沉沙池報(bào)告最終結(jié)版

1、第三章沉沙池滲漏地下水環(huán)境影響模擬與評價(jià)沉沙池位于引黃入冀補(bǔ)淀工程渠首段，距離黃河較近，地下水位較淺，根據(jù) 黃河已有灌區(qū)沉沙池運(yùn)行實(shí)踐，沉沙池周邊極易出現(xiàn)鹽漬化現(xiàn)象。因此，沉沙池 運(yùn)用對地下水環(huán)境影響是本工程地下水環(huán)評專題的重點(diǎn)。此次采用解析法和數(shù)值 法對沉沙池滲漏進(jìn)行評價(jià)。第一節(jié)沉沙池地段水文地質(zhì)條件1.1沉沙池簡況渠村線沉沙池位于濮陽市濮陽縣渠村鄉(xiāng)巴寨村北，有鄉(xiāng)村路與S212、S307 公路相連，交通條件較便利。沙池布置在巴寨村北面的南湖干渠兩側(cè)，范圍為： 巴寨村以北，甘稱灣村以南，安邱村以西，北李莊、華莊村以東，南北長2500m， 東西寬100m。采用半地上式條渠梭型沉沙池，形狀為長方形

2、，總面積約370畝。 沉沙池四周圍堤頂寬為8.0m，邊坡為1:2。沉沙池最大工作深度為1.58m，沉沙 池池深4.5m。沉沙池場地現(xiàn)為稻田，地面高程57.1458.36m。本工作的評價(jià)區(qū)為沉沙池及其周邊沉沙池滲漏可能對地下水影響的范圍。1.2水文地質(zhì)條件評價(jià)區(qū)為黃河沖積平原，淺部分布有孔隙潛水含水層，由工程勘察可知，表 層巖性為：層輕粉質(zhì)壤土：-1層砂壤土，具中等透水性、-2層重粉質(zhì)壤 土；層中粉質(zhì)壤土具弱透水性，為相對隔水層。沉沙池基均以輕粉質(zhì)壤土為主， 滲透系數(shù)為0.35m/d。根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)條件，區(qū)域上潛水含水層的厚度為 50-70m，主含水層的滲透系數(shù)1-5m/d，給數(shù)度0.08。勘

3、探期間地下水位標(biāo)高56.8257.12m，埋深0.501.50m。本區(qū)地下水補(bǔ)給主要為大氣降水入滲和農(nóng)業(yè)灌溉入滲補(bǔ)給，由于地下水位埋 深淺，地下水蒸發(fā)是其主要排泄方式。由于地勢較平坦，地下水水平徑流緩慢。 評價(jià)區(qū)地表水渠較多，地下水與地表水有水力聯(lián)系，且隨季節(jié)的變化而轉(zhuǎn)化其相 互補(bǔ)排關(guān)系，因而其地下水動(dòng)態(tài)隨季節(jié)的變化較大。地下水化學(xué)類型為HCO3-Mg-Ca型。PH值7.34，礦化度0.559g/L，為中性 淡水；總硬度24.68德國度，屬硬水；侵蝕性CO2含量0.0mg/L。沉沙池建成運(yùn)行后，水面高出地面，容易引起滲漏，滲漏量大小與池區(qū)水文 地質(zhì)等有關(guān)。根據(jù)引黃入冀補(bǔ)淀工程可研報(bào)告，沉沙池滲

4、漏量分三個(gè)方案給 出：方案一：按最大調(diào)水量9.00X 108m3計(jì)算，沉沙池每年運(yùn)行期間滲漏損失量 約為1223X104m3 ；方案二：按照中、東線生效之前河北多年平均調(diào)水總量7.06 X 108m3計(jì)算，沉沙池每年運(yùn)行期間滲漏損失量約為1003 X 104m3；方案三：按 照中、東線生效之后河北多年平均調(diào)水總量6.2X108m3計(jì)算，沉沙池每年運(yùn)行 期間滲漏損失量約為905x104m3。第二節(jié)解析法評價(jià)沉沙池運(yùn)行對地下水環(huán)境影響2.1面井法沉沙池為東西寬100m，南北長2500m的矩形結(jié)構(gòu)，按引黃入冀補(bǔ)淀工程 可研報(bào)告，每年運(yùn)行期間有大量滲漏損失量。沉沙池在基底上的滲漏量分布比 較均勻，因此

5、將沉沙池概化為“矩形面井”(圖2.1)，采用面井公式進(jìn)行解析 計(jì)算。又因沉沙池每年只在運(yùn)行期間有滲漏量，相當(dāng)于面井在沉沙池運(yùn)行和非運(yùn) 行期間的回灌量不同，本次解析法評價(jià)預(yù)測十年，采用階梯流量法與面井法相結(jié) 合對沉沙池進(jìn)行評價(jià)滲漏。矩形面井公式：(2.1)式中：L一開采區(qū)長度的一半，m；b一開采區(qū)寬度的一半，m；8 開采強(qiáng)度，即單位時(shí)間單位面積上的開采量，m/d。上式中為積分函數(shù)，一般查表得，本次進(jìn)行了該函數(shù)的編程用于計(jì)算，公式 如下：本次計(jì)算選取了沉沙池中坐標(biāo)為（0，0）（中心點(diǎn)）及（1250，50）（角點(diǎn)） 兩點(diǎn)間沿線等距的點(diǎn)共十一個(gè)。時(shí)間按沉沙池運(yùn)行期天數(shù)為分割界限，結(jié)合矩形 面井及階梯流

6、量法進(jìn)行計(jì)算。公式中所涉及的水文地質(zhì)參數(shù)按照查閱文獻(xiàn)中沉沙 池地理位置處的相應(yīng)參數(shù)給出，其中滲透系數(shù)為5m/d，給水度0.08,含水層厚度 70m。圖2.1沉沙池面井法示意圖按第一節(jié)給定的三個(gè)方案的滲漏量，預(yù)測了沉沙池運(yùn)行十年地下水位的變化 情況，在此僅給出第三方案的預(yù)測結(jié)果。按照中、東線生效之后河北多年平均調(diào) 水總量6.2X 108m3計(jì)算，沉沙池每年運(yùn)行期間滲漏損失量約為905X 104m3的情 況，每年補(bǔ)給地下水量約為633.5 X104m3 （按損失量的70%補(bǔ)給計(jì)算）。運(yùn)用面 井解析公式計(jì)算出面井法預(yù)測沉沙池中心地下水位變化情況（圖2.2），由此看 出，沉沙池運(yùn)行期間水位升幅大約20

7、m左右，隨后的非運(yùn)行期間水位下降，但 總體是上升的趨勢。沉沙池第一年運(yùn)行期滲漏后，水位升幅為22.33 m，8個(gè)月 后水位升幅下降至17.96m，年升幅為4.37 m。在第二年的滲漏后水位升幅又略 有升高，之后每年繼續(xù)第一年的水位升幅增長下降趨勢，預(yù)測十年后水位升幅穩(wěn) 定在12.10m。沉沙池運(yùn)行期間沉沙池中心點(diǎn)水位上升幅度最大，計(jì)算點(diǎn)沿線往 外上升幅度依次減小。由此可見，如果按可研報(bào)告給定的第一、第二方案(沉沙池每年運(yùn)行期間滲 漏損失量約為1223X104m3、1003x104m3)計(jì)算，地下水位升高值還要大。005001000150020002500300035004000時(shí)間（天）圖2.

8、2面井法方案三十年后沉沙池中心點(diǎn)水位升幅2.2泰斯公式法將沉沙池底面積等效為圓形并求出相應(yīng)半徑，運(yùn)用潛水完整井流的公式進(jìn)行 沉沙池運(yùn)行十年降深計(jì)算。潛水完整井流公式：(2-2)s一在距中心點(diǎn)距離r上的水位升高值，m；如含水層厚度，m；。一滲漏水量，m3/d；K一含水層滲透系數(shù)，m/d；ijWYuY = I血W (u) 一井函數(shù)，J, 。含水層的參數(shù)、厚度取值同面井法。按第一節(jié)給定的三個(gè)方案的滲漏量，運(yùn)用泰斯公式預(yù)測了沉沙池運(yùn)行十年地 下水位的變化情況，在此也僅給出第三方案的預(yù)測結(jié)果。泰斯井流法進(jìn)行十年預(yù)測計(jì)算后，水位升幅較面井法計(jì)算值更大，十年水位 升幅如圖2.3所示。根據(jù)計(jì)算，沉沙池第一次滲

9、漏后，水位升幅為56.65m，8個(gè) 月后水位升幅下降48.70m，第一年升幅為7.95m。在第二年的滲漏后水位升幅又 略有升高，之后每年繼續(xù)第一年的水位升幅增長下降趨勢，預(yù)測十年后水位升幅 穩(wěn)定在19.43m。005001000150020002500300035004000時(shí)間（天）圖2.3泰斯井流法方案三十年后沉沙池中心水位升幅2.3結(jié)果分析由以上兩種算法可以看出，預(yù)測的沉沙池滲漏量可使地下水位大幅度上升， 地下水位抬高值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過地面標(biāo)高和沉沙池運(yùn)行水位，因而，所計(jì)算的結(jié)果是不 可信的，分析可能的原因如下：無論是矩形面井法還是泰斯公式法，主要適用于承壓含水層及埋深較深、 含水層厚度加大的潛

10、水含水層，但本評價(jià)區(qū)地下水位埋深較淺，存在較大的蒸發(fā) 量，以上兩個(gè)方法中均無法考慮潛水蒸發(fā)，可能對計(jì)算結(jié)果影響較大?？尚行匝芯繄?bào)告中給出的三種調(diào)水方案下的沉沙池的滲漏量過大，并非評 價(jià)區(qū)現(xiàn)有水文地質(zhì)條件情況下所能容納，導(dǎo)致計(jì)算得出的水位升幅過大。因而，有必要運(yùn)用地下水?dāng)?shù)值模擬方法，對沉沙池滲漏的地下水環(huán)境影響進(jìn) 行評價(jià)。第三節(jié)數(shù)值法評價(jià)沉沙池運(yùn)行地下水環(huán)境影響3.1水文地質(zhì)概念模型根據(jù)前述水文地質(zhì)條件，本工作的重點(diǎn)關(guān)注含水層為潛水含水層，因而，模 擬層為潛水含水層。對于區(qū)域而言，沉砂池的分布面積是局部的，僅有 2500mx100m，通過多次試算，沉砂池滲漏對地下水的影響范圍不會(huì)超過半徑 5km

11、，因而模擬區(qū)的范圍確定為以沉砂池為中心的10kmx10km的范圍（見圖3.1）。10km57.75m56.92mb.A-A剖面示意圖3.1沉沙池概況示意圖由于缺乏評價(jià)區(qū)水文地質(zhì)鉆孔資料，無法精確確定潛水含水層的底板埋深和 標(biāo)高。根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)條件，本地區(qū)潛水含水層底板的埋深50-70m，本次建 模確定潛水含水層的埋深70m。模擬區(qū)地面標(biāo)高變化甚微，本模型中取為57.75m。根據(jù)前期工作，地下水位埋深在0.51.5之間，為了簡化計(jì)算，取本區(qū)平均 潛水位標(biāo)高56.92m做為模擬區(qū)初始水位。由于模擬區(qū)面積僅100km2，可認(rèn)為在平面上潛水含水層結(jié)構(gòu)變化不大，含 水層為均質(zhì)各向同性，根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)

12、條件，滲透系數(shù)分布范圍1-5m/d，給 水度0.08。由于沉砂池滲漏對地下水的影響范圍波及不到模擬區(qū)的邊界，因而將模擬區(qū) 四周邊界概化成定位頭邊界，定水位值為初始水位56.92m。頂部邊界接受大氣 降水補(bǔ)給以及蒸發(fā)排泄，底部邊界處理為隔水邊界。模擬區(qū)地下水位埋深潛，地下水的主要排泄以蒸發(fā)為主，模型中采用阿偉揚(yáng)諾 夫公式計(jì)算地下水蒸發(fā)量：0H - h D一 H - h一E0(1 -廠)H -h 0式中：r一類邊界;h1-一類邊界水位值，在此，h0=56.92m。對于沉砂池滲漏量，有兩種處理方法：處理為滲漏量，在控制方程的源匯項(xiàng)p中體現(xiàn)。處理為三類邊界，即：g） _k 竺=o cn dz2式中：h

13、r-沉砂池運(yùn)行期間水位標(biāo)高（m）； Kn一邊界面法向方向的滲透系數(shù)（m/d）；匚一沉砂池滲漏面；c-沉砂池底弱透水層的阻力系數(shù)（d），c = ，m為弱透水2K層的厚度，K為弱透水層的垂向滲透系數(shù)。運(yùn)用Visual MODFLOW軟件求解以上微分方程的定解問題。根據(jù)沉沙池水文地 質(zhì)結(jié)構(gòu)和源匯項(xiàng)的特征，選擇相應(yīng)的子程序包來實(shí)現(xiàn)地下水流的模擬，本次所建 地下水模型主要用到以下幾個(gè)子程序包。CHD子程序包，用于處理定水頭邊界；RCH子程序包，用于處理井水和灌溉入滲補(bǔ)給；EVT蒸發(fā)蒸騰子程序包，用于計(jì)算潛水蒸發(fā)；WEL子程序包，用于處理沉砂池滲漏量；RIV-子程序包，處理做為三類邊界的沉砂池。3.3時(shí)空

14、離散采用200mX200m的網(wǎng)格剖分格式，在沉沙池重點(diǎn)地段進(jìn)行網(wǎng)格加密，剖分 成20mX20m的網(wǎng)格間距剖分圖如圖3.2所示。本次模型模擬期為10年，每年分滲漏（沉砂池運(yùn)行期）和非滲漏（沉砂池 非運(yùn)行期）2個(gè)時(shí)段，滲漏時(shí)間段為每年冬四月并前后外延一個(gè)月，共122天， 非滲漏時(shí)間段每年共243天。每個(gè)時(shí)段分10個(gè)步長迭代。圖例沉沙池定水位邊界網(wǎng)格剖分dli|卯晶L2lIlIiEljlll1訕|圖3.2模型剖分及邊界示意圖3.4按“可研”給定滲漏量預(yù)測結(jié)果可研報(bào)告給定了三個(gè)預(yù)算方案，滲漏量分別為905X 104m3/年、1003X104m 3/年、1223X104m3/年左右，本次模型選取滲漏損失

15、量最小的方案（905X104m3/年）對沉沙池的影響進(jìn)行評價(jià)。沉沙池每年有122天滲漏，其余243天不滲漏。 模型將633.5 104m3/a（按滲漏損失量的70%補(bǔ)給地下水）化成強(qiáng)度均勻分配到沉 沙池內(nèi)作為面狀補(bǔ)給，讓其在122天均勻滲漏，其余243天滲漏量設(shè)置為0,通 過模擬十年后地下水位的變化可以發(fā)現(xiàn)：第一年沉沙池滲漏122天后，沉沙池影響范圍內(nèi)地下水位激增，增幅最大位 于沉沙池中心處，最高地下水位變幅可達(dá)105m （如圖3.3所示），隨后243天 隨著蒸發(fā)量的增大水位又漸漸恢復(fù)，每年都是如此（見圖3.5）。運(yùn)行10年后， 第10年沉沙池滲漏122天后，最大增幅仍然是105m （見圖3.

16、4）。圖3.3第一年沉沙池滲漏122天后水位變幅圖圖3.5第一年運(yùn)行期結(jié)束沉沙池附近觀測孔水位變化圖3.4第十年沉沙池滲漏122天后水位變幅圖3.5按三類邊界條件處理沉沙池的預(yù)測結(jié)果3.5.1預(yù)測結(jié)果鑒于滲漏量的不合理性，模型將沉沙池處理為三類邊界條件，通過沉沙池水 位反算入滲量。具體處理方式是運(yùn)用MODFLOW中的RIV子程序包把沉沙池處理成 年內(nèi)間歇性有水的河流。根據(jù)沉沙池可研報(bào)告，沉沙池水位57.95，河底高程 57.42，地下水初始水位56.92，河床底基物滲透系數(shù)0.35m/d，含水層給水度 0.08，含水層K為2m/d，河流年內(nèi)122天有水，243天無水，累積計(jì)算十年。通過圖3.8

17、可以看出，第十年滲漏期122天過后，水位基本穩(wěn)定在57.3m 左右，最大升幅約80cm,水位相比于方案一漲幅合理。通過變差圖3.6可以看出， 將末流場水位與無沉沙池運(yùn)行10年后的模型末流場水位做差，可以知道第十年 滲漏剛完成時(shí)大部分區(qū)域水位上升是5到10cm，以0.01m作為影響范圍界限， 計(jì)算出來影響面積達(dá)到12.5km2，圖中可以看到池子中心處漲幅比較大，達(dá)到 80cm；穩(wěn)定后水位較無沉沙池情況漲幅在13cm左右，池子中心處漲幅最大，大 約3cm（見圖3.7）,沉沙池附近觀測孔水位變化穩(wěn)定，水位基本處于57cm到58cm 之間（見圖3.8）圖3.7十年后末流場水位較無沉沙池流場漲幅圖通過模

18、擬區(qū)十年的均衡分析可以看出，十年平均沉砂池的滲漏量為32.2x104m3/a，相比無沉砂池的蒸發(fā)量可知，蒸發(fā)量增加了 32.1x104ms/a，也就是 說滲漏量的99.7%通過蒸發(fā)排泄（通過表1可以看出），因而沉砂池的滲漏引起 的地下水位回升并沒有持續(xù)擴(kuò)展。表3.1有無沉砂池十年平均均衡對比表區(qū)域模型均衡項(xiàng)有沉沙池十年平均均衡無沉沙池十年平均均衡數(shù)量（104m3/a）比例數(shù)量（104m3/a）比例補(bǔ)給 量降雨入滲32929.9099.90%32929.90100.00%定水位邊界流入0.000.00%0.000.00%沉沙池滲漏量32.210.10%0.000.00%小計(jì)32962.10100

19、.00%32929.90100.00%排泄 量蒸發(fā)32630.1599.28%32598.0599.28%定水位邊界流出237.150.72%237.150.72%地下水反補(bǔ)沉沙池0.000.00%0.000.00%小計(jì)32867.31100.00%32835.21100.00%總計(jì)總補(bǔ)排差94.7994.69儲(chǔ)存量的變化94.8494.633.5.2不確定性分析在沉沙池模型中，含水層滲透系數(shù)K和河流底基層厚度M是至關(guān)重要的兩個(gè) 參數(shù)。但由于本次工作沒有更深入的工作，因而上面所給出的水文地質(zhì)參數(shù)有很 大的不確定性，因而會(huì)給預(yù)測結(jié)果帶來不確定性。本工作通過對滲透系數(shù)和河流 底基層厚度進(jìn)行了靈敏度

20、計(jì)算，分別分析滲透系數(shù)與沉沙池影響范圍，最大水位 漲幅的關(guān)系，以及河床底積物厚度與最大地下水位升幅，沉沙池影響范圍，以及 沉沙池滲漏量的關(guān)系。為沉砂池防滲方案的確定提供更有價(jià)值的參考數(shù)據(jù)。根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)條件，模擬區(qū)潛水含水層的滲透系數(shù)大致在1-5m/d范圍 內(nèi)，因而確定K值靈敏度分析的范圍為1-5m/d。由圖3.9、圖3.10可以看出， 沉沙池影響面積與滲透系數(shù)K正相關(guān)，并呈現(xiàn)拋物線型的函數(shù)關(guān)系，沉沙池附近 地下水位的最高水位升幅隨著K的增大呈線性減小，當(dāng)K=1m/d時(shí)，水位上升的 面積為10km2；當(dāng)K=5 m/d時(shí)，水位上升的面積為16.5km2。因而地下水位上升的 影響面積大致為101

21、6km2。滲透系數(shù)的變化對水位上升值的影響并不大，最大上 升幅度均在1m左右（見圖3.10）。根據(jù)根據(jù)當(dāng)?shù)毓こ痰刭|(zhì)條件，沉沙池底基層厚度大致在0.1-1 m范圍內(nèi)，因 而確定M值靈敏度分析的范圍為0.1-1m/d。由圖3.11、圖3.12、圖3.13可以 看出，沉沙池影響面積、沉沙池入滲量、沉沙池附近地下水位最大升幅均與沉沙 池底基層厚度負(fù)相關(guān)，即厚度越大影響范圍越小、沉沙池入滲量越小，沉沙池附 近地下水位升幅最小。當(dāng)M=0.1m時(shí)，水位上升的面積為12.54km2；當(dāng)M=1 m/d時(shí)，水位上升的面積為12.46km2。因而地下水位上升的影響面積大致為 12.4612.54km2，由此可以看出

22、沉沙池底基層厚度對水位受影響面積影響不大。 沉沙池底基層厚度的變化對水位上升值的影響并不大，最大上升幅度均在1m左 右（見圖4.5）。圖3.9沉沙池影響面積與滲透系數(shù)K的相關(guān)性圖3.10沉沙池附近觀測孔的最高水位與滲透系數(shù)K的相關(guān)性120.40.60.8沉沙池底基層厚度（m）圖3.11沉沙池影響范圍和底基層厚度相關(guān)性*104m3/d3130.53 0IIIii00.20.40.60.81沉沙池底基層厚度（m）圖3.12河流入滲量和底基層厚度相關(guān)性1 8 6 4 2 O.O.O.O. 沉沙池附近最大水位升幅(m)0.40.60.8沉沙池底基層厚度（m）圖3.13沉沙池附近觀測孔的最高水位與沉沙池

23、底基層厚度M的相關(guān)性3.6數(shù)值模擬結(jié)果分析地下水初始水位到沉沙池底部的距離約0.5m，如圖3.3、3.4呈現(xiàn)的增幅已 遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出地表。由圖3.6可知，第一年沉沙池運(yùn)行期過后，受影響顯著的范圍基 本上是半徑為5km的面積，極限狀態(tài)下，假設(shè)水位全部升到池底，含水層接受的 極限最大補(bǔ)給量約628 X 104m3/a，從均衡可知，本區(qū)降雨和蒸發(fā)基本處于平衡狀 態(tài)，可研報(bào)告設(shè)計(jì)方案中給出的三個(gè)方案滲漏量分別為905X104m3/a、1003 X 104m3/a、1223 X 104m3/a，取沉沙池每年運(yùn)行期間滲漏損失量最小的905 X104m3/a的情況分析，這種方案下每年補(bǔ)給地下水量約為633.5 X

24、104m3 （按損失 量的70%補(bǔ)給計(jì)算），超出含水層的允許庫容。因此，可研報(bào)告方案中給出的入 滲量并不合理。由此可知，其余兩個(gè)滲漏量更大的方案自然也不合理。鑒于滲漏量的不合理性，模型將沉沙池處理為三類邊界條件，通過沉沙池水 位反算入滲量。具體處理方式是運(yùn)用MODFLOW中的RIV子程序包把沉沙池處理成 年內(nèi)間歇性有水的河流。根據(jù)沉沙池可研報(bào)告，沉沙池水位57.95m，河底高程 57.42m，地下水初始水位56.92m，河床底基物滲透系數(shù)0.35m/d，含水層K為 2m/d，沉砂池年內(nèi)122天有水，243天無水，累積計(jì)算十年。模擬得到，沉沙池 運(yùn)行后由于滲漏量大部分用于蒸發(fā)，所以沒有出現(xiàn)之前提到的水位激增的情況， 水位增幅在1m左右，比較合理，十年后水位穩(wěn)定。影響面積大約在12km2左右， 反算得到的滲漏