生态挡墙与传统挡墙对地下水涵养的原型观测研究

摘要: 传统的不透水性硬化挡墙切断了河道与岸边之间的物质、能量及信息的交换,阻碍了河道水体与地下水体的相互补给。生态挡墙是一种多孔透水性挡墙,打通了河道水体和地下水体的流通通道,加强了不同水体间的相互涵养作用。本文采用原型河道现场试验方法,通过水位仪观测不同挡墙后各测点地下水水位数据,定性分析两种挡墙对地下水的涵养作用;选取具有代表性的观测数据,计算地下水对河道水的净补给量及反补给量,数据显示生态挡墙的净补给量是传统挡墙的1.78倍,反补给量是2.5倍。研究结果表明,生态挡墙对水体间的相互涵养作用效果较佳。结合合肥市城市河道的具体情况,分析得出生态挡墙在实际应用中的效果会更明显。为城市河道生态治理提供参考。

Abstract: The traditional impermeable hardening retaining wall cut off the exchange of material, energy and information between rivers and coasts, and hinder the mutual supply between river and groundwater. As porous permeable retaining wall, eco-retaining wall get connection between river and groundwater, and strengthen the mutual conservation effect of different water bodies. A prototype river-site experiment was proceed, and the groundwater levels of each measuring points after the retaining wall were tested. The qualitative analysis on the conservation effect of the two different retaining walls was proceed in this paper. According to the calculation based on the selected representative data, the recharge and anti-recharge rate from groundwater to rivers were calculated. Datas show that the net recharge of eco-retaining wall is 1.78 times that of conventional wall, and 2.5 times in anti-recharge rate. The results show that eco-retaining wall is better in water conservation. Combined with the specific condition of urban river in Hefei city, it could be obtained that the effect of eco-retaining wall in the practical application would be more evident, which provides a reference in ecological management of urban river.

关键词: 生态挡墙;涵养;补给量;地下水;水资源;环境

Key words: eco-retaining wall;conservation;recharge rate;groundwater;water resource;environment

中图分类号:TV522 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)08-0111-03

0引言

长期以来,人们比较注重河道本身的行洪、排涝等功能,传统城市河道岸坡防护一般采用混凝土或浆砌块石等硬衬砌方法,这种挡墙阻止了河道水与地下水的相互流通。生态挡墙作为一种透水性很强的多孔新型挡墙,加强了河道水体与地下水体间的相互涵养作用[1-4]。关于地下水涵养问题,目前国内外的研究文献相对缺乏,未见生态挡墙与硬化挡墙对地下水涵养作用方面的研究文献。本文通过现场试验的手段,研究传统硬化挡墙和多孔透水生态挡墙对地下水涵养的不同作用。为深入研究生态挡墙对环境、边坡稳定、水质的影响和河道生态治理提供参考。

1试验场地选择及测点布置

原型河道试验场地选择在合肥市板桥河河段上。板桥河自北向南流域面积达164.3平方公里,是瑶海区与庐阳区、包河区的天然分割屏障。因此研究板桥河的生态治理对合肥市相关河道生态治理具有很好的借鉴作用。

本文结合合肥市板桥河上游东、西支河道全线长19.80km的生态治理工程(水库至阁坡段,分为东支、西支两个河段),选取典型河段(板桥河蔡田埠污水处理厂河段处)进行现场试验研究。试验段分为传统浆砌石挡墙和多孔混凝土生态挡墙两部分,试验段下游端建有一滚水坝,从而使试验段河道水位基本保持不变。试验段的不同材料挡墙后侧(远离河床一侧)各布设两个测点,其地下水水位测点平面布置图如图1,剖面图如图2所示。

2试验数据的采集和分析

2.1 采集数据2009.5.25日至2009.7.10日利用自动式水位仪时时测量各测点的水位。设滚水坝顶部高程为100.0cm,作为该次试验数据处理的相对高程。取每日8时和20时各测点相对地下水水位数据。

2.2 数据分析对5月29日至7月23日时间段的数据作重点分析。将1#和2#、3#和4#及1#和3#测点处相对地下水水位绘图。如图3。

2.2.1 定性分析将观测数据与实际雨量情况比较[5],发现降雨的发生与地下水水位峰值的出现(在试验期上游水库无集中放水)是同时的,据此断定地下水水位峰值的出现主要由降雨引起。通过对比图3和图4,2#和1#测点地下水水位都随降雨进程而变化,但异于3#和4#测点地下水水位的同步性。除个别降雨期间外,测点1#(3#)地下水水位都高于2#(4#)地下水。

由图3可见,每次降雨后一段时间内1#测点地下水水位远高于2#测点地下水水位,随着逐渐远离上次降雨的发生,1#地下水水位逐渐逼近2#地下水水位。这种现象主要是由雨后坝体上表面或上表土体内的积水在一段时间内沿坡面下流并在坡下1#测点处再次聚集下渗,而浆砌石挡墙不透水,积水不能快速排出进入河道,引起1#地下水位短暂性抬高造成的。

在图4中,雨后3#测点地下水水位快速回落到125cm左右,略低于河道水位;4#测点地下水水位快速回落至120cm后将继续缓慢降低。随上次降雨发生后时间的延长,3#、4#测点地下水水位差逐渐加大,经3#测点向4#测点单位时间渗透补给量逐渐增大。

根据图5知,3#测点地下水水位长期高于1#测点地下水水位(除个别降雨期间外),导致3#测点地下水向1#测点渗透。离降雨发生的一段很长时间后,1#测点地下水水位略高于2#测点地下水水位,主要是由河道水体绕过浆砌石挡墙埋置基础与透过生态挡墙经土壤渗透引起,假设浆砌石挡墙足够长,透过生态挡墙的渗透即可忽略,1#测点地下水水位将更接近2#测点地下水水位,单位长度河道水体经1#测点向2#测点单位时间渗透补给量更小。

以上所述仅为一般现象,而在个别降雨期间,地下水水位整体抬高导致2#(4#)测点地下水水位暂时与1#(3#)测点地下水水位重合甚至略高。因此存在地下水由2#(4#)测点经1#(3#)测点向河道水体的反补给现象。

2.2.2 定量分析根据所监测的地下水位变化过程, 结合合肥市具体的气候情况,为更加真实反映一年内的平均状况,特取降雨较少的5月29日至6月27日时段的观测数据,定量分析传统硬化挡墙和多孔生态挡墙对地下水的涵养量。其具体数据如表1。

据此可确定所选时段3#至4#测点的平均水力坡度J生态=0.041;1#至2#测点的平均水力坡度J浆砌石=0.023。

根据板桥河地质勘察报告,合肥地区板桥河综合整治段的土壤平均渗透系数为k=1.3×10-5cm/s,其透水层深度为厚度为12m。由渗流基本定律―达西公式:Q=kAJ,计算采用多孔生态混凝土挡墙和浆砌石挡墙的单位河道年渗透量分别为Q生态=1.989m3/a和Q硬化=1.112m3/a;板桥河上游河道综合治理工程涉及改造的河道长度为19.80km,若该改造河段分别采用生态挡墙和传统硬化挡墙,各挡墙年渗透量[6- 7]分别为7.877万m3/a和4.419万m3/a。

部分降雨期间存在地下水体反补河道水体现象[8],取5月29日至6月27日时段远河床测点地下水水位高于近河床测点地下水水位整点时刻数据分析。数据如表2。

根据所测数据及上述分析,计算平均年内地下水体反补河道水体的渗透量为Q生态反补=0.4814万m3/a和Q硬化反补=0.1954万m3/a。

3成果分析

根据试验中试验段峰水期的地下水水位数据分析得:板桥河治理采用生态挡墙后年净渗透量达7.877万m3/a是采用传统硬化挡墙年净渗透量4.419万m3/a的1.78倍;地下水体反补河道水体的年反补量分别为Q生态反补=0.4814生万m3/a和Q硬化反补=0.1954万m3/a,即采用浆砌石挡墙的反补量仅为采用生态挡墙的40%。

在平水期和枯水期,板桥河河道水位由于上游水库的补给基本保持不变,地下水水位由于降雨较少而降低。由试验段地下水水位数据分析得,3#和4#地下水水位差值将进一步扩大,平均水力坡度加大进而河道水体对地下水体的补给量增大,而1#地下水水位更加接近2#地下水水位,故绕过硬化挡墙的补给量将减少;对于合肥市的南淝河、四里河等河道,其河床高程较低,通常存在地下水体向河道水体的反补给现象,采取生态挡墙后其反补量超过原浆砌石挡墙的2.5倍。

综上,河道采用生态挡墙对水体间的涵养作用较为显著,而在实际应用中效果更明显。

4结论及建议

通过以上分析计算,可以得到以下结论:

4.1 现场试验条件的限制,没有将多孔生态挡墙与浆砌石挡墙完全分开,对试验数据产生一定的影响;

4.2 地下水体与河道水体的补给是相互的。对于个别降雨期间的河道和枯水期间河床较低的河道,地下水体对河道水体进行补给,而其他时期基本都是河道水体向地下水体的涵养;

4.3 河道采用生态挡墙对水体间的涵养作用较硬化挡墙更为显著;

4.4 以上结果仅由板桥河试验数据、地质状况及气候条件加以分析所得,对于其它地区应结合当地的具体情况加以分析计算。

参考文献:

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