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大沽河地下水库水资源可持续利用研究 摘要 本论文是在青岛市科技攻关项目大沽河流域水资源优化利用与污染控制研 究的基础上完成的。近年柬大沽河干流及支流已增加多处拦河坝工程致使地下 水采补条件发生了较大变化，本文利用v i s u a lm o d f l o w 软件分析了各种影响因素 对地下水动态的影响，研究了橡胶坝对地下水库的补给能力并重新核算了人工影 响条件下大沽河地下水库的允许丌采量。 首先概括大沽河地下水库的水文地质条件与特征，概化出该区水文地质概念 模型，然后通过全面收集和系统分折研究区的降雨、蒸发、地表径流、灌溉和地 下水水位常观资料，确定该区的各项水文地质参数，进而建立了浚区地下水的数 值模型。 在校f 水文地质数学模型的基础上，模拟和分析了各种因素对地下水运动的 影响。模拟结果表明，地下水位的变化与当地降甫量的大小及时程分配，地下水 丌采量的大小及时程分配和河流来水情况密切相关，其中，降肉入渗，河流渗漏 对地下水补给起到决定性作用同时，随着橡胶坝的修建，也使其成为地下水库 的一个重要补给来源。 并针对橡胶坝的补给能力，通过数值模拟探讨了坝内蓄水因工业丌采而激发 的补给量。结果显示，保证现有的工业开采如局不变，通过调整橡胶坝周围工、世 开采井的丌采量，当工业开采增加4 9 3 1 0 4 m 3 时，橡胶坝渗漏补给量为9 0 1 1 0 4 m 3 ，激发量达2 3 1xi o 3 这说明傍橡胶坝取水可使更多的地表水入渗补充地 下水，从而提高水资源的丌发率，也为地下水库在丰水季节得到足够补给提供了 可靠的保证。 最后通过数值法反复调算计算出本区地下水的允许丌采量，计算结果表明 在现状开采的条件下，大沽：可地下水库车水年( p = 2 0 ) 时地下水允许丌采量为 1 3 6 7 0 x1 0 4 m 3 ，平水年( p = 5 0 ) 时地下水允许丌采量为1 2 0 5 4 x1 0 4 1 3 3 3 ，丰卉水年 ( p ：2 0 ) 时地下水允许丌采量为1 0 9 5 1 1 0 4 m 3 。模型模拟的不同特征年时地一f 水库的允许开采量，对指导合理用水，实现地下水资源的可持续丌发利用具有现 实意义。 关键词：大沽河地下水库允许开采量可持续研究 s t u d y 0 1 1s u s t a i n a b l eu t i l i z a t i o n o fw a t e rr e s o u r c eo ft h eg r o u n d w a t e r s t o r a g e i nd a g ur i v e r a b s t r a c t t h i sp a p e ri sa c c o m p l i s h e do nt h eb a s i so f k e y s c i e n t i f i ca n dt e c h n o l o g i c a lp r o j e c to f q i n g d a oc i t y , t h es t u d yo f p o l l m i o nc o n t r o la n do p t i m i z e d u t i l i z a t i o no f w a t e rr e s o u r c e s i nd a g ur i v e r v a l l e y i nr e c e n ty e a r s ，m a n yb a r r a g e sh a v eb e e nf o u n d e di nd a g u r i v er w h i c h g r e a t l yc h a n g e t h ec o n d i t i o n so f t h e e x p l o i t a t i o na n ds u p p l yo f g r o u n d w a t e r o nt h eb a s i so fc a l i b r a t i o no fm a t h e m a t i c a lm o d e lo fh y d r o g e o l o g y , t h ee f f e c to f d i v e r s i f i e df a c t o r so nt h ev a r i a t i o no fg r o u n d w a t e ri sa n a l y z e du s i n gv i s u a lm o d f l o w s o f t w a r e ，t h er e c h a r g ec a p a c i t yo fr u b b e rd a m t ot h eg r o u n d w a t e rs t o r a g ei ss t u d i e d a n dt h ea l l o w a b l ew i t h & a w lo fg r o u n d w a t e rw i t ht h ei n f l u e n c eo fm a n p o w e ri s c a l c u l a t e d a g a i n f i r s t ，t h eh y d r o g e o l o g i c a l c o n d i t i o n sa n dc h a r a c t e r i s t i c sa l e g a t h e r e du p a n dt h e h y d r o g e o l o g i c a lc o n c e p tm o d e li sg e n e r a l i z e d n e x t ，t h r o u g hc o l l e c t i n gc o m p l e t e l ya n d a n a l y z i n gs y s t e m a t i c a l l yt h er a i n f a l l ，e v a p o r a t i o n ，s u r f a c er u n o f f a n do b s e r v a t i o nd a t u m o ft h eg r o u n d w a t e rw a t e rl e v e l ，a l lh y d r o g e o l o g i c a lp a r a m e t e r so ft h i sa r e ai sd e f i n e d t h e nm a t h e m a t i c a lm o d e lo f g r o u n d w a t e r o f d a g u r i v e ri sb u i l t u s i n gt h e c a l i b r a t e dm o d e l ，t h ee f f e c to fd i v e r s i f i e df a c t o r si nt h ev a r i a t i o no f g r o u n d w a t e ri sa n a l y z e d t h er e s u l ts h o w st h a t ，t h ec h a n g eo fg r o u n d w a t e rl e v e l h a s c l o s er e l a t i o nw i t ht h er a i n f a l l _ i nt h em e a n w h i l e w i t ht h eb u i l to fr u b b e rd a m i ti s a l s ob e e no n eo f a n i m p o r t a n ts u p p l ys o u r l 2 eo f t h eg r o u n d w a t e rs t o r a g e a i m i n g a tt h er e c h a r g ec a p a c i t yo fr u b b e rd a mt ot h eg r o u n d w a t e rs t o r a g e t h ee x c i t e d w a t e r s u p p l yo ft h e d a mc a u s e d b yt h ee x p l o i t a t i o n o fi n d u s t r yi sd i s c u s s e d b y m a t h e m a t i c a ls i m u l a t i o n t h er e s u l t sa r ea sf o l l o w s ：( 1 ) i fw ei n c r e a s et h ep u m p i n gw a t e rb y4 9 3 10 4 m 3 t h e a m o t m to f l e a k a g er e c h a r g eo fr u b b e rd a mw i l lr i s eb y2 31x10 4 m 3 ：w h i c hi n d i c a t e s p u m p i n gb yr u b b e rd a m c a l le x c i t em u c hm o l es u r f a c ew a t e ri n 6 l t r a t es oa st os u p p i y g r o u n d w a t e r t h u st h eu t i l i z a t i o nr a t i oo fw a t e rs o u r c ei si n c r e a s e d ，a n di t d m v j d e sf h e r e l i a b l eg u a r a n t yf o r e n o u g hs u p p l y o ft h e g r o u n d w a t e rs t o r a g ei nw e ty e 札 2 ) u n d e r t h ec o n d i t i o n o f p r e s e n ts t a t u s ，t h eg r o u n d w a t e re x p l o i t a b l er e s o u r c ei n 、”tv e a ri s3 6 7 0 10 4 m t h eg r o u n d w a t e r e x p l o i t a b l er e s o u r c ei nm e d i u m p r e c i p i t a t i o ny e a ri s2 0 5 4 10 m t h eg r o u n d w a t e re x p l o i t a b l er e s o u l x 2 e i nd r a u g h ty e a ri s 10 9 51 10 4 m 3 t h e r e s u l t sc a r lb eu s e dt o i n s t r u c tt h ea c t u a l e x p l o i t a t i o n a n dm a k et h e s u s t a i n a b l e u t i l i z a t i o no f t h e g r o u n d w a t e r s o u r c et r u e k e y w o r d s ：d a g ur i v e r ；g r o u n d w a t e r s t o r a g e ； g r o u n d w a t e r e x p l o i t a b l er e s o u r c e ；s u s t a i n a b l eu t i l i z a t i o n 4 大沽河地下水库水资源d ，持续年1 j 用研究 0 前言 地下水是一种宝贵的自然资源，同时又是环境的基本要素，且其资源与环境 因素是相互影响的。世界所面临的“人口，资源，环境”三大问题。都直接或问 接地与地下水有关。据美国地质调查局统计资料，全美有5 2 5 的人口依赖地下水 作为饮用水、我国的情况大致与此相当，仅以地表水相对丰富的山东省为例：近 1 0 年，山东省平均地下水实际开采量为1 2 0 亿m 3 ，占当年水资源实际利用量的 5 2 。可以说，对地下水资源进行准确评价与科学管理是人类对地下水资源进行有 效开发利用的前提和基础。 青岛市是一个严重缺水地区，特别是城市水资源十分短缺，水资源紧缺矛盾 已成为经济社会发展的最大瓶颈制约因素，要解决这一突出矛盾除了加大节水 力度，合理利用黄河水外最有效的方法就是充分挖掘当地水资源。1 9 9 7 年起， 青岛市水利部门对大沽河进行综合治理改造，一方面对河底和堤岸进行了整修 另外为加大大洁河存蓄地表径流能力，先后在大沽河干流袁家庄、移风店、崖头、 俞河和贾疃等断面修建、改建了五条橡胶坝，总拦水能力为1 4 8 7 x1 0 4m 3 。五条 橡胶坝的建设不仅为青岛市供水在枯水期多取廉价的太洁河水创造了极为有利的 水源条件，并对水源地起到了良好的涵养作用。 本文是在青岛市科技攻关项目大沽河流域水资源优化利用与污染控制研究 的资助下完成的，针对近年来大沽河流域众多拦蓄工程的建成、运营带来的水资 源的可持续利用等重大环境生态问题，采用现代化的技术和手段研究了橡胶坝等 在不同水文年对地下水库的补给能力，并对大沽河水源地的可开采总资源量重新 进行核算和科学评价。 人沽i 叮地下水库水资源町持续利用研究 1 研究意义、现状、内容与方法 1 1 研究意义 “水是生命的源泉”，是城市可持续发展的重要物质基础。对水资源的开发和 利用，一直是全球各国都要面对的一个重要课题。地下水具有水资源和矿产资源 的双重属性，既是一种资源，又具环境因素，且其资源与环境因素是相互影响的。 地下水资源可持续开发利用的基本内涵。是在基本维持开发利用现状的基础上， 一是在地质环境容量内，适度扩大地下水开采量，以基本满足社会经济发展对水 资源的需求：二是保护地下水环境，最大限度地减少由地下水开发诱发的环境地 质问题与地质灾害，使地下水可利用量不减少、质量不下降。地下水资源可持续 开发利用的中心是地下水资源开发利用与生态环境的协调一致，即在地下水资源 得到最大限度地开发利用的同时生态环境基本维持良性发展，一般不出现较突 出的环境地质问题与地质灾害。 青岛是一个水资源贫乏的城市，随着社会经济的发展，城市规模的扩大，城 市综合功能的完善和人民生活质量的提高，城市对水的需求会迅速增长，水资源 短缺必将制约城市的持续发展。青岛市要成为国际性大城市，必须重视水资源的 开发和利用，从开源、节流等多方面着手。这就需要对水资源现状有一个明确的 认识，并在此基础上研究未来水资源开发和利用的合理性和可持续性。 大沽河是青岛市最大的河流，流域面积4 6 3 1 3 k m 2 。大沽河流域水资源丰富， 多年平均河川径流量为6 3 1 1 亿m 3 ，现已建成中型水库8 座、小型水库9 0 座，塘 坝拦河闸1 2 2 3 座，地表总拦蓄能力达4 1 4 3 亿m 3 。青岛市自1 9 8 1 年开始大规模 开采大沽河流域地下水，8 0 年代中期其供水量占青岛市全部供水量的8 0 。随着 1 9 8 9 年引黄济青工程的通水和总供水量的增加，大沽河水源地的供水比例有所下 降，但仍达5 0 5 6 。以1 9 9 7 年为例，大沽河水源地向市区供水6 7 9 9 万n ，另外， 该流域上游的产芝水库和尹府水库分别向市区供水1 9 9 6 万i n 3 和1 1 6 8 力m 3 ，合计 总供水量为8 8 5 9 万m 3 ，占青岛市总供水量的5 2 5 ，所以大沽河仍然是青岛市最 大和最可靠的水源地。更为重要的是，大沽河水源地是青岛市最大、最稳定的本 土水源，与各类客水资源相比，它有着最低的时空风险和环境风险。另一方面， 夫沽 n i 地下水库水资源町持续利用研究 作为青岛市最大的流域，大沽河又是维持本地区生态良性发展的重要因素。因此， 保护和利用好大沽河水资源具有极为重要的资源和环境意义。 目前，青岛市的社会经济迅猛发展，各行各业需水量都大幅增加，城市水资 源紧缺的矛盾已成为其发展的最大瓶颈和制约因素，所以青岛市提出了“以水资 源可持续利用促进城市可持续发展”的新方针。为此，青岛市水利局在太沽河各 干、支流建设了大量的拦蓄工程( 如袁家庄、移风、岔河、崖头、贾疃等橡胶坝) ， 对大沽河的地表水进行层层拦截，起到了涵养地下水的作用：同时，在大沽河流 域下游的麻湾庄修建了截渗坝，拦截大沽河的地下径流，也阻隔了因大量工农业 开采引起的海水入侵。大沽河各干、支流大量拦蓄工程的建成，使地下水的补给 和排泄条件发生了较大的变化。因此，非常有必要对大沽河水源地的地下水可丌 采资源量重新进行核算和科学评价，为更科学合理地利用地下水资源提供科学依 据。 1 2 国内外研究现状 1 。2 。1 地下水库研究现状 大沽河地下水库经多次供水水文地质勘察和长系列的动态监测，具有相当高 的勘探程度。1 9 7 3 年，省地矿局第一水文地质队对李哥庄一矫哥庄段( 地下水库南 段1 进行了详细供水水文地质勘察，1 9 7 5 年提交了详勘报告。1 9 7 7 和1 9 7 8 年，省 地矿局第一水文地质队先后对移风一袁家庄、官庄一南沙梁两地段( 地下水库中段) 进行了供水水文地质勘察，1 9 7 8 年1 月和1 2 月份提交勘察简报各一份。1 9 8 1 年 底，伴随大沽河水源地的全面开发，青岛环境水文地质站协同青岛市水源规划办 公室及时布署并开展了地下水动态监测工作，在完善工业开采计量系统的同时， 加强了区内农业开采量的调查，对开采过程中地下水的水位、水质、水温动态进 行了全面系统的监测和研究，并在此基础上重新计算和评价了地下水资源，于1 9 8 6 年底提交了地下水动态监测报告( 青岛市大沽河水源地地下水开采试验动态监 测报告( 1 9 8 1 1 9 8 5 年) ) 。1 9 8 5 - - 1 9 8 6 年，省地矿局第一水文地质队又对平度冷 戈庄一古岘、莱西朴木一带( 地下水库北段) 进行了补充供水勘察，将大沽河水源地 大沾河地下水库水资源。t 持续利用研究 范围扩展到山区边缘，使整个水源地连成一体。1 9 8 7 年，省地矿局八0 一水文地 质工程地质大队、山东省环境水文地质总站和市水源规划办公室( 青岛市大沽河 水源地供水水文地质蠼察总体报告) 在汇总并研究以往历次勘察和动态监测资料 的基础上，编写了大沽河水源地供水勘察总体报告，使大沽河水源地的研究程度 迸一步深化，资料更加系统和全面。自1 9 8 8 年6 月开始，山东环境水文地质总站 和青岛环境水文地质站在分析以往资料的基础上，深入勘察研究区域地质结构、 水文地质条件，建立以地下水库为中心的水资源数学模型，进行地下水库调蓄调 控数值模拟，确定地下水库合理的运行机制。报告( 大沽河地下水库报告) 中 第一次提出了建设地下水库为目的的合理开发研究第一次运用数值模拟方法进 行了地下水库运行方案的对比研究，但限于当时的计算机运算能力和模型的发展 水平，离散单元太少。剖分后每个单元面积达3 1 9 k i n 2 ，这样大的单元很难保证计 算的精度，因而计算结果可靠性也随之降低。同时，对水动力条件的概化，按平 面二维非稳定流处理也不妥当，水源地的大面积开采，已形成明显的降落漏斗， 垂向流动明显，所以不能忽略。 大洁河流域地下水资源评价工作自八十年代以来先后进行了三次，第一次是 1 9 8 4 年配合全国农业区划工作而开展的资源调查，第二次是1 9 8 7 年结合胶东地 区水资源调查现状、发展趋势和战路研究课题而开展的地下水资源调查评价工 作，第三次是1 9 9 3 年为进行青岛市水资源规划而开展的全市水资源普查与评价。 根据1 9 8 7 年的地下水资源评价，大沽河流域地下水资源量为3 8 2 5 亿m 3 ，地下 水可开采量2 ，2 6 7 亿m 3 。另外，有1 9 9 3 年的地下水资源评价，大沽河流域地下 水资源量3 6 0 3 亿m 3 ，地下水可开采量2 4 5 2 亿m 3 ( 青岛市地下水资源玎发利 用规划研究) 。 1 2 2 地下水资源评价研究现状 随着工农业生产的发展和人民生活水平的提高，地下水资源的供需矛盾日渐 突出，因此对地下水资源的评价与管理提出了更高的要求，即要从定量角度对地 下水资源进行预测和评价，建立合理地开发利用方案。但水文地质条件客观的复 杂性限制了用地下水动力学中建立的解析法解决问题的广泛性。于是，7 0 年代 初以来，随着电子计算机的发展，数值模拟技术逐渐渗透到水文地质学科，丌拓 4 大沽阿地下水库水资源町持续利用研究 了水文地质领域的定量计算。人们通过数值模拟技术，来获得满足一定工程要求 的数值解，尤其在水量计算、资源评价、地下水污染预测、地下水的合理开发和 地下水资源管理等方面应用更加广泛。经过2 0 年的探索和实践表明，数值模拟对 水文地质学科中某些理论和实际问题的解决起了很大作用，构成现代水文地质学 科形成和发展的重要推动力之一，已成为人们揭示水文地质规律和资源评价与管 理中必不可少的工具。 1 2 2 1 数值模拟方法 目前，水文地质领域内常用的数值模拟方法有：有限差分法( f d m ) 、有限单元 法( f e m ) 、边界单元法( b e n ) 和有限分析法( f h m ) 等多种。 有限差分法的基本思想是用差商近似控制方程中的微商，然后耦合初始条件 及边界条件求解封闭的线性代数方程组。该方法具有物理概念清楚、直观、易懂、 计算简单、编制计算程序容易等特点。因此，最早盛行于工程科学中，4 0 年代后 期开始应用于解决土工渗流问题。但由于用差分法求解微分方法需要大量的运算 工作，所以在计算机未出现以前，有限差分法在水文地质计算中的应用仅限于少 量小规模的地下水流模拟。6 0 年代初，随着电子计算机运算速度和容量的提高， 数值模拟才开始广泛地应用于大规模实际地下水流的计算。如p i n d e r 和 b r e d e h o e r ( 1 9 6 8 ) 将p e a c e m a n 和r a g h f o r d ( 1 9 5 5 ) 提出的交替方向隐式方法用于地下 水的计算，稍后又引入强隐式( s t o n e ，1 9 6 8 ：t r c s c o t t 等，1 9 7 7 ：李竞生，1 9 8 2 ) ， 19 6 4 年t y s o n 及w e b e r 成功地把不规则网格有限差分法用于美国加利福尼亚州的 含水层模拟中；国内学者张宏仁、李俊亭( 1 9 7 9 、1 9 8 0 、1 9 8 2 ) 对不规则有限差分法 的推导、论证及推广应用做了大量工作，解决了许多实际问题。不规则有限差分 法的出现，克服了规则网格差分法在拟合自然边界及非均质界线上的不足，丰富 了有限差分方法的理论。 有限元法的基本思想是采用插值近似使控制方程通过积分形式在不同意义下 得到近似满足，把研究区域转化为有限数目的单元而列出计算格式。该方法于6 0 年代后期，开始应用于地下水流计算中，如z i n e k i e w i c z ( 1 9 6 6 ) 把有限元用于二维稳 定流计算，1 9 6 8 年j e v e n d e l 等进一步用有限元方法解非稳定流问题：1 9 7 2 年引入 等参有限元，1 9 7 6 年c a p t a 等人用三维等参数有限元法对多层地下水盆地进行了 5 大沾 n f 地下水库水资源町持续利用研究 数值模拟：嗣后，张宏仁、李俊亭( 1 9 7 9 ) 发现了有限元法求解地下水流问题时不满 足局部质量守恒，n e u m a n 和n a r a s i h t t h a n ( 1 9 7 7 ) 亦发现由于释水矩阵的非对角性所 构成的缺点，提出了相应的改进措旌。有限元法与有限差分法相比由于节点配 制方式比较任意，单元大小比较随意形状可以变化。但容易出现质量不守恒， 此外，有限单元法占用计算机的内存要大一些，前期准各工终及运算工作量大。 1 2 2 2 模型应用研究 国外用模型来管理水资源始于2 0 世纪中后媚，已有4 0 5 0 年的历史 w a t t e n b a r g e rf 1 9 7 0 ) j m 过有限差分模拟，应用响应矩阵法建立了含水层河流系统的 管理模型，实现了地下水和地表水的宏观调控：m a d d o c k ( 1 9 7 2 ) 在泰斯非稳定井流 公式的基础上，应用线性原理和格林函数，导出了承压含水层多井、多时段抽水降深 响应函数的表达式；r i c h a r d 等于1 9 9 3 年在分析某地区水流和污染物运移问题 时，把地理信息系统和有限元方法进行了成功的结合等等。 我国在用数值方法模拟地下水流方面的研究，虽然起步较晚，但其应用范围、 规模及其发展水平都是十分可观的。薛禹群、谢春红、陈崇希、孙讷正、张蔚榛、 罗焕炎、陈雨孙、李俊亭、杨天行、付泽周、林学钰等应用有限元数值模拟技术 解决了一大批供水水源地的资源评价、矿坑涌水量预测、区域地下水资源评价、 海水入侵、污染物在地下水中运移过程等问题；刘少玉( 1 9 9 8 ) 利用二维侧向流 和一维垂向流数学模型模拟了冲洪积扇含水层地下水流动，计算出按工业开采和 农业开采，以地下水多年总补排均衡、水位长期稳定为约束条件的地下水可开采量； 潘国营( 1 9 9 4 ) 就如何评价地下水数值模拟模型的拟合结果从数值模拟应用条件、 实体模型概化的依据与方法、离散尺度、模型拟合标准、预报方法等五个方面进 行了定性讨论；许光泉( 2 0 0 1 ) 应用有限元三角差分方法建立了松辽盆地地下水 数值模拟模型，通过模型控制水位变化来确定各水源地未来的合理开采量；卢京 等( 2 0 0 0 ) 在研究银川市地下水系统特征的基础上，建立了数值模型对地下水位 动态进行模拟和预测，进而对开采资源作出评价；杜汉学等( 2 0 0 2 ) 论述了地下 水库的概念、蓄水原理及理论基础、蓄水基础条件和方法及重大蓄水效益。建议 建设地下水库蓄水示范工程，推广利用地下水库蓄水，以缓解一些地区严重缺水的 局面：刘建立等( 1 9 9 9 ) 采用有限单元法对山东淄博市进行地下水资源评价以解 6 人沽河地下水库水资源可持续利用研究 决评价区供水面积大、精度要求高的矛盾。模型运行稳定拟合效果比较理想； 阎学义等( 1 9 9 8 ) 利用r i t z 有限元数值分析方法，结合单纯形线性规划，成功地 对水源地进行地下水开采模拟，为腈纶工程水源地地下水开采提供了充分的设计 依据：吴吉春等( 2 0 0 1 ) 建立了平面二维区域地下水渗流模型，用于描述柳林泉 域的地下水渗流，模拟效果良好。 m o d f l o w 是当前地下水数值模拟领域的权威软件。国内吴剑峰( 2 0 0 2 ) 、武强 ( 1 9 9 9 ) 、魏林宏等( 2 0 0 0 ) 等对m o d f l o w 的原理、功能、应用前景作了论述但 没有具体的应用实例：何杉等( 1 9 9 9 ) 应用p r o c e s s i n gm o d f l o w 对海河流域的一个 假定排污河作了分析计算，也只是理想情况：贾金生等( 2 0 0 2 ) 根据栾城县水文 地质条件，建立了三维地下水流模型。对栾城县地下水进行了数值模拟，结果较 好的反映了地下水动态的实际情况；邱汉学和焦超颖( 1 9 9 3 ) 等利用m o d f l o w 对 当时条件下的大沽河地下水库在不同开采量条件下的水位进行了预报，单元剖分 精度大幅提高每个单元面积达1k m 2 ，水流动态按三维非稳定流处理。总的来讲， 利用m o d f l o w 对地下水进行数值模拟，指导水资源的合理开发的实际应用在国内 还不多。 1 3 3 研究内容 大沽河地下水库及其供水设施，是在二十世纪七十年代到八十年代青岛市连 续遭遇特大干旱，城市供水严重不足的情况下，由青岛市人民政府发动并组织兴 建起来的，前后共经历三次供水应急工程，各采区的工业开采资料比较系统，地 下水水位的系统监测也比较全面。从以往所建的数值模型来看，模型网格剖分过 大，精度不高；潜水含水层始终为单一潜水含水层，这也与地下水库潜水层分上 下两层的实际情况是不相符的，而且大沽河地下水库采补条件已发生了较大的变 化，增加了众多拦河坝工程。鉴于上述情况，作者对单元的剖分加细，每个单元 面积达o 3 6k m 2 ，特别是河道和橡胶坝等关键部位的单元将进一步细分，以提高模 型的精度和结果的可靠性，同时将潜水含水层分为上下两层，赋予不同的水文地 质参数，进行三维非稳定流数值模拟，以期从物理性质方面( 含水层结构、水流 状态) 近似于真实结构在这个区域的物理性质。具体步骤如下： 1 充分利用已有资料，研究流域及水源地水文地质条件 7 大沾坩地下墩库水资源町持续利用研咒 大沽河水源地各类观测资料较多，研究程度较高，可充分搜集整理，咀研究 地表水与地下水的补排关系，含水层和包气带的空问变化规律及地下水的运动规 律。其资料包括： ( 1 ) 气象降雨量、蒸发强度、气温等系列数据； ( 2 ) 水文大沽河及其主要支流的水位、流量资料： ( 3 ) 地质研究区地层分布和构造情况； ( 4 ) 水文地质含水层和包气带分布、地下水补给、排泄与径流、地下水水位 和水质动态资料，地下水开采量和回灌水量和边界条件等： ( 6 ) 水利工程水库、拦河坝位置、库容、功能： ( 6 ) 水资源利用农田、工业和生活用水量、来源等。 2 现场渗水试验 为了研究大气降水和灌溉水的入渗能力，拟作3 - 4 组渗水试验，具体方法为： ( 1 ) 选择代表性地段，将大小2 个专用渗水环埋入地下： ( 2 ) 将小环内和大小两环之间加水约l o c m ，并不断加水保持水位相对固定，同 时计录加入水量和时问间隔； ( 3 ) 试验连续进行6 - 8 个小时，待流量不变时为止： ( 4 ) 根据达西定律计算包气带的渗透系数。 3 采用v i s u a l o d f l o w2 8 1 模型定量评价大沽河流域的地下水资源量 ( 1 ) 根据水文地质调查、勘搽资料分析大沽河水源地地下水赋存条件、补给、 排泄和径流特征： ( 2 ) 确定各种水文地质边界，概化水文地质模型； ( 3 ) 建立三维的地下水水流模型； ( 4 ) 用有限差分法对数学模型进行离散化，并用不同叠代方法求解： ( 5 ) 根据地下水位长观资料和相应的地下水开采量，对数学模型进行校正； ( 6 ) 定量分析河流侧向补给、大气降雨入渗补给和地下水开采等均衡要求的影 响程度： ( 7 ) 确定不同水文年地下水系统的允许开采量和橡胶坝的入渗补给能力。 人沾河地下水库水资源可持续利用研究 2 区域自然地理与地质概况 2 1 地理位置 大沽河水源地是青岛市重要水源地之一，位于青岛市西北部，大沽河流域的 中下游( 见图2 - 1 ) ，地理座标为东经1 2 0 。0 4 4 8 ”1 2 0 。2 1 0 0 ”、北纬3 6 。1 8 0 0 ”3 6 。4 5 4 5 ”，面积4 6 0 k m 2 。在行政区划上分属平度、莱西，即墨、胶 南等四县级市管辖，海拔高程0 4 0 m 。北起平度古蚬以北龙虎山和莱西的江家庄 闸，南至青( 岛) 一胶( 州) 公路，东、西到大沽河古河谷的边缘。 图2 - 1 大沽河流域地理位置图 9 人沽m 地下水库水资源叮持续利用研究 2 2 气候 大沽河流域属北暖温带季风气候区，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥，春季干 旱少雨，秋季冷暖适中。 2 2 1 气温 据南村站1 9 5 1 2 0 0 1 年5 1 年观测资料，年平均气温1 2 5 0 c ，8 月份气温最高， 1 月份气温最低，最高气温3 7 4 c ，最低气温一2 0 i ：。 2 2 2 降水 2 2 2 1 降雨的空间变化 大沽河流域降水量在空间分布上极不均匀。就所在青岛地区而言，其趋势是 自东南沿海向西北内陆递减，其中在大沽河流域其分布趋势是由南向北递减。( 见 图2 2 ) 2 2 2 1 降雨的随时间变化 大沽河流域降水量在时间分布上也极不均匀，对南村站19 7 6 年2 0 0 1 年平均 月降水量的统计分析( 图2 3 ) 显示：春季( 3 5 月) 、夏季( 6 - 8 月) 、秋季( 9 1 1 月) 和冬季( 1 2 2 月) 的降水量分别占全年降水量的1 3 5 、6 6 2 、1 6 5 和3 3 。汛期( 6 9 月) 的降水量占全年降水量的7 1 4 5 ，其中7 8 月份的降水量占汛 期降水量的6 9 ，应该说，大沽河流域降水量主要集中在汛期，特别是7 、8 月份， 由此可见，年内分配不均，经常出现的季节性干旱是本区气象的一个主要特点。 1 8 0 0 0 1 5 0 0 0 暮1 2 0 0 0 堋9 0 o o 毽6 0 0 0 耋3 0 o o o o o 123456789 1 01 1 1 2 月份 图2 31 9 7 6 - 2 0 0 1 平均月降雨量分布图 降水量年际变化大和枯水持续时间长是本区气象方面的另一个显著特点。据 南村站的观测资料( 图2 4 ) ，1 9 6 5 2 0 0 1 年大沽河流域的降水量系列资料统计显示， 上沽河地下水库水资源町持续利用研究 剧2 2 人洁河漉域降水最等值线幽 夫诂扣f 地下水库水资源口r 持续利用饼究 该区多年平均降水量为6 2 5 3 m m ，其中最大年降水量为9 5 3 1 m r n ( 1 9 7 5 年) ，为多 年平均降水量的1 5 3 倍；最小年降水量仅为3 1 7 2 m m ( 1 9 9 7 年) ，为多年平均降 水量的5 0 7 ，最大年降水量为最小年降水量的3 倍。由于降雨量年际、年分配 不均经常出现的季节性干旱，春季降水稀少，又时常伴随着干热风，故春旱比 较严重也时常发生，自1 9 8 1 年至今，连枯四年的现象已经出现两次；出于降雨 量过于集中，也容易产生洪涝灾害。 降水量的年际变化具有定的周期性，一般为6 2 年左右。 l o o o o 8 0 0 o 暑6 0 0 o 翟4 0 0 o 好 一2 0 0 o o 0 蛩景誊晷誉善量 “ 一 “年扮“ 一 “ 图2 4 1 9 6 5 年一2 0 0 1 年大洁河流域降水量分布柱状图 2 2 3 蒸发 该区多年平均蒸发量为9 8 3 8 6 m m ，是平均降雨量的1 5 7 倍。最小年蒸发量为 7 8 7 m m ( 1 9 9 0 年) ，最大年蒸发量为1 2 3 8 7 m m ( 1 9 7 8 年) ，各年蒸发量见南村站 历年蒸发量分布图( 图2 一j ) 。蒸发量年内分布不均，1 1 月次年2 月蒸发量较小， 太沽河地下永库水资源可持续利用研究 1 4 0 0 0 0 1 2 0 0 0 0 ，、1 0 0 0 0 0 v 8 0 0 0 0 型6 0 0 0 0 礁4 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 o o8 1 9 7 61 9 8 i1 9 8 61 9 9 11 9 9 62 0 0 1 年份 图2 5南村站历年蒸发量分布 在6 0 n - a r t 以下，蒸发主要集中于4 9 月，尤其是5 9 月蒸发量最大，占总蒸发 量的4 8 ，多年平均月蒸发量分布见图2 - 6 。 2 3 研究区水文 大沽河是胶东半岛主要河流之一发源于烟台市招远县阜山，流经招远、莱 州、莱西、平度、即墨和胶州等县级市，于胶州市河西屯以南码头村入胶州湾， 全长1 7 9 k m ，流域面积4 6 3 1 3k m 2 。该河自北向南纵贯整个水源地，区内主要支流 有小沽河、洙河、五沽河、猪洞河、落药河、流浩河和南胶莱河( 见表2 - 1 、 1 4 0 0 0 1 2 0 0 0 l 0 0 0 0 v 8 0 0 0 型6 0 0 0 罐4 0 0 0 2 0 0 0 o o o 一 几几n门n几几 1234567891 01 i 1 2 月份 图2 6南村站多年平均月蒸发量 图2 - 7 大沽河流域水系图) 。大小沽河在石家曲堤村汇合，两者难分大小和主次， 人沽m 地下水库水资源町持续利用研究 其它支流分别在袁家庄、崖头、岔河和店口汇入大沽河这些支流均为间歇性河 流每年断流时间长，仅在雨季有水流。 南村水文站位于水源地的中部，控制流域面积3 7 2 4 k t 占总流域面积的 8 9 5 。据南村站1 9 5 1 1 9 8 9 年资料，多年平均断面径流量5 2 5 7 亿m 3 ，8 3 的径流 量集中在6 9 月份。1 9 8 1 年以前，基本常年有水，断流时问很短，最大断面年径 流量2 8 3 1 亿m 3 ( 1 9 6 4 年) ，最小断面年径流量0 3 1 亿订( 1 9 6 8 年) 。1 9 8 1 1 9 8 9 年除1 9 8 5 年外，大部分时间断流，其中1 9 8 1 、1 9 8 3 、1 9 8 4 和1 9 8 9 四年全年断 流。 在河流的中上游建有大型水库2 座，中型水库6 座，小型水库5 座，以及辇 子头、江家庄、袁家庄、崖头等引河灌区，拦蓄能力3 7 亿皿3 。( 表2 2 ) 水库和 人工拦蓄工程建成后对大沽河地表径流状态产生了比较明显的影响。建库后， 平均年断面径流量比平均年径流量小2 3 3 8 亿m 3 ，减少3 4 1 。 表2 1 大洁河干支流河流特征值一览表 全长流域面积 河流名称发源地流入地 ( k m ) ( k m ) 大沽河烟台市招远县阜山大宫里胶州市码头村入胶州湾 1 7 9 96 1 3 i 3 洙河莱阳市谭格庄莱西市辇子头村入大洁河5 0 74 2 0 5 小洁河莱州市马鞍山平度市营村入大沽河8 4 01 0 2 8 2 黄桐河平度市陈家上夼平度市小洁洄入小沽河 1 7 51 2 8 9 猪洞河平度市大泽山平度市云山入小沽河 3 7 52 9 9 ，3 五沽河莱西市众水村东即墨市袁家庄入大沽河 4 4 0 6 4 8 0 落药河平度市崔召镇野猪庄铁岭庄平度市崖头村入大洁河 3 5 o2 8 5 7 流浩河即墨灵山东南金家湾即墨市北岔河南入大洁河 3 6 04 0 0 8 南胶莱河平度市姚家胶州市沽河入犬沽河 3 0 o1 5 0 0 0 桃源河即墨市博东桃行村城阳区下瞳村入大沽河 3 4 73 0 8 0 胶河胶州市六旺乡鲁山平度、高密、胶州交界入南胶莱河 1 0 0 06 0 8 0 墨水河胶州市夼集乡南杜村胶州市官路滞洪区北入南胶莱河5 0 03 3 9 9 云溪河胶州市城前胶州市河两屯入大沽河 1 9 01 0 0 2 地下水库库区内，1 9 9 7 年以前，大沽河支、干流河道上建有江家庄、崖头、 袁家庄、岔河、贾瞳和麻湾六座拦河闸，其各项指标见表2 3 。1 9 9 7 年以后，青岛 市水利部门对大沽河进行了综合治理改造，修建和改建了袁家庄、移j x l 店、崖头、 人沽河地下水库水资源口，持续利用研究 贾瞳等四条橡胶坝，总拦水能力为1 2 3 0 万m 3 ，对大沽河的人工拦蓄能力进一步得 到加强( 见表2 - 4 ) 。 表2 - 2 水源地太、中水库一览表 水库名称产芝尹府黄同北墅高格庄 堤湾勾山城子 总库容( 万k m 3 ) 3 7 21 3 6o 6 0 3o 5 0 lo 】2 7o 。2 8 0 4 3 io 3 8 6 兴利库容( 万k m 3 ) 1 7 60 60 2 4 5 0 2 2 40 0 7 80 0 40 1 6 80 1 9 2 流域面积( k m 2 ) 8 7 9 01 7 8 01 2 6 03 0 1 o1 2 5 07 3 5 表2 - 3 拦河闸基本情况一览表 过闸流量( m 3 s )设计蓄水量 闸名所在河流主要用途 设计校核( 万m 3 ) 崖头闸太沽河6 0 灌溉 袁家庄闸五沽河5 0 08 0 41 0 5灌溉 岔河闸太沽河4 2 7 74 2 7 75 0 灌溉 贾瞳闸大沽河5 1 95 1 91 5 0灌溉 麻湾闸大沽河 3 7 63 7 62 1 8 灌溉 表2 4 大沽河流域水源地拦河闸坝及灌区工程一览表 拦河闸 总灌区情况 设计晟大多年平均 建成 坝及灌河名位置 蓄设计灌有效灌 引水量引水帚 水 溉面积溉面积年爿 区名称m 3 sm j l s 量 ( 万亩)( 万亩) 丈沽莱西市孙受 江家庄 2 2 6621 4 。55 2 1 9 6 5 河镇江家庄 人沽平度市南村 1 9 7 7 崖头 4 5 080 ，58 o2 5 81 9 9 9 年 河镇崖头村 改建 犬沽即墨市七级 1 9 6 4 岔河 2 7 052 2 0 】9 9 8 年 河镇岔河村 改建 大沽即墨市移风 移风 1 8 01 9 9 6 8 河店镇 裒幕压大沽即墨市刘家 2 6 7 2 0 0 1 ( 坝)河庄镇袁家庄 袁家庄五洁即墨市刘家 1 0 59 331 0 25 2 01 9 6 6 ( 闸)河庄镇袁家庄 莱前市望城 辇子头潴河 4 51 241 5 59 91 9 6 6 镇撵子头村 人沾 口j 地下水库水资源町持续利用研究 2 4 区域地质概况 2 4 1 地形与地貌 大沽河流域在大的地貌单元中属鲁东低山丘陵区的一部分。地形变化的总趋 势是北高南坻。古岘以北为构造剥蚀低山丘陵地形，主要出花岗岩和变质岩组成， 地形标高一般5 0 2 0 0 m ，大泽山主峰高7 3 6 7 m ，是区内最高点。古岘以南为构造 剥蚀平原，主要由碎屑岩和火山岩组成，是胶菜盆地的组成部分，地形起伏平缓， 标高一般2 0 - 5 0 m ，沿大沽河中下游河床两侧为河谷冲积平原，由北向南呈不规则 的带状分布。古岘一店埠以南河谷开阔，地形平坦，地形标商4 - 4 0 m ，微向南倾斜， 坡降2 -