基于MODFLOW的水庫滲漏綜合分析與補源效果評價

王俊華

(江西省水利水電建設集團有限公司,江西 南昌 330000)

1 概述

水資源是人類社會賴以生存和發(fā)展的基本資源，對人類社會的發(fā)展和進步具有不可替代的重要作用。隨著經濟的不斷發(fā)展，人們對水資源的需求也呈現出不斷增長的變化態(tài)勢，而人們對水資源的無序和過度開發(fā)利用，也給水環(huán)境造成較大的壓力[1]。我國是世界上人均水資源較為匱乏的國家之一，且受到氣候等因素的影響，水資源分布時空不均的問題也十分突出。針對這一問題，我國大力進行水利工程建設，特別是利用水庫的攔蓄和調節(jié)作用，使有限的水資源發(fā)揮出最大的效益。對水庫建設和運行而言，滲漏是一種十分常見的現象，不僅會影響到水庫的運行效率和供水安全，造成水資源的浪費，同時滲漏水還會對下游地區(qū)的地下水環(huán)境造成明顯影響[2]。因此，針對水庫的滲漏問題展開研究，分析水庫滲漏的時空分布特征，研究其對下游地下水環(huán)境的影響已經成為水庫建設和運行管理中亟待解決的技術性問題。

2 研究對象和方法

2.1 工程概況

水庫是某市的工農業(yè)和生活用水主要來源，對保證城市供水安全發(fā)揮著重要作用。近年來，隨著國民經濟和社會事業(yè)的迅速發(fā)展，城市的水資源消耗量也呈現出逐漸遞增的態(tài)勢。目前，城市周邊的現有水庫規(guī)模有限，蓄積的地表水資源已經不能滿足城市發(fā)展的需要，而大量開采地下水資源會引發(fā)生態(tài)、地質等方面的一系列問題?；诖?，市政府積極籌措資金，規(guī)劃建設一座中型水庫，在緩解城市供水緊張的同時也可以憑借其調節(jié)作用，實現區(qū)域水資源的優(yōu)化配置。水庫位于市區(qū)上游的丘陵地帶，設計庫容為8350萬m3，年可供水量3000萬～3500萬m3。水庫于2012年開工建設，2014年建成投入運行。根據水文勘查資料，水庫位于山前沖積扇和下游平原的交接部位，地勢東高西低，建庫前庫區(qū)地面高程133.5～152.3m。含水層主要由裂隙黏土、壤土、中砂、粗砂等組成的第四系含水層，含水層下部主要為粗砂礫石層。水庫滲漏、河流側滲以及大氣降水為地下水的主要補給來源，排泄方式主要是蒸發(fā)和向河流滲流。水庫建成以來，一直存在比較顯著的滲漏問題，并主要表現為庫水沿著巖石的孔隙、裂隙、斷層向溝谷低地和地下水含水層滲漏，在影響水庫的效益發(fā)揮的同時也會對地下水資源補給和分布造成一定的影響。

2.2 MODFLOW滲漏計算模型

利用數值模擬軟件可以實現對實際水文地質問題的數值計算模型構建和水庫滲漏量的精確模擬計算。這種方式憑借其靈活性和高效性，已經成為水庫滲漏研究領域不可獲取的重要手段[3]。Visual MODFLOW是加拿大Waterloo水文地質公司開發(fā)的一款專門用于水文地質模擬計算的軟件。該軟件集成了MODFLOW、MODPATH、MT3D、PEST等多個功能模塊，具有強大的圖形可視化功能和便捷的操作性。因此，此次研究利用Visual MODFLOW軟件進行模型構建，展開背景工程的滲漏量計算分析。

由于水庫庫區(qū)為典型的河谷地帶，因此以兩側的山脊為基本依據，同時結合水庫建設時的地質勘測數據，確定模擬區(qū)南北寬7500m，東西長約15500m，總面積約78.3km2。鑒于Visual MODFLOW軟件在計算過程中使用的是有限元差分方法對模型進行解算的，因此模型的網格剖分精度對計算結果存在十分顯著的影響[4]。綜合考慮計算工作量和計算精度要求，將模型的東西方向剖分成142列，南北方向剖分成70行。為了提高計算精度，對滲流影響區(qū)域內對網格進行適當加密[5]。模型網格剖分示意圖如圖1所示。模擬時間開始于2014年，模擬時段以月為單位，模擬時間為8年。

圖1 模型網格剖分示意圖

由于模型模擬計算范圍的南北兩側以山脊為邊界，山區(qū)的側向補給也是區(qū)域內地下水的重要補給通道，因此將其設置為通用水頭，模型的東部邊界為河流，也是地下水的重要補給來源，因此設為定水頭邊界，西部邊界為地下水的排泄通道，因此設定為出流邊界條件[6]。水庫滲漏也是地下水的重要補給來源，因此在模型中視為定水頭。此外，研究區(qū)的地下水還受到降雨入滲、潛水蒸發(fā)以及人工開采的影響，因此模型的上邊界設定為面狀補給邊界，下邊界設置為隔水邊界條件。研究中根據調查資料，將計算區(qū)域的初始水位作為模型計算的初始條件[7]。

模型中地下水的動態(tài)主要受匯源項輸入的影響[8]。相關研究表明，在一個長期穩(wěn)定的系統(tǒng)中，如果能夠對匯源項進行合理概化，就能最大限度減小初始條件對模擬結果的不利影響。結合相關研究成果，研究區(qū)的降雨入滲補給利用Recharge模塊模擬；水庫的滲漏補給利用River模塊模擬，人工開采Evapotranspiration模塊模擬，潛水蒸發(fā)利用Well模塊模擬。

3 結果與分析

3.1 水庫滲漏分析

3.1.1不同蓄水位滲漏量

利用上節(jié)構建的模型對庫區(qū)的月滲漏情況進行計算，并結合水庫的實際運行數據，計算獲取水庫不同蓄水位情況下的日均滲漏量，結果見表1。根據計算結果繪制出人均滲漏量隨庫水位的變化曲線，結果如圖2所示。從計算結果可以看出，水庫的滲漏量和水庫的庫水位之間的存在十分密切的關系。隨著庫水位的增高，日均滲漏量呈現出不斷增加的特點，且增加的速度也不斷加快。由此可見，庫水位是影響水庫滲漏量的主要影響因素，庫水位越高滲漏量越大。

表1 水庫不同水位日均滲漏量計算結果

圖2 水庫日均滲漏量變化曲線

3.1.2年內滲漏變化

對水庫建成運行期間每個月的滲漏總量進行計算并求出平均值，即可獲取水庫滲漏的年內變化情況，結果如圖3所示。由圖3可以看出，庫區(qū)的滲流主要集中于汛期水庫蓄水位升高之后。其中，8—12月的滲漏量較大，其中9月份的滲漏量最大，多年平均滲漏量為134.1萬m3。滲漏量最小的是6月份，多年平均滲漏量為9.8萬m3。究其原因，主要是水庫在汛期的7—9月份蓄水，之后的10—12月份水庫的蓄水量開始隨著蒸發(fā)和滲漏損失逐漸下降，在次年的3—6月份基本處于空庫狀態(tài)，因此滲漏量也大幅減少。

圖3 滲漏量年內變化曲線

3.1.3年際滲漏變化

對水庫建成運行期間每年的滲漏量進行合計計算，獲得每年的滲漏總量，并繪制出如圖4所示的水庫滲漏量年際變化情況。由圖4可以看出，水庫的滲漏量存在比較顯著的年際差異。究其原因，主要是水庫所處的地區(qū)為典型的溫帶大陸性季風氣候，降雨存在比較顯著的年際變化，因此水庫的來流量和需水量也存在較大的年際差異。因此，水庫蓄水量較大的年份滲漏量也相對較大，反之，滲漏量就相對較小。從具體的數據來看，水庫運行后的年均滲漏量為899.5萬m3，每年的入庫徑流量為3225.6萬m3，因此滲漏損失基本占到年均入庫徑流量的27.9%。

圖4 滲漏量年際變化曲線

3.2 水庫滲漏的補源效果分析

3.2.1滲漏對裂隙巖溶地下水的影響

裂隙巖溶水是庫區(qū)下游地區(qū)生產生活用水的重要水源。因此，此次研究主要針對水庫蓄水和滲漏對下游裂隙巖溶水水位的影響，分析和證明水庫的補源效果。

水庫的庫區(qū)下游裂隙巖溶發(fā)育，但是地質均勻性較差。該區(qū)域有3眼取用裂隙巖溶地下水的水井和1眼觀測井。其中，觀測井與水庫大壩的直線距離為1500m，位于水庫下游的斷層附近。其井深為304m，上部為第四系松散沉積物，下部為泥質白云巖和白云質灰?guī)r。研究中整理了2021年3月6日至2022年3月1日共360d的觀測井水位資料，繪制出庫水位和觀測井水位的變化曲線，結果如圖5所示。從圖5可以看出，觀測井的水位變化大致可以劃分為3個階段。其中，3月初至7月初為第一階段。這一階段水庫基本處于無水狀態(tài)，觀測井的水位相對較低且呈現出波動下降的變化特點，地下水處于負平衡狀態(tài)；7月初至12月底為第二階段，此時水庫受到雨季降雨的影響，蓄水量迅速增加，庫水位明顯上升，滲漏量不斷增大，因此觀測井水位迅速上升并穩(wěn)定于高水位。次年的1月初至3月初為第三階段，由于降水量和來流量減少，庫水位逐漸降低，滲漏量也不斷減小，因此觀測井的水位也呈現出迅速下降的變化特點。

圖5 觀測井與水庫水位變化曲線

總之，庫水和下游的裂隙巖溶水之間存在密切的水力聯系，隨著庫水位的升降變化，滲漏量也不斷增加或減小，并導致下游裂隙巖溶水水位的升降變化。當然，下游裂隙巖溶水水位的較庫水位變化存在一定的滯后性。

3.2.2滲漏對下游水源地的影響

在水庫建成之后每年年均滲漏899萬m3補給下游的地下水，具有明顯的補給效果。此次研究以水庫下游地下水補給區(qū)的水源地為例進行分析，以印證水庫滲漏的補源效果。該水源地共有15眼供水井和備用水井，井間距為15～110m，井深155～287m，主要取用奧陶系灰?guī)r裂隙巖溶水。在水源地建成以來，自來水公司對水源地的地下水水質、水位和供水量等指標進行了系統(tǒng)的觀測和記錄，為此次研究提供了較為寶貴和完善的資料。此次研究中對水源地2001—2021年，21年間水源地地下水位數據進行分析，并繪制出如圖6所示的水源地地下水位變化曲線。由圖6可以看出，水源地的地下水位主要分為4個變化階段：

圖6 水源地水位變化曲線

第一階段為2001年至2006年。該階段水源地的供水量基本維持在1萬m3/d的水平，由于供水量相對較小，因此對地下水位影響不大，因此地下水位基本呈現波動變化的特點，地下水整體呈現正均衡狀態(tài)。

第二階段為2007年至2014年。由于供水范圍擴張，該階段的水源地供水量大幅增加，由原來的1萬m3/d增加到5.2萬m3/d，受此影響，該階段水源地的地下水位呈現出波動下降的變化趨勢，地下水處于負均衡狀態(tài)。

第三階段為2014年至2019年。該階段由于水庫建成并開始在汛期蓄水，因此滲漏補給作用不斷增強。雖然該階段水源地的供水量進一步增加到6.6萬m3/d，但是地下水位呈現出不斷上升的變化趨勢，尤其是2018年等豐水年的更為明顯。受到滲漏作用的影響，水源地地下水呈現出新的動態(tài)平衡。

第四階段為2019年至2021年。該階段由于地表水替代工程的逐步實施，部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)納入城區(qū)供水管網，因此水源地供水量逐漸減少至3.5萬m3/d。因此，水源地除了2021年上半年由于降水偏少地下水位有所下降之外，其余時段均呈現出上升趨勢。由此可見，水庫的蓄水運行和滲漏對下游地區(qū)的地下水水位補給作用十分明顯。

4 結語

水庫滲漏幾乎是不可避免的問題，一方面會造成水庫蓄水量的流失和減少，另一方面也會對下游的地下水產生一定的補給作用。此次研究利用基于MODFLOW數值計算模型，展開水庫滲漏分析研究及其對下游地下水的補源效果分析評價，對水庫滲漏研究理論的豐富發(fā)展和相關研究具有一定的支持和借鑒。此次研究僅對滲漏補給效果進行了定性分析，并沒有針對影響范圍內不同區(qū)域的實際補給量進行定量研究。此外，水庫滲漏研究設計多個學科、多種理論和方法。因此，在今后的研究中需要綜合采用電法、磁法以及化學示蹤等多種方式展開滲漏檢測分析，以得出更為客觀、科學的研究結論。