沱河地下水庫(kù)蓄水率定量評(píng)價(jià)

沱河地下水庫(kù)蓄水率定量評(píng)價(jià)

地下水庫(kù)是繼山區(qū)水庫(kù)和水庫(kù)之后的一項(xiàng)重要節(jié)水工程。它具有安全可靠、方便、有效等特點(diǎn)。它可以改善該地區(qū)的地下水環(huán)境，緩解和抑制地下水開(kāi)采引起的地下水位下降和地面沉降等環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題，并在石家莊形成以下水位為中心的大規(guī)模地下水位下降。2006年，裂縫面積436.5km2，裂縫中心水位埋深52.4m，為沱河地下水庫(kù)提供了巨大的儲(chǔ)水空間。為了緩解中國(guó)北方平原日益嚴(yán)重的供水狀況，國(guó)家實(shí)施了南北工程。石家莊是中國(guó)中南部最重要的河流之一。通過(guò)調(diào)蓄水源和當(dāng)?shù)赜晁樗Y源，可實(shí)現(xiàn)約5.40.108m3（a）的補(bǔ)充水量，該系統(tǒng)為解決區(qū)域資源性缺水問(wèn)題提供了水量保障。上述研究結(jié)果表明，石家莊北部的沱河干渠吞咽能很好地入滲，在動(dòng)水條件下的入滲能力約為1.5m。d。這是一座大型地下水庫(kù)，具有良好的建設(shè)條件。由于具有占地少、安全性高、不易污染和多年調(diào)節(jié)等特點(diǎn),地下水庫(kù)在發(fā)揮外調(diào)水源的功能方面具備明顯的優(yōu)勢(shì)[5~6].但滹沱河地下水庫(kù)位于滹沱河沖洪積扇熵,超采形成的地下水位降落漏斗為一半封閉式的儲(chǔ)水構(gòu)造,人工補(bǔ)給會(huì)改變區(qū)域地下水動(dòng)力場(chǎng),填滿(mǎn)降落漏斗后部分補(bǔ)給水會(huì)發(fā)生側(cè)向滲流,勢(shì)必降低了地下水庫(kù)的有效蓄水率.在分析有效蓄水率概念的基礎(chǔ)上,利用GIS技術(shù)計(jì)算不同豐枯遭遇條件下人工補(bǔ)給后地下水庫(kù)的有效蓄水率,并與地表水庫(kù)的有效蓄水率進(jìn)行對(duì)比,分析二者對(duì)儲(chǔ)水量變化的響應(yīng)規(guī)律,討論利用地下水庫(kù)進(jìn)行水資源調(diào)蓄的優(yōu)勢(shì),為滹沱河地下水庫(kù)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理提供科學(xué)指導(dǎo).1入滲能力分析為更加精確和定量化研究地下水庫(kù)的儲(chǔ)水效率問(wèn)題,本次研究類(lèi)似于入滲補(bǔ)給系數(shù)提出了有效蓄水率的概念.將地下水庫(kù)人工補(bǔ)給水中能夠有效補(bǔ)給地下水并儲(chǔ)存在庫(kù)區(qū)內(nèi)的那部分水量稱(chēng)為有效需水量,其與入滲補(bǔ)給水量的比值定義為有效蓄水率.計(jì)算公式為式中:γ為有效蓄水率(無(wú)量綱);ΔQ儲(chǔ)為地下水的儲(chǔ)變量,L3;Q補(bǔ)補(bǔ)為人工補(bǔ)給水量,L3.有效蓄水率與入滲系數(shù)相似,都是反應(yīng)地表水量能夠有效補(bǔ)給地下水庫(kù)的比例,但二者又有所不同:入滲系數(shù)反映的是入滲場(chǎng)或庫(kù)區(qū)地表的入滲能力,即地下水庫(kù)的補(bǔ)給功能;有效蓄水率反映的是地下水庫(kù)的截留能力,即地下水庫(kù)的儲(chǔ)蓄功能.一般地下水庫(kù)的補(bǔ)給水源有:攔蓄雨水(Q雨水)、河流來(lái)水(Q河水)、地表水庫(kù)棄水(Q棄水)、調(diào)引外來(lái)水(Q調(diào)水)、冬季河流閑水(Q閑水)、灌溉用水(Q灌水)、城市廢水和污水(Q廢污水)等,則地下水庫(kù)有效蓄水率的計(jì)算公式可表達(dá)為式中:β有效,地下水庫(kù)的有效蓄水率;β無(wú)效,地下水庫(kù)的無(wú)效蓄水率;Q蓄水,地下水庫(kù)的有效需水量;Q補(bǔ)給,地下水庫(kù)的可補(bǔ)給水量.Q蓄水作為地下水庫(kù)儲(chǔ)存效果的重要指標(biāo),以孔隙介質(zhì)為儲(chǔ)水空間的地下水庫(kù)為例,其計(jì)算公式為式中:V,地下水庫(kù)的庫(kù)容,m3;μ,重力給水度(無(wú)量綱);V*,蓄水體的體積,m3;S,地下儲(chǔ)水空間面積,m2;H1,補(bǔ)給前地下水位,m;H2,補(bǔ)給后地下水位,m.基于上述計(jì)算原理,在具體計(jì)算時(shí),充分考慮到研究區(qū)含水層介質(zhì)的非均質(zhì)性,基于GIS技術(shù),將研究區(qū)進(jìn)行剖分,分別計(jì)算每個(gè)柵格補(bǔ)給前后的水位差,分別乘以該柵格的給水度和面積,最后加和得出地下水庫(kù)的有效補(bǔ)給量.2不同豐枯條件下黃壁莊水庫(kù)的有效蓄積效應(yīng)以滹沱河地下水庫(kù)為例,建立地下水庫(kù)的地下水流數(shù)值模型,預(yù)報(bào)不同豐枯條件下地下水位的恢復(fù)效果,對(duì)比分析地下水庫(kù)的有效蓄水率和其上游黃壁莊水庫(kù)不同入庫(kù)水量條件下地表水庫(kù)的有效蓄水率,總結(jié)有效蓄水率的變化規(guī)律,探討各因素對(duì)有效蓄水率的影響機(jī)理.2.1數(shù)值模型的建立本次研究模擬范圍以滹沱河地下水庫(kù)范圍為依據(jù),如圖1所示,總面積913.5km2.(1)雖然中更新統(tǒng)含水層局部具有微承壓性,但與上層全新統(tǒng)-上更新統(tǒng)含水層具有密切水力聯(lián)系,將二者概化為一層潛水含水層;(2)西部邊界為山區(qū)-平原分界線,定為二類(lèi)邊界,北、東、南三側(cè)由觀測(cè)孔控制,為一類(lèi)邊界;(3)含水層介質(zhì)特征概化為非均質(zhì)各向同性,地下水流概化為平面二維非穩(wěn)定流.根據(jù)建立的水文地質(zhì)概念模型,構(gòu)建描述計(jì)算域水位分布的數(shù)學(xué)模型,地下水庫(kù)庫(kù)區(qū)地下水流的數(shù)學(xué)模型用如下微分方程的定解問(wèn)題來(lái)描述.其中:K,滲透系數(shù),m/d;H1,水頭(高程),m;B,底板標(biāo)高,m;ε1,補(bǔ)給強(qiáng)度,m/d;ε2,排泄強(qiáng)度,m/d;μ,儲(chǔ)水系數(shù)(給水度);H0,初始水位,m;D,計(jì)算區(qū)范圍;Γ1,一類(lèi)邊界;Γ2,二類(lèi)邊界;φ,一類(lèi)邊界上的已知水頭;q,單位寬度的側(cè)向補(bǔ)給量.上述偏微分方程表示潛水含水層數(shù)學(xué)模型,與初始條件和一類(lèi)、二類(lèi)邊界條件共同組成滹沱河地下水庫(kù)地下水流的定解問(wèn)題.應(yīng)用有限差分法將上述數(shù)學(xué)模型離散為有限差分方程組,利用GMS4.0(GroundwaterModelSystem)軟件包中的Modflow求解.由于2003年底黃壁莊水庫(kù)副壩防滲加固工程完成,依據(jù)新的水文地質(zhì)條件和庫(kù)區(qū)地下水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)情況,選取模型識(shí)別時(shí)段為2004年6月1日至2005年6月1日,模型驗(yàn)證時(shí)段為2005年6月1日至2006年6月1日,均選取一個(gè)月為一個(gè)應(yīng)力期.通過(guò)模型的識(shí)別和驗(yàn)證,進(jìn)行水均衡、梯度場(chǎng)和降速場(chǎng)的擬合,結(jié)果表明所建立的地下水流數(shù)值模型能夠較好地反應(yīng)庫(kù)區(qū)的水文地質(zhì)條件和地下水流特征.由于水源區(qū)和受水區(qū)分屬不同水文區(qū),需要進(jìn)行降水量的豐枯遭遇分析:利用1956~1998年黃壁莊水庫(kù)棄水?dāng)?shù)據(jù)可以得到豐水年、平水年和枯水年分別棄水量為3.00×108m3/a,1.00×108m3/a和沒(méi)有棄水;根據(jù)南水北調(diào)中線工程分水計(jì)劃,豐水年、平水年和枯水年南水北調(diào)中線工程分別向石家莊市分水5.72×108m3/a、5.64×108m3/a和4.64×108m3/a,因此可得不同豐枯遭遇條件下地下水庫(kù)的可入滲水量見(jiàn)表1.2.2地下水有效蓄水量計(jì)算滹沱河地下水庫(kù)是開(kāi)采漏斗型地下水庫(kù),即利用多年來(lái)地下水超采形成的地下水位降落漏斗作為儲(chǔ)水空間,干枯的滹沱河河道作為入滲場(chǎng),黃壁莊水庫(kù)棄水和南水北調(diào)來(lái)水作為入滲水源來(lái)建設(shè)地下水庫(kù),緩解區(qū)域水資源供水緊張的局面.結(jié)合研究區(qū)水資源情況,有效蓄水率的計(jì)算公式為人工補(bǔ)給地下水庫(kù)致使地下水位回升,會(huì)改變研究區(qū)地下水動(dòng)力條件,當(dāng)水位高于邊界時(shí),地下水會(huì)發(fā)生側(cè)向排泄,人工補(bǔ)給量不能夠完全補(bǔ)給地下水庫(kù),采用前面所述方法,得出不同豐枯遭遇條件下的人工補(bǔ)給的有效蓄水率見(jiàn)表1.從表中可以看出,地下水庫(kù)庫(kù)區(qū)地下水最大有效蓄水率為90.99%,此時(shí)的人工補(bǔ)給量為4.64×108m3/a,有效蓄水量為4.22×108m3/a,側(cè)向流出量為0.42×108m3/a(枯-枯遭遇),地下水庫(kù)庫(kù)區(qū)最小有效蓄水率為80.54%,有效蓄水量為7.02×108m3/a,側(cè)向流出量為1.70×108m3/a(豐-豐遭遇).2.3黃壁莊水庫(kù)儲(chǔ)水的有效利用率黃壁莊水庫(kù)是滹沱河上游的一座重要的大型地表水庫(kù),承擔(dān)著防洪、石家莊市和下游灌區(qū)的供水任務(wù),是地下水庫(kù)庫(kù)區(qū)最主要的水利設(shè)施.由于水面蒸發(fā)、壩基滲漏等原因,地表水庫(kù)儲(chǔ)水的有效利用率往往要比地下水庫(kù)低.根據(jù)研究前任的研究,黃壁莊水庫(kù)儲(chǔ)水的損失量主要包括水面蒸發(fā)量和副壩滲漏量:根據(jù)黃壁莊水庫(kù)的水面蒸發(fā)量(1200mm/a)和庫(kù)區(qū)水面面積(約65km2)估算出庫(kù)區(qū)水面蒸發(fā)量;1999~2003年黃壁莊水庫(kù)進(jìn)行了副壩防滲加固,其滲漏量逐年減少,本次研究采用河北水勘院模擬得出的滲漏量;根據(jù)入庫(kù)補(bǔ)給水量和水庫(kù)損失量計(jì)算出地表水庫(kù)的有效蓄水率結(jié)果見(jiàn)表2.從表中可以看出,黃壁莊水庫(kù)的有效需水率在50%~80%之間.2.4實(shí)踐結(jié)果分析地下水庫(kù)的有效蓄水量和有效蓄水率跟人工補(bǔ)給水量具有密切的關(guān)系,為分析二者之間的相關(guān)性,利用最小二乘法得出相關(guān)關(guān)系圖(圖2),從圖中可以看出,隨著人工補(bǔ)給量的增加,地下水庫(kù)的有效蓄水率呈現(xiàn)減小的趨勢(shì).除了補(bǔ)給過(guò)程中的蒸發(fā)、包氣帶浸潤(rùn)損失等外,人工補(bǔ)給量與有效蓄水率的負(fù)相關(guān)關(guān)系主要是因?yàn)楹畬拥臏笮?yīng):當(dāng)補(bǔ)給量增加時(shí),補(bǔ)給區(qū)下游的地下水位由于含水層的滯后效應(yīng)不能瞬間上升,使得補(bǔ)給區(qū)的水位增幅大于補(bǔ)給區(qū)下游地下水位增幅,當(dāng)?shù)叵滤畮?kù)的儲(chǔ)水空間的封閉性不是很好時(shí),側(cè)向流出量會(huì)降低地下水庫(kù)的有效蓄水率,增加了補(bǔ)給量向補(bǔ)給區(qū)下游的滲流量,降低了有效蓄水率.地表水庫(kù)的水量損失較為穩(wěn)定,有效蓄水率與入庫(kù)水量的相關(guān)關(guān)系呈現(xiàn)如圖2所示關(guān)系,從圖中可以看出,隨著入庫(kù)水量的增加有效蓄水率呈現(xiàn)上升的趨勢(shì).由于地表水庫(kù)不存在與地下水庫(kù)一樣的滯后效應(yīng),如果排除黃壁莊水庫(kù)副壩加固過(guò)程中對(duì)副壩滲漏量的影響,地表水庫(kù)的損失水量是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的量,對(duì)入庫(kù)水量變化的響應(yīng)不明顯,因此隨著入庫(kù)水量的增加有效蓄水量所占比重增加,即有效蓄水率與地表水庫(kù)入庫(kù)水量呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系.水庫(kù)的有效蓄水率研究可以為區(qū)域水資源調(diào)配和地下水庫(kù)-地表水庫(kù)聯(lián)合調(diào)蓄方案的制定提供科學(xué)依據(jù).由上面的分析可以看出,由于地表水庫(kù)和地下水庫(kù)有效蓄水率的影響因素不同,二者的有效蓄水率具有截然不同的變化規(guī)律:隨著人工補(bǔ)給量/入庫(kù)水量的增加,地下水庫(kù)和地表水庫(kù)的有效蓄水率分別呈現(xiàn)減小和增大的趨勢(shì),且地表水庫(kù)的最大有效蓄水率與地下水庫(kù)的最小有效蓄水率相當(dāng),因此地下水庫(kù)在蓄水效率上具有明顯的優(yōu)勢(shì).加上地下水庫(kù)造價(jià)低、環(huán)境負(fù)效應(yīng)少等特點(diǎn),在石家莊地下水位降落漏斗區(qū)建設(shè)滹沱河地下水庫(kù)對(duì)區(qū)域水資源調(diào)配、改善環(huán)境地質(zhì)和生態(tài)環(huán)境等具有重要意義.但對(duì)于耗費(fèi)大量人力、物力和財(cái)力的南水北調(diào)來(lái)說(shuō),有效蓄水率在80%~90%之間顯然滿(mǎn)足不了人們對(duì)外調(diào)水資源的儲(chǔ)蓄要求,為提高滹沱河地下水庫(kù)的有效蓄水率和提高區(qū)域地下水的供水能力,建議在滹沱河地下水庫(kù)的下游出口處修建人工防滲地下壩.3黃壁莊水庫(kù)的運(yùn)行效率1)滹沱河地下水庫(kù)有效蓄水率的計(jì)算結(jié)果可知,滹沱河地下水庫(kù)不同豐枯遭遇條件下的有效蓄水率在80%~91%之間,且有效蓄水率與人工補(bǔ)給量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系;主要是因?yàn)楹畬拥臏笮?yīng)加大了水力梯度,地下水側(cè)向流出降低了有效蓄水率;黃壁莊水庫(kù)的有效