橡膠壩工程建設(shè)對地下水滲流場影響研究

蔣曉光

(丹東市振安區(qū)水利局，遼寧 丹東 118006)

1 引 言

河水與地下水之間進(jìn)行交互是一種常見的自然現(xiàn)象。水庫的修建會對這種現(xiàn)象產(chǎn)生一定的影響，造成河水與地下水的交互發(fā)生較大的變化，對河道沿線生態(tài)環(huán)境造成很大的影響[1]。河水與地下水之間的交互作用研究主要集中于水、氣候、人類活動影響方面[2]，目前針對這方面的研究方法主要有數(shù)學(xué)解析法[3]、地球物理分析法[4]、水文地球化學(xué)法[5]、統(tǒng)計分析[6]以及數(shù)值模擬法[7]。單一的方法往往難以獲取準(zhǔn)確的結(jié)果，在實際的工程使用中往往需要多種方法相結(jié)合，從多角度、多方面分析河水、地下水的交互作用。河水和地下水之間的交互作用涉及多個學(xué)科，本文從地下水滲流場方面研究丹東市武營村新建橡膠壩工程對地下水、河水交互產(chǎn)生的影響。

2 工程概況

大沙河為丹東市最長的一條內(nèi)河，2010年，大沙河中游沿線(五龍背鎮(zhèn)到金山鎮(zhèn))共有百余家工業(yè)企業(yè)(相當(dāng)比例為化工類企業(yè))、500家商戶和上百家大小休閑洗浴場所向大沙河排污。五龍背鎮(zhèn)內(nèi)至少有五萬余居民、金山鎮(zhèn)內(nèi)至少有四萬余居民的生活污水直排進(jìn)大沙河。再往下游，從九道溝到入江口段的多數(shù)沿河地區(qū)，共有11個大型排污口不間斷向大沙河排放未經(jīng)任何處理的工業(yè)、生活污水。2011年，大沙河治理改造工程被列為政府承諾的為百姓辦的15件實事之一，也作為丹東市內(nèi)河水系治理改造工程的重點項目加快推進(jìn)。2011年，大沙河治理改造工程正式啟動，包括污水截流工程、景觀綠化工程、橡膠壩工程等幾部分。根據(jù)規(guī)劃在武營村流域的大沙河建設(shè)攔河壩一座。攔河壩為橡膠壩底板，高程為42.30m，壩袋凈高3.5m，設(shè)計正常擋水位45.80m，全長95.8m，壩前、后河道平均比降為1/800、1/1000。壩基巖土體從上至下依次為：細(xì)砂(厚0.4～0.8m)、礫砂(厚0.4～1.7m)、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖(厚度大于1.5m)。各層巖土體物理、力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 各地層物理、力學(xué)參數(shù)

3 庫區(qū)沉積物滲透系數(shù)分析

3.1 滲透系數(shù)測試方法

滲透系數(shù)又稱水力傳導(dǎo)系數(shù)。在各向同性介質(zhì)中，它定義為單位水力梯度下的單位流量，表示流體通過孔隙骨架的難易程度。目前，國內(nèi)外常用的滲透系數(shù)測試方法為豎管法，該方法具有操作簡便、結(jié)果準(zhǔn)確等特點。按Hvorslev方法[8]，計算滲透系數(shù)，公式如下：

(1)

式中D——豎管直徑，m；

Lv——豎管直徑，m；

h1——時間t1對應(yīng)的水頭,m；

h2——時間t2對應(yīng)的水頭,m；

m——與水平、豎直方向滲透系數(shù)有關(guān)的常數(shù)。

(2)

在庫區(qū)沿庫水邊線5m、10m的位置選擇42處試驗點進(jìn)行土樣顆分試驗獲取顆粒級配。各測點分布見圖1。橡膠壩建設(shè)完成后，庫區(qū)水深在2.8m，采用的PVC管長為320cm，管內(nèi)徑為4.5cm，管內(nèi)沉積物長度為270cm。豎管布置完成后，在自然條件下進(jìn)行注水試驗，準(zhǔn)確記錄不同時段管內(nèi)的水頭高度。經(jīng)過初步統(tǒng)計，各原位試驗點沉積物滲透系數(shù)最大值為3.14m/d，最小值為0.07m/d，平均值為1.05m/d。

圖1 豎管法測點分布

3.2 沉積物顆粒與滲透系數(shù)關(guān)系分析

在水庫建設(shè)之前庫區(qū)表層沉積物主要為人工填土、細(xì)砂、礫砂，厚度較小，土質(zhì)均勻性較差，滲透系數(shù)較大，多次注水試驗結(jié)果平均值一般為19.74m/d，通過顆粒分析，庫區(qū)建設(shè)前表層巖土體d50為0.245mm，d30為0.197mm，d10為0.016mm。場地內(nèi)降水參數(shù)見表2。

表2 降水參數(shù)

武營村橡膠壩修建完成后，庫區(qū)水位處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。庫區(qū)回水區(qū)水位上漲，水流速度下降，大大降低了水流攜帶、沖刷泥沙的作用，泥沙沿程呈現(xiàn)由粗到細(xì)逐漸下落淤積的現(xiàn)象。橡膠壩修建后，庫區(qū)水流的運動速度下降至0.3～0.5m/s，水流速度的大幅度下降導(dǎo)致庫區(qū)淤積了大量的細(xì)顆粒，橡膠壩的修建及蓄水對庫區(qū)沉積物的顆粒級配造成了較大的影響。

一般情況下庫區(qū)沉積物顆粒粒徑越大，滲透系數(shù)也越大，這是因為沉積物粒徑越大顆粒間空隙越大，反之亦然。根據(jù)顆粒分析，庫區(qū)沉積物以砂粒(0.075mm

4 地下水滲流場變化分析

4.1 水文地質(zhì)模型概化

根據(jù)現(xiàn)場勘查實測情況，武營村新建橡膠壩壩址以上流域面積為187km2，控制河道長度為24.3km。因此，此次模擬范圍為壩址區(qū)以上沿著河道方向長24.3km、寬約7.69km的區(qū)域。數(shù)值模擬計算以第四系孔隙含水層為目的層。將地下水簡化為x、y兩個方向的二維形式，地下水滲流為層流且滿足達(dá)西定律。

4.2 數(shù)值模擬基本參數(shù)

研究區(qū)范圍內(nèi)地表高程來源于高精度DEM數(shù)據(jù)，使用克里金插值法進(jìn)行處理，模擬范圍底板為不透水層(風(fēng)化程度較低的、結(jié)構(gòu)較完整的花崗巖)。

水文地質(zhì)參數(shù)選取依據(jù)當(dāng)?shù)氐乃牡刭|(zhì)條件以及當(dāng)?shù)仄渌椖康目辈煦@孔、抽水試驗資料，根據(jù)各區(qū)域參數(shù)的差異共劃分為6個區(qū)域，各區(qū)域劃分情況見圖2，參數(shù)取值見表3。

圖2 水文參數(shù)分區(qū)

表3 各區(qū)域水文參數(shù)取值

4.3 庫區(qū)水來源分析

庫區(qū)水來源主要包括兩個方面：降水補(bǔ)給、地下水補(bǔ)給。其中，降水補(bǔ)給量按下式計算:

(3)

式中Q——降水補(bǔ)給量，m3；

ai——各區(qū)域的補(bǔ)給系數(shù)；

Pi——各區(qū)域的降水量，mm/m2；

Fi——各區(qū)域的面積,m2。

地下水補(bǔ)給按下式計算：

Q2=KiLM

(4)

式中Q2——地下水補(bǔ)給量,m3；

K——滲透系數(shù)；

i——水力坡度；

L——補(bǔ)給長度,m；

M——含水層厚度,m。

研究區(qū)內(nèi)潛水埋深較深，一般情況下大于5.0m，潛水蒸發(fā)量較小，因此，在本次計算中可不予考慮，忽略潛水蒸發(fā)對地下水滲流場的影響。

4.4 Modflow數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.4.1 地下水流場分析

根據(jù)上述基礎(chǔ)數(shù)據(jù)建立Modflow數(shù)值模擬模型，在河道左、右岸各布置5個水文監(jiān)測孔。橡膠壩建設(shè)完成，水庫達(dá)到正常蓄水位時，地下水流場見圖3。

圖3 地下水流場

4.4.2 庫水、地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系分析

區(qū)域內(nèi)地下水主要受大氣降水、庫水補(bǔ)給，排泄方式主要為人工采用、蒸發(fā)、補(bǔ)給河水等。根據(jù)模擬結(jié)果，區(qū)域內(nèi)地下水位與地形分布情況較為一致，整體流向見圖4。橡膠壩修建完成，水庫蓄水以后，河道水位上升，高于右岸地下水水位，但仍低于左岸地下水水位，每年12月至次年3月，降水較少，右岸地下水主要受庫水補(bǔ)給，每年4—11月，降水較為豐沛，庫水受左岸地下水補(bǔ)給。

圖4 庫水、地下水轉(zhuǎn)化示意圖

在模擬時間段內(nèi)庫水位與地下水位變動和時間的關(guān)系見圖5。從圖中可知，地下水位與庫水位變化關(guān)系較為密切，一般情況下，隨著庫水位的上升，地下水位也相應(yīng)上升。

圖5 庫水位與地下水位隨時間變化曲線

5 結(jié) 論

本文結(jié)合丹東武營橡膠壩工程，通過現(xiàn)場豎管試驗獲取橡膠壩修建后的沉積物滲透系數(shù)，與建設(shè)前相比庫區(qū)表層巖土體滲透系數(shù)明顯降低；根據(jù)研究區(qū)內(nèi)水文參數(shù)特性將模擬區(qū)劃分為6個區(qū)域，采用Modflow進(jìn)行數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明庫區(qū)右岸地下水受庫水補(bǔ)給的影響，地下水位隨著庫水位上升而上升。水利工程的修建對河道環(huán)境會造成一定的改變，在修建水利工程前應(yīng)充分調(diào)查環(huán)境影響程度。