黄盖湖流域水利工程建设对地下水流场的影响研究

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(水利部长江勘测技术研究所，湖北 武汉 430000)

黄盖湖位于长江城陵矶下游约60 km的长江南岸，下距赤壁镇约10 km，为湖南省与湖北省界湖，湖面面积约70 km2。入湖主要河流有新店河(又名潘河)、沅潭河等，湖水经由太平河(又名鸭棚河)注入长江。该流域是湖南临湘和湖北赤壁两市重要的粮、棉、油、鱼生产基地，沿湖现有大小堤垸40处，保护区涉及乡镇13个[1]。

长江中下游提防工程是长江防洪的重要屏障[2]。黄盖湖沿湖堤垸均为上世纪六、七十年代当地群众自发修建，现状防洪标准不足10 a一遇，洪涝灾害频繁。其次，现有的堤垸还存在许多先天不足，如堤身矮小单薄，堤顶高程不足，而且堤身的填土质量差，渗漏严重；部分穿堤涵管破损，存在着严重的事故隐患[1,3]。为保障防洪安全，改善水环境，需对黄盖湖进行综合治理。堤坝防渗加固工程是促进水利工程安全运营的重要措施[4,5]。但水利工程改造在增加防洪能力的同时，可能会影响本区的地下水环境安全。开展水利工程建设前，进行地下水安全影响评价研究对于地下水的安全、水资源的可持续利用具有重要意义[2,6-9]。

本文针对黄盖湖沿湖堤垸存在的主要问题，拟利用堤垸加高工程增强防洪能力。利用Visual Modflow模拟了堤垸加高后，地下水流动模式、地下水水位的改变；并评价了堤防治理工程对地下水环境的影响。

1 研究区概况

1.1 自然地理

黄盖湖，位于湖南、湖北两省交界处，是湖南省第二大内湖，同时濒临长江也是洞庭湖区的一部分(见图1)。该流域总体地势南高北低，黄盖湖以北及江南陆城一带为长江冲积地貌，地势平坦，地面高程在21～24 m之间；流域南部地形由剥蚀残丘过渡为低山，地形起伏较大。本区降雨充沛，年内分配不均。年均降水量1 582.5 mm，主要集中在3—8月。流域年平均气温为17.0℃左右，以1月气温为最低，7月气温最高。地表水系发达，主要由新店河(又名潘河)和源潭河组成。

1.2 地层岩性

工程区主要位于河湖区，出露地层以第四系为主，包含有人工堆积的粉质黏土；全新世冲积粉质黏土及中更新世坡积堆积的黄褐色网纹状黏土。新店河及源潭河中上游两岸山区有基岩出露，从老到新地层有：元古界冷家溪群，一套浅变质的粉砂质板岩、变质细砂岩及石英砂岩；寒武系中上统，主要为灰岩、白云质灰岩；志留系中统，主要为粉砂质页岩、薄层炭质页岩等。侏罗系中下统、上白垩统～第三系，主要为泥质粉砂岩、砂质页岩及含砾砂岩。

图1 黄盖湖地理位置

1.3 水文地质条件

工程区地下水主要为第四系松散层孔隙水及基岩裂隙水。其中松散层地下水赋存于粉土、粉质黏土等含水介质中，一般为孔隙潜水，部分为季节性承压水。主要接受大气降水的垂直入渗补给及山丘地下水的侧向补给，地下水向黄盖湖以北的冲积平原运移排泄。随季节变化，地下水与河水等地表水体呈互补关系，枯季地下水向河、渠排泄，汛期江河水沿透水层向堤内运移，补给地下水。地表、地下水联系密切。基岩裂隙水赋存于河流两岸的岩体内，多为微弱透水岩组。

2 研究区水质现状

2.1 水化学特征

在研究区共采集水样15个，其中地表水样品6个，地下水样品9个，采样位置如图1所示。测试了水样的阴、阳离子、微量元素以及总氮和总磷。地表和地下水均为淡水，弱碱性，TDS介于82～615 mg/L，其中地下水矿化度略高。水化学类型为HCO3-Ca·Mg或HCO3·SO4-Ca。

从水质标准来看，6个地表水样品中50%Fe含量超标，66.67%Mn含量超标(GB3838-2002Ⅲ类水质标)，这些样品紧邻黄盖湖区，Fe、Mn超标与湖区的地质环境相关；CODcr仅SY-9赤壁市新店镇纸厂排污水超标，表明排污水中有机污染物含量很高；SY-12羊楼司镇铁路桥下新店河内TP含量超标，分析为侧边有一生活污水排放口，汇入新店河，生活污水中的高磷致使TP含量超标；样品中66.67%的TN含量超标，分析为湖区内养殖鱼类投放含氮量较高的饲料所致(见表1)。

地下水与地表水类似，Fe，Mn含量超标，同时少部分样品NO3-含量超标，可能由地表污水的排泄导致。

表1 地表水水样水质质量表 mg/L

2.2 地表潜在污染源

黄盖湖区的污染物主要是集中居民生活污染源、农业面污染源及水产养殖污染源，工矿企业较少。其中面源污染主要有化肥农药污染源、禽畜养殖污染源、水产养殖污染源和农村分散居民生面污染源活污染源四个方面。

3 堤防治理工程对地下水的影响模拟

堤防工程为线性工程，且都位于冲湖积平原区，在平面概念上，地下水流与河流的补给排泄方向与河流呈大角度相交，近似垂直，所以可以用剖面二维流代替三维流来模拟堤防治理工程对地下水流场的影响。

根据湖区水文地质条件的特点及生态保护区的位置，分别选取临近湖区而又位于自然保护区范围内的源潭河入湖口处的Ⅰ剖面作为代表性模拟剖面。Ⅰ剖面堤身主要位于厚层的湖积粉质粘土上。黄盖湖堤防中的大部分在枯水期、平水期及雨季的非降雨时期，河湖水位低于堤身以下，堤身常年多处于非饱和甚至干燥状态，仅在洪水时期河流水位猛涨而堤防承担挡御洪水的作用；有部分堤防因堤内外均为湖水或一侧湖水而一侧为养鱼池塘，堤身常年起到挡御内外水流的作用，常年多处于浸水状态。对前一种堤防而言，常年大部分时间，河流水与冲湖积平原地下水的补给排泄运移不经过堤身，则堤防的加固运行对地下水流场没有影响，仅需模拟并比较暴雨或集中降雨后河湖水位猛涨、地下水流场在有无堤防加固的两种情况下变化幅度的差异；对后一种堤防而言，洪水或枯水位时对应的内外水头差最大，在内外水头差最大时，堤防加固前后的渗流场差异也达到最大，因此，针对这样的堤防是需模拟对比在洪水或枯水位时对应的内外水头差最大时、堤防加固前后地下水流场变化的幅度。

3.1 水文地质概念模型与数学模型

模拟剖面Ⅰ的平面与地质剖面图见图2所示。在Ⅰ剖面两侧均为水体，侧边界设置为水头边界。上边界为自由潜水面，其边界条件由大气降水入渗、蒸发排泄等因素确定。模型的上边界接受降雨的补给和蒸发，由于软件的限制，只能输入一个入渗和蒸发的一个差值，即有效入渗量。模型的下边界设置为隔水边界。因为选取的剖面底层普遍发育有元古界冷家溪群易家桥组粉细砂岩和二叠系下统茅口组灰岩，该岩层为弱风化状态、完整性好，渗透性极差。

图2 模拟剖面地层岩性与参数分布

因此黄盖湖堤防加厚对地下水流场的模拟模型可认为二维非稳定渗流模型，数学模型如下：

式中：Ω为地下水渗流区域；H0为初始地下水位(m)；H1为定水头(m)；h为含水层厚度(m)；S1为第一类边界；S2为第二类边界；μ为给水度；Kxx，Kyy分别为x、y主方向的渗透系数(m/d)；w为源汇项，包括蒸发，降雨入渗补给，井的抽水量(m3/d)；q(x,y,t)表示在边界不同位置上不同时间的流量(m3/d)；

3.2 模型参数的选取

参数的选取主要依据黄盖湖防洪治理工程可研勘察阶段的成果，并结合本次野外的抽水试验，各岩土层的参数取值如下：Ⅰ剖面位于源潭河入湖口，堤防堤身填土渗透系数取其平均值，为1.40×10-4cm/s，加固后取1.0×10-5cm/s；其下厚约8 m的冲积粉质粘土，渗透系数为4.80×10-7cm/s；下部厚约5.8 m的冲洪积粉质粘土，取其渗透系数的平均值，为6.90×10-7cm/s;下部接着为厚约2.6 m 的粉土，渗透系数为2.0×10-6cm/s；卵砾石层厚约3.6 m，由本次现场抽水试验可知其渗透系数为2.3×10-2cm/s；再下为粉细砂岩，是本次剖面模拟的下边界条件，参照以往工程经验，选定渗透系数2.0×10-5cm/s。

本次模拟剖面位于冲湖积的湖区，地表已修建有较完善的沟渠排水系统，而模拟的工况为强降雨条件，根据参考值和经验值，降雨入渗系数最终选取为0.10。

给水度根据《水文地质手册》，粉土和粉质粘土取为0.05，砂砾石取为0.20，加固后的堤身取为0.02，基岩取为0.01。

3.3 模拟结果分析

根据收集的降雨资料，在2010年7月14日，赵李桥观测站观测到的最大24 h强烈暴雨降水量达110.0 mm，选取该天的降雨作为模拟模型的一天降雨强度。Ⅰ剖面的源潭河临近黄盖湖，堤外的枯水位为24.50 m，洪水位为27.32 m，堤内池塘水位基本维持为23.2 m。根据以上参数和模型模拟条件，采用MODFLOW软件，模拟得到堤防Ⅰ剖面加固前后的洪枯期渗流场如图3所示。

a.未加固洪水期；b.加固洪水期；c.未加固枯水期；d.加固枯水期

图3 Ⅰ剖面堤防加固前后地下水流场

Ⅰ剖面的河流水位高于堤内地表、地下水位，河流向地下水排泄。由渗流场图可以看出，堤防加固前堤内坡有地下水渗出，尤其是洪水期内外水头差大、堤内坡有大片地下水溢出区；堤防加固后，渗流途径途径变长，内堤脚没有地下水溢出。这反映了堤防加固的效果。

为对比堤防加固前后地下水位的影响，分别在堤身中心、堤内距堤身30 m、70 m设置了3个虚拟观测孔YT-1、YT-2、YT-3，从流场图中读取这3个虚拟观测孔地表高程、地下水位埋深见表2。

由表2可以看出，加固前后，三个观测孔的水位略有波动，且洪水期水位变化大于枯水期；最大变化值为位于堤身中心的YT-1号观测孔，洪水期加固后的水位较加固前高0.282 m，枯水期加固后的水位较加固前高0.074 m；而距堤身30 m的YT-2号观测孔，洪水期加固后的水位较加固前仅高0.037 m，枯水期加固后的水位较加固前仅高0.007 m；YT-3的水位变化加固前后变化更小。

黄盖湖堤防一般高为2～8 m，本次堤防加固主要是对堤身进行加厚，堤身在加固前的渗透系数为10-4～10-5cm/s，也起到一定的挡水作用，所以分析判断堤防加固对地下水渗流场的影响会比较小，不会引发明显的生态环境问题。

表2 Ⅰ剖面堤防加固前后水位变化 m

注：埋深为负值时，是因上部有地表鱼塘水，故地下水头比池塘的地形高程高。

4 结语

黄盖湖流域总体地势南高北低，出露地层以第四系为主。区内地下水以松散层孔隙水和基岩裂隙水为主。经水质分析，流域内地表水污染严重，主要有居民生活污染源、农业面污染源及水产养殖污染源；浅层地下水同样受到污染，表现为Fe，Mn和硝酸盐超标。为提高堤坝的防洪能力，对堤防进行了综合治理，数值模拟结果表明，该工程不会影响与地下水有关的环境问题。治理工程涉及用量较少的化学物，但其可溶性较差，只要控制用料的质量和用量，对水质的影响会很轻微。