水自然流场改变，进而影响地下水径流、水质、水量等，其中碳酸盐库段库水位高于现状条件地下水位，存在渗漏问题。针对泾河东庄水库工程水文地质条件，通过建立三维渗流数值模型，选取库水典型溶质，对水库蓄水后的地下水环境特征效应进行研究分析，结果表明：在推荐防渗方案下，水库蓄水会引起库区和坝址区附近地下水位上升，但不改变地下水的总体径流方向;水库蓄水对下游敏感水源点井（泉）水量和水质影响微弱，不会导致地下水质类别发生变化，不会产生大的环境地质问题。

关键词：地下水环境;溶质运移;水位;东庄水库

中图分类号：X523 文献标志码：A

1 研究背景

径河东庄水利枢纽位于径河干流最后一个峡谷段，控制面积占径河流域面积的95%，水库总库容30.6亿m³，是黄河水沙调控体系的重要支流水库，在渭河乃至黄河综合治理开发中占有重要地位。东庄水利枢纽坝高230m，水库正常蓄水位回水长度96.7km，库区以老龙山断层为界，上游94.0km为砂页岩库段，下游2.7km为碳酸岩库段。水库蓄水后地表水位大幅抬升，两岸地下水自然流场改变，进而影响地下水径流、水质、水量等，评价水库蓄水对两岸地下水环境的影响程度，研究并提出减小水库蓄水对地下水环境影响的方案是水库工程前期论证的重要内容。

2 地质条件

2.1 砂页岩库段地质条件

老龙山断层上游94.0km库段为砂页岩的黄土高原丘陵区，碎屑岩岩性为二叠系（P）、三叠系（T）的砂岩、粉砂岩、泥岩，无大的断层、褶皱发育，地质构造简单，岩层厚。地下水主要赋存于二叠系和三叠系砂页岩地层中，含水层及透水层主要为砂岩，粉砂岩、泥岩为相对隔水层。地下水表现为层状径流，库区两侧地下水分水岭远高于泾河正常蓄水位，地下水补给河水，在两岸常以脉状或上层滞水形式存在，沿砂岩底部的泥岩和粉砂岩顶面溢出地表，以泉的形式排泄。

2.2 碳酸岩库段地质条件

下游2.7km碳酸岩库段为基岩中低山区，岩性为奥陶系灰岩、白云岩。老龙山断层横穿径河，总体走向近东西，倾向南，倾角40°～80°，断距1500～2000m，主断层带宽约400m，由断层岩、断层泥、碎裂岩组成，断层影响带宽度约1km。断层上盘的碳酸岩受构造挤压破碎，小断层、顺层剪切带、构造裂隙较发育。受地表水、地下水溶蚀作用影响，碳酸岩库段发育的岩溶形态主要为溶孔、溶隙，岩溶发育程度及岩体透水性总体上随埋深的增大而减弱，局部沿构造裂隙及小断层岩溶较发育，但未形成相互沟通的洞穴系统[1]。库段地下水类型为岩溶裂隙水，近岸坡及河床地下水位（550～560m）低于河水位（590m）30～40m，远岸地下水位为720～760m，地下水总体上由两岸向河谷下游方向流动，在风箱道附近受沙坡断層阻隔以泉的形式溢出。

碳酸岩库段根据地层岩性、地质构造、岩溶发育程度等可分为3个区（见图1）：A区为老龙山断层及其影响带，岩性为硅质白云岩、泥质白云岩韵律，虽然受断层影响，岩体破碎，但是岩溶发育较弱，岩体透水性较差;B区为白云岩、泥质白云岩、灰岩韵律段，岩溶发育较弱，岩体透水性较差;C区为库首厚层灰岩段，溶蚀裂隙较发育，岩体透水性整体随埋深增大而减弱，主要受溶蚀裂隙控制，具有一定不均一性，是产生水库渗漏的重点部位。

水库蓄水后库水位高于现状条件地下水位，存在渗漏问题。库首厚层灰岩段是产生水库渗漏的重点地段，渗漏形式以溶隙性为主，局部浅表层风化卸荷带、构造破碎带可能存在顺缝隙的脉管性渗漏，渗漏途径为坝基及绕坝渗漏、沿两岸坡向下游绕渗。

3 水库蓄水对地下水环境影响评价

水库蓄水后，库水位最大抬升近200m，改变了库区及库区周边一定范围内地表水和地下水的补给、径流和排泄关系，使地下水流场和水化学场发生变化，可能导致地下水位抬升和水质变化等地下水环境问题。

3.1 影响范围

水库蓄水后可能影响的地区包括库区、碳酸岩库段所在的筛珠洞泉域和径河与渭河交汇处上游的泾河两岸地区。根据水库蓄水前、后地下水与河水的补给、排泄关系，以及库区周边的水文地质条件和地下水环境敏感程度，将影响区域划分为砂页岩库段（Ⅰ区）、碳酸岩库段所在的筛珠洞泉域（Ⅱ区）和山前平原区（Ⅲ区）3个区。

3.2 水库蓄水对地下水环境的影响

3.2.1 老龙山断层以北砂页岩库段（Ⅰ区）

砂页岩库段库盆由砂岩、粉砂岩、泥岩相间组成，层面平缓，泥岩为微透水或不透水地层，库区两侧地下水分水岭远高于泾河正常蓄水位，地下水补给河水，水库蓄水后，地下水流场形态变化不大;近库区泉水出露点高程均在800m以上，河道两岸地下水补给河水。因此，水库蓄水后将继续保持现状的补排条件，不会对地下水水化学场和径流场产生影响。

库区周边分散的民井水源地的取水层位均高于正常蓄水位，不会改变现状条件下的流场，因此水库蓄水对分散供水民井的水量和水质不产生影响。

3.2.2 碳酸岩库段所在的筛珠洞泉域（B区）

在老龙山断层下游的碳酸岩库段，地下水位普遍较低，均低于现状河水位，水库蓄水后存在水库补给地下水现象，会导致地下水流场和水化学场发生变化，从而对地下水环境产生影响。为减小库水渗漏对地下水环境的不利影响，在灰岩库段（C区）布设防渗帷幕[2]，并进入白云岩地层（B区），坝基帷幕底高程以小于3Lu的微弱透水岩体为底界，两岸防渗帷幕底高程深入地下水位以下。

为研究水库蓄水后地下水环境的变化情况，根据工程区岩溶水文地质条件，建立地下水三维渗流数学模型[3-5]：式中：H、H_r分别为地下水位标高、泾河水位标高，m;K、K_r分别为含水层渗透系数、河床淤积层垂向渗透系数，m/d;t为时间，d;Ω为计算区范围;W、Q分别为潜水、承压水水井开采量，m³/d;δ为函数，对应水井的位置坐标;S_s为承压含水层弹性释水率，1/m;h₀、h₁分别为初始水位标高、定水头边界水位标高，m;q（t）为变流量边界流量，m³/（d·m²）;Q_r为河水入渗量或地下水溢出量，m³/d;A为泾河入渗与地下水溢出面积，m²;M_r为河床淤积层厚度，m;μ为潜水含水层给水度，1/m;ε为潜水面垂向交换量（入为正、出为负），m³/（d·m²）;Γ₁、Γ₂分别为一类边界、二类边界;n为二类边界外法线方向。

采用三维有限差分法对工程区岩溶水文地质条件及水库蓄水后地下水流场、库水典型溶质（NH₄⁺、SO₄^2-、TDS、COD_Mn）的運移进行数值模拟和预测分析。

（1）地下水位变化。在上述防渗方案下，通过模拟分析，对比蓄水前后碳酸岩库段所在筛珠洞泉域地下水流场（见图2、图3）发现，坝址区附近水位变化较大，库区地下水位大幅上升，但地下水上升区基本被限制在沙坡断层以北的库坝区及其附近区域，对沙坡断层以南区域影响轻微。

（2）下游泉点流量变化。通过计算分析，在上述防渗方案下，水库总的渗漏量为2200万m³/a，占径河年径流量的1.78%，库水渗漏没有改变地下水的总径流方向，下游筛珠洞泉群流量在蓄水后第20a末增加了5%，见图4。

（3）水化学场变化。通过地下水环境影响评价数值模型预测分析，库水中4种物质[6]（NH₄⁺、SO₄^2-、TDS、COD_Mn）的浓度在水库蓄水前后的对比见图50模拟结果表明，库水4种物质人渗后对地下水中溶质运移的影响范围大致相近，在水库蓄水后，对地下水质影响的范围集中在沙坡断层以北的水库区及其附近，对筛珠洞泉域水质有轻微影响，不会导致地下水质类别发生变化。

3.2.3 山前冲洪积平原（Ⅲ区）

山前冲洪积平原区径河两侧地下水分水岭高于径河正常水位，河道两岸地下水补给河水，因此水库蓄水将继续保持现状的补排条件，不会对地下水水化学场和流场产生影响。径河存在分散的居民用水水源地，但取水层位均高于正常蓄水位，不会改变现状流场，水库蓄水后不会对这些分散供水民井产生影响。

4 结语

在推荐防渗方案下，水库蓄水会引起库区和坝址区附近地下水位上升，但不改变地下水的总体径流方向;水库蓄水对下游敏感水源点井（泉）水量和水质影响微弱，不会导致地下水质类别发生变化，不会产生大的环境地质问题。鉴于东庄水库岩溶水文地质条件的复杂性，建议对周边地下水环境（水位、水质）进行动态监测，确保周边地下水环境安全。

参考文献：

[1]杜朋召，雷春荣，高平，等.东庄水库碳酸盐岩库段岩溶控制因素与发育规律研究[J].华北水利水电大学学报，2018，39（3）：88-92.

[2]万伟锋，王泉伟，邹剑锋，等.东庄水库岩溶渗漏几个关键问题的探讨[J].人民黄河，2015，37（2）：99-103.

[3]常勇，刘玲.岩溶地区水文模型综述[J].工程勘察，2015，43（3）：37-44.

[4]魏加华，郭亚娇，王荣，等.复杂岩溶介质地下水模拟研究进展[J].水文地质工程地质，2015，42（3）：27-34.

[5]姜光辉.融合生态学和提升岩溶水数值模拟技术的国际前沿研究[J].中国岩溶，2016，35（1）：1-4.

[6]姜光辉，于奭，常勇，等.利用水化学方法识别岩溶水文系统中的径流[J].吉林大学学报（地球科学版），2011，41（5）：1535-1541.