人工湖湖底防渗处理及人工补水量水量分析

王 博，李筱龙

（宝鸡市水利水电规划勘测设计院,陕西 宝鸡 721000）

人工湖作为生态水面景观的一种载体,一直应用于各种公园、生活区、水生态治理当中,作为景观水面,水面的蒸发、下渗一直影响着人工湖的水面景观效果,如何科学有效补水,维持人工湖水面景观、水深问题,值得深入研究。本文以陕西千渭之会国家湿地公园为例,采用人工湖湖底换填土、土工膜防渗方式及人工补水分析,以达到人工湖长期蓄水总量的平衡。

1 基本概况

陕西千渭之会国家湿地公园位陕西省宝鸡市千渭交汇处,涉及凤翔县、陈仓区、高新区,范围西起渭河卧龙寺大桥,东至渭河凤凰大桥,北起千河王家崖水库,南至渭河滨河南路,南北长17 km,东西宽7 km,总面积1864 hm2,其中湿地面积1737 hm2,占公园总面积的93.2%。公园分为湿地保育、恢复重建、科普宣教、管理服务和合理利用五大功能区。

陕西千渭之会国家湿地公园管理处成立于2013 年,隶属于陕西省宝鸡市林业局管理。主要职责包括：编制湿地公园生态保护与发展规划,并组织实施；负责公园内湿地保护和管理工作；负责公园内湿地生态系统恢复、科研检测、科普宣传、湿地资源利用工作；负责公园内建设项目的申报,年度计划安排,落实安全生产、督查考核等工作。2021年2月5日,被中国林学会命名为第五批全国林草科普基地,有效期为2021年～2024年。

人工湖规划区位于宝鸡市行政中心以东3.5 km,千河、渭河交汇地带,本次设计范围为千渭之会国家湿地公园核心区（北区）,总面积为42.65 万m2,基地范围北起陈仓大道,南至为河北,人工湖湖面面积为2.3 万m2,人工湖平均深度为1.5 m。根据《宝鸡市水文实用手册》,规划地多年平均降水量为677 mm,多年平均蒸发量为550 mm。

2 工程的意义

2.1 工程地质条件

2.1.1 地形地貌

拟建场地位于湿地公园东端,地处千河、渭河交汇的三角洲区域,地貌单元属于河漫滩。场地南区现存在三家采石场,现状正在开采,场区有数个砂石料堆及回填采坑,对原始地貌改变极大。场地地形基本平坦,孔口高程548.28 m～557.26 m,最大高差8.98 m。

2.1.2 地层

据勘探揭露,场地地层自上而下依次由第四系全新统杂填土,冲洪积砂土、卵石；第三系砂砾岩构成。现按地基土的成因类型、岩性及物理力学性质差异,分区分层描述如下。

第1层杂填土：杂色、局部呈现褐黄色,稍湿,松散～稍密。填土主要由粉土、砂土及少量建筑垃圾组成,各主要成分含量不一,混合不均,疏密不均,局部为素填土。

第2层粉土：褐黄色,稍湿,稍密。表层局部耕种,含植物根系。层厚0.40 m～2.00 m,层底深度0.40 m～2.00 m,层底高程551.38 m～554.27 m。

第3层中砂：褐黄色,黄色,稍湿稍密～中密。

第4层卵石：杂色,顶部稍湿饱和,中密～密实。

第5层砂砾岩：褐黄色,饱和中密～密实。泥质胶结,全风化,岩芯破碎,破碎,破碎,为半成岩。该层未穿透,揭露厚度1.00 m～14.20 m,孔底深度10.0 m～20.30 m,层底高程528.18 m～542.48 m。

2.1.3 地下水

勘察期间,实测勘探点水位埋深3.80 m～9.30 m,相应高程为544.68m～548.36m,属潜水类型,主要受大气降水以及河水下渗补给,以地下径流的方式排泄,地下水位年变幅2.0 m,勘察期属枯水期。

2.2 需要解决的问题

由于人工湖工程建设场地位于原有河漫滩,场地地层自上而下依次由第四系全新统杂填土,冲洪积砂土、卵石；第三系砂砾岩构成,由此组成的人工湖湖底很难储存水体,亦无法保证人工湖的稳定水位,防止湖底发生渗流破坏,这就使得人工湖无法正常发挥水面景观效应,要使人工湖长期维持稳定的水位,就需要不间断的补充水源来弥补湖水的流失,这就造成不必要的水资源、人力、物力的浪费。

为此,本文主要针对人工湖湖底渗漏问题,以及如何进行防渗处理进行详细分析,下文将采用人工湖湖底换填土、土工膜防渗不同方式的比选及人工补水分析,从中选择出较为经济、环保、可行的防渗措施,以达到人工湖长期蓄水总量的平衡。

3 防渗措施分析

3.1 人工湖底换填黄土防渗

黄土的土粒细微,土中水分多以结合水的形式存在,土颗粒包裹于强弱结合水中,仅有小部分的自由水在非结合水所占据的空间中渗透。另外,黄土层经过洒水、碾压后,土料透水性更小,采用黄土进行湖底防渗,在很多工程应用较为广泛。

依据《宝鸡千渭之会国家湿地公园岩土工程勘察报告》可知,湖底现状地基土由杂填土、粉土、中砂、卵石、砂砾岩组成,对于湖底换填土采用黄土碾压换填。各类土的渗透系数见表1。

表1 各类土的渗透系数

根据《土力学》（清华大学出版社2013.07）第二章土的渗透性和渗流问题关于土体垂直层面方向的等效渗透系数Kz的计算：

经计算人工湖湖底换填土黄土层后在分别选取0.3 m、0.4 m、0.5 m的情况下,湖底土体的等效渗透系数为1.25×10-6cm/s、1.22×10-6cm/s、1.18×10-6cm/s。所 对 应 的 渗 透 流 量 为14.38×10-4m3/s、10.52×10-4m3/s、8.14×10-4m3/s。

3.2 土工膜防渗

土工膜是一种新的防渗材料,相较于传统的防渗材料（土质防渗体、混凝土、沥青等）工期短、造价低、防渗效果好,它们是一种高分子化学柔性材料,密度较小,延伸性较强,适应变形能力高,耐腐蚀,耐低温,抗冻性能好。

对于土工膜的渗透计算,可利用达西定律分析其渗透规律,渗透流量计算公式为：

式中：A为土工膜的渗透面积；kg为土工膜的渗透系数；i为水力梯度；Δh为土工膜的前后水头差；Tg为土工膜的厚度,取0.5 mm。

根据土工膜渗透试验的结果,完整无缺陷的土工膜的渗透系数kg约为1×10-11cm/s～1×10-13cm/s,相对应的渗透量为6.9×10-6m3/s,相比其他防渗材料来说,其渗透性极小。

3.3 两种防渗措施的优缺点

3.3.1 黄土层防渗方案

黄土层防渗后的湖底,可以大幅度降低渗漏水量,而不会完全停止渗漏,能保证适当的渗漏率,不会阻断湖水与地下水的双向调节,不使湖水变成死水,这种防渗方案不会给环境带来不利影响。同时,黄土对水质净化也有重要作用,特别是它可以不断吸附水体中的无机磷化物,从而避免湖泊的富氧化过程,阻止有毒性的藻类生长,有利于人工湖水生态系统恢复,具有“纳污吐新”的特点,与周围园林景观自然和谐。使用黄土防渗,既有科学依据,还有实践证明,可操作性强,随处可取,造价低,与自然和谐。

3.3.2 土工膜防渗方案

土工膜防渗就是在湖底敷设一层或多层土工膜,土工膜由塑料薄膜、无纺布复合而成的土工防渗材料构成,它的防渗性能由塑料薄膜的防渗性决定。它们是一种高分子化学柔性材料,密度小、延伸性强、适应变形能力高、耐腐蚀、耐低温、抗冻性能好,但土工膜防渗完全阻碍了天然地层中地下水的下渗过程。

虽说土工膜是否有毒还有待进一步研究,但不可否认,天然黄土湖底防渗显然比铺设土工膜更符合生态要求。在湖底与湖岸边进行大面积防渗膜的铺设,虽然能够形成并维持较大的水面景观,但也会对湖底和湖岸边的植物生长产生负面影响。同时,由于在工程建设过程中缺乏有效的保护措施,造成了水生生态系统的严重破坏,大面积铺设防渗膜实现湖底防渗既不科学,也不被提倡。经比选,推荐使用天然黄土湖底防渗措施。

4 水量平衡分析

4.1 水量损耗

人工湖的水量损耗主要是自然蒸发、下渗：

自然蒸发水量=550×10-3×2.3=1.27万m3

下渗水量跟当地的地质条件有关,在对人工湖湖底换填不同厚度黄土碾压防渗处理的条件下可得人工湖年下渗量：

（1）换填0.3 m黄土碾压下的年下渗量=14.38×10-4×86400×365=4.53万m3

（2）换填0.4 m黄土碾压下的年下渗量=10.52×10-4×86400×365=3.32万m3

（3）换填0.5 m黄土碾压下的年下渗量=8.14×10-4×86400×365=2.57万m3

（4）土工膜防渗情况下的年下渗量=6.9×10-6×86400×365=0.022万m3

为使人工湖整个水体形成循环状态,考虑到水体的置换需求,土工膜虽防渗效果好,年下渗量远远小于黄土换填的湖底,但不利于人工湖整个水体的循环交换,故而采用黄土换填进行湖底防渗,更适宜人工湖的使用需求。

经计算对比换填黄土0.5 m比较合适,同时须对换填黄土的压实系数不小于0.95。

故而,人工湖水量年损耗总量=人工湖年自然蒸发量+人工湖年下渗量=1.27+2.57=3.84万m3。

4.2 水量自然补给

自然湖泊能够维持一定的库容水量,主要是依靠河流的直接汇入,地下水补给以及汇流范围内的降水补充。对本规划区的人工湖而言,显然不存在天然河流的直接汇入和地下水的补给；在自然条件下,人工湖的补水来源只有降水,进入湖中的降水由湖面即周边降水组成。

人工湖湖面多年平均降雨量=677×10-3×2.3=1.56万m3

4.3 需要人工辅助补水量

人工湖年需补水量=人工湖水量年损耗总量-人工湖年自然补水总量=3.84-1.56=2.28万m3

人工湖需人工辅助补水流量=1.01×104÷365=62 m3/天

5 结语

通过黄土、土工膜的渗透性对比,比选出适宜于人工湖湖底防渗措施,经人工湖湖底渗透计算和人工湖水量平衡分析,可以确定出人工湖年需水量,进而计算出人工湖长流水补水流量；依此,在人工湖湖底换填不同厚度黄土碾压防渗处理的基础上,通过人工补水方式可以有效解决规划区人工湖蓄水水量的平衡问题。