敖头水库库尾石河村浸没影响预测及评价

张力春，孙香泰

(黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨150080)

敖头水库区两岸大部分地区由低山前缘斜坡和山前倾斜台地构成，山体宽厚，不存在浸没问题。水库区河左岸的石河北村，含水层上覆黏土层厚2.5～4 m，地下水位埋深3.1～4.0 m，不存在浸没问题。

水库区河右岸的石河村座落在山市河入海浪河处的海浪河一级阶地部位，地面高程为265～272 m。上部为低液限黏土、含细粒土细砂，下部卵石混合土层，有产生浸没的可能性。通过对石河村的水文地质情况分析，应用数值法进行浸没影响预测及评价。

1 浸没区基本概况

石河村处在海浪河右岸阶地上，地势东南高西北低，地表呈微波状起伏，总体倾向于河床。地面高程在262.82～270.40 m，地面坡降为4‰ ～6‰;据民井和坑探调查，上部为低液限黏土，厚0.00～4.00 m，透水性微弱;含细粒土细砂，厚 1.70～4.00 m，透水性中等;下部为卵石混合土，厚2.3～3.7 m，其渗透系数在50～70 m/d。地下水类型为孔隙潜水，平水期水位埋深在2.0～4.2 m，丰水期水位埋深0.4～3.3 m，水位年变幅为2.00 m左右。地下水主要补给来源为降水入渗补给，排泄项主要为蒸发排泄、人工开采。本区地下水与海浪河有密切的水力联系，丰水期大多数地段河水补给地下水，枯水期地下水补给河水。地下水动态类型为降雨入渗—径流—蒸发型。

根据前期已有坑探及民井调查资料，含水层主要由卵石混合土组成。隔水底板(基岩面)埋深在4.50～7.45 m，高程在 258.32～258.6 5m，近于水平。

2 预测方法

本次计算采用美国Brigham Young大学的环境模型研究实验室和美国军队排水工程试验工作站开发的三维地下水流数值模拟系统GMS4.0(Groundwater Modeling System)软件，该软件除包含 MODFLOW、FEMWATER、MT3DMS、RT3D、SEAM3D、MOD-PATH、SEEP2D、NUFT、UTCHEM 等主要计算模块外，还包含 PEST、UCODE、MAP、BoreholeData、TINs、Solid等辅助模块，是迄今为止功能最齐全的地下水模拟软件包之一，它具有良好的使用界面，强大的前处理、后处理功能及优良的三维可视效果。本次模拟所用的主要是MODFLOW模块。

其求解方法是在计算区域内采用矩形剖分和线性插值，应用迦辽金有限差分法将上述数学模型离散为有限单元方程组，编制计算程序，用以求解。同时应用软件对计算区进行单元自动剖分和数据的自动采集，包括各结点的含水层顶、底板高程、水位等大量数据的自动插值，在确保计算精度的基础上，极大地提高了工作效率。

3 水文地质模型概化

3.1 计算目的含水层

本次计算的目的含水层为第四系孔隙潜水含水层。

3.2 含水层水力特征的概化

在研究区内，孔隙潜水在天然状态下的水力坡度均不大，一般均 ＜1/1000，渗流基本符合达西定律;水流形式概化为平面二维流，在目前和水位预报期内均为非稳定流运动。计算区潜水运动的数学模型可概化为非均质、各向同性、非稳定、二维地下水流模型。

3.3 计算区边界的概化

3.3.1 潜水含水层的侧向边界概化

在研究区南部，孔隙潜水含水层与基岩区相邻，基岩主要为流纹斑岩质凝灰熔岩、英安玢岩，渗透性弱，故此段边界概化为隔水边界;北部以常年有水的河流海浪河为界，并为潜水的排泄边界，概化为已知水头的一类边界;东西边界有地下水位资料，将其概化为已知水位的一类边界。

3.3.2 含水层垂向边界概化

潜水含水层的上部边界为水量交换边界，有降水入渗、河道渗漏、灌溉渗漏(井灌、渠灌)和潜水的蒸发及人工开采;下部边界在单一含水层分布区，下面直接与基岩接触，透水性很小，则概化为隔水边界。

4 数学模型的建立

计算区地下水运动的数学模型可概化为非均质、各向同性、非稳定、二维地下水流模型，孔隙潜水含水层的数学模型:

式中:K为潜水含水层渗透系数，m/d;μ为潜水含水层给水度;H0为潜水水位，m;B为含水层底板标高，m;Qr为入渗补给强度，m/d;Qd为排泄强度(包括开采)，m/d;h0为初始水位，m;h1为研究区一类边界点的水位，m;x，y为坐标，m;D为计算区范围;Γ1为研究区一类边界。上述偏微分方程、初始条件和一类边界条件，共同组成定解问题。

5 数学模型的求解

5.1 计算区剖分

计算区面积0.89 km2，使用GMS软件中的Modflow模块对水流进行模拟，采用有限差分法，进行矩形剖分，共有结点911个，剖分了851个单元。

5.2 水文地质参数的确定

由于对预测区的研究程度有限，水文地质参数均根据区域资料及经验值确定渗透系数70 m/d，给水度0.3。由于含水层岩性分布均匀，所以未进行分区。

5.3 源汇项的确定

根据地表岩性将研究区分为2个补给蒸发区间。经分析计算，补给项主要为降雨入渗补给和河流入渗补给，排泄项主要为潜水蒸发和人工开采。本次调查到石河村有自来水井1眼，日开采量500 m3/d。另外村民通过民井开采，以补充供水不足及农田灌溉。其它源汇项计算结果见表1。

表1 补给排泄计算结果一览表

6 地下水位雍高预测

6.1 预测范围

本次预测范围为海浪河左岸的石河村，面积0.89 km2。

6.2 水位预报的初始条件和时段的确定

将最新测量的2011年8月5日的水位资料做为初始水位。水位预报时段为水库蓄水后1 a，5 a。

6.3 一类边界(已知水头)的预测

由于模拟区缺少多年地下水位动态观测资料，所以对东西两处边界的水位预测采取解析法。对南部的一类边界河水位逐渐高涨，达到水库正常蓄水位后不再增长。

6.4 源汇项的预测

源汇项有降水入渗、河道渗漏、和潜水的蒸发及人工开采。本次源汇项的预测根据区域资料变化趋势预测确定。

6.5 预测结果

水库蓄水后1 a地下水位不断上涨，后趋于稳定，水库蓄水后5 a和蓄水后1 a的地下水位基本没有变化。

7 浸没影响评价

7.1 临界地下水位埋深的确定

研究区南部阶地后缘上部为黏性土层，有少量农田，无人居住;北部为阶地前缘，大部分为居民区，少部分为农田。农田区大部分为水田，短时间浸没对水稻生长影响不大，故对农田区不予评价。

居民区建筑物为平房，其基础为块石，据调查地基深度在1.00 m左右，座于含细粒土细砂层中。取含细粒土细砂层的毛细上升高度为0.30 m(经验值)，故确定居民区临界深度为1.30 m。

7.2 浸没影响范围分析

由预测结果可知，水库蓄水一年地下水位不断上涨，后趋于稳定，地下水雍高值在0.05～2.11。自北向南到第二排民房为止地下水位埋深＜1 m，浸没。浸没区范围见图1。

图1 浸没区范围图

［1］黑龙江省水利水电勘测设计研究院.林海水库工程水文地质调查报告［R］.哈尔滨:黑龙江省水利水电勘测设计研究院，2011.