第６卷总第３８期・南水北调与水利科技・２００８年第５期 ２ 中线干渠沿线地下水进入渠道的可能性分析 ２．１地下水位高于渠道设计水位渠段分布 根据对南水北调中线一期工程沿线水文地质条件及中 线工程渠道设计水位的对比分析，中线输水总干渠从丹江 口水库陶岔渠首引水，经过伏牛山、太行山山前的一系列冲 洪积扇地区，沿线多数地段地下水位埋藏较深，地下水水位 绝大部分低于渠道设计水位，但在部分地区的地下水位埋 深较浅，存在高于渠道水位的渠段，主要位于河南省及河北 省境内明渠段。 据监测资料，中线沿线浅层地下水水位埋深区间处于 ２．２～６７．５ ｒｆｌ之间，其中北京渠段沿线介于１０￣２０ ｍ；河北渠 段沿线绝大部分大于２０ ｍ，局部地段如高碑店市、新乐市及 邯郸市部分地区介于１０￣２０ ｍ，零星地区如河北磁县一邯郸 县渠段及涿州段介于５～ｌＯ ｍ之间，磁县山前渠段小于５ ｍ； 河南段干渠沿线基本介于５～ｌＯ ｍ，，新郑市及南阳市局部地 段大于ｌＯ ｍ，新乡市辉县及武涉县、禹州市、平顶山市宝丰县 及南阳镇平县零星地段小于５ ｍ。统计中线工程总干渠沿线 浅层地下水水位高于渠道设计水位的渠段累计长约６７．５ ｋｍ，约占明渠段总长的５．６ （详见表１）。 表１ 南水北调中线沿线地下水位高于渠道设计水位明渠段分布统计 渠道设计分段 陶岔一沙河南段 沙河南一黄河南段 黄河北一漳河南段 穿漳段 漳河北一古运河段 古运河一北拒马河中支段 分渠段长度／ｋｍ ２３９．４ ２３４．７ ２３７．４ 长度／ｋｍ ２６．１ １６．６ ５．０ —— 占分渠段比例（ ） １Ｏ．９ ７．１ ２．１ —— 占明渠段总长比例（ ） ２．２ １．４ ０．４ —— １．０ ２３７、２ ２２７．４ １３．０ ６．７ ５．５ １．１ ０．６ ３ 上述渠段分布于河南省的南阳市、平顶山市、郑州市、焦 作市，以及河北省的邯郸市、邢台市、石家庄市及保定市。 根据《渠道防渗工程技术规范》（ＳＩ １８—９１）Ⅲ８ 和《水工混凝 土结构设计规范》（ＳＬ／Ｔ１９１—９６）Ⅲｇ 的规定，南水北调中线一 ２．２地下水进入渠道的途径分析 ２．２．１ 中线工程渠道防渗设计一般情况下，输水渠道渠底 渠坡存在低渗透性天然沉积物层或者弱渗透性的人工衬砌物 层，形成了渗透系数比含水层渗透系数很小的弱隔水层。不 期工程渠道混凝土衬砌材料均采用强度等级为Ｃ２０，抗渗等 级为Ｗ６，计算获得该混凝土衬砌材料的渗透系数约为 ２×１０ ～５×１０～ｃｍ／ｓ。因此，在一定的渗透水流作用下， 南水北调中线一期工程沿线干渠地下水通过混凝土衬砌入渗 影响渠系水的可能性得到排除。 同的渠道衬砌物材料及衬砌方法是决定渠道与地下水之间水 量转化特征的重要因素，衬砌物层的透水能力直接影响了二 者的相互转化关系＿６ｊ。 根据南水北凋中线一期工程可行性研究报告Ⅲ７］，为防止 ２．２．２中线工程渠道排水设计已建工程的经验表明，做好 衬砌体下排水设施是增加抗浮稳定的有效措施［１ 。根据衬 砌稳定计算结果、渠道衬砌型式和挖填情况、干渠沿线地形和 渗漏、减小水头损失、保护渠坡及保证工程安全运行，总干渠 明渠全渠段采用混凝土衬砌，衬砌范围为梯形过水断面的渠 底和边坡。衬砌材料厚度一般为８～ｌＯ ｃｍ，对于土质较好、 渗透系数小于ｉ×１０ ｃｍ／ｓ（ｉ一１～５）的渠段，混凝土衬砌已 能起到较好的防渗作用；对于地下水位等于或高于渠道设计 水文地质条件等综合情况，中线一期工程布设了防止地下水 扬压力破坏的工程排水设施 ］。排水方案设计为以下三种型 式：①暗管集水，地下水外排；②集水井集水，地下水强排；③ 渠坡设暗管集水，逆止式集水箱自流内排，其中内排形式成为 地下水进入渠道的主要途径。据统计，总干渠明渠段采取内 排排水的渠段累计长约３２８．４ ｋｍ，约占明渠段全长的 ２７．４ ，总干渠各设计渠段均有分布（详见表２）。 水位的渠段适当增加衬砌厚度至２２～２５ ｃｍ；对于中强渗漏 等特殊渠段根据需要加设双面复合土工膜。 表２南水北调中线明渠段内排布设分布统计 渠道设计分段 陶岔～沙河南段 沙河南一黄河南段 黄河北一漳河南段 分渠段长度／ｋｍ ２３９．４ ２３４．７ 长度／ｋｍ １２６．４ ７５．７ ５９．０ —— 占分渠段比例（ ） ５２．８ ３２．３ ２４．９ 占明渠段总长比例（ ） １Ｏ．６ ６．３ ４．９ —— ２３７．４ 穿漳段 １．０ ２３７．２ ２２７．４ 漳河北一古运河段 古运河一北拒马河中支段 ２４．３ ４３．０ １Ｏ．２ ２．０ ３．６ ２７．４ １８．９ 从供水水质安全的角度而言，若处于上述渠段附近的地 下水受到污染，当地下水水位高于渠道水位，其中的污染物就 ・有可能排入输水干渠，存在污染干渠水质的可能，需要进一步 开展定量及定性的研究。 ２・ 南水北调 维普资讯 http://www.cqvip.com 左海风等・南水北调中线沿线劣质地下水对输水水质的潜在风险分析 ３地下水进入渠道的水量计算 由于南水北调中线工程南北跨度大，干渠沿线地质、水文 地质条件复杂，本文通过分析其水文地质条件、地下水水位和 地下水水质情况、渠道工程设计等综合因素，确定以河北省磁 县境内渠段作为典型渠段，定量计算排入渠道的地下水水量。 研究渠段以冀豫交界处的漳河渠倒虹出口为起点，向北 至东武仕滏阳河梁式渡槽进口为终点。输水渠道梯形过水断 （ｒｎ。／ｓ） 一污染物排放浓度（ｍｇ／Ｌ）；Ｑ一上游来水流量 （ｍ。／ｓ）；Ｃｈ一上游来水污染物浓度（ｍｇ／Ｌ）。 根据磁县地区水环境监测资料分析表明，磁县地下水水 质状况总体良好，但位于地下水上游的武安市及邯郸市辖区 水质较差，地下水水质为Ⅳ～Ｖ类水，主要超标物质为氨氮、 亚硝酸盐氮、总硬度、硫酸盐等，其中２００６年地下水监测井点 氨氮最高含量为１．８９ ｍｇ／Ｌ，污染物随地下水径流迁移、扩 散，对磁县地下水存在潜在威胁；根据２００７年８月滏阳河水 面采用８～１０ ｃｍ厚度的混凝土板衬砌，部分渠段铺设复合土 工膜加强防渗。 研究区位于漳卫河流域山前向丘陵平原区过渡地带，沿 质监测结果，磁县北开河城关断面为地表水超Ｖ类水体，主要 超标污染物为氨氮。据此，本文以氨氮作为典型污染组分，进 一步判断劣质地下水是否对干渠水质造成影响。 山前呈条带状分布，由漳河、滏阳河冲洪积组合而成。侧向边 界以东西部为流量边界，南北部为水位边界，垂向边界主要考 虑降水入渗面状补给。研究区内与中线干渠相关的地层分布 简单，表层主要以砂黏土或砂壤土为主；含水层岩性主要为 坡、洪积作用形成的砂、砂卵石及卵石等，含水层之间夹薄层 黏土或粉质黏土层；下部为黏土层。磁县境内地下水水位埋 深浅，研究区内地下水水位高于渠道设计水位的渠段累计长 约２．４ ｋｍ，约占该渠段的１６．４ ，均采取了内排排水措施（见 图１）。 一 北 十 －・ 边 －・魄量越 ｍ ．． ： ．．．．．． 图１计算渠段示意图 地下水向渠道的排入量取决于地下水水位与总干渠渠道 水位之间的水位差的变化情况。本文建立研究区水文地质结 构模型及三维地下水流数值模型，采用Ｍｏｄｆｌｏｗ沟渠子程序 包［１Ｉ＝处理上述内排段地下水向总干渠渠道的排放量。 依据模拟计算成果，研究渠段存在浅层地下水向渠道的 排放，当设定地下水水位埋深升高至３ ｍ时，为地下水对渠系 水影响风险最大的情景，而地下水排放流量仅为渠道设计流 量的０．０２７ 。 ４劣质地下水潜在风险分析 依据国家建设项目环境影响评价应遵循的技术原则［１２］， 对于点源排放持久性污染物，一股废水排入河流后能与河水 迅速完全混合，则混合后污染物浓度为： Ｑ ＋“Ｑ＾ —一 Ｑ ＋Ｑ 式中：ｃ一完全混合的水质浓度（ｒａｇ／Ｌ）； 一污水排放量 依据《地下水环境质量标准））（ＧＢ／Ｔ １４８４８—９３），当氨氮＞ ０．５ ｍｇ／Ｌ时为Ｖ类水；依据《地表水环境质量标准》 （ＧＢ３８３８—２００２），当氨氮２＞２ ｍｇ／Ｌ时为Ｖ类水。由于缺少相 应的地下水水质监测数据，本文假定极不利地下水污染状况， 即设定研究渠段进入渠道的地下水氨氮浓度为磁县北开河城 关断面氨氮检测值（２．５６ ｒａｇ／Ｌ）的４倍；以地下水水位埋深 为３ ｒｎ时，地下水向渠道的排入流量作为污水排放流量。依 据工程设计［７］，输水总干渠水质按Ⅱ类水标准评价。 计算获得劣质地下水与上游来水混合后的渠系水氨氮浓 度为０．５０ ｍｇ／Ｌ。对于南水北调中线总干渠磁县渠段，在区 域地下水污染达到极大的情况下，排入渠道的地下水对干渠 水质基本不构成影响，仍然能够达到ＩＩ类地表水水质的输水 标准要求。 ５结论与建议 南水北调中线一期工程沿线多数地段地下水位埋藏较 深，但在部分地区地下水位埋深较浅并高于渠道设计水位；同 时，地下水与渠系水通过内排排水设施存在着水量与水质的 紧密联系。地下水向渠道的排入量取决于地下水水位与总干 渠渠道水位之间水位差的变化情况以及区域水文地质条件。 通过建立南水北调中线工程磁县境内渠段三维地下水流 数值模型，选取氨氮作为典型污染组分，设定情景定量计算地 下水与渠系水在水量与水质的转化。表明研究渠段在假定的 污染风险达到极大的情况下，排入渠道的地下水对渠系水水 质基本不构成影响。 中线工程南北跨度大，沿线地质、水文地质条件复杂，区 域地下水水位和水质动态变化迥异，建议对中线沿线存在劣 质地下水影响渠系水的风险渠段做进一步全面分析，同时加 强中线工程总干渠水源保护区范围内地下水水质的长期监 测，开展污染源调查与整治，确保南水北调中线工程供水水质 安全。 参考文献： ［１３刘昌明．南水北调工程对生态环境的影响ＥＪ］．海河水利，２００２， １１３（１）：卜５． Ｅ２］刘正才，王家永．南水北调中线工程水源地水质保护工作研究 ＥＪ］．南水北调与水利科技，２００５，３（４）：７－９． （下转第１２页） 强｜鬻 辫 ｓ眺 强 ｌｌ § 南水北调 ・３・ ＃ ≈ 虢 …一＃ 一 — 维普资讯 http://www.cqvip.com
第６卷总第３８期・南水北调与水利科技・２００８年第５期 观区内生物多样性丰富，生态系统结构复杂多样，功能强大，具 有较大抗外来干扰的能力，生态系统稳定性也就有较大增加。 表５调水枢纽区域总体景观指数 景观区ＴＡ／１０４ｍ２ ＮＰ／个ＬＳＩ ＡＩ（％） ＳＰＬＩＴ ＰＲ ＳＨＤＩ Ｄ Ｅ Ｃ 热巴景观区 ６６ ２００．５０ ２１０ １３．２５ ８０．１２ ４．７５ ８ ０．８１ １．３３ ０．３６ ０．２８ 阿安、仁达景观区 ９９ ３１４．７７ ２３３ １２．２１ ７９．９５ ４．９Ｏ ８ ０．７６ １．３２ ０．３７ ０．２５ 珠安达、霍纳景观区３００ ２６５．４１ １３１４ ３Ｏ．Ｏ２ ７７．９１ ４．０３ ８ ０．８２ １．２６ ０．３９ ０．４４ 克柯景观区 ２２ ５２０．５９ ９２ ７．１９ ８３．９６ ４．１４ ４ ０．３７ ｌ＿７１ ０．２７ ０．４１ 注：ＴＡ：景观总面积；ＰＲ：景观丰富度；ＳＨＤＩ：景观多样性指数；Ｄ：景观优势度；Ｅ：景观均匀性；Ｃ：景观破碎度 热巴景观区和阿安、仁达景观区景观多样性指数、均匀性指数 较小，这有利于斑块问物种的交流与迁移扩散，有利于区内种 介于其他两个区域之间，反映出景观异质性程度在此区域介 群的生存和发展，此景观区内表现为较低的生物多样性，以草 于二者之间，景观类型较丰富；另外，景观优势度值居中，说明 甸生态系统为主，生态系统结构简单，生态功能较弱，生态系 单一景观所占优势程度有所增加，在景观区内草甸基质占到 统稳定性较差对外来扰动较为敏感，易受到影响而发生变化。 ７５．６７ 和７９．Ｏ７ ，比例比珠安达、霍纳景观区高，森林、灌 丛草甸和灌丛类型占有总体比例下降了，这在一定程度上增 参考文献： 加了草甸的优势地位，区内景观类型多样化和均匀化程度相 Ｅｌｉ邬建国．景观生态学——格局、过程、尺度与等级［Ｍ］．北京：高 对下降，在植被上表现出植被类型的丰富程度有所下降；景观 等教育出版社，２０００． 破碎度指数为０．２８和０．２５，在四个区域中较低，反映区内景 ［２］张金屯，李素清．应用生态学［Ｍ］．北京：科学出版社，２００３．４９０— ４９１． 观完整性较好，尤其是基质聚合程度高（ＡＩ为９９．４５ 和 ［３］刘惠明，尹爱国，苏志尧，等．３ｓ技术及其在生态学研究中的应 ９９．３８ ），连通性在四个区域中最好，从景观整体聚合度指数 用［Ｊ］．生态科学，２００２，２１（１）：８２—８５． 看，分散镶嵌在基质上的其他类型斑块减弱了整体景观的聚 ［４］ 肖笃宁，布仁仓，李秀珍．生态空间理论与景观异质性［Ｊ］．生态 合程度，离散指数在四个景观区较高（ＳＰＩ ＩＴ为４．７５ 和 学报，１９９７，１７（５）：４５３—４６ｌ＿ ４．９Ｏ ），也说明了丰富的斑块之间离散的空间跨度大于其他 ［５］营利荣，李明阳．ＧＩＳ分析方法在森林景观格局变化中的应用 区域，这不利于斑块问物种的交流与迁移扩散，不利于区内种 ＦＪ］．西南林学院学报，２００３，２２（１）：８６—８９． 群的生存和发展。 ［６］史培军．人地系统动力学研究的现状与展望［Ｊ］．地学前缘， 克柯景观区景观多样性指数和均匀性指数均低于其他区 Ｉ９９７，４（１—２）：２０１—２０２． 域，反映出景观异质性程度在此区域低于其他区域，景观性质 ［７］ 于兴修，杨桂山，王瑶．土地利用／覆盖变化的环境效应研究进 较为均匀；另外，景观优势度值最大，这与多样性指数和均匀 展与动向［Ｊ］．地理科学，２００４，２４（５）：６２７—６３３． ［８３李晓兵，陈云浩，王宏，等．中国土地覆盖动态变化幅度的区域 性指数具有反相关性，在克柯景观区内基质部分——草甸占 分异规律［Ｊ］．地理科学，２００４，２４（３）：２７０—２７４． 绝对优势９Ｏ．１４ ，灌丛草甸类型占有较小比例（８．４５ ），森 ［叼水利部，黄河水利委员会勘测规划设计研究院．南水北调西线工 林在本区域面积很小，除此之外没有其他植被类型，这就突出 程规划专题报告之四——环境影响分析［Ｒ］．郑州：水利部黄河 了草甸的优势地位，区内景观类型趋于单一化，在空间分布上 水利委员会勘测规划设计研究院，２００１． 受单一景观类型的控制；景观破碎度值较高，完整性受其他类 ［１Ｏ］水利部，黄河水利委员会勘测规划设计研究院．南水北调西线 型斑块影响变差；斑块聚合程度高，离散指数较小，略高于珠 工程规划纲要及第一期工程规划简要报告［Ｒ］．郑州：水利部 安达、霍纳景观区，也说明了丰富的斑块之间离散的空间跨度 黄河水利委员会勘测规划设计研究院，２００１． （上接第３页） ［３］ Ｓｏｐｈｏｅｌｅｏｕｓ Ｍ．Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ ａｎｄ ｓｕｒｆａｃｅ 究总报告一工程设计报告，￥７１Ｆ０５—００４［Ｒ］．武汉：长江水利委 ｗａｔｅｒ：Ｔｈｅ ｓｔａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｃｉｅｎｃｅ［Ｊ］．Ｈｙｄｒｏｇｅｏｌｏｇｙ Ｊｏｕｒｎａｌ， 员会长江勘测规划设计研究院，２００５． ２００２，１０（１）：５２－６７． ［８］ ＳＬ １８—９１，渠道防渗工程技术规范Ｉｓ］． ［４］ 罗玉峰，崔远来，郑祖金．河渠渗漏量计算方法研究进展＿Ｊ］．水 ［９］ ＳＬ／Ｔ１９１—９６，水工混凝土结构设计规范Ｉｓ］． 科学进展，２００５，１６（３）：４４４—４４９． ［１Ｏ］ 麦家煊．水工建筑物［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００５． ［５］ 任仲宇，陈鸿汉，刘国华．南水北调中线干渠水污染途径分析研 ［１１］ Ｍｉｃｈａｅｌ Ｇ．ＭｃＤｏｎａｌｄ，Ａｒｌｅｎ Ｗ．Ｈａｒｂａｕｇｈ．ＭＱＤＦＬ０Ｗ：Ａ 究［Ｊ］．环境保护，２００８，（６），６５—６７． ［６］Ｈ．Ｅ Ｍ．Ｍｏｇｈａｚｉ，Ｅ．一Ｓ Ｉｓｍａｉｌ．Ａ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｌｏｓｓｅｓ ｆｒｏｍ ｆｉｅｌｄ ｍｏｄｕｌａｒ ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｆｉｎｉｔｅ－ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ ｆｌｏｗ ｃｈａｎｎｅｌｓ ｕｎｄｅｒ ａｒｉｄ ｒｅｇｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ［Ｊ］．Ｉｒｒｉｇ Ｓｃｉ，１９９７，（１７）： ｍｏｄｅｌ［Ｍ］．Ｕ．Ｓ Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ Ｓｕｒｖｅｙ Ｏｐｅｎ－Ｆｉｌｅ Ｒｅｐｏｒｔ，ｗａｓｈ— １０５—１ １Ｏ． ｉｎｇｔｏｎ，１９８８． ［７］钮新强，杨启贵，谢向荣，等．南水北调中线一期工程可行性研 ＨＪ／Ｔ ２．３—９３，环境影响评价技术导则地面水环境［ｓ］、 ．、２． 南水。妃讽
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