橡膠壩工程建設對地下水滲流場影響研究

蔣曉光

(丹東市振安區水利局，遼寧 丹東 118006)

1 引 言

河水與地下水之間進行交互是一種常見的自然現象。水庫的修建會對這種現象產生一定的影響，造成河水與地下水的交互發生較大的變化，對河道沿線生態環境造成很大的影響[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學解析法[3]、地球物理分析法[4]、水文地球化學法[5]、統計分析[6]以及數值模擬法[7]。單一的方法往往難以獲取準確的結果，在實際的工程使用中往往需要多種方法相結合，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、河水交互產生的影響。

2 工程概況

大沙河為丹東市最長的一條內河，2010年，大沙河中游沿線(五龍背鎮到金山鎮)共有百余家工業企業(相當比例為化工類企業)、500家商戶和上百家大小休閑洗浴場所向大沙河排污。五龍背鎮內至少有五萬余居民、金山鎮內至少有四萬余居民的生活污水直排進大沙河。再往下游，從九道溝到入江口段的多數沿河地區，共有11個大型排污口不間斷向大沙河排放未經任何處理的工業、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，也作為丹東市內河水系治理改造工程的重點項目加快推進。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。根據規劃在武營村流域的大沙河建設攔河壩一座。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：細砂(厚0.4～0.8m)、礫砂(厚0.4～1.7m)、強風化花崗巖(厚度大于1.5m)。各層巖土體物理、力學參數見表1。

表1 各地層物理、力學參數

3 庫區沉積物滲透系數分析

3.1 滲透系數測試方法

滲透系數又稱水力傳導系數。在各向同性介質中，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，國內外常用的滲透系數測試方法為豎管法，該方法具有操作簡便、結果準確等特點。按Hvorslev方法[8]，計算滲透系數，公式如下：

(1)

式中D——豎管直徑，m；

Lv——豎管直徑，m；

h1——時間t1對應的水頭,m；

h2——時間t2對應的水頭,m；

m——與水平、豎直方向滲透系數有關的常數。

(2)

在庫區沿庫水邊線5m、10m的位置選擇42處試驗點進行土樣顆分試驗獲取顆粒級配。各測點分布見圖1。橡膠壩建設完成后，庫區水深在2.8m，采用的PVC管長為320cm，管內徑為4.5cm，管內沉積物長度為270cm。豎管布置完成后，在自然條件下進行注水試驗，準確記錄不同時段管內的水頭高度。經過初步統計，各原位試驗點沉積物滲透系數最大值為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關系分析

在水庫建設之前庫區表層沉積物主要為人工填土、細砂、礫砂，厚度較小，土質均勻性較差，滲透系數較大，多次注水試驗結果平均值一般為19.74m/d，通過顆粒分析，庫區建設前表層巖土體d50為0.245mm，d30為0.197mm，d10為0.016mm。場地內降水參數見表2。

表2 降水參數

武營村橡膠壩修建完成后，庫區水位處于相對穩定的狀態。庫區回水區水位上漲，水流速度下降，大大降低了水流攜帶、沖刷泥沙的作用，泥沙沿程呈現由粗到細逐漸下落淤積的現象。橡膠壩修建后，庫區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致庫區淤積了大量的細顆粒，橡膠壩的修建及蓄水對庫區沉積物的顆粒級配造成了較大的影響。

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

4 地下水滲流場變化分析

4.1 水文地質模型概化

根據現場勘查實測情況，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以上沿著河道方向長24.3km、寬約7.69km的區域。數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西定律。

4.2 數值模擬基本參數

研究區范圍內地表高程來源于高精度DEM數據，使用克里金插值法進行處理，模擬范圍底板為不透水層(風化程度較低的、結構較完整的花崗巖)。

水文地質參數選取依據當地的水文地質條件以及當地其他項目的勘察鉆孔、抽水試驗資料，根據各區域參數的差異共劃分為6個區域，各區域劃分情況見圖2，參數取值見表3。

圖2 水文參數分區

表3 各區域水文參數取值

4.3 庫區水來源分析

庫區水來源主要包括兩個方面：降水補給、地下水補給。其中，降水補給量按下式計算:

(3)

式中Q——降水補給量，m3；

ai——各區域的補給系數；

Pi——各區域的降水量，mm/m2；

Fi——各區域的面積,m2。

地下水補給按下式計算：

Q2=KiLM

(4)

式中Q2——地下水補給量,m3；

K——滲透系數；

i——水力坡度；

L——補給長度,m；

M——含水層厚度,m。

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

4.4 Modflow數值模擬結果分析

4.4.1 地下水流場分析

根據上述基礎數據建立Modflow數值模擬模型，在河道左、右岸各布置5個水文監測孔。橡膠壩建設完成，水庫達到正常蓄水位時，地下水流場見圖3。

圖3 地下水流場

4.4.2 庫水、地下水轉化關系分析

區域內地下水主要受大氣降水、庫水補給，排泄方式主要為人工采用、蒸發、補給河水等。根據模擬結果，區域內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給，每年4—11月，降水較為豐沛，庫水受左岸地下水補給。

圖4 庫水、地下水轉化示意圖

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

圖5 庫水位與地下水位隨時間變化曲線

5 結 論

本文結合丹東武營橡膠壩工程，通過現場豎管試驗獲取橡膠壩修建后的沉積物滲透系數，與建設前相比庫區表層巖土體滲透系數明顯降低；根據研究區內水文參數特性將模擬區劃分為6個區域，采用Modflow進行數值模擬分析，結果表明庫區右岸地下水受庫水補給的影響，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境會造成一定的改變，在修建水利工程前應充分調查環境影響程度。