人工湖湖底防滲處理及人工補水量水量分析

王 博，李筱龍

（寶雞市水利水電規劃勘測設計院,陜西 寶雞 721000）

人工湖作為生態水面景觀的一種載體,一直應用于各種公園、生活區、水生態治理當中,作為景觀水面,水面的蒸發、下滲一直影響著人工湖的水面景觀效果,如何科學有效補水,維持人工湖水面景觀、水深問題,值得深入研究。本文以陜西千渭之會國家濕地公園為例,采用人工湖湖底換填土、土工膜防滲方式及人工補水分析,以達到人工湖長期蓄水總量的平衡。

1 基本概況

陜西千渭之會國家濕地公園位陜西省寶雞市千渭交匯處,涉及鳳翔縣、陳倉區、高新區,范圍西起渭河臥龍寺大橋,東至渭河鳳凰大橋,北起千河王家崖水庫,南至渭河濱河南路,南北長17 km,東西寬7 km,總面積1864 hm2,其中濕地面積1737 hm2,占公園總面積的93.2%。公園分為濕地保育、恢復重建、科普宣教、管理服務和合理利用五大功能區。

陜西千渭之會國家濕地公園管理處成立于2013 年,隸屬于陜西省寶雞市林業局管理。主要職責包括：編制濕地公園生態保護與發展規劃,并組織實施；負責公園內濕地保護和管理工作；負責公園內濕地生態系統恢復、科研檢測、科普宣傳、濕地資源利用工作；負責公園內建設項目的申報,年度計劃安排,落實安全生產、督查考核等工作。2021年2月5日,被中國林學會命名為第五批全國林草科普基地,有效期為2021年～2024年。

人工湖規劃區位于寶雞市行政中心以東3.5 km,千河、渭河交匯地帶,本次設計范圍為千渭之會國家濕地公園核心區（北區）,總面積為42.65 萬m2,基地范圍北起陳倉大道,南至為河北,人工湖湖面面積為2.3 萬m2,人工湖平均深度為1.5 m。根據《寶雞市水文實用手冊》,規劃地多年平均降水量為677 mm,多年平均蒸發量為550 mm。

2 工程的意義

2.1 工程地質條件

2.1.1 地形地貌

擬建場地位于濕地公園東端,地處千河、渭河交匯的三角洲區域,地貌單元屬于河漫灘。場地南區現存在三家采石場,現狀正在開采,場區有數個砂石料堆及回填采坑,對原始地貌改變極大。場地地形基本平坦,孔口高程548.28 m～557.26 m,最大高差8.98 m。

2.1.2 地層

據勘探揭露,場地地層自上而下依次由第四系全新統雜填土,沖洪積砂土、卵石；第三系砂礫巖構成。現按地基土的成因類型、巖性及物理力學性質差異,分區分層描述如下。

第1層雜填土：雜色、局部呈現褐黃色,稍濕,松散～稍密。填土主要由粉土、砂土及少量建筑垃圾組成,各主要成分含量不一,混合不均,疏密不均,局部為素填土。

第2層粉土：褐黃色,稍濕,稍密。表層局部耕種,含植物根系。層厚0.40 m～2.00 m,層底深度0.40 m～2.00 m,層底高程551.38 m～554.27 m。

第3層中砂：褐黃色,黃色,稍濕稍密～中密。

第4層卵石：雜色,頂部稍濕飽和,中密～密實。

第5層砂礫巖：褐黃色,飽和中密～密實。泥質膠結,全風化,巖芯破碎,破碎,破碎,為半成巖。該層未穿透,揭露厚度1.00 m～14.20 m,孔底深度10.0 m～20.30 m,層底高程528.18 m～542.48 m。

2.1.3 地下水

勘察期間,實測勘探點水位埋深3.80 m～9.30 m,相應高程為544.68m～548.36m,屬潛水類型,主要受大氣降水以及河水下滲補給,以地下徑流的方式排泄,地下水位年變幅2.0 m,勘察期屬枯水期。

2.2 需要解決的問題

由于人工湖工程建設場地位于原有河漫灘,場地地層自上而下依次由第四系全新統雜填土,沖洪積砂土、卵石；第三系砂礫巖構成,由此組成的人工湖湖底很難儲存水體,亦無法保證人工湖的穩定水位,防止湖底發生滲流破壞,這就使得人工湖無法正常發揮水面景觀效應,要使人工湖長期維持穩定的水位,就需要不間斷的補充水源來彌補湖水的流失,這就造成不必要的水資源、人力、物力的浪費。

為此,本文主要針對人工湖湖底滲漏問題,以及如何進行防滲處理進行詳細分析,下文將采用人工湖湖底換填土、土工膜防滲不同方式的比選及人工補水分析,從中選擇出較為經濟、環保、可行的防滲措施,以達到人工湖長期蓄水總量的平衡。

3 防滲措施分析

3.1 人工湖底換填黃土防滲

黃土的土粒細微,土中水分多以結合水的形式存在,土顆粒包裹于強弱結合水中,僅有小部分的自由水在非結合水所占據的空間中滲透。另外,黃土層經過灑水、碾壓后,土料透水性更小,采用黃土進行湖底防滲,在很多工程應用較為廣泛。

依據《寶雞千渭之會國家濕地公園巖土工程勘察報告》可知,湖底現狀地基土由雜填土、粉土、中砂、卵石、砂礫巖組成,對于湖底換填土采用黃土碾壓換填。各類土的滲透系數見表1。

表1 各類土的滲透系數

根據《土力學》（清華大學出版社2013.07）第二章土的滲透性和滲流問題關于土體垂直層面方向的等效滲透系數Kz的計算：

經計算人工湖湖底換填土黃土層后在分別選取0.3 m、0.4 m、0.5 m的情況下,湖底土體的等效滲透系數為1.25×10-6cm/s、1.22×10-6cm/s、1.18×10-6cm/s。所 對 應 的 滲 透 流 量 為14.38×10-4m3/s、10.52×10-4m3/s、8.14×10-4m3/s。

3.2 土工膜防滲

土工膜是一種新的防滲材料,相較于傳統的防滲材料（土質防滲體、混凝土、瀝青等）工期短、造價低、防滲效果好,它們是一種高分子化學柔性材料,密度較小,延伸性較強,適應變形能力高,耐腐蝕,耐低溫,抗凍性能好。

對于土工膜的滲透計算,可利用達西定律分析其滲透規律,滲透流量計算公式為：

式中：A為土工膜的滲透面積；kg為土工膜的滲透系數；i為水力梯度；Δh為土工膜的前后水頭差；Tg為土工膜的厚度,取0.5 mm。

根據土工膜滲透試驗的結果,完整無缺陷的土工膜的滲透系數kg約為1×10-11cm/s～1×10-13cm/s,相對應的滲透量為6.9×10-6m3/s,相比其他防滲材料來說,其滲透性極小。

3.3 兩種防滲措施的優缺點

3.3.1 黃土層防滲方案

黃土層防滲后的湖底,可以大幅度降低滲漏水量,而不會完全停止滲漏,能保證適當的滲漏率,不會阻斷湖水與地下水的雙向調節,不使湖水變成死水,這種防滲方案不會給環境帶來不利影響。同時,黃土對水質凈化也有重要作用,特別是它可以不斷吸附水體中的無機磷化物,從而避免湖泊的富氧化過程,阻止有毒性的藻類生長,有利于人工湖水生態系統恢復,具有“納污吐新”的特點,與周圍園林景觀自然和諧。使用黃土防滲,既有科學依據,還有實踐證明,可操作性強,隨處可取,造價低,與自然和諧。

3.3.2 土工膜防滲方案

土工膜防滲就是在湖底敷設一層或多層土工膜,土工膜由塑料薄膜、無紡布復合而成的土工防滲材料構成,它的防滲性能由塑料薄膜的防滲性決定。它們是一種高分子化學柔性材料,密度小、延伸性強、適應變形能力高、耐腐蝕、耐低溫、抗凍性能好,但土工膜防滲完全阻礙了天然地層中地下水的下滲過程。

雖說土工膜是否有毒還有待進一步研究,但不可否認,天然黃土湖底防滲顯然比鋪設土工膜更符合生態要求。在湖底與湖岸邊進行大面積防滲膜的鋪設,雖然能夠形成并維持較大的水面景觀,但也會對湖底和湖岸邊的植物生長產生負面影響。同時,由于在工程建設過程中缺乏有效的保護措施,造成了水生生態系統的嚴重破壞,大面積鋪設防滲膜實現湖底防滲既不科學,也不被提倡。經比選,推薦使用天然黃土湖底防滲措施。

4 水量平衡分析

4.1 水量損耗

人工湖的水量損耗主要是自然蒸發、下滲：

自然蒸發水量=550×10-3×2.3=1.27萬m3

下滲水量跟當地的地質條件有關,在對人工湖湖底換填不同厚度黃土碾壓防滲處理的條件下可得人工湖年下滲量：

（1）換填0.3 m黃土碾壓下的年下滲量=14.38×10-4×86400×365=4.53萬m3

（2）換填0.4 m黃土碾壓下的年下滲量=10.52×10-4×86400×365=3.32萬m3

（3）換填0.5 m黃土碾壓下的年下滲量=8.14×10-4×86400×365=2.57萬m3

（4）土工膜防滲情況下的年下滲量=6.9×10-6×86400×365=0.022萬m3

為使人工湖整個水體形成循環狀態,考慮到水體的置換需求,土工膜雖防滲效果好,年下滲量遠遠小于黃土換填的湖底,但不利于人工湖整個水體的循環交換,故而采用黃土換填進行湖底防滲,更適宜人工湖的使用需求。

經計算對比換填黃土0.5 m比較合適,同時須對換填黃土的壓實系數不小于0.95。

故而,人工湖水量年損耗總量=人工湖年自然蒸發量+人工湖年下滲量=1.27+2.57=3.84萬m3。

4.2 水量自然補給

自然湖泊能夠維持一定的庫容水量,主要是依靠河流的直接匯入,地下水補給以及匯流范圍內的降水補充。對本規劃區的人工湖而言,顯然不存在天然河流的直接匯入和地下水的補給；在自然條件下,人工湖的補水來源只有降水,進入湖中的降水由湖面即周邊降水組成。

人工湖湖面多年平均降雨量=677×10-3×2.3=1.56萬m3

4.3 需要人工輔助補水量

人工湖年需補水量=人工湖水量年損耗總量-人工湖年自然補水總量=3.84-1.56=2.28萬m3

人工湖需人工輔助補水流量=1.01×104÷365=62 m3/天

5 結語

通過黃土、土工膜的滲透性對比,比選出適宜于人工湖湖底防滲措施,經人工湖湖底滲透計算和人工湖水量平衡分析,可以確定出人工湖年需水量,進而計算出人工湖長流水補水流量；依此,在人工湖湖底換填不同厚度黃土碾壓防滲處理的基礎上,通過人工補水方式可以有效解決規劃區人工湖蓄水水量的平衡問題。