昭平台水库扩容工程傍河地块浸没数值模拟研究

左 霖，杨亚茹，曹泰瑞

(1.河南省水利勘测有限公司，河南 郑州 450008；2.河南省特殊岩土环境控制工程技术研究中心，河南 郑州 450008)

水库浸没是指水库蓄水使水库周边区域地下水位升高而造成土壤沼泽化、盐渍化、建筑设施地基条件恶化、矿井涌水量增加等灾害现象的统称[1]。随着蓄水位的升高，改变了区域地下水流场，使靠近库边线的河流阶地地下水抬升，在毛细上升作用下，表层土壤毛细水浸润建筑物地基或植物根系，且持续时间较长时，使建筑物地基承载力下降或影响农作物生长，进而产生浸没问题[2]。

浸没问题是水库，尤其是平原及低山丘陵区水库的主要工程地质问题[3]，其对水库上游沿岸居民的生产生活产生不利影响，因此科学合理的预测浸没程度，准确圈定浸没范围，不仅保护了人民群众的利益，同时使工程前期投资估算更加精准[4]。

1 工程概况

昭平台水库坐落在淮河支流沙颍河水系沙河干流上，坝址位于河南省平顶山市鲁山县城以西约12km。水库控制流域面积1430km2，总库容6.85亿m3，防洪库容2.32亿m3，兴利库容1.96亿m3，是一座以防洪、灌溉为主，结合供水，兼顾其他效益综合运用的大(2)型水库。

昭平台水库扩容工程建设内容主要包括拦河坝、白土沟副坝加高，新建1#、2#、3#副坝，杨家岭泄洪闸改造为混凝土坝，尧沟溢洪道拆除重建，输水洞进水塔及出口控制闸拆除重建、洞身加固及新建电站等。扩容后昭平台水库属大(1)型水库，50年一遇设计洪水位189.91m，最大可能校核洪水位192.26m，正常蓄水位174.6m，总库容13.56亿m3。

由于库尾与荡泽河等支流两岸分布的Ⅰ、Ⅱ级阶地坡度较缓，且地层具有二元结构，上部土层具有弱透水性，赋存有潜水，下部砂、卵砾石层具有强透水性，水库扩容后将造成区域地下水位的抬高，可能产生浸没地块，为预测水库扩容后的浸没程度及影响范围，选取荡泽河曹楼-韩店段为典型地块进行浸没数值模拟研究。

2 水文地质概念模型

2.1 模型范围

荡泽河库尾曹楼-韩店段地块地貌属山间河谷地貌，河谷呈宽浅“U”形，本地块地势总体西高东低，荡泽河发育有两级阶地，Ⅰ级阶地高程多在172～178m之间，蓄水后Ⅰ级阶地一部分成为淹没区。Ⅱ级阶地阶面高程173～181m，阶面较平整，微向河流倾斜，坡度较缓，地层具有二元结构，上部土层属弱透水性，下部卵石层属强透水性。水库扩容后将造成地下水位的雍高，局部可能产生浸没，因此，模型范围为水库扩容后的库边线与库岸变质岩山体之间的地块。

2.2 边界条件

2.2.1侧向边界条件

地块位于荡泽河左岸，库岸阶地上部为变质岩低山丘陵，基岩与第四系松散孔隙地层交界为模型的北东侧边界，地块通过该边界接受来自基岩裂隙水的侧向补给，因此边界条件北东侧为流量边界，水库扩容后南侧西侧临水，南侧西侧为定水头边界。

2.2.2垂向边界条件

本模型的上边界为地表面，主要接受大气降水入渗补给，存在蒸发排泄及河流湖泊等地表水体的补排，下边界基岩为隔水底板。

2.3 含水层结构概化

本地块地下水广布于以第四系地层为主的河流阶地和岗垄地带，属孔隙潜水，主要赋存于砂卵石层中，上部粘性土含有少量潜水，部分地段具承压性。含水层的厚度变化较大，一般3.0～5.0m，富水性及透水性均较好，属强透水层。地下水埋藏深度随地形高低有变化，一般2.0～8.0m，各地块均具有典型的二元结构特征。

3 数学模型及求解

根据地下水动力学理论，当渗透系数主方向与坐标轴一致时，对于非均质各向异性介质，其地下水三维渗流模型采用下述数学模型进行描述[5]：

(1)

式中，Kxx、Kyy、Kzz—x、y、z三个方向的渗透系数，m/d；H—水位值，m；Ss—给水度或储水系数；t—时间，d；w—源汇项，包括降雨入渗、蒸发、地表水补给量或排泄量、地下水开采量等，m3；H0—含水层初始水位，m；H1—第一类边界水位值，m；q—第二类边界上的单宽流量，m2/d；B1—第一类边界；B2—第二类边界。

针对上述数学模型，采用三维有限差分数值方法求解。计算机软件采用Brigham Young University研发的可视化三维地下水模拟软件GMS中的MODFLOW模块[6]。

4 地下水流数值模型

在查明本地块水文地质条件的基础上，建立研究区地下水流数值模型，对水库建成扩容后区域地下水变化趋势和水库的浸没情况进行模拟预测。

4.1 网格剖分

根据本地块地层岩性特征资料、水文地质剖面图和勘探钻孔资料等，利用GMS中的3D Grid模块对模拟区整体进行矩形网格剖分。根据研究区面积及考虑到网格密集程度对运算速度和质量的影响，在水平方向上将研究区剖分为150×120的网格，区域的三维尺度在x方向上长度为1771m，y方向上长度为1510m，网格步长分别为Δx=11.81m，Δy=12.58m有效网格12750个，每个单元格面积为148m2，网格剖分如图1—2所示。

图1 网格剖分图

图2 网格剖分叠加地形示意图

4.2 边界条件及初始条件

据库区地下水位调查，各地块均属山间河谷地貌，位于水库扩容后的库边线与库岸上部山体之间，水库扩容蓄水范围设为定水头边界，位于本地块东南侧(B1)，蓄水位设为174.6m，地块西北侧为流量边界(B2)，通过断面法求出的初始流量输入模型，再经过模型拟合调参，其他边界为隔水边界，如图3所示。垂向上，研究区主要接受降雨入渗补给，垂向上为敞开的补给边界。

图3 边界条件示意图

本次模拟将本地块2021年7月实测的地下水位插值得到全区的地下水位定为模拟的初始水头，如图4所示。

图4 初始地下水位等值线图

4.3 参数设置与源汇项

表1 含水层参数取值表

区域主要的补给来自大气降水，降雨量根据当地气象站的观测数据获得，与相应的降雨入渗系数进行属性叠加计算，得到降雨入渗量，根据地表第四系地层岩性分布，基岩出露情况以及研究区地形地貌等地质特征对模型降雨入渗进行分区，降雨入渗分区与参数分区图基本一致。排泄方式主要为蒸发和人工开采，蒸发量根据气象站的观测数据与相应的蒸发折算系数进行计算获得。

5 模型运行结果

5.1 临界埋深的确定

依据GB 50487—2008《水利水电工程地质勘察规范》附录D[7]，浸没评价的临界地下水埋深按下式求得：

Hcr=Hk+ΔH

(2)

式中，Hcr—浸没地下水埋深临界值，m；Hk—地下水位以上，土壤毛管水上升高度，m；ΔH—安全超高值，m，主要包括植物根系层的厚度建筑物的基础埋深，可据原位试验和调查经验确定。

野外对第四系全新统Q4和第四系上更新统Q3地层进行试验坑试验和实际测量，统计资料见表2，其中Q4土壤毛管水上升高度试坑观测范围值为58～66cm，平均值为62.5cm，大均值64.2cm，按65cm取值。对Q3地层进行试验坑试验和实际测量，其土壤毛管水上升高度试坑观测范围值为64～81cm，平均值为73.8cm，大均值76.7cm，按77cm取值。

表2 土壤毛细水上升高度野外试验统计表

水库扩容后浸没影响的主要区域分为农业区和居民建筑区。农业区主要种植有小麦、玉米等农作物，其最大根系发育长度约0.6m；居民建筑区一般为2层民房，其基础埋深一般为0.8m。因此，对于农业区地下水临界埋深第四系上更新统Q3地层取1.37m、第四系全新统Q4地层取1.25m作为浸没判别的标准，对于居民建筑区，地下水临界埋深第四系上更新统Q3地层取1.57m、第四系全新统Q4地层取1.45m作为浸没判别的标准。

5.2 运行结果

将水文地质参数和源汇项输入模型，通过模拟运行计算，程序可自动求出研究区地下水位的时空分布情况，再通过实测数据对模型进行校正，最后将每个单元格的地表高程值与模拟求出的地下水位相减得到的差值即为该单元格的地下水埋深，进而得出水库扩容一年后地块的地下水位等值线图(图5)和地下水埋深等值线图(图6)。

图5 预测地下水位等值线图

图6 预测地下水埋深等值线图

在扩容后模拟区的地下水流场特征比扩容前(图4)发生了明显变化。首先，随着水库蓄水位上升，区域地下水流向由扩容前的从北往南流变为扩容后沿库边线由西往东流；其次，区域地下水位发生不同程度的升高，上升幅度一般在0.0～4.0m，其中以临水的库周边线附近上升最为明显，向后缘升幅逐渐减小。本地块沿库周边线主要为种植农作物的Ⅰ级阶地，上部覆盖土层主要为第四系全新统Q4地层，农业区地下水临界埋深为1.25m，Ⅱ级阶地及以上主要为村庄、工厂等建筑物区，地下水临界埋深为1.37～1.57m，通过对比临界埋深，可以确定浸没范围和程度，由图6可知，红色区域的地下水埋深小于1.25m，为浸没的主要发生区域，且距离库边线越近，埋深越小，浸没破坏越严重，该区域宽度大致为15～180m；Ⅱ级阶地及以上的建筑物区位于绿色及蓝色区域，地下水埋深一般高于2.5m，不会发生浸没破坏。

6 结语

本文通过对库周典型地块水文地质勘察成果进行归纳与总结，查明了本地块地形地貌、地层岩性组合、地下水动态特征等地质条件，获取的大量试验参数可为当地提供相应的经验参考。在建立概念模型和数学模型的基础上，进行地下水三维数值模拟，给出水库蓄水后地块预测的地下水流场，结合地下水临界埋深，判定评价浸没程度，圈定浸没范围，为此后涉及的征地、移民搬迁和渗控处理方案提供依据。

水库浸没问题较为复杂，数值模型不可避免会存在一定的误差，待水库扩建蓄水后，可结合实际监测，对本次浸没预测结果进行验证，优化校正模型的各项参数和边界条件，使数值模型的参数选取更加精准。