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(水利部長(zhǎng)江勘測(cè)技術(shù)研究所，湖北 武漢 430000)

黃蓋湖位于長(zhǎng)江城陵磯下游約60 km的長(zhǎng)江南岸，下距赤壁鎮(zhèn)約10 km，為湖南省與湖北省界湖，湖面面積約70 km2。入湖主要河流有新店河(又名潘河)、沅潭河等，湖水經(jīng)由太平河(又名鴨棚河)注入長(zhǎng)江。該流域是湖南臨湘和湖北赤壁兩市重要的糧、棉、油、魚生產(chǎn)基地，沿湖現(xiàn)有大小堤垸40處，保護(hù)區(qū)涉及鄉(xiāng)鎮(zhèn)13個(gè)[1]。

長(zhǎng)江中下游提防工程是長(zhǎng)江防洪的重要屏障[2]。黃蓋湖沿湖堤垸均為上世紀(jì)六、七十年代當(dāng)?shù)厝罕娮园l(fā)修建，現(xiàn)狀防洪標(biāo)準(zhǔn)不足10 a一遇，洪澇災(zāi)害頻繁。其次，現(xiàn)有的堤垸還存在許多先天不足，如堤身矮小單薄，堤頂高程不足，而且堤身的填土質(zhì)量差，滲漏嚴(yán)重；部分穿堤涵管破損，存在著嚴(yán)重的事故隱患[1,3]。為保障防洪安全，改善水環(huán)境，需對(duì)黃蓋湖進(jìn)行綜合治理。堤壩防滲加固工程是促進(jìn)水利工程安全運(yùn)營(yíng)的重要措施[4,5]。但水利工程改造在增加防洪能力的同時(shí)，可能會(huì)影響本區(qū)的地下水環(huán)境安全。開展水利工程建設(shè)前，進(jìn)行地下水安全影響評(píng)價(jià)研究對(duì)于地下水的安全、水資源的可持續(xù)利用具有重要意義[2,6-9]。

本文針對(duì)黃蓋湖沿湖堤垸存在的主要問(wèn)題，擬利用堤垸加高工程增強(qiáng)防洪能力。利用Visual Modflow模擬了堤垸加高后，地下水流動(dòng)模式、地下水水位的改變；并評(píng)價(jià)了堤防治理工程對(duì)地下水環(huán)境的影響。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理

黃蓋湖，位于湖南、湖北兩省交界處，是湖南省第二大內(nèi)湖，同時(shí)瀕臨長(zhǎng)江也是洞庭湖區(qū)的一部分(見圖1)。該流域總體地勢(shì)南高北低，黃蓋湖以北及江南陸城一帶為長(zhǎng)江沖積地貌，地勢(shì)平坦，地面高程在21～24 m之間；流域南部地形由剝蝕殘丘過(guò)渡為低山，地形起伏較大。本區(qū)降雨充沛，年內(nèi)分配不均。年均降水量1 582.5 mm，主要集中在3—8月。流域年平均氣溫為17.0℃左右，以1月氣溫為最低，7月氣溫最高。地表水系發(fā)達(dá)，主要由新店河(又名潘河)和源潭河組成。

1.2 地層巖性

工程區(qū)主要位于河湖區(qū)，出露地層以第四系為主，包含有人工堆積的粉質(zhì)黏土；全新世沖積粉質(zhì)黏土及中更新世坡積堆積的黃褐色網(wǎng)紋狀黏土。新店河及源潭河中上游兩岸山區(qū)有基巖出露，從老到新地層有：元古界冷家溪群，一套淺變質(zhì)的粉砂質(zhì)板巖、變質(zhì)細(xì)砂巖及石英砂巖；寒武系中上統(tǒng)，主要為灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r；志留系中統(tǒng)，主要為粉砂質(zhì)頁(yè)巖、薄層炭質(zhì)頁(yè)巖等。侏羅系中下統(tǒng)、上白堊統(tǒng)～第三系，主要為泥質(zhì)粉砂巖、砂質(zhì)頁(yè)巖及含礫砂巖。

圖1 黃蓋湖地理位置

1.3 水文地質(zhì)條件

工程區(qū)地下水主要為第四系松散層孔隙水及基巖裂隙水。其中松散層地下水賦存于粉土、粉質(zhì)黏土等含水介質(zhì)中，一般為孔隙潛水，部分為季節(jié)性承壓水。主要接受大氣降水的垂直入滲補(bǔ)給及山丘地下水的側(cè)向補(bǔ)給，地下水向黃蓋湖以北的沖積平原運(yùn)移排泄。隨季節(jié)變化，地下水與河水等地表水體呈互補(bǔ)關(guān)系，枯季地下水向河、渠排泄，汛期江河水沿透水層向堤內(nèi)運(yùn)移，補(bǔ)給地下水。地表、地下水聯(lián)系密切。基巖裂隙水賦存于河流兩岸的巖體內(nèi)，多為微弱透水巖組。

2 研究區(qū)水質(zhì)現(xiàn)狀

2.1 水化學(xué)特征

在研究區(qū)共采集水樣15個(gè)，其中地表水樣品6個(gè)，地下水樣品9個(gè)，采樣位置如圖1所示。測(cè)試了水樣的陰、陽(yáng)離子、微量元素以及總氮和總磷。地表和地下水均為淡水，弱堿性，TDS介于82～615 mg/L，其中地下水礦化度略高。水化學(xué)類型為HCO3-Ca·Mg或HCO3·SO4-Ca。

從水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，6個(gè)地表水樣品中50%Fe含量超標(biāo)，66.67%Mn含量超標(biāo)(GB3838-2002Ⅲ類水質(zhì)標(biāo))，這些樣品緊鄰黃蓋湖區(qū)，F(xiàn)e、Mn超標(biāo)與湖區(qū)的地質(zhì)環(huán)境相關(guān)；CODcr僅SY-9赤壁市新店鎮(zhèn)紙廠排污水超標(biāo)，表明排污水中有機(jī)污染物含量很高；SY-12羊樓司鎮(zhèn)鐵路橋下新店河內(nèi)TP含量超標(biāo)，分析為側(cè)邊有一生活污水排放口，匯入新店河，生活污水中的高磷致使TP含量超標(biāo)；樣品中66.67%的TN含量超標(biāo)，分析為湖區(qū)內(nèi)養(yǎng)殖魚類投放含氮量較高的飼料所致(見表1)。

地下水與地表水類似，F(xiàn)e，Mn含量超標(biāo)，同時(shí)少部分樣品NO3-含量超標(biāo)，可能由地表污水的排泄導(dǎo)致。

表1 地表水水樣水質(zhì)質(zhì)量表 mg/L

2.2 地表潛在污染源

黃蓋湖區(qū)的污染物主要是集中居民生活污染源、農(nóng)業(yè)面污染源及水產(chǎn)養(yǎng)殖污染源，工礦企業(yè)較少。其中面源污染主要有化肥農(nóng)藥污染源、禽畜養(yǎng)殖污染源、水產(chǎn)養(yǎng)殖污染源和農(nóng)村分散居民生面污染源活污染源四個(gè)方面。

3 堤防治理工程對(duì)地下水的影響模擬

堤防工程為線性工程，且都位于沖湖積平原區(qū)，在平面概念上，地下水流與河流的補(bǔ)給排泄方向與河流呈大角度相交，近似垂直，所以可以用剖面二維流代替三維流來(lái)模擬堤防治理工程對(duì)地下水流場(chǎng)的影響。

根據(jù)湖區(qū)水文地質(zhì)條件的特點(diǎn)及生態(tài)保護(hù)區(qū)的位置，分別選取臨近湖區(qū)而又位于自然保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)的源潭河入湖口處的Ⅰ剖面作為代表性模擬剖面。Ⅰ剖面堤身主要位于厚層的湖積粉質(zhì)粘土上。黃蓋湖堤防中的大部分在枯水期、平水期及雨季的非降雨時(shí)期，河湖水位低于堤身以下，堤身常年多處于非飽和甚至干燥狀態(tài)，僅在洪水時(shí)期河流水位猛漲而堤防承擔(dān)擋御洪水的作用；有部分堤防因堤內(nèi)外均為湖水或一側(cè)湖水而一側(cè)為養(yǎng)魚池塘，堤身常年起到擋御內(nèi)外水流的作用，常年多處于浸水狀態(tài)。對(duì)前一種堤防而言，常年大部分時(shí)間，河流水與沖湖積平原地下水的補(bǔ)給排泄運(yùn)移不經(jīng)過(guò)堤身，則堤防的加固運(yùn)行對(duì)地下水流場(chǎng)沒(méi)有影響，僅需模擬并比較暴雨或集中降雨后河湖水位猛漲、地下水流場(chǎng)在有無(wú)堤防加固的兩種情況下變化幅度的差異；對(duì)后一種堤防而言，洪水或枯水位時(shí)對(duì)應(yīng)的內(nèi)外水頭差最大，在內(nèi)外水頭差最大時(shí)，堤防加固前后的滲流場(chǎng)差異也達(dá)到最大，因此，針對(duì)這樣的堤防是需模擬對(duì)比在洪水或枯水位時(shí)對(duì)應(yīng)的內(nèi)外水頭差最大時(shí)、堤防加固前后地下水流場(chǎng)變化的幅度。

3.1 水文地質(zhì)概念模型與數(shù)學(xué)模型

模擬剖面Ⅰ的平面與地質(zhì)剖面圖見圖2所示。在Ⅰ剖面兩側(cè)均為水體，側(cè)邊界設(shè)置為水頭邊界。上邊界為自由潛水面，其邊界條件由大氣降水入滲、蒸發(fā)排泄等因素確定。模型的上邊界接受降雨的補(bǔ)給和蒸發(fā)，由于軟件的限制，只能輸入一個(gè)入滲和蒸發(fā)的一個(gè)差值，即有效入滲量。模型的下邊界設(shè)置為隔水邊界。因?yàn)檫x取的剖面底層普遍發(fā)育有元古界冷家溪群易家橋組粉細(xì)砂巖和二疊系下統(tǒng)茅口組灰?guī)r，該巖層為弱風(fēng)化狀態(tài)、完整性好，滲透性極差。

圖2 模擬剖面地層巖性與參數(shù)分布

因此黃蓋湖堤防加厚對(duì)地下水流場(chǎng)的模擬模型可認(rèn)為二維非穩(wěn)定滲流模型，數(shù)學(xué)模型如下：

式中：Ω為地下水滲流區(qū)域；H0為初始地下水位(m)；H1為定水頭(m)；h為含水層厚度(m)；S1為第一類邊界；S2為第二類邊界；μ為給水度；Kxx，Kyy分別為x、y主方向的滲透系數(shù)(m/d)；w為源匯項(xiàng)，包括蒸發(fā)，降雨入滲補(bǔ)給，井的抽水量(m3/d)；q(x,y,t)表示在邊界不同位置上不同時(shí)間的流量(m3/d)；

3.2 模型參數(shù)的選取

參數(shù)的選取主要依據(jù)黃蓋湖防洪治理工程可研勘察階段的成果，并結(jié)合本次野外的抽水試驗(yàn)，各巖土層的參數(shù)取值如下：Ⅰ剖面位于源潭河入湖口，堤防堤身填土滲透系數(shù)取其平均值，為1.40×10-4cm/s，加固后取1.0×10-5cm/s；其下厚約8 m的沖積粉質(zhì)粘土，滲透系數(shù)為4.80×10-7cm/s；下部厚約5.8 m的沖洪積粉質(zhì)粘土，取其滲透系數(shù)的平均值，為6.90×10-7cm/s;下部接著為厚約2.6 m 的粉土，滲透系數(shù)為2.0×10-6cm/s；卵礫石層厚約3.6 m，由本次現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)可知其滲透系數(shù)為2.3×10-2cm/s；再下為粉細(xì)砂巖，是本次剖面模擬的下邊界條件，參照以往工程經(jīng)驗(yàn)，選定滲透系數(shù)2.0×10-5cm/s。

本次模擬剖面位于沖湖積的湖區(qū)，地表已修建有較完善的溝渠排水系統(tǒng)，而模擬的工況為強(qiáng)降雨條件，根據(jù)參考值和經(jīng)驗(yàn)值，降雨入滲系數(shù)最終選取為0.10。

給水度根據(jù)《水文地質(zhì)手冊(cè)》，粉土和粉質(zhì)粘土取為0.05，砂礫石取為0.20，加固后的堤身取為0.02，基巖取為0.01。

3.3 模擬結(jié)果分析

根據(jù)收集的降雨資料，在2010年7月14日，趙李橋觀測(cè)站觀測(cè)到的最大24 h強(qiáng)烈暴雨降水量達(dá)110.0 mm，選取該天的降雨作為模擬模型的一天降雨強(qiáng)度。Ⅰ剖面的源潭河臨近黃蓋湖，堤外的枯水位為24.50 m，洪水位為27.32 m，堤內(nèi)池塘水位基本維持為23.2 m。根據(jù)以上參數(shù)和模型模擬條件，采用MODFLOW軟件，模擬得到堤防Ⅰ剖面加固前后的洪枯期滲流場(chǎng)如圖3所示。

a.未加固洪水期；b.加固洪水期；c.未加固枯水期；d.加固枯水期

圖3 Ⅰ剖面堤防加固前后地下水流場(chǎng)

Ⅰ剖面的河流水位高于堤內(nèi)地表、地下水位，河流向地下水排泄。由滲流場(chǎng)圖可以看出，堤防加固前堤內(nèi)坡有地下水滲出，尤其是洪水期內(nèi)外水頭差大、堤內(nèi)坡有大片地下水溢出區(qū)；堤防加固后，滲流途徑途徑變長(zhǎng)，內(nèi)堤腳沒(méi)有地下水溢出。這反映了堤防加固的效果。

為對(duì)比堤防加固前后地下水位的影響，分別在堤身中心、堤內(nèi)距堤身30 m、70 m設(shè)置了3個(gè)虛擬觀測(cè)孔YT-1、YT-2、YT-3，從流場(chǎng)圖中讀取這3個(gè)虛擬觀測(cè)孔地表高程、地下水位埋深見表2。

由表2可以看出，加固前后，三個(gè)觀測(cè)孔的水位略有波動(dòng)，且洪水期水位變化大于枯水期；最大變化值為位于堤身中心的YT-1號(hào)觀測(cè)孔，洪水期加固后的水位較加固前高0.282 m，枯水期加固后的水位較加固前高0.074 m；而距堤身30 m的YT-2號(hào)觀測(cè)孔，洪水期加固后的水位較加固前僅高0.037 m，枯水期加固后的水位較加固前僅高0.007 m；YT-3的水位變化加固前后變化更小。

黃蓋湖堤防一般高為2～8 m，本次堤防加固主要是對(duì)堤身進(jìn)行加厚，堤身在加固前的滲透系數(shù)為10-4～10-5cm/s，也起到一定的擋水作用，所以分析判斷堤防加固對(duì)地下水滲流場(chǎng)的影響會(huì)比較小，不會(huì)引發(fā)明顯的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。

表2 Ⅰ剖面堤防加固前后水位變化 m

注：埋深為負(fù)值時(shí)，是因上部有地表魚塘水，故地下水頭比池塘的地形高程高。

4 結(jié)語(yǔ)

黃蓋湖流域總體地勢(shì)南高北低，出露地層以第四系為主。區(qū)內(nèi)地下水以松散層孔隙水和基巖裂隙水為主。經(jīng)水質(zhì)分析，流域內(nèi)地表水污染嚴(yán)重，主要有居民生活污染源、農(nóng)業(yè)面污染源及水產(chǎn)養(yǎng)殖污染源；淺層地下水同樣受到污染，表現(xiàn)為Fe，Mn和硝酸鹽超標(biāo)。為提高堤壩的防洪能力，對(duì)堤防進(jìn)行了綜合治理，數(shù)值模擬結(jié)果表明，該工程不會(huì)影響與地下水有關(guān)的環(huán)境問(wèn)題。治理工程涉及用量較少的化學(xué)物，但其可溶性較差，只要控制用料的質(zhì)量和用量，對(duì)水質(zhì)的影響會(huì)很輕微。