大渡河某平原型水電站工程對地下水影響的數(shù)值模擬分析

羅 敏, 朱劍波, 任 蕊

(四川省地質工程勘察院，成都 610072)

大渡河某平原型水電站工程對地下水影響的數(shù)值模擬分析

羅 敏, 朱劍波, 任 蕊

(四川省地質工程勘察院，成都 610072)

利用數(shù)值模擬方法，預測大渡河某平原型水電站工程建設對地下水的影響，為工程建設提供參考依據(jù)。預測結果，工程建成后，設置的防滲墻阻擋了河水與階地內地下水之間的水力聯(lián)系，使右岸兩個階地形成較為封閉的水文地質單元，枯水期地下水位降幅較大，相對于現(xiàn)狀地下水位已下降的狀態(tài)分別繼續(xù)下降0.43～0.97 m、0.47～1.59 m，豐水期則在局部低洼地帶可能出現(xiàn)內澇；左岸片區(qū)則影響較小。建議妥善解決村民飲用水問題，同時做好地表排水措施。

平原水庫；水電站；數(shù)值模擬；地下水

平原型水電站系指在河谷平壩區(qū)，利用天然湖泊、河道，及故河道、平原土地等，通過擋水壩、圍壩、控制閘等工程措施形成的調蓄水庫，建立發(fā)電站[1]。平原型水電站修建水庫對水資源的蓄積和調劑起了很大作用，但對周邊環(huán)境也有很大影響[2]，可能存在地基軟弱、地基液化、滲漏、周邊浸沒等問題[3]。這些問題均與地下水環(huán)境的改變密切相關。一系列工程措施，改變了河谷區(qū)地形地貌和水文地質條件，從而改變了地下水的賦存環(huán)境，及補、徑、排條件，使工程建設區(qū)附近及下游片區(qū)地下水位降低或上升[4]。主要造成的影響有：(1)對于沿河一帶有居民并開采利用地下水的地區(qū)來說，若地下水水位下降，使水井干枯或水量減小，將造成村民生活飲用水困難。(2)隨著庫水位上升，庫周地下水位也跟著上升，可能造成庫周邊土地浸沒、濕陷、沼澤化、鹽堿化等問題[5]，影響農業(yè)生產(chǎn)。

本文以大渡河某平原水電站為例，采用數(shù)值模擬的方法預測工程建設對地下水位的影響，分析可能產(chǎn)生的問題，為工程措施提供建議。

1 工程概況及現(xiàn)狀

大渡河某水電站位于大渡河下游段，建設工程主要位于河谷平壩區(qū)，采用河床式廠房接長尾水渠的混合開發(fā)方式，其功能主要是發(fā)電，兼顧防洪、航運、灌溉和供水等，設計正常蓄水位398.00 m。工程總布置在壩址以上修建左、右岸副壩蓄水，壩址以下修建尾水渠、泄洪渠道以及防洪堤等水工建筑物。工程建設總長度約19.49 km，壩址上游左岸副壩工程軸線最長，達10.64 km；右岸副壩軸線全長4.71 m；壩址以下泄洪渠全長約8.85 km；尾水渠全長9.46 km(圖1)。

截至2012年5月，該水電站正在進行小范圍施工，施工場地主要是上游右岸副壩及壩址主體工程，在右岸副壩上游起點和尾水渠進口處設置攔河壩(圖1中攔河壩1、2)，對大渡河右支流進行了截流。野外調查，工程施工已對附近地下水造成影響，一定范圍內地下水位普遍降低。

圖1 工程建設總布置圖

2 基礎地質條件

2.1 地質條件

2.2 水文地質條件

目前由于電站工程施工對大渡河進行截流改道，使下游河段地表徑流量大幅度減少甚至干涸，從而使這些地段主要以地下水補給河水為主，造成河流附近一定范圍內相比同期地下水位普遍降低。

圖2 河谷平壩區(qū)地下水補、徑、排關系

3 現(xiàn)狀數(shù)值模型的建立

本次研究利用Visual Modflow建立三維數(shù)值模型對河谷區(qū)地下水滲流場進行模擬。Visual Modflow是基于達西定律研發(fā)的有限差分模擬軟件，適用于均質含水層。河谷區(qū)松散巖類孔隙含水層可認為是均質含水層，滿足適用條件[6]。

3.1 模型建立

通過野外調查，目前的工程建設已經(jīng)對地下水造成一定程度影響，以2012年3月枯水期水位調查成果作為現(xiàn)狀地下水環(huán)境狀態(tài)，建立現(xiàn)狀數(shù)值模型?，F(xiàn)狀模型需要將目前工程建設截流改道概化入模型，使下游河流的徑流量減少。

模型范圍東西向長19.845 km，南北向長18.016 km，包括全部工程建設區(qū)。按100 m網(wǎng)格剖分，共198×180個網(wǎng)格。垂向上根據(jù)含水層特性分為2層：第1層為松散巖類孔隙含水層；第2層為基巖相對隔水層，模型Z方向范圍0～836 m(圖3)。

時間上，模擬期為10 a。工作區(qū)內氣象資料顯示，降雨量年內分配不均勻，按照降雨量將一年分為4個水文期，每個水文期內包括10個時間步長。

3.2 邊界概化

概化模型的邊界有以下幾種：

a.對研究區(qū)水文地質條件分析，河谷平壩區(qū)松散巖類孔隙水的補給主要來源于降雨、地表水以及河谷兩岸丘陵區(qū)的基巖側向徑流補給?；诖?，將模型范圍內沿大渡河兩岸的基巖與第四系交界概化為流量邊界。

b.河谷平壩區(qū)北西、南東側為紅層丘陵區(qū)，地下水類型主要為風化裂隙水，概化為無效單元，不參與計算。

c.河谷平壩區(qū)內，南西側大渡河上游、北東側的下游以及青衣江上游，超出本次工作范圍的邊界，將河流設置為水頭邊界，取值為河流的年均水位海拔高度。

d.現(xiàn)狀條件下，有徑流量的河流概化為河流邊界，根據(jù)實際河流參數(shù)賦值。

3.3 參數(shù)選取

根據(jù)含水層特性概化模型為2層，賦以不同的水文地質參數(shù)。參數(shù)來源于勘察階段工作進行的抽水試驗、壓水試驗值以及巖、土體樣品的物理性質試驗報告，主要包括滲透系數(shù)和存貯系數(shù)(表1)。

根據(jù)研究區(qū)多年降雨量統(tǒng)計數(shù)據(jù)，平均年降水量為1 323.2 mm，并且呈季節(jié)性變化。根據(jù)降雨分配規(guī)律，認為12～2月份為枯水期，6～9月份為豐水期，其余月份為平水期。降雨入滲系數(shù)參考區(qū)域水文地質資料，取0.25(表2)。

表1 模型參數(shù)取值一覽表

表2 降雨強度時段劃分

另外，人工開采也是地下水排泄方式之一。研究區(qū)內開采方式主要包括農戶分散型開采和集中開采，總開采量：A片區(qū)746 m3/d，B片區(qū)2 091 m3/d，以村為單位概化為抽水井。根據(jù)研究區(qū)多年蒸發(fā)量統(tǒng)計數(shù)據(jù)，年平均蒸發(fā)量為1 071.5 mm，按各水文周期賦值蒸發(fā)量(表3)。

3.4 模型檢驗

建立概念地質模型后，將概化的邊界條件和參數(shù)賦值于模型中，進行10 a非穩(wěn)定流計算，計算出枯水期地下水位滲流場如圖4。

從圖中可以看出，地下水主要流向與河水流向一致，水位從上游至下游緩慢降低，同時由兩岸向河谷區(qū)徑流，水力坡度0.001～0.02。Ⅱ級、Ⅲ級階地地勢較高，地下水富水性較差，地下水位與地面高程起伏基本一致，水力坡度0.02～0.08。可以看出，A片區(qū)和B片區(qū)受上游工程施工截流影響，現(xiàn)狀條件下，河水對地下水有一定疏干作用，以地下水補給河水為主，與實際調查一致。

綜合分析認為現(xiàn)狀數(shù)值模型與現(xiàn)狀的實際地質模型基本吻合，通過檢驗，可用于下一步施工后工況的模擬計算。

4 建立預測數(shù)值模型

4.1 模型建立

在現(xiàn)狀模型基礎上添加工程建設，根據(jù)施工設置，將左、右副壩、攔河大壩、泄洪渠和尾水渠設置成防滲墻邊界，墻厚0.8 m，深入到基巖地層2 m，并將庫區(qū)設置成定水頭398 m，代表工程建成正常蓄水后的模型。并且在A、B片區(qū)及左岸片區(qū)添加水位觀測孔，觀測工程建成后地下水位的變化。地下水滲流場如圖5。各水文期降雨、蒸發(fā)強度不一，所以地下水位變動不一樣。添加水位觀測孔進行觀測，結果如表4。

表3 蒸發(fā)強度時段劃分

圖4 枯水期地下水位滲流場模型計算值

可以看出，模型計算值與實際調查地下水位對比，不同片區(qū)、不同時期，地下水位變化不一樣?？菟?，工程建設后地下水的水位普遍下降；平水期，僅A片區(qū)地下水的水位出現(xiàn)上漲，左岸和B片區(qū)均出現(xiàn)水位下跌現(xiàn)象；豐水期，與現(xiàn)狀平水期對比，地下水位普遍上漲。

4.2 預測分析

4.2.1 A片區(qū)

由于右副壩施工截流，使下游河水減少，甚至局部河段干涸，地下水隨河水一起普遍降低。調查地下水位現(xiàn)狀，相比工程建設前，枯水期地下水位下降約3～4.2 m，平水期降雨增加，水位一般抬升0.23～0.94 m。

圖5 工程建成后枯水期地下水位滲流場圖

表4 模型計算工程建設蓄水后地下水位變化

工程建成后，A片區(qū)基本為一個封閉的單元，地下水主要接受降雨和基巖側向補給，以人工開采和蒸發(fā)方式排泄。枯水期降雨微弱，地下水接受補給量不能滿足排泄量，模擬水位相比現(xiàn)狀降低0.43～0.97 m；所以工程建成后，地下水影響程度相對現(xiàn)狀繼續(xù)加劇，相比工程建設前水位下降約3.43～5.17 m。平水期由于降雨量增加，模擬地下水位與現(xiàn)狀同期水位相比，出現(xiàn)較大的增幅，水位上漲2.56～3.32 m。但相對工程建設前，地下水位仍然處于下降狀態(tài)，降幅0.17～0.7 m。豐水期，降雨量大，右副壩不僅阻擋了地下水排泄進入河流，降雨轉化的地表徑流也不能流入河道，于是地表形成大量積水，僅能通過排澇洞流入小河。模型計算工程建成后豐水期水位392.24～397.22 m，局部低洼地段甚至水位高出地面，造成內澇。

4.2.2 B片區(qū)

現(xiàn)狀調查，枯水期由于壩址處施工截流，使下游大渡河的河水大幅度減少，局部河段干涸，地下水已經(jīng)受到一定程度影響，水位普遍降低1～2 m左右。平水期，壩址截流的攔河壩被取消，恢復右支流徑流，被疏干的含水層得到河水補給后，相對于枯水期，地下水位抬升0.3～2.1 m，枯水期影響范圍內的地下水基本恢復。

工程建成后，尾水渠設置防滲墻，地下水徑流至防滲墻處受阻，轉為向下游方向徑流，由南西向北東方向的Ⅲ級階地與山區(qū)間狹長帶狀地帶徑流?？菟冢涤晡⑷?，地下水接受補給量小于排泄量，模擬地下水位相比現(xiàn)狀同期降低0.47～1.59 m，相比工程建設前下降約1.47～3.59 m，影響程度相對現(xiàn)狀繼續(xù)加劇。平水期降雨量增大，模擬地下水位相比現(xiàn)狀，一般下降0.16～0.85 m。豐水期，降雨量充沛，地下水得到充分的補給后，水位恢復至366～373 m，埋深0.3～1.61 m。

4.2.3 左岸片區(qū)

工程建成后，仍然保留了原河道的徑流，地下水與河水之間保持水力聯(lián)系，地下水受影響程度不大。同期水位相比，枯水期和平水期地下水的水位略為下降，降幅分別為0.2～0.35 m、0.1～0.23 m，均屬于地下水正常波動范圍。豐水期地下水位370～396 m，埋深1.23～1.34 m。

5 結 論

本文利用Visual Modflow地下水模擬軟件，對工程建設現(xiàn)狀以及工程建設后進行了數(shù)值模擬，預測工程建成后周邊地下水位的變化。受工程建設影響，不同片區(qū)、不同水文期，地下水受影響程度不一。

A片區(qū)，工程建設后，枯水期地下水的水位相對現(xiàn)狀繼續(xù)下降0.43～0.97 m；平水期水位有所恢復，但相對工程前仍然下降0.17～0.7 m；豐水期由于排泄不暢可能造成內澇。

B片區(qū)，工程建設后，枯水期地下水的水位相對現(xiàn)狀繼續(xù)下降0.47～1.59 m；平水期地下水位抬升，仍下降0.16～0.85 m；豐水期，補給充足，地下水位可恢復。

左岸片區(qū)地下水環(huán)境影響不大。

工程建設設置防滲墻，不僅阻斷了地下水與河水的聯(lián)系，同時也阻隔了降雨形成的地表徑流匯集進入河流。A片區(qū)幾乎成為一個封閉的平臺，B片區(qū)僅能通過靠山側的溪溝向北東方向徑流流出。應做好這2個區(qū)內的地表排水措施，如無合理的排水設施，則可能在地勢低洼地帶造成洪災、內澇。

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AnalysisofinfluenceofsomeplainhydropowerstationprojectofDaduRiverongroundwaterbynumericalsimulation

LUO Min, ZHU Jian-bo, REN Rui

SichuanInstituteofGeologicalEngineeringInvestigation,Chengdu610072,China

Using the numerical simulation method, the authors forecast the impacts of a hydropower station project construction on the plain of Dadu River on the groundwater to provide references for the construction. The results show that, when the project is completed, the anti-seepage wall blocks the contact between the river and the groundwater in the terrace, so the two terraces on the right bank become more closed hydrogeological units than before. In dry season, the groundwater water-level will draw down larger in the two closed terraces. Compared with the current dry period, it will decline 0.43～0.97m and 0.47～1.59 m, respectively. In the high water period, the waterlogging may appear in local low-lying areas. In the left bank area, the relationship between groundwater and rivers is still maintained and the groundwater will be less influenced. The authors recommend that the problem of drinking water for the villagers should be properly settled and the surface drainage measures be done well.

plain reservoir; hydropower station; numerical simulation; groundwater

10.3969/j.issn.1671-9727.2013.04.16

1671-9727(2013)04-0474-07

2012-06-13

羅敏(1985-),女,碩士,助理工程師,從事水文地質、工程地質和環(huán)境地質研究工作, E-mail:luominer8586@163.com。

TV121.3

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