隧洞工程建设对水环境影响预测评价——以滇中引水工程狮子山隧洞为例

黄靖宇,曾柯耀,赵永川,张 强

(1.成都理工大学,四川 成都 610059;2.云南省水利水电勘测设计研究院,云南 昆明 650021)

0 引言

山区地下隧洞(道)工程建设使得流动系统内的地下水径排条件发生改变,长期排放地下水也伴随着影响范围内的地下水水位下降,造成泉水、沟渠及水库的补给量减少甚至枯竭,从而破环原有的水环境平衡,从而滋生一系列生态环境问题及效应[1-3]。

近年来,随着国家对于协调工程建设与环境保护矛盾的问题愈加重视,隧洞(道)建设与水环境影响的相互研究也逐渐成为热点。史景革基于地质调查,结合隧道涌水量监测和隧道渗漏水流量分段测量结果,张国珍[4]从隧道施工期间和运营期间两个方面阐述了隧道对环境的影响,并且总结了国内外一些专家学者对隧道环境负效应评价研究;梁军平[5]基于模糊层次分析法建立了岩溶地区隧道施工对水环境影响评价指标体系,并对西南地区某隧道进行了实例验证,结果表明该体系可以满足施工期不断变化情况对水环境影响准确评估的要求;万炳彤[6]考虑到隧道工程地下水环境中信息的不确定性、未确知性,构建了隧道工程地下水环境负效应评价体系并在工程中验证该体系的可靠适用性;胡伟等[7]以重庆主城拟建鹿角隧道为例,对隧道影响范围内的地下水体、地表水体、土地资源与次生灾害进行了综合评价,证明了隧道修筑会对该区域地下水文地质环境造成较大影响;前人研究为隧道建设中水环境的保护积累了丰硕的理论基础与指导方法。

滇中引水大理Ⅱ段狮子山隧洞的建设范围涉及多个环境敏感点,在前期调查中地下水环境影响风险属中等,亟需深入展开隧洞建设对水环境的影响研究。本文在收集区域自然地质背景与查明水文地质条件的基础上,基于数值法对区域天然渗流场与隧洞施工排水条件下的渗流场进行模拟预测,并分析区域渗流场的变化特征,以此作为理论依据对区域重要的水环境敏感点进行评价,为隧洞工程科学合理的保护区域生态环境提供指导方向。

1 研究区与工程概况

研究区地处云岭横断山脉边缘,云贵高原西南部,山脉总体呈南北走向,地貌形态多为中～高山构造侵蚀山,其间分布数个小型构造盆地,研究区气候属北亚热带偏北高原季风区,年均降雨810 mm,地表水体由中部的小官村水库、南东侧的品甸海及多条箐沟组成。区域岩石地层处杨子准地台西缘,槽台转化和川滇古陆隆起对本区的沉积建造和构造运动起到决定性控制作用。

区域地层按地下水赋存条件可分为下二叠(P1)厚层状灰岩、康廊组(D1k)灰岩岩溶含水层、中二叠(P2β)斑状玄武岩风化裂隙含水层、下泥盆莲花曲组(P2β)页岩、上三叠白土田组(T3ba)、下侏罗冯家河组(J1f)砂泥岩相对隔水层。研究区岩溶发育,地表岩溶形态多样,溶蚀洼地、谷地以及大量的溶蚀裂隙、溶孔等散布丘间。地下水接受大气降雨补给,多在层间或溶蚀裂隙运移,并以泉点或泄流方式在接触带或低洼地区排泄。

滇中引水狮子山隧洞工程设计全长29 420 m,其中小官村段长9 892 m(DLⅡ46+239～ DLⅡ55+221),最大埋深达400余米。线位横穿了新村、桑园村和笔马村等地,主要穿越D1k岩溶含水层,P2β、P2β、T3ba、J1f砂泥岩相对隔水层及侵入体花岗岩(γ53)、辉绿岩(ηυ)。

2 排水条件下渗流场模拟分析

数值模拟采用行业内认可度较高且使用相对成熟的Visual Modflow软件[8-10],实现对区域渗流场变化的可视化模拟展现。

2.1 模型范围与概化

根据研究区地形条件和水文地质结构,圈定模拟范围西至北秧凹、东达洗窝帚山隧洞进口,南起海沟头北抵帽山庄附近,总面积约89.8 km2(图1)。模型东西向长9 457.5 m,南北宽9 505.36 m,以100 m剖分平面成95×95的网格;垂直方向模拟高程1 300～2 400 m,根据含水介质性质和模型计算需求,垂向剖分13层。

图1 区域模型等值线图

2.2 参数赋值与时间离散

根据区域水文地质试验和资料结果(表1),对研究区下伏地层6种不同的地层岩性进行赋值,补给强度为243 mm/yr,枯季和雨季分别设置不同的河流边界和降雨入渗补给量,其中1-5月补给强度为92 mm,5-12月补给强度为150 mm。时间步长设置为360 d,约为一个完整水文年,步数为12,计算间隔时间为10 d,模拟施工时间为5 a。

表1 模型参数分布示意图

2.3 模型校验

选取四个观测井对模拟天然地下水水位与实测地下水水位对比分析,以确定模型的拟合准确度。模型地下水位随着时间延续逐渐接近实测水位,最终水位与实际情况大体相符,误差比均小于5%,从而验证了取值参数得可靠性(见表2)。

表2 模型计算观测井水位与实测水位拟合表

2.4 天然渗流场模拟结果

研究区天然渗流场模拟结果如图2,受区内地形地貌、含水岩组分布及构造发育等条件控制,本项目在中高山地区地下水水位受深切沟谷和排泄基准面的影响,靠近沟谷及河流位置地势低,地下水位埋深小,而在山坡中,地下水位埋深则较大,小官村水库是该区域地下水主要的排泄基准面。模拟结果与实际水文地质条件基本吻合,天然条件渗流场及可用于后续的隧洞排水条件渗流场变化模拟分析。

图2 天然渗流场图

2.5 渗流场变化特征

根据施工经验,特长隧洞的计划建设周期一般在五年左右。因此采用非稳定流对隧洞全段开挖五年后的渗流场变化进行预测模拟,模拟结果显示(图3),隧洞在穿越罗贤观北侧时将揭露灰岩段,由于渗含水介质连通性强,水位相比其他地区大幅度下降,此外在梁王山新村以西、花交井至罗家山一线水位也发生了不同程度的下降,隧洞排水对区域南西侧水位影响较小。

3 水环境影响评价

隧道施工影响范围内主要涉及梁王山云南源水厂岩溶大泉、马笔村泉及小官村水库三处主要的环境敏感点,结合基础水文地质调查与数值模拟结果,逐一对其进行环境影响评价。

3.1 梁王山岩溶大泉

通过对梁山王泉的成因分析认为其补给主要来源于梁王山西侧的岩溶山体,主要含水层与隧洞之间有花岗岩和玄武岩等非可溶岩阻隔,隧洞建设对西侧的岩溶区地下水发生袭夺的可能性较小,数值模拟分析中佐证了这一观点,在隧洞全排五年条件下,西侧岩溶山体的水位变化幅度不明显,只有较高的地下水发生了局部的下降;综上认为隧洞施工对梁王山云南源水厂岩溶大泉的影响较小。

3.2 马笔村泉

马笔村泉与狮子山隧洞小官村段位于同一水文地质单元,且距离较近,且所在区域渗流场水位下降幅度较大,隧洞施工存在使马笔村泉水量减小、甚至枯季枯竭的风险。

3.3 小官村水库

小官村水库与狮子山隧洞垂直距离约2.5 km,库盆大部分位于P2β玄武岩地层中,只有少部分位于T3ba厚层状粉砂岩、砂质泥岩。水库高程2 070 m,隧洞高程1 965 m,其间地层均为非可溶岩,且岩层走向近乎平行于隧洞线,过水通道较少,两个工程的水力联系弱,通过达西定律估算,库水向隧洞方向渗透最大速度仅0.042 m/d,单宽渗透量较小,隧洞建设对水库的蓄水问题影响较小。

小官村水库的水源包括天然的汇水补给量和“引洱入宾”工程输水量两部分,通过对水库上游的面积测算,小官村水库的天然补给的总集水面积为84 km2。模型结果显示隧洞建设穿越可溶岩段会使罗贤观北侧约6 km2的地下水水位下降,其中有约2.5 km2属于小官村水库的汇水区域,小官村水库隧洞穿越的可溶岩面积占整个水库总集水面积的2.9%。隧洞穿越的可溶岩汇水面积的产水量估算:2.5(km2)×30(104m3/y)×20%=25×104m3/y,产水量占整个水库总入库量(2 200×104～2 500×104m3)的1.00%～1.13%,故隧洞施工对水库整体的径流补给影响较小。

4 结语

通过水文地质调查与数值模拟分析,探明了隧洞建设影响的主要区域,并以此为理论基础对研究区的主要环境敏感点进行影响评价,主要成果如下:

(1)由于岩溶含水层介质连通性强,隧洞建设在穿越罗贤观北侧岩溶山地时,地下水的水位下降和影响面积显著大于非可溶岩地区;

(2)隧洞建设对同一水文地质单元的马笔村泉水量会产生一定的影响,对梁王山岩溶大泉的水量和小官村水库径流补给量与库盆渗漏影响较小。