張力春，孫香泰

(黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱150080)

敖頭水庫(kù)區(qū)兩岸大部分地區(qū)由低山前緣斜坡和山前傾斜臺(tái)地構(gòu)成，山體寬厚，不存在浸沒(méi)問(wèn)題。水庫(kù)區(qū)河左岸的石河北村，含水層上覆黏土層厚2.5～4 m，地下水位埋深3.1～4.0 m，不存在浸沒(méi)問(wèn)題。

水庫(kù)區(qū)河右岸的石河村座落在山市河入海浪河處的海浪河一級(jí)階地部位，地面高程為265～272 m。上部為低液限黏土、含細(xì)粒土細(xì)砂，下部卵石混合土層，有產(chǎn)生浸沒(méi)的可能性。通過(guò)對(duì)石河村的水文地質(zhì)情況分析，應(yīng)用數(shù)值法進(jìn)行浸沒(méi)影響預(yù)測(cè)及評(píng)價(jià)。

1 浸沒(méi)區(qū)基本概況

石河村處在海浪河右岸階地上，地勢(shì)東南高西北低，地表呈微波狀起伏，總體傾向于河床。地面高程在262.82～270.40 m，地面坡降為4‰ ～6‰;據(jù)民井和坑探調(diào)查，上部為低液限黏土，厚0.00～4.00 m，透水性微弱;含細(xì)粒土細(xì)砂，厚 1.70～4.00 m，透水性中等;下部為卵石混合土，厚2.3～3.7 m，其滲透系數(shù)在50～70 m/d。地下水類型為孔隙潛水，平水期水位埋深在2.0～4.2 m，豐水期水位埋深0.4～3.3 m，水位年變幅為2.00 m左右。地下水主要補(bǔ)給來(lái)源為降水入滲補(bǔ)給，排泄項(xiàng)主要為蒸發(fā)排泄、人工開(kāi)采。本區(qū)地下水與海浪河有密切的水力聯(lián)系，豐水期大多數(shù)地段河水補(bǔ)給地下水，枯水期地下水補(bǔ)給河水。地下水動(dòng)態(tài)類型為降雨入滲—徑流—蒸發(fā)型。

根據(jù)前期已有坑探及民井調(diào)查資料，含水層主要由卵石混合土組成。隔水底板(基巖面)埋深在4.50～7.45 m，高程在 258.32～258.6 5m，近于水平。

2 預(yù)測(cè)方法

本次計(jì)算采用美國(guó)Brigham Young大學(xué)的環(huán)境模型研究實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)軍隊(duì)排水工程試驗(yàn)工作站開(kāi)發(fā)的三維地下水流數(shù)值模擬系統(tǒng)GMS4.0(Groundwater Modeling System)軟件，該軟件除包含 MODFLOW、FEMWATER、MT3DMS、RT3D、SEAM3D、MOD-PATH、SEEP2D、NUFT、UTCHEM 等主要計(jì)算模塊外，還包含 PEST、UCODE、MAP、BoreholeData、TINs、Solid等輔助模塊，是迄今為止功能最齊全的地下水模擬軟件包之一，它具有良好的使用界面，強(qiáng)大的前處理、后處理功能及優(yōu)良的三維可視效果。本次模擬所用的主要是MODFLOW模塊。

其求解方法是在計(jì)算區(qū)域內(nèi)采用矩形剖分和線性插值，應(yīng)用迦遼金有限差分法將上述數(shù)學(xué)模型離散為有限單元方程組，編制計(jì)算程序，用以求解。同時(shí)應(yīng)用軟件對(duì)計(jì)算區(qū)進(jìn)行單元自動(dòng)剖分和數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集，包括各結(jié)點(diǎn)的含水層頂、底板高程、水位等大量數(shù)據(jù)的自動(dòng)插值，在確保計(jì)算精度的基礎(chǔ)上，極大地提高了工作效率。

3 水文地質(zhì)模型概化

3.1 計(jì)算目的含水層

本次計(jì)算的目的含水層為第四系孔隙潛水含水層。

3.2 含水層水力特征的概化

在研究區(qū)內(nèi)，孔隙潛水在天然狀態(tài)下的水力坡度均不大，一般均 ＜1/1000，滲流基本符合達(dá)西定律;水流形式概化為平面二維流，在目前和水位預(yù)報(bào)期內(nèi)均為非穩(wěn)定流運(yùn)動(dòng)。計(jì)算區(qū)潛水運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型可概化為非均質(zhì)、各向同性、非穩(wěn)定、二維地下水流模型。

3.3 計(jì)算區(qū)邊界的概化

3.3.1 潛水含水層的側(cè)向邊界概化

在研究區(qū)南部，孔隙潛水含水層與基巖區(qū)相鄰，基巖主要為流紋斑巖質(zhì)凝灰熔巖、英安玢巖，滲透性弱，故此段邊界概化為隔水邊界;北部以常年有水的河流海浪河為界，并為潛水的排泄邊界，概化為已知水頭的一類邊界;東西邊界有地下水位資料，將其概化為已知水位的一類邊界。

3.3.2 含水層垂向邊界概化

潛水含水層的上部邊界為水量交換邊界，有降水入滲、河道滲漏、灌溉滲漏(井灌、渠灌)和潛水的蒸發(fā)及人工開(kāi)采;下部邊界在單一含水層分布區(qū)，下面直接與基巖接觸，透水性很小，則概化為隔水邊界。

4 數(shù)學(xué)模型的建立

計(jì)算區(qū)地下水運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型可概化為非均質(zhì)、各向同性、非穩(wěn)定、二維地下水流模型，孔隙潛水含水層的數(shù)學(xué)模型:

式中:K為潛水含水層滲透系數(shù)，m/d;μ為潛水含水層給水度;H0為潛水水位，m;B為含水層底板標(biāo)高，m;Qr為入滲補(bǔ)給強(qiáng)度，m/d;Qd為排泄強(qiáng)度(包括開(kāi)采)，m/d;h0為初始水位，m;h1為研究區(qū)一類邊界點(diǎn)的水位，m;x，y為坐標(biāo)，m;D為計(jì)算區(qū)范圍;Γ1為研究區(qū)一類邊界。上述偏微分方程、初始條件和一類邊界條件，共同組成定解問(wèn)題。

5 數(shù)學(xué)模型的求解

5.1 計(jì)算區(qū)剖分

計(jì)算區(qū)面積0.89 km2，使用GMS軟件中的Modflow模塊對(duì)水流進(jìn)行模擬，采用有限差分法，進(jìn)行矩形剖分，共有結(jié)點(diǎn)911個(gè)，剖分了851個(gè)單元。

5.2 水文地質(zhì)參數(shù)的確定

由于對(duì)預(yù)測(cè)區(qū)的研究程度有限，水文地質(zhì)參數(shù)均根據(jù)區(qū)域資料及經(jīng)驗(yàn)值確定滲透系數(shù)70 m/d，給水度0.3。由于含水層巖性分布均勻，所以未進(jìn)行分區(qū)。

5.3 源匯項(xiàng)的確定

根據(jù)地表巖性將研究區(qū)分為2個(gè)補(bǔ)給蒸發(fā)區(qū)間。經(jīng)分析計(jì)算，補(bǔ)給項(xiàng)主要為降雨入滲補(bǔ)給和河流入滲補(bǔ)給，排泄項(xiàng)主要為潛水蒸發(fā)和人工開(kāi)采。本次調(diào)查到石河村有自來(lái)水井1眼，日開(kāi)采量500 m3/d。另外村民通過(guò)民井開(kāi)采，以補(bǔ)充供水不足及農(nóng)田灌溉。其它源匯項(xiàng)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 補(bǔ)給排泄計(jì)算結(jié)果一覽表

6 地下水位雍高預(yù)測(cè)

6.1 預(yù)測(cè)范圍

本次預(yù)測(cè)范圍為海浪河左岸的石河村，面積0.89 km2。

6.2 水位預(yù)報(bào)的初始條件和時(shí)段的確定

將最新測(cè)量的2011年8月5日的水位資料做為初始水位。水位預(yù)報(bào)時(shí)段為水庫(kù)蓄水后1 a，5 a。

6.3 一類邊界(已知水頭)的預(yù)測(cè)

由于模擬區(qū)缺少多年地下水位動(dòng)態(tài)觀測(cè)資料，所以對(duì)東西兩處邊界的水位預(yù)測(cè)采取解析法。對(duì)南部的一類邊界河水位逐漸高漲，達(dá)到水庫(kù)正常蓄水位后不再增長(zhǎng)。

6.4 源匯項(xiàng)的預(yù)測(cè)

源匯項(xiàng)有降水入滲、河道滲漏、和潛水的蒸發(fā)及人工開(kāi)采。本次源匯項(xiàng)的預(yù)測(cè)根據(jù)區(qū)域資料變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)確定。

6.5 預(yù)測(cè)結(jié)果

水庫(kù)蓄水后1 a地下水位不斷上漲，后趨于穩(wěn)定，水庫(kù)蓄水后5 a和蓄水后1 a的地下水位基本沒(méi)有變化。

7 浸沒(méi)影響評(píng)價(jià)

7.1 臨界地下水位埋深的確定

研究區(qū)南部階地后緣上部為黏性土層，有少量農(nóng)田，無(wú)人居住;北部為階地前緣，大部分為居民區(qū)，少部分為農(nóng)田。農(nóng)田區(qū)大部分為水田，短時(shí)間浸沒(méi)對(duì)水稻生長(zhǎng)影響不大，故對(duì)農(nóng)田區(qū)不予評(píng)價(jià)。

居民區(qū)建筑物為平房，其基礎(chǔ)為塊石，據(jù)調(diào)查地基深度在1.00 m左右，座于含細(xì)粒土細(xì)砂層中。取含細(xì)粒土細(xì)砂層的毛細(xì)上升高度為0.30 m(經(jīng)驗(yàn)值)，故確定居民區(qū)臨界深度為1.30 m。

7.2 浸沒(méi)影響范圍分析

由預(yù)測(cè)結(jié)果可知，水庫(kù)蓄水一年地下水位不斷上漲，后趨于穩(wěn)定，地下水雍高值在0.05～2.11。自北向南到第二排民房為止地下水位埋深＜1 m，浸沒(méi)。浸沒(méi)區(qū)范圍見(jiàn)圖1。

圖1 浸沒(méi)區(qū)范圍圖

［1］黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.林海水庫(kù)工程水文地質(zhì)調(diào)查報(bào)告［R］.哈爾濱:黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2011.