平原灌區(qū)水庫滲漏預(yù)測與影響評價分析

鄭林林

（ 福建省涵禹建設(shè)工程有限公司,福建 莆田 351111）

1 工程概況

某灌區(qū)水庫工程位于福建省境內(nèi)，水面面積9.4 km2，正常蓄水位403.00 m，設(shè)計庫容為3350 萬m3。庫區(qū)的地層巖性比較單一，表層為厚度0.3 m～0.9 m的第四系人工填土，中間層為厚度30 m～45 m的黃土和黃土狀土，底層為厚度3.5 m～10.5 m的粉質(zhì)粘土。研究區(qū)的地下水主要為第四系潛水，其水流方向與地形坡度基本一致。地下水補(bǔ)給主要為降水入滲、水庫建成后的滲漏、側(cè)向徑流以及承壓水的越流。地下水的排泄方式主要是側(cè)向徑流、承壓含水層的越流以及人為開采。水庫滲漏是水庫建成運(yùn)行過程中不可避免的問題，主要表現(xiàn)為庫水沿著巖石的孔隙、裂隙、斷層以及溶洞向溝谷低地和地下水含水層滲漏，而平原地區(qū)的水庫滲漏問題更為突出[1]。水庫的滲漏不僅會影響水庫的效益發(fā)揮，還容易誘發(fā)次生地質(zhì)災(zāi)害和生態(tài)危害[2]。鑒于該灌區(qū)水庫的庫盆容易形成透水性較強(qiáng)的滲漏通道[3]，在工程設(shè)計和建設(shè)中對水庫的滲漏問題進(jìn)行研究具有重要的工程價值和必要性。

2 基于MODFLOW的水庫滲漏預(yù)測模型

2.1 模擬范圍

根據(jù)該灌區(qū)水庫周邊的地形地貌特點(diǎn)以及地下水的流動特征，確定以庫盆為中心，東西寬10500 m，南北長7800 m的模擬區(qū)域，南至西漢高速一線，北至魚斗路一帶，西至灃河，東至太平河，總面積約56.3 km2。研究區(qū)上至潛水面，下至隔水底板，總厚度約60 m～70 m。

2.2 水力特征及邊界條件

根據(jù)項目設(shè)計階段的地質(zhì)勘查資料，模擬區(qū)域?yàn)閱我坏牡谒南禎撍畬樱哂卸S、非均質(zhì)、各向同性、非穩(wěn)定流的地下水水力特征。基于此，對模型的邊界條件進(jìn)行概化并確定相應(yīng)的邊界條件[4]。其中，上邊界為地下水潛水面，為降雨入滲補(bǔ)給；下邊界為隔水底板，為隔水邊界條件；南部邊界和北部邊界上部存在徑流交換，設(shè)定為二類流量邊界條件；北部邊界下部與流線大致平行，為隔水邊界條件；東部和西部邊界存在徑流交換，設(shè)定為二類流量邊界；庫區(qū)為弱透水層，設(shè)定為三類混合流量邊界。

2.3 模型的剖分

在MODFLOW軟件中，模型求解采用的是有限差分法[5～6]。因此，首先需要對構(gòu)建的幾何模型進(jìn)行空間網(wǎng)格剖分。根據(jù)研究對象的特點(diǎn)以及計算的實(shí)際需求，研究中采用不等距單元進(jìn)行模型的空間網(wǎng)格剖分，最終獲取85 行、154 列，對模型邊界部位進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，最終獲得13087 個計算單元。在模型的垂直方向，鑒于地層結(jié)構(gòu)比較單一，因此剖分成1層。網(wǎng)格剖分示意圖見圖1。在模型計算過程中，設(shè)置長度為5 a的模擬期，以30 d為一個時間步長，以1 a為一個應(yīng)力期。

圖1 模型網(wǎng)格剖分示意圖

2.4 模型參數(shù)的率定

根據(jù)項目地質(zhì)調(diào)查資料，研究區(qū)的地下水埋深為7 m～11 m左右。根據(jù)相關(guān)研究成果，當(dāng)?shù)叵滤裆钤? m以上時，潛水的蒸發(fā)比較微弱，在研究中可以忽略不計。同時，受到水庫建設(shè)的影響，模擬區(qū)內(nèi)的地下水開采量將大幅減少。因此，潛水蒸發(fā)、人為開采以及灌溉補(bǔ)給對地下水水位和流場的影響可以忽略不計。基于上述分析，研究中需要考慮的水文地質(zhì)參數(shù)為滲透系數(shù)、給水度以及降雨入滲系數(shù)[7～12]。研究中根據(jù)庫區(qū)的地質(zhì)資料和監(jiān)測結(jié)果將庫底滲漏區(qū)分為7 個不同的子區(qū)域并給出參數(shù)的初始值，分區(qū)的示意圖見圖2。

圖2 庫區(qū)滲漏分區(qū)示意圖

在確定模型水文地質(zhì)參數(shù)的基礎(chǔ)上，選取2018 年3 月～2019 年2 月為模型參數(shù)的率定期。模型參數(shù)的率定以研究區(qū)2019 年2 月的地下水流場實(shí)測值為基礎(chǔ)，采用“試錯法”進(jìn)行。最終獲得如表1所示的不同子區(qū)域的水文地質(zhì)參數(shù)率定結(jié)果。

表1 水文地質(zhì)參數(shù)率定結(jié)果

2.5 模擬工況設(shè)計

根據(jù)工程特點(diǎn)和實(shí)際建設(shè)計劃，研究中針對第一階段蓄水、低水位運(yùn)行和高水位運(yùn)行三個階段，分別設(shè)計了3 種計算工況，具體設(shè)計見表2。

表2 計算工況設(shè)計

3 計算結(jié)果與分析

3.1 滲漏時空分布特征

利用構(gòu)建的模型，對不同情景下的灌區(qū)水庫對地下水的滲漏補(bǔ)給量進(jìn)行計算，計算結(jié)果見表3。由計算結(jié)果可知，在三種不同的計算工況下，該灌區(qū)水庫的滲漏量均呈現(xiàn)出不斷下降的態(tài)勢。究其原因，主要是隨著水庫滲漏，地下水得到相應(yīng)的補(bǔ)給，因此兩者之間的水力梯度以及水位差不斷減小，導(dǎo)致滲漏量的不斷減小。因此，地下水位是造成水庫滲漏量時間差異的重要原因。此外，隨著水庫建設(shè)的進(jìn)行和使用，滲漏量占總庫容的比例雖然有所增加，但是增加的幅度較小，說明水庫的滲漏損失不會對水庫的水量造成比較顯著的變化[13～15]。

表3 水庫滲漏量計算成果

3.2 地下水對滲漏強(qiáng)度的影響分析

由上節(jié)的分析可知，該灌區(qū)水庫滲漏強(qiáng)度和滲漏量的主要影響因素是地下水位和庫水位。為了進(jìn)一步研究庫水位和地下水位對庫區(qū)的滲漏量和滲漏強(qiáng)度的影響，本節(jié)利用基于MODFLOW的滲漏模型展開進(jìn)一步研究。

根據(jù)模型的模擬計算成果，繪制出研究區(qū)內(nèi)的ob1和ob2 兩個觀測井水位和水庫滲漏強(qiáng)度之間的關(guān)系，結(jié)果見圖3。由圖3 可知，兩個典型觀測井的私下水位和滲漏量之間具有較好的擬合度，說明地下水流場中的上下游數(shù)據(jù)和滲漏強(qiáng)度之間存在比較密切的關(guān)系，也就是水庫的滲漏強(qiáng)度隨著地下水位的上升而下降。此外，觀測井ob1 和ob2 的地下水位每上升1 m，水庫的滲漏強(qiáng)度分別下降3.39 mm/a和3.69 mm/a，說明觀測井ob2 對水庫滲漏強(qiáng)度的影響更為明顯。究其原因，主要是觀測井ob2 距離庫區(qū)較近，其水位的變化對庫區(qū)滲漏的影響更為顯著。

圖3 地下水位與滲漏強(qiáng)度關(guān)系曲線

3.3 庫水位對滲漏強(qiáng)度的影響分析

為了進(jìn)一步研究庫水位與水庫滲漏強(qiáng)度之間的關(guān)系，利用構(gòu)建的模型對不同庫水位條件下的水庫滲漏強(qiáng)度，根據(jù)計算結(jié)果繪制出如圖4 所示的庫水位和水庫滲漏強(qiáng)度之間的變化曲線。由圖4 可知，水庫的滲漏量以及滲漏損失占庫容比和庫水位之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，具體而言，水庫的庫水位每升高1 m，水庫的滲漏強(qiáng)度大約增加4.34 mm/a，占庫容比則增加0.85‰。在持續(xù)高水位運(yùn)行情況下，水庫的年滲漏量約為298485 m3/a，約占總庫容的8.91‰。由此可見，水庫水位的升高會導(dǎo)致滲漏損失的加大，但是水庫的年滲漏量占總庫容的比值均在較低水平，對水庫的長期運(yùn)行影響并不大。

圖4 庫水位與滲漏強(qiáng)度關(guān)系曲線

4 結(jié)論

滲漏評價是水庫設(shè)計建設(shè)中的重要問題。本次研究建立了基于MODFLOW的該灌區(qū)水庫滲漏模型，研究了滲漏強(qiáng)度的時空分布特征和地下水位和庫水位對滲漏強(qiáng)度的影響，獲得的主要結(jié)論如下：

（1）在不同的計算工況下，該灌區(qū)水庫的滲漏量均呈現(xiàn)出不斷下降的態(tài)勢，地下水位是造成水庫滲漏量時間差異的重要原因，但水庫的滲漏損失不會對水庫的水量造成比較顯著的變化。

（2）水庫的滲漏強(qiáng)度與地下水位之間存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與庫水位之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系：水庫水位的升高會導(dǎo)致滲漏損失的加大，但對水庫的長期運(yùn)行影響并不大。

（3）建議在庫盆滲漏比較嚴(yán)重的部位采取必要的防滲漏措施，以提高水庫水資源的利用效率。