戴長雷,李治軍,高淑琴

(1.黑龍江大學 a.水利電力學院;b.寒區(qū)地下水研究所,哈爾濱 150080;2.太原科技大學 環(huán)境與安全學院,太原030024)

1 問題的提出

由于水庫浸沒引起的多種環(huán)境地質災害往往會給生態(tài)環(huán)境以及社會經濟都帶來嚴重的危害,因此浸沒問題引起了人們重視。關于水庫浸沒的研究多以實例浸沒問題的評價與治理為主,較早的研究體現于1955～1958年間對官廳水庫浸沒引起的一系列環(huán)境地質問題的分析、評價,闡述了浸沒的形成及特性以及相應水文地質勘察的具體操作[1-5]。上世紀80年代及90年代初以黃河三門峽水庫[6]、河南人和水庫[7]、雙陽河水庫[8]及官廳水庫[9]為例,主要介紹了水庫浸沒的預測與工程治理措施。90年代中期至2000年間出現了歸納、總結水庫浸沒條件、預測及計算方法的討論[10],2000年后利用數值模擬及模擬軟件的方法分析、評價水庫浸沒問題以及對浸沒機理進行討論成為主流[11-14],對巖溶區(qū)水庫特殊浸沒問題的特征、機理也進行了相應研究[15-16]。

松花江大頂子山航電樞紐工程是以航運、發(fā)電為主的多功能水利樞紐,壩址位于松花江干流呼蘭河匯合口下游46 km處,庫區(qū)北岸為哈爾濱市呼蘭區(qū),南岸為哈爾濱市道外區(qū)以及賓縣。自2007年春蓄水以來,水庫正常蓄水位116 m,比枯水期水位高出許多[17]。由于地表水與兩岸地下水具有密切的水力聯系,加上臨江低階地區(qū)地勢低、含水層透水性好的特點,使得由江水位升高引起的南、北兩岸地下水位壅高以及隨之而來的庫區(qū)浸沒現象備受關注。

2 分析目標

在梳理已有資料和野外調查資料的基礎上,查明研究區(qū)內的地形地貌與水文地質條件,重點是地下水的類型、埋藏條件和含水層特征及參數等[18-19]。以水位統(tǒng)測與現場調查為數據基礎,對研究區(qū)地下水動態(tài)情況與循環(huán)條件進行分析,同時繪制等埋深圖與浸沒態(tài)勢圖以評價浸沒態(tài)勢。基于研究區(qū)浸沒現狀,分析水文地質條件及地下水循環(huán)條件對浸沒的控制影響程度。

3 資料與方法

3.1 研究資料

研究區(qū)分為江南與江北[20]兩部分 (如圖1),本文采用的基礎數據包括鉆孔數據[20-21]、地下水動態(tài)數據、水位數據以及研究區(qū)基本概況信息,主要資料見表1。

圖1 研究區(qū)位置范圍示意圖Fig.1 Location and range of the researching area

3.2 研究方法

地下水浸沒影響態(tài)勢分析的思路主要包括:

1)水文地質條件分析。水文地質條件分析應基于現有鉆孔資料,分析目標含水層巖性特征、埋藏深度、分布范圍;結合相關工程勘察報告或野外試驗獲得水文地質參數,主要指含水層的滲透系數、水力梯度等;結合鉆孔資料、地形圖以及江水位數據具體分析含水層邊界環(huán)境特征[22]。

2)地下水動態(tài)與循環(huán)條件分析。地下水動態(tài)分析應廣泛采集研究區(qū)內外現有鉆孔水位數據并適當進行實地補測,繪制流場并得出研究區(qū)各處地表水與地下水的補排關系;地下水循環(huán)條件應結合研究區(qū)水文、水文地質條件,分析研究區(qū)地下水補給項、排泄項,通過地下水動力學等相關理論,進行地下水循環(huán)條件分析,其結果應與地下水動態(tài)分析結果進行比較。

3)地下水浸沒態(tài)勢分析。地下水浸沒態(tài)勢分析首先應繪制地下水等埋深圖,然后參考相關資料,確定研究區(qū)適合的地下水浸沒影響評價標準。最后根據浸沒影響評價標準繪制浸沒態(tài)勢圖,確定嚴重影響區(qū)、過渡區(qū)與無影響區(qū)。根據地下水埋深資料和地表高程資料,分析現狀條件下地下水浸沒影響程度。

4)綜合分析。在現有水文地質分析、地下水動態(tài)與循環(huán)分析以及浸沒態(tài)勢分析的基礎上,應切換研究區(qū)實際情況,對研究區(qū)浸沒原因、影響因素進行綜合分析,嘗試探討治理建議。

表1 大頂子山工程地下水浸沒影響態(tài)勢分析資料Table 1 Basic data of groundwater immersion situation analysis causing by Dadingzishan Navigation Hydropower Project

4 分析結果

研究區(qū)位于大頂子山航電樞紐工程上游松花江干流兩岸,沿松花江呈條帶狀分布的低、高漫灘上,臨江一側以江堤為界,遠江一側以漫灘和階地相交處的120 m等高線為界。江南部分主要包含哈爾濱市道外區(qū)東風鎮(zhèn)、民主鄉(xiāng)、巨源鄉(xiāng)所處的新仁灌區(qū),總面積117.65 km2,地面高程116～121 m。江北部分主要包括哈爾濱市呼蘭區(qū)腰堡鄉(xiāng)所處的腰堡灌區(qū),總面積58.48 km2,地面高程117～122 m。

4.1 含水系統(tǒng)特征

水文地質體結構是根據區(qū)域水文地質條件,結合鉆孔資料概化出來的含水系統(tǒng)特征因素的標識。據鉆孔資料顯示,含水層厚31～37 m,表層為黏性亞黏土和黑黏土,厚度約1 m;下層為細砂,厚度8～12 m;第三層為粗砂層,厚度為22～24 m;底層為不透水泥巖。

4.2 地下水位動態(tài)及循環(huán)

4.2.1 地下水動態(tài)

據2010年8月下旬與9月上旬地下水統(tǒng)測水位數據,研究區(qū)江南部分大部分地區(qū)地面高程在116～121 m,地下水水位為114～117 m;研究區(qū)江北部分大部分地區(qū)地面高程為117～122 m,地下水水位一般為114～117 m。統(tǒng)測期內地下水位總體呈下降趨勢,變幅為0.1～0.5 m,與江水位變化趨勢相同。

4.2.2 地下水循環(huán)

地下水循環(huán)的宏觀表現在于補給、排泄的動態(tài)平衡[23]。一般情況下補給項主要有5個來源:①降水入滲;②地表水補給地下水;③含水層側向徑流補給;④深層含水層頂托補給淺層含水層;⑤農田灌溉(魚塘)回滲量。排泄項也主要包括5個:①(水面、陸面、植被)蒸散發(fā);②人工開采地下水;③含水層側向徑流排泄;④淺層含水層越流補給深層含水層;⑤地下水補給地表水。

分析研究區(qū)具體情況可知,補給項有:降水入滲、松花江水補給地下水、臺地側向補給地下水、農田灌溉回滲及魚塘回滲;其排泄項有:蒸散發(fā)、人工開采。研究區(qū)地下水循環(huán)過程可概括為:在豐水季節(jié)(本文統(tǒng)測數據為8月下旬及9月上旬),江水位與高處階地水位因降水豐沛而抬升,持續(xù)補給中部低洼地區(qū),而由于溫度與光照強度較高以及潛水位抬升,在研究區(qū)內水面、陸面、植被上蒸散發(fā)量非?？捎^,同時人工開采量(除去稻田、魚塘的回滲量)對于地下水排泄貢獻較大,在部分下游地區(qū)似也存在地下水向江水泄流的情況。

4.3 地下水浸沒態(tài)勢

根據研究區(qū)統(tǒng)測地下水位,繪制不同條件下的等水位線圖,以及水庫壅水浸沒發(fā)生的地下水臨界深度,從而確定浸沒范圍。據實測數據,研究區(qū)內地下水位埋藏淺,其中江南部分埋深多為1～3 m;江北部分埋深多為1～4 m。同時,在統(tǒng)測期間由于無降水出現,地下水位及埋深變幅很小 (圖2、圖3)。

根據研究區(qū)表層土的巖性及分布特征,按地下水位埋深的差異,對研究區(qū)進行分區(qū),可分為可能浸沒區(qū)、過渡區(qū)、不發(fā)生浸沒區(qū)。江南、江北浸沒分區(qū)結果詳見圖4、圖5。

由浸沒分區(qū)結果可見:研究區(qū)江南部分,可能浸沒區(qū)面積約為20%,呈小塊狀分布于研究區(qū)西南、中部及東北近江地區(qū)過渡區(qū);過渡區(qū)約占47%,呈條塊狀集中于研究區(qū)的中部;不浸沒區(qū)約占33%,主要沿南側及東側高地成條狀分布。江北部分可能浸沒區(qū)面積約為27%,分布于研究區(qū)南部偏東近江一帶;過渡區(qū)約占33%,呈散射狀分布于可能浸沒區(qū)外圍,位于研究區(qū)中部;不浸沒區(qū)約占40%,呈3個條塊分別位于研究區(qū)西、北及東北部地區(qū)的高地上。

5 結論與討論

5.1 水文地質結構條件對浸沒的影響

一般情況下,浸沒現象的產生是地形地貌、水文地質、人類活動等多重因素綜合作用的結果,可能誘發(fā)浸沒的條件歸納如下:

1)庫區(qū)上游漫灘或階地區(qū)的洼地、低谷等地區(qū)一般受庫水位抬升影響較大,特別是地面高程低于或接近正常蓄水位的地段易產生浸沒;

2)含水層是透水性較好的巖土,如均質砂、礫石等,由于地表水與地下水交換頻繁、暢通,通常會誘發(fā)浸沒產生;

3)在地下水埋深較淺的地區(qū),由于地表水和地下水可能排泄不暢,或者補給量大于排泄量的庫岸地帶也易產生浸沒;

4)水庫調度運行不當,超過正常高水位運行可能造成庫岸周圍泉水出露點上升。另外排水溝深度未考慮排泄水庫滲水和山區(qū)滲水,也是產生浸沒的原因。

研究區(qū)處于臨江低階地區(qū),地面高程略高于江水位;研究區(qū)地形狹長,透水性良好的含水層一側被河道切穿,與江水水力聯系十分密切,另一側與高階地直接相連,由高階側向徑流流入研究區(qū)的水量較多;同時,區(qū)內地下水埋深普遍較淺。由此可見,由大頂子山水庫蓄水造成的水位抬升對研究區(qū)地下水位影響劇烈,研究區(qū)易產生浸沒現象。

5.2 地下水循環(huán)條件對浸沒的影響

防治、治理浸沒應從控制水循環(huán)條件即調控補給項與排泄項之間的關系入手。研究區(qū)內以潛水蒸發(fā)、人工開采、向江泄水為主要消耗方式,以降水入滲、河流及側向補給為主要補給來源。其中含水層側向徑流量無顯著改變的情況下,一旦江水位抬高,一方面江水向研究區(qū)流入量增加,另一方面研究區(qū)向江的泄水受阻,只能設法增加蒸發(fā)量、加大人工開采的力度才能構建新的地下水循環(huán)和動態(tài)平衡,以避免或降低浸沒危害。

5.3 浸沒態(tài)勢

由上述分析可知,研究區(qū)接近1/3面積為可能浸沒區(qū),又有接近1/3面積為過渡區(qū),因此有必要采用適當措施治理浸沒,防治措施從如下3種思路著手:①增加地下水蒸發(fā)量;②加大人工開采/排水力度;③減少地表水向含水層地下水流入。對于浸沒治理應綜合多種治理措施,擇優(yōu)配合。

1)增加蒸發(fā)量:種植蒸散發(fā)能力強的作物,如水稻、豆類或喜水性植物 (柳樹、楊樹、水杉等);或鼓勵魚塘建設,開發(fā)濕地旅游等;

2)加大人工開采/排水力度:修建地下排水井、排水溝是常用的水庫壅水浸沒治理措施,在低洼地區(qū)或高程驟減地區(qū)也可結合地表水排水系統(tǒng),或修建排水溝渠;

3)減少地表水向含水層地下水流入:沿河堤修建防滲墻,對路基底部墊砂隔絕地下水的毛細上升、對建筑物地基加強防水處理等。

5.4 浸沒治理思路

大頂子山樞紐蓄水后,由于松花江水位抬升,不可避免地會在上游臨江地勢較低的地區(qū)形成浸沒影響區(qū)。對于這一問題,除了防治以外,借助研究區(qū)毗鄰哈爾濱城區(qū)的地理條件,設法因勢構建濱江濕地生態(tài)旅游區(qū),也應成為值得探討的研究浸沒治理對策之一。

5.5 進一步研究的建議

地下水浸沒分析的關鍵在于地下水動態(tài)與均衡,因此,應在地下水動態(tài)實測、提高研究精度、優(yōu)化研究方法三方面著手改進。據之,建議如下:

1)充分利用現有鉆孔數據,適當延長、加密、拓展補充地下水動態(tài)監(jiān)測,以補充、精確分析計算的資料依據。

2)補充相關室內外試驗,以確定含水層滲透、降水入滲、灌溉回滲、泡塘滲流、潛水蒸發(fā)等相關參數;同時也應補充開展用水定額、研究區(qū)用水狀況等信息的調查核實工作。

3)在資料適用的前提下浸沒評價的方法應改用能夠精確計算的研究方法。

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