戴長(zhǎng)雷,李治軍,高淑琴

(1.黑龍江大學(xué) a.水利電力學(xué)院;b.寒區(qū)地下水研究所,哈爾濱 150080;2.太原科技大學(xué) 環(huán)境與安全學(xué)院,太原030024)

1 問(wèn)題的提出

由于水庫(kù)浸沒(méi)引起的多種環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害往往會(huì)給生態(tài)環(huán)境以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)都帶來(lái)嚴(yán)重的危害,因此浸沒(méi)問(wèn)題引起了人們重視。關(guān)于水庫(kù)浸沒(méi)的研究多以實(shí)例浸沒(méi)問(wèn)題的評(píng)價(jià)與治理為主,較早的研究體現(xiàn)于1955～1958年間對(duì)官?gòu)d水庫(kù)浸沒(méi)引起的一系列環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題的分析、評(píng)價(jià),闡述了浸沒(méi)的形成及特性以及相應(yīng)水文地質(zhì)勘察的具體操作[1-5]。上世紀(jì)80年代及90年代初以黃河三門峽水庫(kù)[6]、河南人和水庫(kù)[7]、雙陽(yáng)河水庫(kù)[8]及官?gòu)d水庫(kù)[9]為例,主要介紹了水庫(kù)浸沒(méi)的預(yù)測(cè)與工程治理措施。90年代中期至2000年間出現(xiàn)了歸納、總結(jié)水庫(kù)浸沒(méi)條件、預(yù)測(cè)及計(jì)算方法的討論[10],2000年后利用數(shù)值模擬及模擬軟件的方法分析、評(píng)價(jià)水庫(kù)浸沒(méi)問(wèn)題以及對(duì)浸沒(méi)機(jī)理進(jìn)行討論成為主流[11-14],對(duì)巖溶區(qū)水庫(kù)特殊浸沒(méi)問(wèn)題的特征、機(jī)理也進(jìn)行了相應(yīng)研究[15-16]。

松花江大頂子山航電樞紐工程是以航運(yùn)、發(fā)電為主的多功能水利樞紐,壩址位于松花江干流呼蘭河匯合口下游46 km處,庫(kù)區(qū)北岸為哈爾濱市呼蘭區(qū),南岸為哈爾濱市道外區(qū)以及賓縣。自2007年春蓄水以來(lái),水庫(kù)正常蓄水位116 m,比枯水期水位高出許多[17]。由于地表水與兩岸地下水具有密切的水力聯(lián)系,加上臨江低階地區(qū)地勢(shì)低、含水層透水性好的特點(diǎn),使得由江水位升高引起的南、北兩岸地下水位壅高以及隨之而來(lái)的庫(kù)區(qū)浸沒(méi)現(xiàn)象備受關(guān)注。

2 分析目標(biāo)

在梳理已有資料和野外調(diào)查資料的基礎(chǔ)上,查明研究區(qū)內(nèi)的地形地貌與水文地質(zhì)條件,重點(diǎn)是地下水的類型、埋藏條件和含水層特征及參數(shù)等[18-19]。以水位統(tǒng)測(cè)與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查為數(shù)據(jù)基礎(chǔ),對(duì)研究區(qū)地下水動(dòng)態(tài)情況與循環(huán)條件進(jìn)行分析,同時(shí)繪制等埋深圖與浸沒(méi)態(tài)勢(shì)圖以評(píng)價(jià)浸沒(méi)態(tài)勢(shì)?；谘芯繀^(qū)浸沒(méi)現(xiàn)狀,分析水文地質(zhì)條件及地下水循環(huán)條件對(duì)浸沒(méi)的控制影響程度。

3 資料與方法

3.1 研究資料

研究區(qū)分為江南與江北[20]兩部分 (如圖1),本文采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括鉆孔數(shù)據(jù)[20-21]、地下水動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)、水位數(shù)據(jù)以及研究區(qū)基本概況信息,主要資料見表1。

圖1 研究區(qū)位置范圍示意圖Fig.1 Location and range of the researching area

3.2 研究方法

地下水浸沒(méi)影響態(tài)勢(shì)分析的思路主要包括:

1)水文地質(zhì)條件分析。水文地質(zhì)條件分析應(yīng)基于現(xiàn)有鉆孔資料,分析目標(biāo)含水層巖性特征、埋藏深度、分布范圍;結(jié)合相關(guān)工程勘察報(bào)告或野外試驗(yàn)獲得水文地質(zhì)參數(shù),主要指含水層的滲透系數(shù)、水力梯度等;結(jié)合鉆孔資料、地形圖以及江水位數(shù)據(jù)具體分析含水層邊界環(huán)境特征[22]。

2)地下水動(dòng)態(tài)與循環(huán)條件分析。地下水動(dòng)態(tài)分析應(yīng)廣泛采集研究區(qū)內(nèi)外現(xiàn)有鉆孔水位數(shù)據(jù)并適當(dāng)進(jìn)行實(shí)地補(bǔ)測(cè),繪制流場(chǎng)并得出研究區(qū)各處地表水與地下水的補(bǔ)排關(guān)系;地下水循環(huán)條件應(yīng)結(jié)合研究區(qū)水文、水文地質(zhì)條件,分析研究區(qū)地下水補(bǔ)給項(xiàng)、排泄項(xiàng),通過(guò)地下水動(dòng)力學(xué)等相關(guān)理論,進(jìn)行地下水循環(huán)條件分析,其結(jié)果應(yīng)與地下水動(dòng)態(tài)分析結(jié)果進(jìn)行比較。

3)地下水浸沒(méi)態(tài)勢(shì)分析。地下水浸沒(méi)態(tài)勢(shì)分析首先應(yīng)繪制地下水等埋深圖,然后參考相關(guān)資料,確定研究區(qū)適合的地下水浸沒(méi)影響評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。最后根據(jù)浸沒(méi)影響評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)繪制浸沒(méi)態(tài)勢(shì)圖,確定嚴(yán)重影響區(qū)、過(guò)渡區(qū)與無(wú)影響區(qū)。根據(jù)地下水埋深資料和地表高程資料,分析現(xiàn)狀條件下地下水浸沒(méi)影響程度。

4)綜合分析。在現(xiàn)有水文地質(zhì)分析、地下水動(dòng)態(tài)與循環(huán)分析以及浸沒(méi)態(tài)勢(shì)分析的基礎(chǔ)上,應(yīng)切換研究區(qū)實(shí)際情況,對(duì)研究區(qū)浸沒(méi)原因、影響因素進(jìn)行綜合分析,嘗試探討治理建議。

表1 大頂子山工程地下水浸沒(méi)影響態(tài)勢(shì)分析資料Table 1 Basic data of groundwater immersion situation analysis causing by Dadingzishan Navigation Hydropower Project

4 分析結(jié)果

研究區(qū)位于大頂子山航電樞紐工程上游松花江干流兩岸,沿松花江呈條帶狀分布的低、高漫灘上,臨江一側(cè)以江堤為界,遠(yuǎn)江一側(cè)以漫灘和階地相交處的120 m等高線為界。江南部分主要包含哈爾濱市道外區(qū)東風(fēng)鎮(zhèn)、民主鄉(xiāng)、巨源鄉(xiāng)所處的新仁灌區(qū),總面積117.65 km2,地面高程116～121 m。江北部分主要包括哈爾濱市呼蘭區(qū)腰堡鄉(xiāng)所處的腰堡灌區(qū),總面積58.48 km2,地面高程117～122 m。

4.1 含水系統(tǒng)特征

水文地質(zhì)體結(jié)構(gòu)是根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)條件,結(jié)合鉆孔資料概化出來(lái)的含水系統(tǒng)特征因素的標(biāo)識(shí)。據(jù)鉆孔資料顯示,含水層厚31～37 m,表層為黏性亞黏土和黑黏土,厚度約1 m;下層為細(xì)砂,厚度8～12 m;第三層為粗砂層,厚度為22～24 m;底層為不透水泥巖。

4.2 地下水位動(dòng)態(tài)及循環(huán)

4.2.1 地下水動(dòng)態(tài)

據(jù)2010年8月下旬與9月上旬地下水統(tǒng)測(cè)水位數(shù)據(jù),研究區(qū)江南部分大部分地區(qū)地面高程在116～121 m,地下水水位為114～117 m;研究區(qū)江北部分大部分地區(qū)地面高程為117～122 m,地下水水位一般為114～117 m。統(tǒng)測(cè)期內(nèi)地下水位總體呈下降趨勢(shì),變幅為0.1～0.5 m,與江水位變化趨勢(shì)相同。

4.2.2 地下水循環(huán)

地下水循環(huán)的宏觀表現(xiàn)在于補(bǔ)給、排泄的動(dòng)態(tài)平衡[23]。一般情況下補(bǔ)給項(xiàng)主要有5個(gè)來(lái)源:①降水入滲;②地表水補(bǔ)給地下水;③含水層側(cè)向徑流補(bǔ)給;④深層含水層頂托補(bǔ)給淺層含水層;⑤農(nóng)田灌溉(魚塘)回滲量。排泄項(xiàng)也主要包括5個(gè):①(水面、陸面、植被)蒸散發(fā);②人工開采地下水;③含水層側(cè)向徑流排泄;④淺層含水層越流補(bǔ)給深層含水層;⑤地下水補(bǔ)給地表水。

分析研究區(qū)具體情況可知,補(bǔ)給項(xiàng)有:降水入滲、松花江水補(bǔ)給地下水、臺(tái)地側(cè)向補(bǔ)給地下水、農(nóng)田灌溉回滲及魚塘回滲;其排泄項(xiàng)有:蒸散發(fā)、人工開采。研究區(qū)地下水循環(huán)過(guò)程可概括為:在豐水季節(jié)(本文統(tǒng)測(cè)數(shù)據(jù)為8月下旬及9月上旬),江水位與高處階地水位因降水豐沛而抬升,持續(xù)補(bǔ)給中部低洼地區(qū),而由于溫度與光照強(qiáng)度較高以及潛水位抬升,在研究區(qū)內(nèi)水面、陸面、植被上蒸散發(fā)量非常可觀,同時(shí)人工開采量(除去稻田、魚塘的回滲量)對(duì)于地下水排泄貢獻(xiàn)較大,在部分下游地區(qū)似也存在地下水向江水泄流的情況。

4.3 地下水浸沒(méi)態(tài)勢(shì)

根據(jù)研究區(qū)統(tǒng)測(cè)地下水位,繪制不同條件下的等水位線圖,以及水庫(kù)壅水浸沒(méi)發(fā)生的地下水臨界深度,從而確定浸沒(méi)范圍。據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),研究區(qū)內(nèi)地下水位埋藏淺,其中江南部分埋深多為1～3 m;江北部分埋深多為1～4 m。同時(shí),在統(tǒng)測(cè)期間由于無(wú)降水出現(xiàn),地下水位及埋深變幅很小 (圖2、圖3)。

根據(jù)研究區(qū)表層土的巖性及分布特征,按地下水位埋深的差異,對(duì)研究區(qū)進(jìn)行分區(qū),可分為可能浸沒(méi)區(qū)、過(guò)渡區(qū)、不發(fā)生浸沒(méi)區(qū)。江南、江北浸沒(méi)分區(qū)結(jié)果詳見圖4、圖5。

由浸沒(méi)分區(qū)結(jié)果可見:研究區(qū)江南部分,可能浸沒(méi)區(qū)面積約為20%,呈小塊狀分布于研究區(qū)西南、中部及東北近江地區(qū)過(guò)渡區(qū);過(guò)渡區(qū)約占47%,呈條塊狀集中于研究區(qū)的中部;不浸沒(méi)區(qū)約占33%,主要沿南側(cè)及東側(cè)高地成條狀分布。江北部分可能浸沒(méi)區(qū)面積約為27%,分布于研究區(qū)南部偏東近江一帶;過(guò)渡區(qū)約占33%,呈散射狀分布于可能浸沒(méi)區(qū)外圍,位于研究區(qū)中部;不浸沒(méi)區(qū)約占40%,呈3個(gè)條塊分別位于研究區(qū)西、北及東北部地區(qū)的高地上。

5 結(jié)論與討論

5.1 水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件對(duì)浸沒(méi)的影響

一般情況下,浸沒(méi)現(xiàn)象的產(chǎn)生是地形地貌、水文地質(zhì)、人類活動(dòng)等多重因素綜合作用的結(jié)果,可能誘發(fā)浸沒(méi)的條件歸納如下:

1)庫(kù)區(qū)上游漫灘或階地區(qū)的洼地、低谷等地區(qū)一般受庫(kù)水位抬升影響較大,特別是地面高程低于或接近正常蓄水位的地段易產(chǎn)生浸沒(méi);

2)含水層是透水性較好的巖土,如均質(zhì)砂、礫石等,由于地表水與地下水交換頻繁、暢通,通常會(huì)誘發(fā)浸沒(méi)產(chǎn)生;

3)在地下水埋深較淺的地區(qū),由于地表水和地下水可能排泄不暢,或者補(bǔ)給量大于排泄量的庫(kù)岸地帶也易產(chǎn)生浸沒(méi);

4)水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行不當(dāng),超過(guò)正常高水位運(yùn)行可能造成庫(kù)岸周圍泉水出露點(diǎn)上升。另外排水溝深度未考慮排泄水庫(kù)滲水和山區(qū)滲水,也是產(chǎn)生浸沒(méi)的原因。

研究區(qū)處于臨江低階地區(qū),地面高程略高于江水位;研究區(qū)地形狹長(zhǎng),透水性良好的含水層一側(cè)被河道切穿,與江水水力聯(lián)系十分密切,另一側(cè)與高階地直接相連,由高階側(cè)向徑流流入研究區(qū)的水量較多;同時(shí),區(qū)內(nèi)地下水埋深普遍較淺。由此可見,由大頂子山水庫(kù)蓄水造成的水位抬升對(duì)研究區(qū)地下水位影響劇烈,研究區(qū)易產(chǎn)生浸沒(méi)現(xiàn)象。

5.2 地下水循環(huán)條件對(duì)浸沒(méi)的影響

防治、治理浸沒(méi)應(yīng)從控制水循環(huán)條件即調(diào)控補(bǔ)給項(xiàng)與排泄項(xiàng)之間的關(guān)系入手。研究區(qū)內(nèi)以潛水蒸發(fā)、人工開采、向江泄水為主要消耗方式,以降水入滲、河流及側(cè)向補(bǔ)給為主要補(bǔ)給來(lái)源。其中含水層側(cè)向徑流量無(wú)顯著改變的情況下,一旦江水位抬高,一方面江水向研究區(qū)流入量增加,另一方面研究區(qū)向江的泄水受阻,只能設(shè)法增加蒸發(fā)量、加大人工開采的力度才能構(gòu)建新的地下水循環(huán)和動(dòng)態(tài)平衡,以避免或降低浸沒(méi)危害。

5.3 浸沒(méi)態(tài)勢(shì)

由上述分析可知,研究區(qū)接近1/3面積為可能浸沒(méi)區(qū),又有接近1/3面積為過(guò)渡區(qū),因此有必要采用適當(dāng)措施治理浸沒(méi),防治措施從如下3種思路著手:①增加地下水蒸發(fā)量;②加大人工開采/排水力度;③減少地表水向含水層地下水流入。對(duì)于浸沒(méi)治理應(yīng)綜合多種治理措施,擇優(yōu)配合。

1)增加蒸發(fā)量:種植蒸散發(fā)能力強(qiáng)的作物,如水稻、豆類或喜水性植物 (柳樹、楊樹、水杉等);或鼓勵(lì)魚塘建設(shè),開發(fā)濕地旅游等;

2)加大人工開采/排水力度:修建地下排水井、排水溝是常用的水庫(kù)壅水浸沒(méi)治理措施,在低洼地區(qū)或高程驟減地區(qū)也可結(jié)合地表水排水系統(tǒng),或修建排水溝渠;

3)減少地表水向含水層地下水流入:沿河堤修建防滲墻,對(duì)路基底部墊砂隔絕地下水的毛細(xì)上升、對(duì)建筑物地基加強(qiáng)防水處理等。

5.4 浸沒(méi)治理思路

大頂子山樞紐蓄水后,由于松花江水位抬升,不可避免地會(huì)在上游臨江地勢(shì)較低的地區(qū)形成浸沒(méi)影響區(qū)。對(duì)于這一問(wèn)題,除了防治以外,借助研究區(qū)毗鄰哈爾濱城區(qū)的地理?xiàng)l件,設(shè)法因勢(shì)構(gòu)建濱江濕地生態(tài)旅游區(qū),也應(yīng)成為值得探討的研究浸沒(méi)治理對(duì)策之一。

5.5 進(jìn)一步研究的建議

地下水浸沒(méi)分析的關(guān)鍵在于地下水動(dòng)態(tài)與均衡,因此,應(yīng)在地下水動(dòng)態(tài)實(shí)測(cè)、提高研究精度、優(yōu)化研究方法三方面著手改進(jìn)。據(jù)之,建議如下:

1)充分利用現(xiàn)有鉆孔數(shù)據(jù),適當(dāng)延長(zhǎng)、加密、拓展補(bǔ)充地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),以補(bǔ)充、精確分析計(jì)算的資料依據(jù)。

2)補(bǔ)充相關(guān)室內(nèi)外試驗(yàn),以確定含水層滲透、降水入滲、灌溉回滲、泡塘滲流、潛水蒸發(fā)等相關(guān)參數(shù);同時(shí)也應(yīng)補(bǔ)充開展用水定額、研究區(qū)用水狀況等信息的調(diào)查核實(shí)工作。

3)在資料適用的前提下浸沒(méi)評(píng)價(jià)的方法應(yīng)改用能夠精確計(jì)算的研究方法。

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