李扭串

(山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院， 山西 太原 030024)

三泉水庫(kù)庫(kù)區(qū)滲漏模式及滲漏強(qiáng)度問(wèn)題研究

李扭串

(山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院， 山西 太原 030024)

三泉水庫(kù)既是禹門(mén)口提水、供水工程的調(diào)蓄庫(kù)，又是古堆泉生態(tài)修復(fù)工程的主要補(bǔ)給源。本文通過(guò)對(duì)庫(kù)區(qū)地質(zhì)勘查、滲漏點(diǎn)調(diào)查、水庫(kù)水文監(jiān)測(cè)資料分析、環(huán)境同位素測(cè)試、滲水試驗(yàn)以及采用MODFLOW數(shù)值反演等手段，研究了三泉水庫(kù)的滲漏區(qū)分布、滲漏模式和滲漏強(qiáng)度，建立了滲漏量預(yù)測(cè)模型，為古堆泉生態(tài)修復(fù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)與修復(fù)效果的數(shù)值評(píng)估提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。

古堆泉生態(tài)修復(fù)； 三泉水庫(kù)； 滲漏模式； 滲漏強(qiáng)度； 預(yù)測(cè)模型

1 研究背景

三泉水庫(kù)建成于1957年7月，是一座以防洪、灌溉為主的小(1)型水庫(kù)，控制流域面積105.2km2。大壩為均質(zhì)土壩，壩高13.2m，壩頂高程449.00m，正常蓄水位447.50m，總庫(kù)容697萬(wàn)m3。2009年建設(shè)禹門(mén)口提水東擴(kuò)工程，三泉水庫(kù)為該工程的調(diào)蓄庫(kù)。古堆泉位于三泉水庫(kù)的庫(kù)尾，是山西巖溶大泉中唯一的中低溫泉，流量為1.3m3/s[1]，1999年斷流[2]，2016年泉口處地下水埋深63.3m，降落漏斗面積近500km2。2014年山西省政府啟動(dòng)古堆泉生態(tài)復(fù)流研究項(xiàng)目，三泉水庫(kù)既作為禹門(mén)口提水東擴(kuò)工程的調(diào)蓄水庫(kù)，又是古堆泉生態(tài)修復(fù)的主要人工供水補(bǔ)給源，因此，查清水庫(kù)的滲漏分區(qū)、滲漏模式和滲漏強(qiáng)度是古堆泉生態(tài)修復(fù)工程設(shè)計(jì)與修復(fù)效果數(shù)值評(píng)估的關(guān)鍵。

2 庫(kù)區(qū)地質(zhì)條件

據(jù)勘察，庫(kù)區(qū)出露的地層主要有：

a.奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組(O2s)：巖性為淺灰、深灰色中厚層狀灰?guī)r，局部夾泥質(zhì)灰?guī)r?；?guī)r巖性堅(jiān)硬，厚度大于100m，主要出露于庫(kù)尾及左岸泉群出露處。

3 庫(kù)區(qū)滲漏模式分析

3.1 庫(kù)區(qū)滲透特征分析

a.向外水平滲漏。庫(kù)區(qū)及兩岸地形高程均高于水庫(kù)正常蓄水位高程，庫(kù)岸均為低液限黏土、低液限粉土，為弱透水層，庫(kù)區(qū)兩岸沒(méi)有較低鄰谷存在，不存在向外水平滲漏問(wèn)題。

b.庫(kù)區(qū)垂直滲漏。庫(kù)區(qū)主要分布第四系全新統(tǒng)沖洪積物低液限黏土，厚0.5～28.0m，局部夾粉土、含砂粉土透鏡體，屬微～中等透水層，滲透性小。近岸邊及基巖部位分布有碎石土層，為坡積或風(fēng)積層，滲透性大。

三泉水庫(kù)正常蓄水位447.50m，古堆泉群位于庫(kù)尾低洼處，由蓮花泉、葫蘆泉、亂泉組成，出露高程440.00～443.60m，低于正常蓄水位。2012年9月禹門(mén)口提水東擴(kuò)工程(一期)試通水，調(diào)蓄水庫(kù)低水位運(yùn)行，當(dāng)初期蓄水位到達(dá)443.50～444.00m時(shí)，監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)庫(kù)水位呈逐漸下降趨勢(shì)，且滲漏量較大。調(diào)查發(fā)現(xiàn)庫(kù)尾左岸澤掌村古堆泉部分泉眼出現(xiàn)回灌現(xiàn)象，在庫(kù)水位下降至441.50m時(shí)，庫(kù)尾出露多處泉眼和滲漏點(diǎn)。

據(jù)水庫(kù)滲漏觀測(cè)：庫(kù)水位在444.00～443.53m時(shí)滲漏量為5.9萬(wàn)m3/d，在443.53～442.85m時(shí)滲漏量為4.66萬(wàn)m3/d，在441.85～441.52m時(shí)滲漏量為0.78萬(wàn)m3/d，在441.53～441.46m時(shí)滲漏量為0.39萬(wàn)m3/d。三泉水庫(kù)庫(kù)尾地面高程440.00～447.30m，庫(kù)尾塌陷坑和主要泉眼出露高程442.00～443.60m，只有亂泉高程低于441.00m，據(jù)分析觀測(cè)數(shù)據(jù)，當(dāng)庫(kù)水位下降到441.50m，低于主要泉口高程時(shí)滲漏量明顯減少。

據(jù)調(diào)查，調(diào)蓄水庫(kù)試蓄水后，庫(kù)區(qū)出現(xiàn)18處大小不等的滲水塌陷坑(見(jiàn)圖1)。一般坑徑0.8～2.0m，深1.0～1.5m，最大塌陷坑為14號(hào)坑，口徑3.0×3.5m，深達(dá)3.5m，呈漏斗狀。

為使調(diào)蓄庫(kù)正常運(yùn)行，2015年年初在庫(kù)區(qū)滲漏調(diào)查基礎(chǔ)上，庫(kù)尾設(shè)計(jì)并修建了防護(hù)堤。

3.2 地下水同位素特征分析

地下水的環(huán)境同位素特征能夠有效反映地下水補(bǔ)給來(lái)源和循環(huán)路徑。為查清三泉水庫(kù)是否滲漏補(bǔ)給古堆泉巖溶水，對(duì)庫(kù)水和巖溶地下水進(jìn)行環(huán)境同位素采樣分析。分析結(jié)果表明：古堆泉口水樣的δ18O值為-9.8‰，周邊補(bǔ)給區(qū)北東向汾陽(yáng)嶺巖溶水樣的δ18O值為-10.4‰～-11.0‰、九原山東側(cè)趙康巖溶水樣的δ18O值為-10.5‰、東南侯馬方向巖溶水樣的δ18O值為-11.4‰，都明顯低于古堆泉中δ18O的含量，而三泉水庫(kù)水樣的δ18O值為-7.7‰，遠(yuǎn)高于古堆泉以及周邊各補(bǔ)給方向上的巖溶水樣。

鍶是穩(wěn)定元素，地下水中Sr2+的濃度通常不受人為因素影響，不同地層中鍶含量有明顯差異，且隨地下水徑流途徑增長(zhǎng)、水-巖相互作用時(shí)間增加，Sr2+濃度逐漸增高，從補(bǔ)給區(qū)到徑流區(qū)、排泄區(qū)，Sr2+濃度總體上是增加的。對(duì)同一地下水流動(dòng)系統(tǒng)，化學(xué)元素的濃度同時(shí)還與地下水徑流強(qiáng)弱相關(guān)。因此，地下水中Sr2+濃度的變化反映著不同地質(zhì)環(huán)境特征[3]。古堆泉口巖溶水Sr2+含量1.62mg/L，而周邊巖溶水樣中Sr2+含量一般在1.74～1.96mg/L，局部高達(dá)到3.14mg/L，均高于古堆泉水樣中Sr2+的含量。三泉水庫(kù)庫(kù)水中Sr2+含量為0.496mg/L，遠(yuǎn)低于古堆泉。

圖1 三泉水庫(kù)庫(kù)區(qū)主滲漏區(qū)、滲漏點(diǎn)分布

由同位素的監(jiān)測(cè)和分析結(jié)果表明，古堆泉巖溶地下水接受三泉水庫(kù)滲漏補(bǔ)給的可能性較大。

3.3 滲漏模式及分區(qū)

由上分析可知，三泉水庫(kù)滲漏區(qū)分布于庫(kù)尾古堆泉出露區(qū)。按照滲漏區(qū)地層巖性、滲漏通道和滲漏方式，將其劃分為三個(gè)區(qū)(見(jiàn)圖2)。

a.巖溶灌入式強(qiáng)滲漏區(qū)，位于隔離堤外側(cè)或北側(cè)，區(qū)內(nèi)分布葫蘆泉、蓮花泉等主泉口，庫(kù)水主要通過(guò)泉口巖溶通道的灌入式入滲。由于受隔離堤阻隔，只有在庫(kù)水漫堤或開(kāi)閘放水時(shí)，該區(qū)才有庫(kù)水淹沒(méi)，因此，該區(qū)也可稱(chēng)為非常態(tài)滲漏區(qū)。

b.孔隙-巖溶雙重介質(zhì)慢滲區(qū)，位于隔離堤內(nèi)側(cè)或南側(cè)，為庫(kù)水常態(tài)淹沒(méi)滲漏區(qū)，因此，也可稱(chēng)為常態(tài)滲漏區(qū)。作為調(diào)蓄庫(kù)，首次試蓄水時(shí)產(chǎn)生的中小滲坑和古堆泉的散泉群就分布于該區(qū)。庫(kù)水穿越孔隙-巖溶雙重介質(zhì)入滲補(bǔ)給孔隙水和巖溶水。根據(jù)2016年8月雙環(huán)滲水試驗(yàn)，該區(qū)垂向滲透系數(shù)為3.6×10-4～6.21×10-4cm/s。

c.根據(jù)庫(kù)區(qū)滲坑側(cè)向徑流實(shí)驗(yàn)，孔隙-巖溶雙重介質(zhì)慢滲區(qū)外圍區(qū)淤積層孔隙水可通過(guò)側(cè)向徑流補(bǔ)給滲漏區(qū)，暫且稱(chēng)之為水庫(kù)滲漏貢獻(xiàn)區(qū)。

根據(jù)GIS量測(cè)，三泉水庫(kù)主滲漏區(qū)的分布特征和地形特點(diǎn)，將引黃輸水渠以北的庫(kù)尾區(qū)劃為滲漏補(bǔ)給區(qū)。

圖2 三泉水庫(kù)滲漏分區(qū)

4 水庫(kù)滲漏強(qiáng)度分析

4.1 預(yù)測(cè)模型建立

三泉水庫(kù)的水均衡要素有河流與輸水渠補(bǔ)水量(Qsi)、水面直接接受的降水量補(bǔ)給量(p)、水庫(kù)提放水量(Qso)、蒸發(fā)量(e)和滲漏量(Sp)。

水量平衡方程為

ΔQ= (Qsi+p)-(Qso+e+Sp)

在無(wú)降水時(shí)段，如果水庫(kù)無(wú)來(lái)水量，也無(wú)提放水量，則水庫(kù)的水量均衡方程即可簡(jiǎn)化為

ΔQ=-(e+Sp)

(1)

該情況下庫(kù)水位的下降或水庫(kù)蓄水量的減少量即是由于水庫(kù)水面蒸發(fā)和滲漏引起的。此時(shí)，水庫(kù)的滲漏量就等于水庫(kù)蓄水的減少量與水面蒸發(fā)量之差。

據(jù)庫(kù)區(qū)地形圖及滲漏調(diào)查可知，在庫(kù)水位高程低于440.00m時(shí)，水庫(kù)強(qiáng)滲漏區(qū)已基本無(wú)水，在庫(kù)水位高于440.00m時(shí)，庫(kù)區(qū)存在滲漏條件。2015年3月18日至2016年8月2日期間，水庫(kù)既無(wú)補(bǔ)水，又無(wú)提放水，水庫(kù)水位水量均衡要素只有蒸發(fā)與滲漏兩個(gè)要素，計(jì)算其平均水位和水位日降幅，并根據(jù)2013年實(shí)測(cè)蒸發(fā)量和新絳縣多年月平均蒸發(fā)量資料，獲取日均蒸發(fā)量，然后計(jì)算出滲漏強(qiáng)度。據(jù)此得到水庫(kù)滲漏強(qiáng)度與庫(kù)水位關(guān)系預(yù)測(cè)模型：

Sp=5 × (H-440)+5

(2)

式中Sp——日滲漏強(qiáng)度，mm；

H——庫(kù)水位高程，m；

440——滲漏區(qū)庫(kù)底高程，m。

4.2 水庫(kù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)信息對(duì)模型的驗(yàn)證

取2015年3月18日～2016年8月2日這一時(shí)段庫(kù)水位觀測(cè)記錄代入模型進(jìn)行計(jì)算。

2015年4月25日庫(kù)水位440.93m，2015年5月9日庫(kù)水位440.70m，共15日，水位下降230mm，日均降幅15.3mm。4月和5月多年平均月均蒸發(fā)量分別為188mm和240mm(見(jiàn)圖3)，日均蒸發(fā)量7.1mm，則水庫(kù)日滲漏強(qiáng)度約8.2mm。如果取該段平均庫(kù)水位440.80m，模型計(jì)算值的日滲漏強(qiáng)度為9.0mm。兩者相對(duì)誤差9.7%。

圖3 新絳縣多年月平均氣溫、降雨量和蒸發(fā)量對(duì)比

2016年7月21日庫(kù)水位443.61m，2016年8月2日庫(kù)水位443.27m，共12日，水位下降340mm，日均降幅28.3mm。多年平均7月和8月月均蒸發(fā)量分別為250mm和218.8mm，日均蒸發(fā)量7.6mm，則水庫(kù)日滲漏強(qiáng)度為20.7mm。如果取該時(shí)段平均庫(kù)水位443.44m，模型計(jì)算值的日滲漏強(qiáng)度為22.2mm。兩者相對(duì)誤差7.2%。

通過(guò)上述模型驗(yàn)證結(jié)果表明，模型預(yù)測(cè)值誤差小于1mm。

據(jù)式(2)預(yù)測(cè)，當(dāng)水庫(kù)蓄水量達(dá)到正常蓄水水位447.50m時(shí)，其日滲漏強(qiáng)度為42.5mm，則水庫(kù)滲漏量為2.8萬(wàn)m3/d。

4.3 水流數(shù)值模擬對(duì)滲漏強(qiáng)度的反演驗(yàn)證

本文運(yùn)用MODFLOW水流模擬軟件，建立古堆泉三維數(shù)值模型，其中設(shè)有RES模塊。以2014年和2016年水井調(diào)查資料為依據(jù)進(jìn)行模型識(shí)別，模擬結(jié)果表明，在三泉水位443.00m時(shí)水庫(kù)日滲漏量分別為1.5萬(wàn)m3，按8月多年平均蒸發(fā)量7.06mm，折合0.47萬(wàn)m3/d，兩項(xiàng)合計(jì)1.97萬(wàn)m3/d，與無(wú)輸入輸出水量的2016年8月8日443.02m，9日443.05m兩日平均監(jiān)測(cè)值2.0萬(wàn)m3/d，相對(duì)誤差為1.5%。

如果按式(2)計(jì)算，庫(kù)水位為443.0m時(shí)，其日滲漏強(qiáng)度分別為20.0mm，即日滲漏量分別為1.32萬(wàn)m3/d，與數(shù)值模擬反演的滲漏量1.5萬(wàn)m3/d的相對(duì)誤差為12.0%。

綜上所述，水庫(kù)滲漏強(qiáng)度與庫(kù)水位關(guān)系可用式(2)來(lái)描述。

5 結(jié) 論

a.水庫(kù)滲漏模式分為巖溶灌入式強(qiáng)滲區(qū)、孔隙-巖溶雙重介質(zhì)慢滲區(qū)，以及孔隙水徑流補(bǔ)給貢獻(xiàn)區(qū)。其中，孔隙-巖溶雙重介質(zhì)慢滲區(qū)和孔隙水徑流補(bǔ)給貢獻(xiàn)區(qū)為常態(tài)滲漏區(qū)，巖溶灌入式強(qiáng)滲區(qū)為非常態(tài)滲漏區(qū)。

b.建立滲漏強(qiáng)度模型：Sp=5(H-440)+5。

c.采用MODFLOW數(shù)值模擬反演結(jié)果表明，水庫(kù)滲漏強(qiáng)度與庫(kù)水位關(guān)系可用式(2)來(lái)描述。

[1] 韓行瑞,魯榮安,李青松.巖溶水系統(tǒng)——山西巖溶大全[M].北京:地質(zhì)出版社,1993.

[2] 張江汀.山西省巖溶大泉變遷與保護(hù)[M].太原:山西經(jīng)濟(jì)出版社,2011.

[3] 葉萍金,勤勝,周愛(ài)國(guó),等.河北平原地下水鍶同位素形成機(jī)理[J].地球科學(xué)中國(guó)地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào),2008,33(1):38-42.

Research on seepage pattern and seepage strength in Sanquan Reservoir area

LI Niuchuan

(Shanxi Water Conservancy and Hydropower Survey and Design Institute, Taiyuan 030024, China)

Sanquan Reservoir is a regulation and storage reservoir in Yumenkou water withdrawal and water supply project. It is also an important supply source for Guduiquan Ecological Restoration Project. In the paper, the seepage area distribution, leakage mode and leakage strength of Sanquan Reservoir are studied through reservoir area geological survey, leakage point survey, reservoir hydrological monitoring data analysis, environmental isotope test, water seepage test, MODFLOW numerical inversion and other means. The leakage prediction model was set up, thereby providing key technical support for designing Guduiquan ecological restoration project and numerical evaluation of restoration effect.

Guduiquan ecological restoration; Sanquan Reservoir; seepage mode; seepage strength; prediction model

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.08.016

TV221

A

1005-4774(2017)08- 0059- 05