徑河東莊水庫地下水環(huán)境影響效應研究

雷春榮 宋憲琳 王泉偉

摘要：徑河東莊水庫蓄水后地表水位大幅抬升，兩岸地下水自然流場改變，進而影響地下水徑流、水質(zhì)、水量等，其中碳酸鹽庫段庫水位高于現(xiàn)狀條件地下水位，存在滲漏問題。針對涇河東莊水庫工程水文地質(zhì)條件，通過建立三維滲流數(shù)值模型，選取庫水典型溶質(zhì)，對水庫蓄水后的地下水環(huán)境特征效應進行研究分析，結(jié)果表明：在推薦防滲方案下，水庫蓄水會引起庫區(qū)和壩址區(qū)附近地下水位上升，但不改變地下水的總體徑流方向;水庫蓄水對下游敏感水源點井（泉）水量和水質(zhì)影響微弱，不會導致地下水質(zhì)類別發(fā)生變化，不會產(chǎn)生大的環(huán)境地質(zhì)問題。

關(guān)鍵詞：地下水環(huán)境;溶質(zhì)運移;水位;東莊水庫

中圖分類號：X523 文獻標志碼：A

1 研究背景

徑河東莊水利樞紐位于徑河干流最后一個峽谷段，控制面積占徑河流域面積的95%，水庫總庫容30.6億m³，是黃河水沙調(diào)控體系的重要支流水庫，在渭河乃至黃河綜合治理開發(fā)中占有重要地位。東莊水利樞紐壩高230m，水庫正常蓄水位回水長度96.7km，庫區(qū)以老龍山斷層為界，上游94.0km為砂頁巖庫段，下游2.7km為碳酸巖庫段。水庫蓄水后地表水位大幅抬升，兩岸地下水自然流場改變，進而影響地下水徑流、水質(zhì)、水量等，評價水庫蓄水對兩岸地下水環(huán)境的影響程度，研究并提出減小水庫蓄水對地下水環(huán)境影響的方案是水庫工程前期論證的重要內(nèi)容。

2 地質(zhì)條件

2.1 砂頁巖庫段地質(zhì)條件

老龍山斷層上游94.0km庫段為砂頁巖的黃土高原丘陵區(qū)，碎屑巖巖性為二疊系（P）、三疊系（T）的砂巖、粉砂巖、泥巖，無大的斷層、褶皺發(fā)育，地質(zhì)構(gòu)造簡單，巖層厚。地下水主要賦存于二疊系和三疊系砂頁巖地層中，含水層及透水層主要為砂巖，粉砂巖、泥巖為相對隔水層。地下水表現(xiàn)為層狀徑流，庫區(qū)兩側(cè)地下水分水嶺遠高于涇河正常蓄水位，地下水補給河水，在兩岸常以脈狀或上層滯水形式存在，沿砂巖底部的泥巖和粉砂巖頂面溢出地表，以泉的形式排泄。

2.2 碳酸巖庫段地質(zhì)條件

下游2.7km碳酸巖庫段為基巖中低山區(qū)，巖性為奧陶系灰?guī)r、白云巖。老龍山斷層橫穿徑河，總體走向近東西，傾向南，傾角40°～80°，斷距1500～2000m，主斷層帶寬約400m，由斷層巖、斷層泥、碎裂巖組成，斷層影響帶寬度約1km。斷層上盤的碳酸巖受構(gòu)造擠壓破碎，小斷層、順層剪切帶、構(gòu)造裂隙較發(fā)育。受地表水、地下水溶蝕作用影響，碳酸巖庫段發(fā)育的巖溶形態(tài)主要為溶孔、溶隙，巖溶發(fā)育程度及巖體透水性總體上隨埋深的增大而減弱，局部沿構(gòu)造裂隙及小斷層巖溶較發(fā)育，但未形成相互溝通的洞穴系統(tǒng)[1]。庫段地下水類型為巖溶裂隙水，近岸坡及河床地下水位（550～560m）低于河水位（590m）30～40m，遠岸地下水位為720～760m，地下水總體上由兩岸向河谷下游方向流動，在風箱道附近受沙坡斷層阻隔以泉的形式溢出。

碳酸巖庫段根據(jù)地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、巖溶發(fā)育程度等可分為3個區(qū)（見圖1）：A區(qū)為老龍山斷層及其影響帶，巖性為硅質(zhì)白云巖、泥質(zhì)白云巖韻律，雖然受斷層影響，巖體破碎，但是巖溶發(fā)育較弱，巖體透水性較差;B區(qū)為白云巖、泥質(zhì)白云巖、灰?guī)r韻律段，巖溶發(fā)育較弱，巖體透水性較差;C區(qū)為庫首厚層灰?guī)r段，溶蝕裂隙較發(fā)育，巖體透水性整體隨埋深增大而減弱，主要受溶蝕裂隙控制，具有一定不均一性，是產(chǎn)生水庫滲漏的重點部位。

水庫蓄水后庫水位高于現(xiàn)狀條件地下水位，存在滲漏問題。庫首厚層灰?guī)r段是產(chǎn)生水庫滲漏的重點地段，滲漏形式以溶隙性為主，局部淺表層風化卸荷帶、構(gòu)造破碎帶可能存在順縫隙的脈管性滲漏，滲漏途徑為壩基及繞壩滲漏、沿兩岸坡向下游繞滲。

3 水庫蓄水對地下水環(huán)境影響評價

水庫蓄水后，庫水位最大抬升近200m，改變了庫區(qū)及庫區(qū)周邊一定范圍內(nèi)地表水和地下水的補給、徑流和排泄關(guān)系，使地下水流場和水化學場發(fā)生變化，可能導致地下水位抬升和水質(zhì)變化等地下水環(huán)境問題。

3.1 影響范圍

水庫蓄水后可能影響的地區(qū)包括庫區(qū)、碳酸巖庫段所在的篩珠洞泉域和徑河與渭河交匯處上游的涇河兩岸地區(qū)。根據(jù)水庫蓄水前、后地下水與河水的補給、排泄關(guān)系，以及庫區(qū)周邊的水文地質(zhì)條件和地下水環(huán)境敏感程度，將影響區(qū)域劃分為砂頁巖庫段（Ⅰ區(qū)）、碳酸巖庫段所在的篩珠洞泉域（Ⅱ區(qū)）和山前平原區(qū)（Ⅲ區(qū)）3個區(qū)。

3.2 水庫蓄水對地下水環(huán)境的影響

3.2.1 老龍山斷層以北砂頁巖庫段（Ⅰ區(qū)）

砂頁巖庫段庫盆由砂巖、粉砂巖、泥巖相間組成，層面平緩，泥巖為微透水或不透水地層，庫區(qū)兩側(cè)地下水分水嶺遠高于涇河正常蓄水位，地下水補給河水，水庫蓄水后，地下水流場形態(tài)變化不大;近庫區(qū)泉水出露點高程均在800m以上，河道兩岸地下水補給河水。因此，水庫蓄水后將繼續(xù)保持現(xiàn)狀的補排條件，不會對地下水水化學場和徑流場產(chǎn)生影響。

庫區(qū)周邊分散的民井水源地的取水層位均高于正常蓄水位，不會改變現(xiàn)狀條件下的流場，因此水庫蓄水對分散供水民井的水量和水質(zhì)不產(chǎn)生影響。

3.2.2 碳酸巖庫段所在的篩珠洞泉域（B區(qū)）

在老龍山斷層下游的碳酸巖庫段，地下水位普遍較低，均低于現(xiàn)狀河水位，水庫蓄水后存在水庫補給地下水現(xiàn)象，會導致地下水流場和水化學場發(fā)生變化，從而對地下水環(huán)境產(chǎn)生影響。為減小庫水滲漏對地下水環(huán)境的不利影響，在灰?guī)r庫段（C區(qū)）布設防滲帷幕[2]，并進入白云巖地層（B區(qū)），壩基帷幕底高程以小于3Lu的微弱透水巖體為底界，兩岸防滲帷幕底高程深入地下水位以下。

為研究水庫蓄水后地下水環(huán)境的變化情況，根據(jù)工程區(qū)巖溶水文地質(zhì)條件，建立地下水三維滲流數(shù)學模型[3-5]：式中：H、H_r分別為地下水位標高、涇河水位標高，m;K、K_r分別為含水層滲透系數(shù)、河床淤積層垂向滲透系數(shù)，m/d;t為時間，d;Ω為計算區(qū)范圍;W、Q分別為潛水、承壓水水井開采量，m³/d;δ為函數(shù)，對應水井的位置坐標;S_s為承壓含水層彈性釋水率，1/m;h₀、h₁分別為初始水位標高、定水頭邊界水位標高，m;q（t）為變流量邊界流量，m³/（d·m²）;Q_r為河水入滲量或地下水溢出量，m³/d;A為涇河入滲與地下水溢出面積，m²;M_r為河床淤積層厚度，m;μ為潛水含水層給水度，1/m;ε為潛水面垂向交換量（入為正、出為負），m³/（d·m²）;Γ₁、Γ₂分別為一類邊界、二類邊界;n為二類邊界外法線方向。

采用三維有限差分法對工程區(qū)巖溶水文地質(zhì)條件及水庫蓄水后地下水流場、庫水典型溶質(zhì)（NH₄⁺、SO₄^2-、TDS、COD_Mn）的運移進行數(shù)值模擬和預測分析。

（1）地下水位變化。在上述防滲方案下，通過模擬分析，對比蓄水前后碳酸巖庫段所在篩珠洞泉域地下水流場（見圖2、圖3）發(fā)現(xiàn)，壩址區(qū)附近水位變化較大，庫區(qū)地下水位大幅上升，但地下水上升區(qū)基本被限制在沙坡斷層以北的庫壩區(qū)及其附近區(qū)域，對沙坡斷層以南區(qū)域影響輕微。

（2）下游泉點流量變化。通過計算分析，在上述防滲方案下，水庫總的滲漏量為2200萬m³/a，占徑河年徑流量的1.78%，庫水滲漏沒有改變地下水的總徑流方向，下游篩珠洞泉群流量在蓄水后第20a末增加了5%，見圖4。

（3）水化學場變化。通過地下水環(huán)境影響評價數(shù)值模型預測分析，庫水中4種物質(zhì)[6]（NH₄⁺、SO₄^2-、TDS、COD_Mn）的濃度在水庫蓄水前后的對比見圖50模擬結(jié)果表明，庫水4種物質(zhì)人滲后對地下水中溶質(zhì)運移的影響范圍大致相近，在水庫蓄水后，對地下水質(zhì)影響的范圍集中在沙坡斷層以北的水庫區(qū)及其附近，對篩珠洞泉域水質(zhì)有輕微影響，不會導致地下水質(zhì)類別發(fā)生變化。

3.2.3 山前沖洪積平原（Ⅲ區(qū)）

山前沖洪積平原區(qū)徑河兩側(cè)地下水分水嶺高于徑河正常水位，河道兩岸地下水補給河水，因此水庫蓄水將繼續(xù)保持現(xiàn)狀的補排條件，不會對地下水水化學場和流場產(chǎn)生影響。徑河存在分散的居民用水水源地，但取水層位均高于正常蓄水位，不會改變現(xiàn)狀流場，水庫蓄水后不會對這些分散供水民井產(chǎn)生影響。

4 結(jié)語

在推薦防滲方案下，水庫蓄水會引起庫區(qū)和壩址區(qū)附近地下水位上升，但不改變地下水的總體徑流方向;水庫蓄水對下游敏感水源點井（泉）水量和水質(zhì)影響微弱，不會導致地下水質(zhì)類別發(fā)生變化，不會產(chǎn)生大的環(huán)境地質(zhì)問題。鑒于東莊水庫巖溶水文地質(zhì)條件的復雜性，建議對周邊地下水環(huán)境（水位、水質(zhì)）進行動態(tài)監(jiān)測，確保周邊地下水環(huán)境安全。

參考文獻：

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