隧洞工程建設(shè)對(duì)水環(huán)境影響預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)
——以滇中引水工程獅子山隧洞為例

黃靖宇,曾柯耀,趙永川,張 強(qiáng)

(1.成都理工大學(xué),四川 成都 610059;2.云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,云南 昆明 650021)

0 引言

山區(qū)地下隧洞(道)工程建設(shè)使得流動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)的地下水徑排條件發(fā)生改變,長(zhǎng)期排放地下水也伴隨著影響范圍內(nèi)的地下水水位下降,造成泉水、溝渠及水庫(kù)的補(bǔ)給量減少甚至枯竭,從而破環(huán)原有的水環(huán)境平衡,從而滋生一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題及效應(yīng)[1-3]。

近年來(lái),隨著國(guó)家對(duì)于協(xié)調(diào)工程建設(shè)與環(huán)境保護(hù)矛盾的問(wèn)題愈加重視,隧洞(道)建設(shè)與水環(huán)境影響的相互研究也逐漸成為熱點(diǎn)。史景革基于地質(zhì)調(diào)查,結(jié)合隧道涌水量監(jiān)測(cè)和隧道滲漏水流量分段測(cè)量結(jié)果,張國(guó)珍[4]從隧道施工期間和運(yùn)營(yíng)期間兩個(gè)方面闡述了隧道對(duì)環(huán)境的影響,并且總結(jié)了國(guó)內(nèi)外一些專家學(xué)者對(duì)隧道環(huán)境負(fù)效應(yīng)評(píng)價(jià)研究;梁軍平[5]基于模糊層次分析法建立了巖溶地區(qū)隧道施工對(duì)水環(huán)境影響評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,并對(duì)西南地區(qū)某隧道進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證,結(jié)果表明該體系可以滿足施工期不斷變化情況對(duì)水環(huán)境影響準(zhǔn)確評(píng)估的要求;萬(wàn)炳彤[6]考慮到隧道工程地下水環(huán)境中信息的不確定性、未確知性,構(gòu)建了隧道工程地下水環(huán)境負(fù)效應(yīng)評(píng)價(jià)體系并在工程中驗(yàn)證該體系的可靠適用性;胡偉等[7]以重慶主城擬建鹿角隧道為例,對(duì)隧道影響范圍內(nèi)的地下水體、地表水體、土地資源與次生災(zāi)害進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià),證明了隧道修筑會(huì)對(duì)該區(qū)域地下水文地質(zhì)環(huán)境造成較大影響;前人研究為隧道建設(shè)中水環(huán)境的保護(hù)積累了豐碩的理論基礎(chǔ)與指導(dǎo)方法。

滇中引水大理Ⅱ段獅子山隧洞的建設(shè)范圍涉及多個(gè)環(huán)境敏感點(diǎn),在前期調(diào)查中地下水環(huán)境影響風(fēng)險(xiǎn)屬中等,亟需深入展開(kāi)隧洞建設(shè)對(duì)水環(huán)境的影響研究。本文在收集區(qū)域自然地質(zhì)背景與查明水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上,基于數(shù)值法對(duì)區(qū)域天然滲流場(chǎng)與隧洞施工排水條件下的滲流場(chǎng)進(jìn)行模擬預(yù)測(cè),并分析區(qū)域滲流場(chǎng)的變化特征,以此作為理論依據(jù)對(duì)區(qū)域重要的水環(huán)境敏感點(diǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià),為隧洞工程科學(xué)合理的保護(hù)區(qū)域生態(tài)環(huán)境提供指導(dǎo)方向。

1 研究區(qū)與工程概況

研究區(qū)地處云嶺橫斷山脈邊緣,云貴高原西南部,山脈總體呈南北走向,地貌形態(tài)多為中～高山構(gòu)造侵蝕山,其間分布數(shù)個(gè)小型構(gòu)造盆地,研究區(qū)氣候?qū)俦眮啛釒备咴撅L(fēng)區(qū),年均降雨810 mm,地表水體由中部的小官村水庫(kù)、南東側(cè)的品甸海及多條箐溝組成。區(qū)域巖石地層處楊子準(zhǔn)地臺(tái)西緣,槽臺(tái)轉(zhuǎn)化和川滇古陸隆起對(duì)本區(qū)的沉積建造和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)起到?jīng)Q定性控制作用。

區(qū)域地層按地下水賦存條件可分為下二疊(P1)厚層狀灰?guī)r、康廊組(D1k)灰?guī)r巖溶含水層、中二疊(P2β)斑狀玄武巖風(fēng)化裂隙含水層、下泥盆蓮花曲組(P2β)頁(yè)巖、上三疊白土田組(T3ba)、下侏羅馮家河組(J1f)砂泥巖相對(duì)隔水層。研究區(qū)巖溶發(fā)育,地表巖溶形態(tài)多樣,溶蝕洼地、谷地以及大量的溶蝕裂隙、溶孔等散布丘間。地下水接受大氣降雨補(bǔ)給,多在層間或溶蝕裂隙運(yùn)移,并以泉點(diǎn)或泄流方式在接觸帶或低洼地區(qū)排泄。

滇中引水獅子山隧洞工程設(shè)計(jì)全長(zhǎng)29 420 m,其中小官村段長(zhǎng)9 892 m(DLⅡ46+239～ DLⅡ55+221),最大埋深達(dá)400余米。線位橫穿了新村、桑園村和筆馬村等地,主要穿越D1k巖溶含水層,P2β、P2β、T3ba、J1f砂泥巖相對(duì)隔水層及侵入體花崗巖(γ53)、輝綠巖(ηυ)。

2 排水條件下滲流場(chǎng)模擬分析

數(shù)值模擬采用行業(yè)內(nèi)認(rèn)可度較高且使用相對(duì)成熟的Visual Modflow軟件[8-10],實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域滲流場(chǎng)變化的可視化模擬展現(xiàn)。

2.1 模型范圍與概化

根據(jù)研究區(qū)地形條件和水文地質(zhì)結(jié)構(gòu),圈定模擬范圍西至北秧凹、東達(dá)洗窩帚山隧洞進(jìn)口,南起海溝頭北抵帽山莊附近,總面積約89.8 km2(圖1)。模型東西向長(zhǎng)9 457.5 m,南北寬9 505.36 m,以100 m剖分平面成95×95的網(wǎng)格;垂直方向模擬高程1 300～2 400 m,根據(jù)含水介質(zhì)性質(zhì)和模型計(jì)算需求,垂向剖分13層。

圖1 區(qū)域模型等值線圖

2.2 參數(shù)賦值與時(shí)間離散

根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)試驗(yàn)和資料結(jié)果(表1),對(duì)研究區(qū)下伏地層6種不同的地層巖性進(jìn)行賦值,補(bǔ)給強(qiáng)度為243 mm/yr,枯季和雨季分別設(shè)置不同的河流邊界和降雨入滲補(bǔ)給量,其中1-5月補(bǔ)給強(qiáng)度為92 mm,5-12月補(bǔ)給強(qiáng)度為150 mm。時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為360 d,約為一個(gè)完整水文年,步數(shù)為12,計(jì)算間隔時(shí)間為10 d,模擬施工時(shí)間為5 a。

表1 模型參數(shù)分布示意圖

2.3 模型校驗(yàn)

選取四個(gè)觀測(cè)井對(duì)模擬天然地下水水位與實(shí)測(cè)地下水水位對(duì)比分析,以確定模型的擬合準(zhǔn)確度。模型地下水位隨著時(shí)間延續(xù)逐漸接近實(shí)測(cè)水位,最終水位與實(shí)際情況大體相符,誤差比均小于5%,從而驗(yàn)證了取值參數(shù)得可靠性(見(jiàn)表2)。

表2 模型計(jì)算觀測(cè)井水位與實(shí)測(cè)水位擬合表

2.4 天然滲流場(chǎng)模擬結(jié)果

研究區(qū)天然滲流場(chǎng)模擬結(jié)果如圖2,受區(qū)內(nèi)地形地貌、含水巖組分布及構(gòu)造發(fā)育等條件控制,本項(xiàng)目在中高山地區(qū)地下水水位受深切溝谷和排泄基準(zhǔn)面的影響,靠近溝谷及河流位置地勢(shì)低,地下水位埋深小,而在山坡中,地下水位埋深則較大,小官村水庫(kù)是該區(qū)域地下水主要的排泄基準(zhǔn)面。模擬結(jié)果與實(shí)際水文地質(zhì)條件基本吻合,天然條件滲流場(chǎng)及可用于后續(xù)的隧洞排水條件滲流場(chǎng)變化模擬分析。

圖2 天然滲流場(chǎng)圖

2.5 滲流場(chǎng)變化特征

根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn),特長(zhǎng)隧洞的計(jì)劃建設(shè)周期一般在五年左右。因此采用非穩(wěn)定流對(duì)隧洞全段開(kāi)挖五年后的滲流場(chǎng)變化進(jìn)行預(yù)測(cè)模擬,模擬結(jié)果顯示(圖3),隧洞在穿越羅賢觀北側(cè)時(shí)將揭露灰?guī)r段,由于滲含水介質(zhì)連通性強(qiáng),水位相比其他地區(qū)大幅度下降,此外在梁王山新村以西、花交井至羅家山一線水位也發(fā)生了不同程度的下降,隧洞排水對(duì)區(qū)域南西側(cè)水位影響較小。

3 水環(huán)境影響評(píng)價(jià)

隧道施工影響范圍內(nèi)主要涉及梁王山云南源水廠巖溶大泉、馬筆村泉及小官村水庫(kù)三處主要的環(huán)境敏感點(diǎn),結(jié)合基礎(chǔ)水文地質(zhì)調(diào)查與數(shù)值模擬結(jié)果,逐一對(duì)其進(jìn)行環(huán)境影響評(píng)價(jià)。

3.1 梁王山巖溶大泉

通過(guò)對(duì)梁山王泉的成因分析認(rèn)為其補(bǔ)給主要來(lái)源于梁王山西側(cè)的巖溶山體,主要含水層與隧洞之間有花崗巖和玄武巖等非可溶巖阻隔,隧洞建設(shè)對(duì)西側(cè)的巖溶區(qū)地下水發(fā)生襲奪的可能性較小,數(shù)值模擬分析中佐證了這一觀點(diǎn),在隧洞全排五年條件下,西側(cè)巖溶山體的水位變化幅度不明顯,只有較高的地下水發(fā)生了局部的下降;綜上認(rèn)為隧洞施工對(duì)梁王山云南源水廠巖溶大泉的影響較小。

3.2 馬筆村泉

馬筆村泉與獅子山隧洞小官村段位于同一水文地質(zhì)單元,且距離較近,且所在區(qū)域滲流場(chǎng)水位下降幅度較大,隧洞施工存在使馬筆村泉水量減小、甚至枯季枯竭的風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 小官村水庫(kù)

小官村水庫(kù)與獅子山隧洞垂直距離約2.5 km,庫(kù)盆大部分位于P2β玄武巖地層中,只有少部分位于T3ba厚層狀粉砂巖、砂質(zhì)泥巖。水庫(kù)高程2 070 m,隧洞高程1 965 m,其間地層均為非可溶巖,且?guī)r層走向近乎平行于隧洞線,過(guò)水通道較少,兩個(gè)工程的水力聯(lián)系弱,通過(guò)達(dá)西定律估算,庫(kù)水向隧洞方向滲透最大速度僅0.042 m/d,單寬滲透量較小,隧洞建設(shè)對(duì)水庫(kù)的蓄水問(wèn)題影響較小。

小官村水庫(kù)的水源包括天然的匯水補(bǔ)給量和“引洱入賓”工程輸水量?jī)刹糠?通過(guò)對(duì)水庫(kù)上游的面積測(cè)算,小官村水庫(kù)的天然補(bǔ)給的總集水面積為84 km2。模型結(jié)果顯示隧洞建設(shè)穿越可溶巖段會(huì)使羅賢觀北側(cè)約6 km2的地下水水位下降,其中有約2.5 km2屬于小官村水庫(kù)的匯水區(qū)域,小官村水庫(kù)隧洞穿越的可溶巖面積占整個(gè)水庫(kù)總集水面積的2.9%。隧洞穿越的可溶巖匯水面積的產(chǎn)水量估算:2.5(km2)×30(104m3/y)×20%=25×104m3/y,產(chǎn)水量占整個(gè)水庫(kù)總?cè)霂?kù)量(2 200×104～2 500×104m3)的1.00%～1.13%,故隧洞施工對(duì)水庫(kù)整體的徑流補(bǔ)給影響較小。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)水文地質(zhì)調(diào)查與數(shù)值模擬分析,探明了隧洞建設(shè)影響的主要區(qū)域,并以此為理論基礎(chǔ)對(duì)研究區(qū)的主要環(huán)境敏感點(diǎn)進(jìn)行影響評(píng)價(jià),主要成果如下:

(1)由于巖溶含水層介質(zhì)連通性強(qiáng),隧洞建設(shè)在穿越羅賢觀北側(cè)巖溶山地時(shí),地下水的水位下降和影響面積顯著大于非可溶巖地區(qū);

(2)隧洞建設(shè)對(duì)同一水文地質(zhì)單元的馬筆村泉水量會(huì)產(chǎn)生一定的影響,對(duì)梁王山巖溶大泉的水量和小官村水庫(kù)徑流補(bǔ)給量與庫(kù)盆滲漏影響較小。