基于MODFLOW的水库渗漏综合分析与补源效果评价
时间：2023-06-28 08:45:02 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
王俊华
(江西省水利水电建设集团有限公司,江西 南昌 330000)
水资源是人类社会赖以生存和发展的基本资源，对人类社会的发展和进步具有不可替代的重要作用。随着经济的不断发展，人们对水资源的需求也呈现出不断增长的变化态势，而人们对水资源的无序和过度开发利用，也给水环境造成较大的压力[1]。我国是世界上人均水资源较为匮乏的国家之一，且受到气候等因素的影响，水资源分布时空不均的问题也十分突出。针对这一问题，我国大力进行水利工程建设，特别是利用水库的拦蓄和调节作用，使有限的水资源发挥出最大的效益。对水库建设和运行而言，渗漏是一种十分常见的现象，不仅会影响到水库的运行效率和供水安全，造成水资源的浪费，同时渗漏水还会对下游地区的地下水环境造成明显影响[2]。因此，针对水库的渗漏问题展开研究，分析水库渗漏的时空分布特征，研究其对下游地下水环境的影响已经成为水库建设和运行管理中亟待解决的技术性问题。
2.1 工程概况
水库是某市的工农业和生活用水主要来源，对保证城市供水安全发挥着重要作用。近年来，随着国民经济和社会事业的迅速发展，城市的水资源消耗量也呈现出逐渐递增的态势。目前，城市周边的现有水库规模有限，蓄积的地表水资源已经不能满足城市发展的需要，而大量开采地下水资源会引发生态、地质等方面的一系列问题。基于此，市政府积极筹措资金，规划建设一座中型水库，在缓解城市供水紧张的同时也可以凭借其调节作用，实现区域水资源的优化配置。水库位于市区上游的丘陵地带，设计库容为8350万m3，年可供水量3000万～3500万m3。水库于2012年开工建设，2014年建成投入运行。根据水文勘查资料，水库位于山前冲积扇和下游平原的交接部位，地势东高西低，建库前库区地面高程133.5～152.3m。含水层主要由裂隙黏土、壤土、中砂、粗砂等组成的第四系含水层，含水层下部主要为粗砂砾石层。水库渗漏、河流侧渗以及大气降水为地下水的主要补给来源，排泄方式主要是蒸发和向河流渗流。水库建成以来，一直存在比较显著的渗漏问题，并主要表现为库水沿着岩石的孔隙、裂隙、断层向沟谷低地和地下水含水层渗漏，在影响水库的效益发挥的同时也会对地下水资源补给和分布造成一定的影响。
2.2 MODFLOW渗漏计算模型
利用数值模拟软件可以实现对实际水文地质问题的数值计算模型构建和水库渗漏量的精确模拟计算。这种方式凭借其灵活性和高效性，已经成为水库渗漏研究领域不可获取的重要手段[3]。Visual MODFLOW是加拿大Waterloo水文地质公司开发的一款专门用于水文地质模拟计算的软件。该软件集成了MODFLOW、MODPATH、MT3D、PEST等多个功能模块，具有强大的图形可视化功能和便捷的操作性。因此，此次研究利用Visual MODFLOW软件进行模型构建，展开背景工程的渗漏量计算分析。
由于水库库区为典型的河谷地带，因此以两侧的山脊为基本依据，同时结合水库建设时的地质勘测数据，确定模拟区南北宽7500m，东西长约15500m，总面积约78.3km2。鉴于Visual MODFLOW软件在计算过程中使用的是有限元差分方法对模型进行解算的，因此模型的网格剖分精度对计算结果存在十分显著的影响[4]。综合考虑计算工作量和计算精度要求，将模型的东西方向剖分成142列，南北方向剖分成70行。为了提高计算精度，对渗流影响区域内对网格进行适当加密[5]。模型网格剖分示意图如图1所示。模拟时间开始于2014年，模拟时段以月为单位，模拟时间为8年。
图1 模型网格剖分示意图
由于模型模拟计算范围的南北两侧以山脊为边界，山区的侧向补给也是区域内地下水的重要补给通道，因此将其设置为通用水头，模型的东部边界为河流，也是地下水的重要补给来源，因此设为定水头边界，西部边界为地下水的排泄通道，因此设定为出流边界条件[6]。水库渗漏也是地下水的重要补给来源，因此在模型中视为定水头。此外，研究区的地下水还受到降雨入渗、潜水蒸发以及人工开采的影响，因此模型的上边界设定为面状补给边界，下边界设置为隔水边界条件。研究中根据调查资料，将计算区域的初始水位作为模型计算的初始条件[7]。
模型中地下水的动态主要受汇源项输入的影响[8]。相关研究表明，在一个长期稳定的系统中，如果能够对汇源项进行合理概化，就能最大限度减小初始条件对模拟结果的不利影响。结合相关研究成果，研究区的降雨入渗补给利用Recharge模块模拟；
水库的渗漏补给利用River模块模拟，人工开采Evapotranspiration模块模拟，潜水蒸发利用Well模块模拟。
3.1 水库渗漏分析
3.1.1不同蓄水位渗漏量
利用上节构建的模型对库区的月渗漏情况进行计算，并结合水库的实际运行数据，计算获取水库不同蓄水位情况下的日均渗漏量，结果见表1。根据计算结果绘制出人均渗漏量随库水位的变化曲线，结果如图2所示。从计算结果可以看出，水库的渗漏量和水库的库水位之间的存在十分密切的关系。随着库水位的增高，日均渗漏量呈现出不断增加的特点，且增加的速度也不断加快。由此可见，库水位是影响水库渗漏量的主要影响因素，库水位越高渗漏量越大。
表1 水库不同水位日均渗漏量计算结果
图2 水库日均渗漏量变化曲线
3.1.2年内渗漏变化
对水库建成运行期间每个月的渗漏总量进行计算并求出平均值，即可获取水库渗漏的年内变化情况，结果如图3所示。由图3可以看出，库区的渗流主要集中于汛期水库蓄水位升高之后。其中，8—12月的渗漏量较大，其中9月份的渗漏量最大，多年平均渗漏量为134.1万m3。渗漏量最小的是6月份，多年平均渗漏量为9.8万m3。究其原因，主要是水库在汛期的7—9月份蓄水，之后的10—12月份水库的蓄水量开始随着蒸发和渗漏损失逐渐下降，在次年的3—6月份基本处于空库状态，因此渗漏量也大幅减少。
图3 渗漏量年内变化曲线
3.1.3年际渗漏变化
对水库建成运行期间每年的渗漏量进行合计计算，获得每年的渗漏总量，并绘制出如图4所示的水库渗漏量年际变化情况。由图4可以看出，水库的渗漏量存在比较显著的年际差异。究其原因，主要是水库所处的地区为典型的温带大陆性季风气候，降雨存在比较显著的年际变化，因此水库的来流量和需水量也存在较大的年际差异。因此，水库蓄水量较大的年份渗漏量也相对较大，反之，渗漏量就相对较小。从具体的数据来看，水库运行后的年均渗漏量为899.5万m3，每年的入库径流量为3225.6万m3，因此渗漏损失基本占到年均入库径流量的27.9%。
图4 渗漏量年际变化曲线
3.2 水库渗漏的补源效果分析
3.2.1渗漏对裂隙岩溶地下水的影响
裂隙岩溶水是库区下游地区生产生活用水的重要水源。因此，此次研究主要针对水库蓄水和渗漏对下游裂隙岩溶水水位的影响，分析和证明水库的补源效果。
水库的库区下游裂隙岩溶发育，但是地质均匀性较差。该区域有3眼取用裂隙岩溶地下水的水井和1眼观测井。其中，观测井与水库大坝的直线距离为1500m，位于水库下游的断层附近。其井深为304m，上部为第四系松散沉积物，下部为泥质白云岩和白云质灰岩。研究中整理了2021年3月6日至2022年3月1日共360d的观测井水位资料，绘制出库水位和观测井水位的变化曲线，结果如图5所示。从图5可以看出，观测井的水位变化大致可以划分为3个阶段。其中，3月初至7月初为第一阶段。这一阶段水库基本处于无水状态，观测井的水位相对较低且呈现出波动下降的变化特点，地下水处于负平衡状态；
7月初至12月底为第二阶段，此时水库受到雨季降雨的影响，蓄水量迅速增加，库水位明显上升，渗漏量不断增大，因此观测井水位迅速上升并稳定于高水位。次年的1月初至3月初为第三阶段，由于降水量和来流量减少，库水位逐渐降低，渗漏量也不断减小，因此观测井的水位也呈现出迅速下降的变化特点。
图5 观测井与水库水位变化曲线
总之，库水和下游的裂隙岩溶水之间存在密切的水力联系，随着库水位的升降变化，渗漏量也不断增加或减小，并导致下游裂隙岩溶水水位的升降变化。当然，下游裂隙岩溶水水位的较库水位变化存在一定的滞后性。
3.2.2渗漏对下游水源地的影响
在水库建成之后每年年均渗漏899万m3补给下游的地下水，具有明显的补给效果。此次研究以水库下游地下水补给区的水源地为例进行分析，以印证水库渗漏的补源效果。该水源地共有15眼供水井和备用水井，井间距为15～110m，井深155～287m，主要取用奥陶系灰岩裂隙岩溶水。在水源地建成以来，自来水公司对水源地的地下水水质、水位和供水量等指标进行了系统的观测和记录，为此次研究提供了较为宝贵和完善的资料。此次研究中对水源地2001—2021年，21年间水源地地下水位数据进行分析，并绘制出如图6所示的水源地地下水位变化曲线。由图6可以看出，水源地的地下水位主要分为4个变化阶段：
图6 水源地水位变化曲线
第一阶段为2001年至2006年。该阶段水源地的供水量基本维持在1万m3/d的水平，由于供水量相对较小，因此对地下水位影响不大，因此地下水位基本呈现波动变化的特点，地下水整体呈现正均衡状态。
第二阶段为2007年至2014年。由于供水范围扩张，该阶段的水源地供水量大幅增加，由原来的1万m3/d增加到5.2万m3/d，受此影响，该阶段水源地的地下水位呈现出波动下降的变化趋势，地下水处于负均衡状态。
第三阶段为2014年至2019年。该阶段由于水库建成并开始在汛期蓄水，因此渗漏补给作用不断增强。虽然该阶段水源地的供水量进一步增加到6.6万m3/d，但是地下水位呈现出不断上升的变化趋势，尤其是2018年等丰水年的更为明显。受到渗漏作用的影响，水源地地下水呈现出新的动态平衡。
第四阶段为2019年至2021年。该阶段由于地表水替代工程的逐步实施，部分乡镇纳入城区供水管网，因此水源地供水量逐渐减少至3.5万m3/d。因此，水源地除了2021年上半年由于降水偏少地下水位有所下降之外，其余时段均呈现出上升趋势。由此可见，水库的蓄水运行和渗漏对下游地区的地下水水位补给作用十分明显。
水库渗漏几乎是不可避免的问题，一方面会造成水库蓄水量的流失和减少，另一方面也会对下游的地下水产生一定的补给作用。此次研究利用基于MODFLOW数值计算模型，展开水库渗漏分析研究及其对下游地下水的补源效果分析评价，对水库渗漏研究理论的丰富发展和相关研究具有一定的支持和借鉴。此次研究仅对渗漏补给效果进行了定性分析，并没有针对影响范围内不同区域的实际补给量进行定量研究。此外，水库渗漏研究设计多个学科、多种理论和方法。因此，在今后的研究中需要综合采用电法、磁法以及化学示踪等多种方式展开渗漏检测分析，以得出更为客观、科学的研究结论。
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