海河流域地下水開采初期數(shù)值模擬及水量平衡分析-論文

1 / 15 海河流域地下水開采初期數(shù)值模擬及水量平衡分析（張曉明 薛麗娟 張奇 李建新） 提要 :海河流域平原區(qū)地下水長期過度開采已引起了嚴(yán)重的環(huán)境問題 ,水資源的不斷枯竭也制約著當(dāng)?shù)亟?jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展 ,成為國家一直關(guān)注的問題。作為地下水管理的方法之一 ,建立了地下水?dāng)?shù)值模型。對海河流域平原區(qū)地下水開采初期狀態(tài)作了模擬分析 ,模擬結(jié)果顯示 :該區(qū)域地下水年補給量為 156.億 m,其中 ,山前側(cè)滲 17.億 m,降雨入滲補給136 億 m,河道入滲 3. 1 億 m;地下水的排泄途徑為河道基流88.億 m,蒸散發(fā) 50. 1 億 m,排泄入海 15.億 m,黃 河內(nèi)灘側(cè)滲排出 1.億 m,總排泄量為 156 億 m,地下水收支基本平衡。地下水的總體 流向為自北、西、南指向渤海灣 ,吻合于地形坡度變化。模擬結(jié)果為水資源管理和水環(huán)境修復(fù)提供數(shù)據(jù)依據(jù)。模型也為下一步地下水大量開采狀態(tài)的模擬提供初始水頭條件、地質(zhì)物理參數(shù)和邊界條件。 關(guān)鍵詞 :地下水模型 ;采初期狀態(tài) ;海河流域 中圖分類號 : 1 文獻標(biāo)識碼 : A 海河流域平原位于中國北方華北地區(qū) ,研究區(qū)總面積 13. 1 萬 上世紀(jì) 70 年代 ,海河流域人口和社會經(jīng)濟規(guī)模迅猛發(fā)展 ,加之連 年干旱少雨 ,流域內(nèi)淺層地下水資源已經(jīng)成為社會發(fā)展和經(jīng)濟建設(shè)的主要供水水源 1 ,因此海河流域地下水超采日益嚴(yán)重。 2000年海河平原淺層淡水總超采2 / 15 量為 45億 m,超采總面積已達 59550平原區(qū)中有淡水區(qū)面積的 63. 1%。由于長期超采地下水 ,已經(jīng)導(dǎo)致唐山北部、北太行山前平原部分地區(qū)含水層被疏干 。河北太行山前的淺層水漏斗已經(jīng)發(fā)展成為彼此相連的復(fù)合漏斗群 ,成為我國淺層地下水第一大漏斗。海河流域地下水可開采利用的潛力已經(jīng)十分有限 ,可利用前景暗淡 。 地下水的過度開采已帶來一系列 生態(tài)環(huán)境問題 ,如地面沉降、濕地湖泊萎縮、河流干涸、海水入侵、咸水位下移等等 。加強地下水管理 ,是目前海河流域水利所面臨的一項重要工作。國內(nèi)外很多學(xué)者專家提出了恢復(fù)地下水的各種措施 ,包括人工回灌、跨流域調(diào)水等 ,但是這些工程措施并不能完全解決現(xiàn)存的嚴(yán)重問題 。海河流域地下水資源管理的核心是保證地下水資源長期持續(xù)利用 ,地下水模型系統(tǒng)的建設(shè)將是管好地下水的關(guān)鍵技術(shù)之一。模型可以模擬地下水漏斗的發(fā)展過程 ,并能預(yù)測未來年份地下水的開采程度 ,從而為水資源規(guī)劃提供了保障。地下水模型 在水資源管理中作用已得到了充分 的認(rèn)可 - 。 在海河流域平原區(qū) ,由于對初始水文地質(zhì)環(huán)境的重視程度不夠 ,且 70年代以前的地下水補給、排泄、水位等方面的觀測資料較少 ,以往的地下水研究大多以 70年代后期地下水環(huán)境為研究對象 ,缺少對開采初期水文地質(zhì)環(huán)境的探求。因此 ,大多數(shù)模型工作者以 70年代后期地下水超采期的某一時3 / 15 刻為初始條件 ,建立了非穩(wěn)定流模型。這個初始解不是真正的穩(wěn)定條件下的初始值 ,所建的非穩(wěn)定流模型也不能反映地下水環(huán)境變遷的全貌。另外 ,地質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究一直是開展地下水研究的難點之一 ,但是由于本地區(qū)面積遼闊 ,地層分布差異性較大 ,尚沒有一 個能全面反映該區(qū)域地 質(zhì)概況的地層模型。本文采用美國地質(zhì)勘查局 型 ,以地下水模擬系統(tǒng) 為平臺 ,較為理想地解決了地層模型建設(shè)的難題 ,并建立了地下水穩(wěn)定流模型 ,模擬海河流域平原區(qū)開采初期的水文地質(zhì)條件。研究目的主要有 ,全面認(rèn)知本地區(qū)水文地質(zhì)條件和初始的水量均衡場 ,在計算機上模擬區(qū)域地層結(jié)構(gòu)和水量均衡關(guān)系 ,為非穩(wěn)定流模擬提供初始水頭條件、地質(zhì)參數(shù)和其它計算條件 ,為該地區(qū)的水生態(tài)環(huán)境修復(fù)和水資源規(guī)劃提供參考數(shù)據(jù)。 1 淺層地下水系統(tǒng)開采初期狀態(tài) 海河流域平原區(qū)按成因類型可劃分為三個地貌單元 :山前傾斜平原區(qū)、中部沖積平原區(qū)和濱海平原區(qū)。除個別地點有基巖出露外 ,絕大部分為第四紀(jì)松散物質(zhì)覆蓋。華北平原第四系是一套幾何形態(tài)復(fù)雜的多種沉積類型交叉疊置的含水巖系 ,含水層巖性、結(jié)構(gòu)、厚度等具有水平變化規(guī)律。在山前平原含水層呈扇狀結(jié)構(gòu) ,扇軸含水層巖性以礫石卵石為主 ,厚度大 ;扇間含水層粒度變細 ,厚度變薄。在中部平原含水層逐漸過渡為湖相沉積穿插河流沉積的舌狀結(jié)構(gòu) ,含水層4 / 15 巖性以中細砂為主 ,厚度在靠山前平原方向變薄 ,向濱海方向又略變厚。向東部、南部的濱海平原含水層又過渡 為湖積的島狀結(jié)構(gòu) ,含水層巖性以粉細砂為主 ,厚度又變 薄 10 。 開采初期的淺層地下水流場與地表地形坡降相一致 ,地下水位等值線與地表等高線基本相似。地下水的流場也是從北、西、南三面匯入渤海灣。以 196 年的地下水埋深為參照 ,分析得出各個分區(qū)的原始地下水位如下 :滏陽河 - 子牙河一線以北的北部平原 ,降雨相對于南部平原少 ,河網(wǎng)不如南部平原密集 ,河流多為季節(jié)性河流 ,不能常年保持河水位 ,因此北部平原的地下水位比南部平原低。在山前區(qū) ,地下水埋深大約為 2m (燕山平原 ) 、 3m (太行山前平原 ) ;中部平原地下水位埋深大約為 海平原小于 1m。滏陽河 - 子牙河一 線以南的南部平原 ,雨量相對充沛 ,河網(wǎng)縱橫 ,地表水充沛 ,地勢較為平緩、退水慢 ,因此地下水位普遍高于北部平原。山前區(qū)地下水位埋深大約 1. 駭馬頰平原、黑龍港平原埋深小于 部地區(qū)多有泉水 ,鹽堿地發(fā)育。平原區(qū)地下水在大量開采以前 ,第一含水層組和全淡水區(qū)的第二含水層組的水位多年動態(tài)變化與降水過程具有同步變化特點 ,屬于降水入滲補給蒸發(fā)徑流排泄型。淺層地下水的補給來源主要是降水入滲補給 ,其次是山前側(cè)向補給、河道滲漏補給以及黃河沿岸側(cè)滲 ,排泄主要是潛水蒸發(fā)、向河流排泄以及排泄入海 11, 1 。 5 / 15 地下 水?dāng)?shù)值模型 . 1 水文地質(zhì)概念模型 本文采用的地質(zhì)鉆孔勘探井共計 29 眼 , 井深度 150m720m,主要描述了巖性、水位、單位涌水量、滲透系數(shù)、水溫及水化學(xué)特征。這些資料來自于水利部天津勘測設(shè)計院地質(zhì)勘探隊和河北省地質(zhì)局。鉆井分布 (圖 1) 。應(yīng)用 1 ,并在 根據(jù)地下水模型的目的和 數(shù)據(jù)的要求 ,對鉆孔資料作了必要的概化 : 1)井深裁剪。 本次研究以埋深 120此深度外的勘探資料不作分析 ;)巖性分類簡化。原始的近 300眼的勘探資料描述了 40多類巖性。有些巖性水文特征相近 ,也有些描述與本次地下水模擬關(guān)系不大。在不影響地下水模擬前提下 ,對巖性作了概化處理 ,最后歸納出 6類巖性 ,即 :表土、細砂、中粗砂、卵礫石、粘土、基巖 ,用于地層模型的建立。對某些缺乏鉆孔的區(qū)域 ,依據(jù)地質(zhì)剖面資料 1人為補充一些勘探井資料。 立的地層模型 (圖 2) 。典型的地質(zhì)剖面圖 (圖 3,) (剖面位置在圖 1 中作了標(biāo)注 ) 。 . 數(shù)值模型 將平原區(qū)地下水邊界分為三類 : 1)側(cè)滲邊界 :包括山前側(cè)滲邊界 (起始于秦皇島 ,終止于河南焦作以南 )和黃河內(nèi)灘側(cè)滲 邊界 (起于河南武涉 ,向東止于山東東阿 ) ,在模型中定6 / 15 義為通用水頭邊界 ,模型根據(jù)邊界內(nèi)外的水頭差 ,計算越過邊界的水量。 2)海岸線邊界 :即東部渤海海岸線邊界 ,在模型中定義為定水頭邊界 ,賦予平均海平面高程。 3)黃河邊界 :即南部黃河邊界 (起始于山東東阿 ,終止于渤海灣 ) ,在模型中定義為河流邊界 ,模擬黃河與地下水之間的水交換。 由于研究區(qū)面積較大 ,考慮模型的復(fù)雜程度以及計算機運行的速度 ,將模擬區(qū)剖分為 96 行 ,2 列 ,0 層 ,共計 176640個單元 ,網(wǎng)格尺寸為 7000m 7000m, 根據(jù)單元所處的位置和所包含的巖性 , 算各單元的巖性物理參數(shù)值。本文以1965 年作為海河流域開采初期狀態(tài)模擬的年份 ,文中沒有收集到的數(shù)據(jù)均采用多年平均值代替。 . 1 降雨入滲補給計算 降雨是地下水補給的主要水源 ,在海河流域平原區(qū) 13萬域內(nèi)均勻分布了 141 個具有代表性的雨量站 ,每站控制面積平均為 921本控制了該區(qū)域降雨資源。由于沒有收集到 1965年的降雨資料 ,模型采用多年平均降雨量進行計算 ,該值代表了較長年份系列的多年平均值。將雨量插值到離散的網(wǎng)格單元中 ,并與該單元的降雨入滲系數(shù)的乘積作為該單元的降雨入滲量。在海河流域平原 區(qū)接受降雨入滲補給的主要巖性有 :礫石、粗砂、中砂、細砂等主要分布在 定、石家莊等山前區(qū) ;亞砂土、亞粘土主要分布在中部平原 ,淤泥質(zhì)亞粘土、粘土主要分布 在濱海區(qū)。以野外土工試驗給出的7 / 15 不同地區(qū)不同巖性降雨入滲值 1為參考 ,在地層模型相應(yīng)巖性和對應(yīng)分區(qū)中進行賦值。經(jīng)計算 ,海河流域平原區(qū)年降水入滲補給量 137 億 m/ a,該結(jié)果與海河流域水資源綜合規(guī)劃得出的多年平均值 136 億 m/ . 潛水蒸散發(fā)計算 通過查閱 1964 和 1965 年水文年鑒 ,得到了各省市水位觀測站的年均蒸發(fā)量觀測值。研究區(qū)蒸發(fā)量計 算主要用 水位埋深以及蒸發(fā)極限埋深計算所得。 當(dāng)計算潛水水位等于或者高于地表時 1 : T 1) 潛水水位埋深等于或者是低于極限埋深時 : 0 (2) 潛水水位處于二者中間時 ,按埋深線性變化。 根據(jù)海河流域平原區(qū)的特點 ,以地下水自由面 5即自由面大于該埋深的區(qū)域不發(fā)生蒸散發(fā)。最大蒸發(fā)率 (自由面位于地面時的蒸發(fā)率 )以水文年鑒和水資源規(guī)劃成果為依據(jù)。 . 山前側(cè)滲量計算 山前側(cè)滲指山區(qū)地下徑流 補給平原區(qū)的地下水量。山前側(cè)向補給量及下游側(cè)向流出量計算公式為 1 : (3) 8 / 15 式中 : 計算時段側(cè)向流入量 (億 m) ; 計算時段側(cè)向流出量 (億 m) ; K - 含水層加權(quán)平均滲透系數(shù) (m /d) ; I - 計算斷面水力坡度 ( ) ; L - 計算斷面長度 (m) ; H - 含水層平均厚度 (m) ; T - 計算時段長度 ( d) 。 模型直接采用了水資源規(guī)劃多年平均研究成果 ,分段賦值到模型中。山前多年平均側(cè)滲總量約 17億 . 河流滲流補給量 依據(jù)收集的 1965 年平原區(qū)主要河 流汛期的月平均觀測水位值可知 ,平原區(qū)內(nèi)開采初期的地下水位大都高于河流水位 ,河流附近滲透系數(shù)較大 ,有利于地下水排泄。采用流計算子模塊 , 河流與含水層交換水量計算公式為 1 : h) (4) 式中 , 河流水位 ; M (5) 式中 , 河底滲透系數(shù) ; 網(wǎng)格單元內(nèi)的河道長度 ;河道寬度 ;M 為河底沉積物的厚度。 . 模型識別與校正 模型識別主要遵循以下原則 : 1)模擬的地下水流向與實際觀測的地下水流向基本一致 ;)模擬等水頭線與實測值相9 / 15 吻合 ;)率定的水文地質(zhì)參數(shù)在合理范圍內(nèi)。根據(jù)以上原則 ,采用試估 - 校正法 ,對塊狀結(jié)構(gòu)的華北平原地下水?dāng)?shù)值模擬模型中不同的巖相賦與不同的水文地質(zhì)參數(shù) ,利用 1959年地下水觀測數(shù)據(jù) (由于沒有收集到 1965 年的地下水觀測數(shù)據(jù) ,而 1959 年與 1965 年均處于開采狀態(tài)初期 ,地下水一般接受降雨補給 ,流動較平緩 ,所以地下水自由面等值線比較接近 ,沒有較大的變化 ,因 此選擇 1959年的地下水等值線作為模擬依據(jù) ) ,對研究區(qū) 地下水系統(tǒng)進行了識別 ,模擬期內(nèi)潛水?dāng)M合結(jié)果 (圖 5) ,各種巖性的水文地質(zhì)參數(shù) (表 1) 。 水量平衡分析 表 2和表 3分別列出了研究區(qū)穩(wěn)定流條件下地下水總的水量平衡和三級區(qū)水量平衡分量。從表 2 中可知 ,研究區(qū)地下水系統(tǒng)總補給量為 156.億 m,總的排泄量為 156 億 m, ,擬合均衡的效果很好。其中 ,降雨補給量為 136億 m/ a,占總補給量的 86.%;河道滲漏補給量為 3. 1 億 m/ a,占總補給量的2. 0%;山前側(cè)滲量為 17.億 m/ a,占總補給量的 11.%。由此可以看出 ,對于淺層含水層來說 ,主要的補給資源來自降雨入滲補給。在排泄量中 ,蒸發(fā)量為 50. 1億 m/ a,占總排泄量的 31.% ;河道排泄量為 88.億 m/ a,占總排泄量的 56.% ;海水排泄 15.億 m/ a,占總排泄量的 9.% ;邊界側(cè)滲出 1.億 m/ a,占總排泄量的 1. 1%。由此可以看出 ,在地下水未開采狀態(tài)下 ,河道排泄量是研究區(qū)的主要排泄量。另外 ,值得說明的是 ,由10 / 15 于沒有收集到 196 年的降雨數(shù)據(jù) ,所以采用了多年長時段降雨量的平均值 ,平均值可能要比 1965 年實際的降雨量大 ,因此計算出的地下水補給河流量 也相應(yīng)變大。表 3表示的是三級分區(qū)水量平衡值 ,由于篇幅的限制 ,本文只列出了降雨補給量和蒸散發(fā)量以及與實測值的相對誤差。 綜上所述 ,從模擬期等值線擬合、地下水系統(tǒng)均衡分析來看 ,研究區(qū)地下水穩(wěn)定流數(shù)值模擬模型基本上反映了海河流域平原開采初期狀態(tài)下的地下水流動規(guī)律和特征 ,驗證了邊界條件和初識條件的準(zhǔn)確性 ,符合研究區(qū)實際的水文地質(zhì)條件 ,故可利用穩(wěn)定流模型模擬的數(shù)據(jù)進行地下水開采量的模擬。 討論與結(jié)論 海河流域目前地下水已經(jīng)嚴(yán)重超采 ,形成了大片的降落漏斗 ,為幫助該區(qū)域地下水的管理 ,有必要對目前的地下水狀態(tài)開展模擬工作 ,而本文通過對開采初期地下水的模擬建立的穩(wěn)定態(tài)模型 ,可以較清楚地了解 60年代平原區(qū)地下水的地質(zhì)條件、流場形式、主要補給排泄量等 ,可以為下一步非穩(wěn)定態(tài)模型的建立提供計算條件和初始水頭條件。研究成果主要包括以下幾方面 : (1)大區(qū)域地層模型的建立。通過對 200 多眼水文地質(zhì)勘探鉆孔的概化和分析 ,建立了平原區(qū)地層模型 ,該模型可以詳細、定量說明平原區(qū)的地下含水層分布、埋深、儲水條11 / 15 件 ,為地下水資源評價提供基礎(chǔ)信息。該研究表明了在較大區(qū)域范圍內(nèi)和復(fù)雜的水文地質(zhì)條件情況下地層模型建立的可行性以及必要性。 (2)開采初期地 下水模型的建立。模型考慮了平原區(qū)地下水開采初期降雨入滲補給、山前側(cè)滲、地下水與河流間水交換、地下水潛水蒸發(fā)、地下水排泄入海等條件 ,基本反映了當(dāng)時地下水的補給、排泄條件。模型揭示 ,海河流域平原區(qū)開采初期狀態(tài)下地下水水流的總體趨勢是自北、西、三個方向指向渤海灣 ,吻合于地形坡度走向。模擬結(jié)果對下一步非穩(wěn)定流的建立提供了邊界和初始條件。 (3)地下水水量平衡分析。水平衡模擬分析結(jié)果顯示 ,平原區(qū)總補給量 156.億 m,其中 ,山前側(cè)滲 17.億 m,降雨補給136億 m,河道入滲補給 3. 1億 m;總排泄量為 156億 m,其中 ,河道排出 88.億 m,蒸發(fā) 50. 11 億 m,排泄入海 15.億 m,黃河內(nèi)灘側(cè)滲排出 1.億 型展示了該區(qū)域自然狀態(tài)的地下水補、排條件及水量 ,為進一步認(rèn)識該區(qū)域地下水條件提供有力的數(shù)據(jù)支持 ,同時 ,也為水資源管理、水環(huán)境的修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)和計算工具。 參考文獻 1 費宇紅 ,張光輝 ,曹寅白 ,等 . 海河流域平原淺層地下水消耗與可持續(xù)利用 J . 水文 ,001,1 (6) : 11 - 13. 2 水利部海河水利委員會 . 海河流域水資源及其開12 / 15 發(fā)利用情況調(diào)查評價 R . 天津 :水利部海河水利委員會 ,000, 102. 3 費宇紅 ,曹寅白 ,張光輝 ,等 . 海河流域平原地下水消耗與環(huán)境地質(zhì)問題 C . 九五全國地質(zhì)科技重要成果學(xué)術(shù)交流會 ,001,40 4 王秀杰 ,練繼建 . 海河流域超采地下水引起的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)及其生態(tài)恢復(fù)對策 C 第一屆全國水力學(xué)與水利信息學(xué)學(xué)術(shù)大會 ,003, 11- 121. 5 韓再生 . 海河流域地下水資源保護 J . 水文地質(zhì)工程地質(zhì) ,001,(1) :6 陳崇希 . 防止模擬失真 ,提高仿真性 是數(shù)值模擬的核心 J . 水文地質(zhì)工程地質(zhì) ,003,0 (2) : 1 -. 7 張奇 . 數(shù)值模型在地下水管理中的應(yīng)用 J . 水文地質(zhì)工程地質(zhì) ,003,0 (6) :8 薛禹群 ,