劉亞南，周志芳， 楊 蘊(yùn)， 李明遠(yuǎn)

(河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 210098)

水庫(kù)浸沒(méi)是由于水庫(kù)蓄水或其他人類(lèi)工程活動(dòng)，導(dǎo)致地下水水位上升，引起環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害的一種現(xiàn)象[1]。水庫(kù)浸沒(méi)研究通常采用解析法或數(shù)值模擬法對(duì)研究區(qū)地下水滲流進(jìn)行計(jì)算分析[2]，進(jìn)而預(yù)測(cè)研究區(qū)浸沒(méi)范圍、浸沒(méi)程度和控制浸沒(méi)的效果。19世紀(jì)60年代到20世紀(jì)末，解析法是定量模擬計(jì)算地下水滲流問(wèn)題最有效的方法[3]，但由于解析法大多基于簡(jiǎn)化邊界條件下的地下水穩(wěn)定流問(wèn)題，不能精確刻畫(huà)復(fù)雜水文地質(zhì)條件下的地下水滲流場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化。自20世紀(jì)末期以來(lái)，得到飛速發(fā)展的數(shù)值模擬法克服了解析法計(jì)算的局限性[4]，已廣泛應(yīng)用于計(jì)算、分析、評(píng)價(jià)地下水滲流場(chǎng)問(wèn)題以及滲流機(jī)理研究，也是水庫(kù)浸沒(méi)研究最有效的方法，成熟的商業(yè)軟件為地下水滲流場(chǎng)的精確計(jì)算模擬提供了重要的方法和研究基礎(chǔ)。Gleeson等[5]采用數(shù)值方法模擬了山區(qū)地下水滲流場(chǎng)；Doble等[6]建立地下水非穩(wěn)定模型研究了洪水對(duì)漫灘淺層地下水滲流的影響；Scibek[7]采用數(shù)值模擬法量化氣候?qū)Φ叵滤疂B流的影響；駱祖江等[8]采用數(shù)值模型預(yù)測(cè)了水庫(kù)蓄水后的不同防滲方案對(duì)水庫(kù)滲漏量影響。

水庫(kù)浸沒(méi)控制一般通過(guò)工程措施實(shí)現(xiàn)，工程控制措施主要有防滲墻和減壓井[9]，許多學(xué)者對(duì)其控制效果進(jìn)行了深入研究。王曉燕等[10]通過(guò)對(duì)比不同懸掛式防滲墻深度下圍堰下游出溢處的滲流坡降，找到最優(yōu)防滲方案；冶雪艷等[11]研究了不同防滲墻長(zhǎng)度對(duì)庫(kù)區(qū)地下水滲流的影響，確定最優(yōu)滲控方案；呂路等[12]通過(guò)數(shù)值模擬，研究不同防滲墻深度對(duì)人工湖周?chē)鷾\層地下水滲流的影響，選取最優(yōu)防滲方案；駱祖江等[13]深入研究了設(shè)置到潛水含水層且不同長(zhǎng)度的防滲墻對(duì)庫(kù)區(qū)左岸浸沒(méi)的影響；曹洪等[14]分析了減壓井間距和出水口高程不同對(duì)庫(kù)區(qū)地下水滲流場(chǎng)的影響，選取最優(yōu)防滲方案。

目前，已有許多學(xué)者對(duì)水庫(kù)浸沒(méi)及其控制措施進(jìn)行了深入研究，但類(lèi)似江心洲浸沒(méi)問(wèn)題的研究卻很少。本文以新干航電樞紐工程江心洲為例，采用數(shù)值模擬的方法結(jié)合垂直防滲墻和減壓井優(yōu)化控制浸沒(méi)問(wèn)題，考慮到多年平均水文條件，按堤外抬田防滲和堤內(nèi)多種浸沒(méi)控制措施(防滲墻與減壓井聯(lián)合布設(shè)工況方案)進(jìn)行江心洲浸沒(méi)模擬預(yù)測(cè)與控制。

1 工程區(qū)概況

江西贛江新干航電樞紐工程位于江西省吉安市新干縣域內(nèi)的贛江中游末段，正常蓄水位為32.5 m，回水長(zhǎng)度56 km，總庫(kù)容5億m3，集水面積64 776 km2，壩址處多年平均徑流量為533億m3，多年平均流量為1 690 m3/s，主要建筑級(jí)別為3級(jí)，次要建筑物為4級(jí)，是以航運(yùn)為主、兼顧發(fā)電等綜合效益的二等工程。江心洲位于壩址上游8.6 km處，天然條件下江心洲地下水埋深較淺，庫(kù)區(qū)蓄水后，邊界條件發(fā)生改變，地下水位相應(yīng)抬高至接近地表，可能發(fā)生浸沒(méi)問(wèn)題，影響洲上居民生活和生態(tài)休閑旅游區(qū)的建設(shè)，因此江心洲浸沒(méi)評(píng)價(jià)和防治方案的研究具有十分重要的意義。

研究區(qū)總面積5.05 km2，其中陸地占31.57%，河道占比68.43%。江心洲地勢(shì)平坦低洼，高程在31.54～36.10 m，南部高程高，北部較低，如圖1(a)所示。江心洲上建有莒洲島防護(hù)堤，如圖1(b)，堤腳后18 m處有居民建筑物。研究區(qū)地層上覆第四系全新統(tǒng)(Q4)松散沉積物，下伏第三系新余群上段(Exn2)紅層，人工堆積層(Q4s)和河流沖積層(Q4al)構(gòu)成江心洲第四系全新統(tǒng)地層，如圖1(c)所示。第四系全新統(tǒng)地層在莒洲島大橋以北為典型二元結(jié)構(gòu)，上層為壤土和粉質(zhì)黏土，厚約4.5 m，并在莒洲島大橋處尖滅，下層上部是厚約2.6 m的細(xì)砂層，下接6～10 m厚的砂卵礫石層；在莒洲島大橋以南為一元結(jié)構(gòu)，直接出露厚度均勻的細(xì)砂層，厚約5 m，下接6～10 m厚的砂卵礫石；圍繞江心洲的U型河谷直接切穿到砂卵礫石層。

江心洲地下水主要為第四系松散沉積物孔隙水，接受大氣降水補(bǔ)給。贛江是區(qū)內(nèi)最大地表水體，自南向北流經(jīng)研究區(qū)，天然條件下，枯水期地下水位略高于贛江水位，地下水補(bǔ)給贛江，豐水期贛江水位略高于地下水位，贛江補(bǔ)給地下水。地下水部分以蒸發(fā)、植被蒸騰以及村鎮(zhèn)居民以散點(diǎn)井形式分散開(kāi)采的方式消耗。

2 研究區(qū)數(shù)值模型

2.1 研究區(qū)水文地質(zhì)概念模型

研究區(qū)以贛江江水位為界，形成了一個(gè)具有統(tǒng)一滲流場(chǎng)的完整水文地質(zhì)單元。模型中壤土層、粉質(zhì)黏土層和莒洲島大橋以南的砂層為潛水含水層，莒洲島大橋以北的砂層和研究區(qū)砂卵礫石層為承壓含水層，基巖巖性完整且導(dǎo)水性差為相對(duì)隔水層。圍繞江心洲的贛江為第一類(lèi)邊界，莒洲島大橋以南地下水自由面邊界主要埋藏在砂層中，莒洲島大橋以北地下水自由面邊界埋藏在壤土及粉質(zhì)黏土層中，松散沉積物下部的基巖面為研究區(qū)底部隔水邊界。庫(kù)區(qū)蓄水后，由于通航需求，庫(kù)水位需長(zhǎng)期保持在32.5 m，相應(yīng)研究區(qū)的地下水位隨著庫(kù)水位的抬升也將發(fā)生持續(xù)抬升，水庫(kù)達(dá)到正常蓄水高程后，莒洲島大橋以北粉質(zhì)黏土層將變?yōu)槌袎汉畬印?/p>

2.2 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)上述水文地質(zhì)概念模型，得出研究區(qū)為非均質(zhì)介質(zhì)中地下水流系統(tǒng)三維非穩(wěn)定數(shù)學(xué)模型：

(1)

式中：Ω為滲流區(qū)域；K為滲透系數(shù)(m/d)；H為水位(m)；μS為貯水率(1/m)；μ為飽和差或給水度；W為單位時(shí)間從單位體積含水層流入或流出的水量(1/d)；ε為單位時(shí)間在垂向上從單位面積含水層自由面流入或流出的水量(m/d)；H0為初始水位(m)；H1為第一類(lèi)邊界水位(m)；n為隔水邊界的法線方向；x，y，z為空間位置；Γ1為第一類(lèi)邊界；Γ2為第二類(lèi)邊界(隔水邊界)；Γ3為自由面邊界。

2.3 模型識(shí)別與驗(yàn)證

模型平面上共剖分為74 792個(gè)單元，最小三角形邊長(zhǎng)1.37 m，如圖2(a)所示。根據(jù)新干水文站監(jiān)測(cè)水位，按左、右河道水力坡度0.21‰和0.28‰，插值得到贛江天然水位。根據(jù)地形地貌、地層巖性，將整個(gè)模型分為15個(gè)參數(shù)區(qū)，如圖2(b)，其中砂卵礫石及粉質(zhì)黏土滲透系數(shù)、砂卵礫石貯水率初始值由野外現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)和振蕩試驗(yàn)得到，其余相關(guān)參數(shù)初始值由相關(guān)規(guī)范獲得[15]，設(shè)置的地下水凈補(bǔ)給系數(shù)為地下水凈補(bǔ)給量與降水量的比值，其中地下水凈補(bǔ)給量參考文獻(xiàn)[16]，降水量在吉安市水文信息服務(wù)系統(tǒng)上獲取。

選擇初次實(shí)測(cè)水位時(shí)間作為模型識(shí)別率定時(shí)間，在給定模型邊界條件及地下水凈補(bǔ)給量的基礎(chǔ)上，反復(fù)調(diào)試水文地質(zhì)參數(shù)，最終鉆孔水位計(jì)算值與實(shí)測(cè)值擬合結(jié)果較好。模型識(shí)別后的地下水滲流場(chǎng)可作為模型驗(yàn)證的初始條件，在賦予模型2017年1—6月份的邊界條件和地下水凈補(bǔ)給量下，進(jìn)行模型非穩(wěn)定流計(jì)算，時(shí)間步長(zhǎng)5 d，采用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)水位對(duì)模型進(jìn)行校正。在模型識(shí)別基礎(chǔ)上，微調(diào)水文地質(zhì)參數(shù)，使得計(jì)算值與實(shí)測(cè)值能較好擬合。擬合結(jié)果如圖3所示，各期監(jiān)測(cè)井計(jì)算值有86.77%在0.5 m置信區(qū)間內(nèi)，平均誤差為0.11 m。模型擬合結(jié)果表明，模型能夠良好地展現(xiàn)天然地下水形態(tài)，可以用來(lái)進(jìn)行江心洲浸沒(méi)和控制方案的預(yù)測(cè)，此時(shí)各地層的水文地質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖3 各監(jiān)測(cè)井承壓水位埋深計(jì)算值與實(shí)測(cè)值擬合Fig.3 Fitting of calculated and measured confined water levels below surface in observation wells

表1 研究區(qū)各地層水文地質(zhì)參數(shù)Tab.1 Hydrogeological parameters of various layers in study area

3 江心洲浸沒(méi)預(yù)測(cè)與控制

江心洲部分表層土為二元結(jié)構(gòu)上部的細(xì)顆粒的壤土及粉質(zhì)黏土，部分表層土為一元結(jié)構(gòu)的細(xì)砂，用地下水位臨界埋深來(lái)判定浸沒(méi)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，不能忽略土壤毛細(xì)管水上升高度。由于江心洲堤內(nèi)區(qū)域建有民舍，堤內(nèi)外浸沒(méi)標(biāo)準(zhǔn)不同。地下水位埋深小于0.6 m時(shí)，不宜農(nóng)田農(nóng)作，堤內(nèi)外均為嚴(yán)重浸沒(méi)；地下水位埋深0.6～2.1 m，土地可耕作、不宜建造民舍，堤內(nèi)劃分為中度浸沒(méi)，堤外為輕度浸沒(méi)；地下水位埋深2.1～2.6 m，民舍地基穩(wěn)定性差，堤內(nèi)劃分為輕度浸沒(méi)區(qū)，堤外未浸沒(méi)；地下水位埋深大于等于2.6 m，堤內(nèi)及堤外均未發(fā)生浸沒(méi)。

江心洲浸沒(méi)控制主要考慮抬田(抬田區(qū)為堤外，如圖1(b)，高程為34.6 m)、防滲墻、減壓井3種措施，具體工況為無(wú)防滲，堤外抬田，堤外抬田及堤內(nèi)防滲墻不同長(zhǎng)度、深度，堤外抬田及堤內(nèi)減壓井井徑、井列線[17]位于堤腳后不同距離，堤外抬田及堤內(nèi)減壓井及不同長(zhǎng)度防滲墻共14種工況，具體工況安排見(jiàn)表2，其中防滲墻為垂直截滲墻，滲透系數(shù)為6.68×10-5m/d，并建立在莒州島防護(hù)堤上；減壓井均為深入承壓含水層底部的完整井，莒州島大橋以南減壓井井間距為29 m，莒州島大橋以北井間距為13 m。各工況以2018-01-01為初始時(shí)刻進(jìn)行10年預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 防滲措施布設(shè)情況Tab.2 Arrangements of anti-immersion measures in study area

表3 各工況下江心洲浸沒(méi)面積統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistics of immersed area in mid-channel bar under different conditions

圖4 工況1浸沒(méi)范圍和程度Fig.4 Immersion range and degree of study area under condition 1

工況1，庫(kù)區(qū)蓄水后，江心洲發(fā)生頂托型浸沒(méi)，當(dāng)?shù)叵滤唤咏€(wěn)定時(shí)，發(fā)生浸沒(méi)范圍及程度較大(見(jiàn)圖4)。

工況2與工況1對(duì)比，堤外抬田會(huì)對(duì)江心洲浸沒(méi)情況產(chǎn)生影響，可控制抬田區(qū)域的浸沒(méi)程度及范圍。抬田后，堤內(nèi)嚴(yán)重浸沒(méi)面積變小(見(jiàn)表3)，這是因?yàn)榈掏獍l(fā)生滲漏的區(qū)域經(jīng)抬田后，水流運(yùn)動(dòng)到堤內(nèi)區(qū)域時(shí)能量損失變大，因此嚴(yán)重浸沒(méi)面積變小。根據(jù)工程要求，后續(xù)浸沒(méi)控制措施均需要配合堤外抬田進(jìn)行布設(shè)，故工況3～14中均加入抬田措施。

工況3，4和5，達(dá)到地下水位穩(wěn)定時(shí)需要的時(shí)間分別是2個(gè)月、10個(gè)月和25個(gè)月，表明貫穿至砂卵礫石層底部的防滲墻的增長(zhǎng)可延長(zhǎng)地下水位穩(wěn)定時(shí)間，但最終工況3，4和5浸沒(méi)面積及程度與工況2相同，故防滲墻僅起到延緩浸沒(méi)發(fā)生的作用，無(wú)法控制最終浸沒(méi)情況。而工況6下地下水穩(wěn)定所需時(shí)間與工況2相同，均為1個(gè)月，浸沒(méi)情況也相同，故貫穿至砂卵礫石層頂板的防滲墻既不能延緩浸沒(méi)發(fā)生，亦不能控制浸沒(méi)情況。

對(duì)比工況7和8，結(jié)果顯示，井列線位于防護(hù)堤和居民建筑物之間時(shí)，井列線離防護(hù)堤越遠(yuǎn)，堤內(nèi)浸沒(méi)控制效果越好(表3)；井列線離防護(hù)堤越遠(yuǎn)，減壓井總流量越小，減壓井總流量分別為102 257和80 270 m3/d，其中單井流量分別為403 和325 m3/d。

對(duì)比工況8，10和9發(fā)現(xiàn)，當(dāng)井徑由0.6 m變?yōu)?.4和0.2 m時(shí)，對(duì)應(yīng)的單井流量為325，295和263 m3/d，相應(yīng)浸沒(méi)范圍為62 590，143 140和370 180 m2，故隨井徑變小，流量也會(huì)隨之降低，浸沒(méi)范圍也會(huì)逐漸減小。

對(duì)比工況8，11，12和13可知，隨著防滲墻添加并由1 736 m到3 592和4 336 m時(shí)，相應(yīng)工況總流量分別為80 270，42 878 ，11 621和1 418 m3/d，相應(yīng)浸沒(méi)范圍分別為62 590，53 440，49 630和43 990 m2；故減壓井與防滲墻聯(lián)合布設(shè)情況下，當(dāng)防滲墻添加且加長(zhǎng)時(shí)，減壓井總排水量會(huì)隨之減小，但浸沒(méi)范圍變化不大。故考慮到工況13和14中防滲墻布設(shè)會(huì)大范圍截?cái)嗟毯蟮叵滤c地表水的水力聯(lián)系，對(duì)堤后居民的正常生產(chǎn)生活造成影響，故在有效控制浸沒(méi)范圍的前提下，選擇工況11為宜。

在工況3，4，5，6，11，12和13中，堤內(nèi)防滲墻處水力坡度最大為28.26，均沒(méi)有超過(guò)工程設(shè)定極限值60，故上述工況均符合工程安全要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)建立地下水三維非穩(wěn)定流數(shù)值模型，對(duì)新干航電樞紐工程庫(kù)區(qū)江心洲進(jìn)行浸沒(méi)預(yù)測(cè)與控制，得到以下結(jié)論：

(1)江心洲地勢(shì)平坦低洼，水庫(kù)蓄水后，在工況1無(wú)浸沒(méi)控制措施情況下，30 d后居民區(qū)發(fā)生浸沒(méi)，堤內(nèi)外浸沒(méi)面積占江心洲陸地面積的90.8%。

(2)堤外進(jìn)行抬田。抬田對(duì)滲漏型浸沒(méi)產(chǎn)生一定影響，對(duì)頂托型浸沒(méi)基本沒(méi)影響，堤內(nèi)主要發(fā)生頂托型浸沒(méi)，局部區(qū)域?yàn)闈B漏型浸沒(méi)。

(3)貫穿至砂卵礫石層底部的防滲墻僅延緩地下水浸沒(méi)的發(fā)生，最終浸沒(méi)情況與未布設(shè)防滲墻情況相同。而貫穿至砂卵礫石層頂板的防滲墻既不能延緩浸沒(méi)的發(fā)生，也不影響最終浸沒(méi)情況。

(4)減壓井是最有效的浸沒(méi)控制措施，且井列線離莒洲島防護(hù)堤越遠(yuǎn)，井徑越大，堤內(nèi)浸沒(méi)效果控制越好。防滲墻與減壓井同時(shí)布設(shè)時(shí)，通過(guò)設(shè)置貫穿至砂卵礫石防滲墻不同長(zhǎng)度方案，對(duì)比發(fā)現(xiàn)在不影響居民用水情況下，最優(yōu)防滲墻長(zhǎng)度為1 736 m(控制點(diǎn)：A→B)，同時(shí)可大大減小減壓井排水量。故聯(lián)合布設(shè)方案，不僅可有效控制研究區(qū)浸沒(méi)情況，且能夠有效控制減壓井排水量，是最優(yōu)布設(shè)方案。