鄭林林

（ 福建省涵禹建設(shè)工程有限公司,福建 莆田 351111）

1 工程概況

某灌區(qū)水庫(kù)工程位于福建省境內(nèi)，水面面積9.4 km2，正常蓄水位403.00 m，設(shè)計(jì)庫(kù)容為3350 萬(wàn)m3。庫(kù)區(qū)的地層巖性比較單一，表層為厚度0.3 m～0.9 m的第四系人工填土，中間層為厚度30 m～45 m的黃土和黃土狀土，底層為厚度3.5 m～10.5 m的粉質(zhì)粘土。研究區(qū)的地下水主要為第四系潛水，其水流方向與地形坡度基本一致。地下水補(bǔ)給主要為降水入滲、水庫(kù)建成后的滲漏、側(cè)向徑流以及承壓水的越流。地下水的排泄方式主要是側(cè)向徑流、承壓含水層的越流以及人為開(kāi)采。水庫(kù)滲漏是水庫(kù)建成運(yùn)行過(guò)程中不可避免的問(wèn)題，主要表現(xiàn)為庫(kù)水沿著巖石的孔隙、裂隙、斷層以及溶洞向溝谷低地和地下水含水層滲漏，而平原地區(qū)的水庫(kù)滲漏問(wèn)題更為突出[1]。水庫(kù)的滲漏不僅會(huì)影響水庫(kù)的效益發(fā)揮，還容易誘發(fā)次生地質(zhì)災(zāi)害和生態(tài)危害[2]。鑒于該灌區(qū)水庫(kù)的庫(kù)盆容易形成透水性較強(qiáng)的滲漏通道[3]，在工程設(shè)計(jì)和建設(shè)中對(duì)水庫(kù)的滲漏問(wèn)題進(jìn)行研究具有重要的工程價(jià)值和必要性。

2 基于MODFLOW的水庫(kù)滲漏預(yù)測(cè)模型

2.1 模擬范圍

根據(jù)該灌區(qū)水庫(kù)周邊的地形地貌特點(diǎn)以及地下水的流動(dòng)特征，確定以庫(kù)盆為中心，東西寬10500 m，南北長(zhǎng)7800 m的模擬區(qū)域，南至西漢高速一線，北至魚斗路一帶，西至灃河，東至太平河，總面積約56.3 km2。研究區(qū)上至潛水面，下至隔水底板，總厚度約60 m～70 m。

2.2 水力特征及邊界條件

根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段的地質(zhì)勘查資料，模擬區(qū)域?yàn)閱我坏牡谒南禎撍畬樱哂卸S、非均質(zhì)、各向同性、非穩(wěn)定流的地下水水力特征?；诖耍瑢?duì)模型的邊界條件進(jìn)行概化并確定相應(yīng)的邊界條件[4]。其中，上邊界為地下水潛水面，為降雨入滲補(bǔ)給；下邊界為隔水底板，為隔水邊界條件；南部邊界和北部邊界上部存在徑流交換，設(shè)定為二類流量邊界條件；北部邊界下部與流線大致平行，為隔水邊界條件；東部和西部邊界存在徑流交換，設(shè)定為二類流量邊界；庫(kù)區(qū)為弱透水層，設(shè)定為三類混合流量邊界。

2.3 模型的剖分

在MODFLOW軟件中，模型求解采用的是有限差分法[5～6]。因此，首先需要對(duì)構(gòu)建的幾何模型進(jìn)行空間網(wǎng)格剖分。根據(jù)研究對(duì)象的特點(diǎn)以及計(jì)算的實(shí)際需求，研究中采用不等距單元進(jìn)行模型的空間網(wǎng)格剖分，最終獲取85 行、154 列，對(duì)模型邊界部位進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，最終獲得13087 個(gè)計(jì)算單元。在模型的垂直方向，鑒于地層結(jié)構(gòu)比較單一，因此剖分成1層。網(wǎng)格剖分示意圖見(jiàn)圖1。在模型計(jì)算過(guò)程中，設(shè)置長(zhǎng)度為5 a的模擬期，以30 d為一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)，以1 a為一個(gè)應(yīng)力期。

圖1 模型網(wǎng)格剖分示意圖

2.4 模型參數(shù)的率定

根據(jù)項(xiàng)目地質(zhì)調(diào)查資料，研究區(qū)的地下水埋深為7 m～11 m左右。根據(jù)相關(guān)研究成果，當(dāng)?shù)叵滤裆钤? m以上時(shí)，潛水的蒸發(fā)比較微弱，在研究中可以忽略不計(jì)。同時(shí)，受到水庫(kù)建設(shè)的影響，模擬區(qū)內(nèi)的地下水開(kāi)采量將大幅減少。因此，潛水蒸發(fā)、人為開(kāi)采以及灌溉補(bǔ)給對(duì)地下水水位和流場(chǎng)的影響可以忽略不計(jì)?；谏鲜龇治?，研究中需要考慮的水文地質(zhì)參數(shù)為滲透系數(shù)、給水度以及降雨入滲系數(shù)[7～12]。研究中根據(jù)庫(kù)區(qū)的地質(zhì)資料和監(jiān)測(cè)結(jié)果將庫(kù)底滲漏區(qū)分為7 個(gè)不同的子區(qū)域并給出參數(shù)的初始值，分區(qū)的示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 庫(kù)區(qū)滲漏分區(qū)示意圖

在確定模型水文地質(zhì)參數(shù)的基礎(chǔ)上，選取2018 年3 月～2019 年2 月為模型參數(shù)的率定期。模型參數(shù)的率定以研究區(qū)2019 年2 月的地下水流場(chǎng)實(shí)測(cè)值為基礎(chǔ)，采用“試錯(cuò)法”進(jìn)行。最終獲得如表1所示的不同子區(qū)域的水文地質(zhì)參數(shù)率定結(jié)果。

表1 水文地質(zhì)參數(shù)率定結(jié)果

2.5 模擬工況設(shè)計(jì)

根據(jù)工程特點(diǎn)和實(shí)際建設(shè)計(jì)劃，研究中針對(duì)第一階段蓄水、低水位運(yùn)行和高水位運(yùn)行三個(gè)階段，分別設(shè)計(jì)了3 種計(jì)算工況，具體設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 計(jì)算工況設(shè)計(jì)

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 滲漏時(shí)空分布特征

利用構(gòu)建的模型，對(duì)不同情景下的灌區(qū)水庫(kù)對(duì)地下水的滲漏補(bǔ)給量進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。由計(jì)算結(jié)果可知，在三種不同的計(jì)算工況下，該灌區(qū)水庫(kù)的滲漏量均呈現(xiàn)出不斷下降的態(tài)勢(shì)。究其原因，主要是隨著水庫(kù)滲漏，地下水得到相應(yīng)的補(bǔ)給，因此兩者之間的水力梯度以及水位差不斷減小，導(dǎo)致滲漏量的不斷減小。因此，地下水位是造成水庫(kù)滲漏量時(shí)間差異的重要原因。此外，隨著水庫(kù)建設(shè)的進(jìn)行和使用，滲漏量占總庫(kù)容的比例雖然有所增加，但是增加的幅度較小，說(shuō)明水庫(kù)的滲漏損失不會(huì)對(duì)水庫(kù)的水量造成比較顯著的變化[13～15]。

表3 水庫(kù)滲漏量計(jì)算成果

3.2 地下水對(duì)滲漏強(qiáng)度的影響分析

由上節(jié)的分析可知，該灌區(qū)水庫(kù)滲漏強(qiáng)度和滲漏量的主要影響因素是地下水位和庫(kù)水位。為了進(jìn)一步研究庫(kù)水位和地下水位對(duì)庫(kù)區(qū)的滲漏量和滲漏強(qiáng)度的影響，本節(jié)利用基于MODFLOW的滲漏模型展開(kāi)進(jìn)一步研究。

根據(jù)模型的模擬計(jì)算成果，繪制出研究區(qū)內(nèi)的ob1和ob2 兩個(gè)觀測(cè)井水位和水庫(kù)滲漏強(qiáng)度之間的關(guān)系，結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3 可知，兩個(gè)典型觀測(cè)井的私下水位和滲漏量之間具有較好的擬合度，說(shuō)明地下水流場(chǎng)中的上下游數(shù)據(jù)和滲漏強(qiáng)度之間存在比較密切的關(guān)系，也就是水庫(kù)的滲漏強(qiáng)度隨著地下水位的上升而下降。此外，觀測(cè)井ob1 和ob2 的地下水位每上升1 m，水庫(kù)的滲漏強(qiáng)度分別下降3.39 mm/a和3.69 mm/a，說(shuō)明觀測(cè)井ob2 對(duì)水庫(kù)滲漏強(qiáng)度的影響更為明顯。究其原因，主要是觀測(cè)井ob2 距離庫(kù)區(qū)較近，其水位的變化對(duì)庫(kù)區(qū)滲漏的影響更為顯著。

圖3 地下水位與滲漏強(qiáng)度關(guān)系曲線

3.3 庫(kù)水位對(duì)滲漏強(qiáng)度的影響分析

為了進(jìn)一步研究庫(kù)水位與水庫(kù)滲漏強(qiáng)度之間的關(guān)系，利用構(gòu)建的模型對(duì)不同庫(kù)水位條件下的水庫(kù)滲漏強(qiáng)度，根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制出如圖4 所示的庫(kù)水位和水庫(kù)滲漏強(qiáng)度之間的變化曲線。由圖4 可知，水庫(kù)的滲漏量以及滲漏損失占庫(kù)容比和庫(kù)水位之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，具體而言，水庫(kù)的庫(kù)水位每升高1 m，水庫(kù)的滲漏強(qiáng)度大約增加4.34 mm/a，占庫(kù)容比則增加0.85‰。在持續(xù)高水位運(yùn)行情況下，水庫(kù)的年滲漏量約為298485 m3/a，約占總庫(kù)容的8.91‰。由此可見(jiàn)，水庫(kù)水位的升高會(huì)導(dǎo)致滲漏損失的加大，但是水庫(kù)的年滲漏量占總庫(kù)容的比值均在較低水平，對(duì)水庫(kù)的長(zhǎng)期運(yùn)行影響并不大。

圖4 庫(kù)水位與滲漏強(qiáng)度關(guān)系曲線

4 結(jié)論

滲漏評(píng)價(jià)是水庫(kù)設(shè)計(jì)建設(shè)中的重要問(wèn)題。本次研究建立了基于MODFLOW的該灌區(qū)水庫(kù)滲漏模型，研究了滲漏強(qiáng)度的時(shí)空分布特征和地下水位和庫(kù)水位對(duì)滲漏強(qiáng)度的影響，獲得的主要結(jié)論如下：

（1）在不同的計(jì)算工況下，該灌區(qū)水庫(kù)的滲漏量均呈現(xiàn)出不斷下降的態(tài)勢(shì)，地下水位是造成水庫(kù)滲漏量時(shí)間差異的重要原因，但水庫(kù)的滲漏損失不會(huì)對(duì)水庫(kù)的水量造成比較顯著的變化。

（2）水庫(kù)的滲漏強(qiáng)度與地下水位之間存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與庫(kù)水位之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系：水庫(kù)水位的升高會(huì)導(dǎo)致滲漏損失的加大，但對(duì)水庫(kù)的長(zhǎng)期運(yùn)行影響并不大。

（3）建議在庫(kù)盆滲漏比較嚴(yán)重的部位采取必要的防滲漏措施，以提高水庫(kù)水資源的利用效率。