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河海大学硕士学位论文黄河下游渗漏补给地下水水量研究 摘要 黄河下游为“地上悬河”，河水常年补给浅层地下水，成为地下水的重要补给 来源，渗漏损失是河道自然耗水量中的重要组成部分。本文在充分分析黄河下游 自然地理、地质、水文地质条件的基础上，采用野外现场竖管实验和室内颗粒分 析法进行了河床沉积物渗透系数测定，与室内颗粒分析法相比，野外现场竖管法 具有能较好地反映现场实际条件、结果稳定可靠、操作简捷、耗时较短的优点， 所得花园口、高村、孙口、艾山、泺口五个实验点河床沉积物垂向渗透系数结果 分别为0 7 1 、0 2 9 、0 3 4 、o 1 9 、0 2 4 1 r d d ，花园口河床沉积物水平方向渗透系数 为1 8 1 m d ，k 。与k ，的比值为2 6 ，这表明花园口站的河床沉积物是各向异性的， 改进的r o s i n r a m m l e r 分布是研究区河床沉积物最理想的粒径分布模型。 在此基础上，遵循尽可能使同一河段具有形念均匀、河床处于同一地质单元 的特点，划分计算子河段，结合研究区7 个水文站的长系列实测水文数据和两岸 长观孔的地下水位资料，采用地下水动力学方法计算不同时间尺度的黄河下游渗 漏补给地下水水量，建立渗漏水量依实测河水位、流量、晟大水深的回归方程。 研究时段内，2 0 0 4 年的渗漏补给地下水水量最大，为9 6 7 l m 3 ，1 9 9 7 年的渗漏 水量最小，为6 2 1 亿m 3 ，下游年均渗漏水量为8 0 1f l m3 。下游年渗漏水量主要 受来水量和工农业引水的影响，各区间河段单位河长年均渗漏水量沿程减少，花 夹区间河段的单位河长年均渗漏水量最大。 最后，采用距平累积法和不均匀性、集中程度、变化幅度等参数，分析近 1 5 年( 1 9 9 1 2 0 0 5 年) 天然状态下黄河下游渗漏补给地下水水量的年际变化规 律和年内分配特征。1 9 9 6 年、2 0 0 1 年分别是渗漏年内分配最不均匀和最均匀的 年份，研究区多年平均集中期渗漏量占年总渗漏量的比例为1 0 ，集中期出现在 8 月，多年平均最小渗漏量出现在2 月。上述结论对于研究河段水量平衡，查明 区内水资源条件，研究黄河与地下永最佳联合开发利用及水资源合理配置模式， 沿黄城市寻找备用水源地等都具有重大的理论价值和现实意义，对于确定枯水季 节小浪底水库的运行方案也具有参考价值。 关键词：野外现场竖管法，河床沉积物，渗透系数，渗漏补给，黄河下游 河海大学礤土学位论文黄河下游渗漏补给地下水水量研究 a b s t r a c t t h el o w e rr e a c h e so ft h ey e l l o wr i v e ri sa “s u s p e n d e d ”r i v e r s t r e a mw a t e r r e c h a r g e ss h a l l o wg r o u n d w a t e rt h r o u g h o u tt h ey e a ra n dc o n t r i b u t e sas i g n i f i c a n tp a r t t os t r e a mn a t u r a lw a t e rl o s s i nt h i ss t u d y , b a s i n go na n a l y s i so fp h y s i c a lg e o g r a p h i c a l ， g e o l o g i c a l ，a n dh y d r o g e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，t h es t r e a m b e dh y d r a u l i cc o n d u c t i v i t i e s ( k ) o ft h el o w e rr e a c h e so ft h ey e l l o wr i v e rh a v eb e e nd e t e r m i n e db yu s i n gi n s i t u s t a n d l ：l i p et e s ta n dl a b o r a t o r yg r a i ns i z ea n a l y s i st e s t i n - s i t us t a n d p i p et e s t s f r o m h u a y u a n k o u ，g a o c u n ，s u n k o u ，a i s h a nm a dl u o k o u ，g i v es t r e a m b e dv e r t i c a lh y d r a u l i c c o n d u c t i v i t i e s ( k 。) o f0 7 1 ，0 2 9 ，0 3 4 ，0 1 9a n d0 2 4m dr e s p e c t i v e l y s t r e a m b e d h o r i z o n t a lh y d r a u l i cc o n d u c t i v i t y ( k h ) a th u a y u a n k o ui s1 8 1r r d da n dt h er a t i oo f k ht ok ，i sa b o u t2 6 ，i m p l f i n ga n i s o t r o p i cs t r e a m b e ds e d i m e n t c o m p a r e dw i t h l a b o r a t o r yg r a i ns i z ea n a l y s i st e s t ，i n - s i t us t a n d p i p et e s tr e p r e s e n t si n s i t uc o n d i t i o n b e t t e r , g i v e sr e l i a b l er e s u l t s ，e a s i l yt oo p e r a t ea n dc o n s u m e ss h o r tt i m e b e s i d e s ，t h e m o d i f i e dr o s i n r a m m l e rm o d e ld e v e l o p e di nt h i ss t u d yp r e s e n t st h eb e s t f i to fa g r a i ns i z ed i s t r i b u t i o n a lm o d e lc u r v e t oe x p e r i m e n t a lp o i n t s b yu s eo fg r o u n d w a t e rd y n a m i c sm e t h o dt oe s t i m a t es t r e a mw a t e rs e e p a g el o s s i nd i f f e r e n tt i m es c a l e s 。w h e r et h eo b s e r v e ds t r e a mw a t e rl e v e l ，r u n o i f , a n dm a x i m u m w a t e rd e p t ha r ec h o s e na sv a r i a b l e st oo b t a i nr e g r e s s i o ne q u a t i o n sf o rs e e p a g ew a t e r l o s si nd i f f e r e n ts e c t i o n so ft h es t r e a m ，w i t h i nt h es t u d yt i m ep e r i o d ，s e e p a g ew a t e r l o s si sm a x h n u m ( 9 6 7 x 1 0 8 m 3 ) i nt h ey e a r2 0 0 4a n dm i n i m u m ( 6 2 1 x 1 0 8 m3 ) i n 1 9 9 7 w i t ha na n n u a la v e r a g eb e i n 9 8 叭x 1 0 8 m3 s e e p a g ew a t e rl o s si s m a i n l y i n f l u e n c e db yr u n o f fa n dw i t h d r a w a lf o ra g r i c u l t u r a lm a di n d u s t r i a lp u r p o s e s a n n u a l s e e p a g ew a t e rl o s sp e rc h a n n e ll e n g t hd e c r e a s e sa sf l o wp a t he x t e n d st o t h el o w e r r e a c ha n di ti sm a x i m u mv a l u ei nt h es e c t i o nb e t w e e nh u a y u a n k o ua n dj i a h e t a n f o rt h el a s tp a r t ，c u m u l a t i v ea v e r a g ed e v i a t i o na n dp a r a m e t e r sf o rn o n u n i f o r m i t y , c o n c e n t r a t i o na n da m p l i t u d eo fv a r i a t i o na r ei n t r o d u c e dt oa n a l y z ei n t e r - a n n u a la n d a n n u a ld i s t r i b u t i o nl a w so fs e e p a g ew a t e rl o s sa m o n gt h er e c e n t1 5y e a r s ( 1 9 9 1 2 0 0 5 ) a n n u a ld i s t r i b u t i o no fs e e p a g ew a t e rl o s s i nt h ey e a r1 9 9 6a n d2 0 0 1a r e r e s p e c t i v e l yt h em o s tu n i f o r ma n dl i o n u n i f o r m a v e r a g ea n n u a ls e e p a g ew a t e rl o s s d u r i n gc o n c e n t r a t i o np e r i o d ( i na u g u s t ) a c c o u n t sf o r1 0 o f t h ea n n u a iv a l u e ，a n d m o n t h l ys e e p a g ew a t e rl o s sc o m e st ot h em i n i m u mv a l u ei nf e b r u a r y t h ea b o v e i i i 河海大学硕士学位论文 黄河下游渗漏补给地下水水量研究 f i n d i n g sa l eo fs o m et h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i e a n c e ，n o to n l yf o rs t u d y i n g s t r e a mw a t e rb a l a n c ea n d a s c e r t a i n i n gr e g i o n a lw a t e rr e s o u r c e sc o n d i t i o n ，b u ta l s of o r s e e k i n gs t a n d b yw e l lf i e l d sa l o n gt h el o w e ry e l l o wr i v e r , a n ds e a r c h i n gf o rt h eb e s t m o d ef o ri n t e g r a t e du t i l i z a t i o na n da l l o c a t i o no ft h ey e l l o wr i v e ra n dg r o u n d w a t e r r e s o u r c e s k e yw o r d s ：i n s i t us t a n d p i p et e s t ，s t r e a m b e ds e d i m e n t ，h y d r a u l i cc o n d u c t i v i t y , s e e p a g ew a t e rl o s s ，l o w e rr e a c h e so f t h ey e l l o wr i v e r 一l v - 河海大学硕士学位论文黄河下游渗漏补给地下水水量研究 月i j舌 地表水体的渗漏，是指地表水在水的重力、土壤表层分子力和毛细管引力综 合作用下，进入土壤层的过程。渗漏是联系地表水与地下水的纽带，在水资源的 形成、转化与消耗过程中，它是不可缺少的重要环节。我国西北、华北干旱一半 干旱地区水资源紧缺，地下水是大多地区的主要供水水源。f 确分析河水与地下 水之间的相互关系，研究河水和地下水相互转化在水量和水质两方面的时空变化 规律，对于揭示河流自然耗水、地下水补给的时空变化规律，完善水资源评价理 论与方法，防治与预警水污染，保护地下水与河水交错带的生态环境，制定水资 源规划和可持续利用方案均具有重要的理论和实践意义。 据近几年黄河下游水量统一调度的实践和资料统计，1 9 9 9 2 0 0 2 年小浪底 利津河段年水量不平衡差值已超过4 0 亿m 3 。如此大的水量不平衡差值，是如何 产生的，产生的机理和主要影响因子都有哪些，至今人们还不是十分清楚。在黄 河水资源供需矛盾r 益尖锐的今天，这个问题更加引起了各方面的，。泛关注，已 经成为治黄生产和科研急待解决的重大问题之一。针对上述问题，水利部黄河水 利委员会黄河水文水资源科学研究院按照工作需要，于2 0 0 4 年承担了黄河下 游河段水量平衡研究治黄专项课题，黄河下游自然耗水量分析是该专项课 题的子课题。黄河自郑州的桃花峪进入下游，由于地形坡降急剧变小，大量泥沙 沉降淤积，下游河床逐年抬高，目前滩面一般高出堤外3 5 m ，局部河段高达 l o m 以上，形成“地上悬河”，受此影响，河道向外侧渗漏水量较大，渗漏损失是 下游河道自然耗水量中的重要组成部分。 本文在充分分析黄河下游自然地理、地质、水文地质条件的基础上，进行了 河床沉积物渗透系数的现场测定，采用地下水动力学方法计算了黄河下游河水的 渗漏补给地下水量。采用距平累积法和不均匀性、集中程度、变化幅度等参数， 分析近1 5 年( 1 9 9 1 2 0 0 5 年) 天然状态下黄河下游渗漏 给地下水水量的年际 变化规律和年内分配特征，以便为流域内国民经济和社会发展的近期计划和远景 目标提供科学依据。 河海大学硕士学位论文黄河下游渗漏补给地下水水量研究 致谢 本文是在导师束龙仓教授的悉心指导下完成的，从论文的选题、野外实验、室内实验， 到最终完成都倾注了导师大量的智慧和心血。从师三载，导师在学习和生活上都给予我莫大 的指导、帮助，难忘的不【l 是恩师传道、授业、解惑，更铭记恩师前沿的研究视野、启发式 的育人方式、勇于实践的钻研精神，以及宽容大度、知致德明的品格，收笔之际，谨向恩师 表示由衷的感谢和敬意。同时，深深感谢师母温忠辉老师三年来的无私帮助和精神支持，温 老师真诚、豁达、乐观的生活态度将影响我的人生。 感谢黄河水利委员会水文局对本研究的资助。感谢河海大学水文水资源与水利下程科学 国家重点实验室对本研究中的室内颗粒分析实验提供实验器材和场地。 河海大学水文水资源学院陆宝宏副教授为本文第三章提供了部分英文资料和宝贵的意 见；黄河水文水资源科学研究院的王玉明工程师协助我们做了四天野外实验，王玉明工程师 和钱云平高级工程师提供了部分资料；王万杰老师、李伟博士、刘波博士、王茂枚硕士对野 外和室内实验给予了很大的帮助；郝振纯教授和李晓宇硕士提供了己完成的黄河下游蒸散发 耗水量资料，在此一并致以深深的谢意! 特别感谢美国u n i v e r s i t yo fn e b r a s k a l i n c o l n 自然资源学院陈洵洪教授( x u n h o n gc h e n ) 及时的答疑解惑，将与本文相关的最新研究成果与我分享，为论文第三章的完成提供了可靠 的资料。深深感谢河海大学水文水资源学院华家鹏教授、粱忠民教授、叶亚平副教授、罗健 副教授、宋亚琼老师在论文完成过程中的无私帮助和鼓励。 感谢我求学路上的学姐兼好友马秀毅硕士、王随霞硕士、挚友张新峰、张敏，你们长久 以来在生活和学习上的关爱、理解与帮助，一直让我心怀感激。感谢我多年的好友邱滢滢、 田乐、朱灵芝、王翠文、袁丹风、许沽、崔志静、董金磊、王亮、孙龙、王凯，在我失意懈 怠时，你们让我懂得珍惜和乐观；感谢室友吴晓玲博士、朱映新硕士、范晓梅博士，与你们 相处的朝朝暮暮将是最美好的记忆。 感谢一起在严恺馆4 1 0 办公室奋斗的同门，三年来，师兄邓正波硕士、李伟博士、刘猛 硕士、b a s i ltk oo n g o r 博士、董贵明博士、黄修东博士、张其成博士，师姐荆艳东硕士、 刘波博士、吴夏懿硕士，同届刘佩贵博士、小李伟硕士、王雪硕士、孟宪萌硕士，师弟曹英 杰硕士、王茂枚硕士、鲁程鹏硕士，师妹陶玉飞硕士、甄黎硕士、刘丽红博士，给予了许多 帮助和支持，在此一并致谢! 感谢我的父亲王世军、母亲姚生芬、哥哥王泽杰多年来无微不至的关心和支持。 一1 3 2 。 作者：王志华 2 0 0 7 年2 月1 3 日 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 知 年弓月弓口日 学位论文使用授权说明： 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或 电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：o 一_ 7 年弓月3 0 日 ， 河海大学硕士学位论文 黄河下游渗漏补给地下水水囊研究 第一章绪论 1 1 研究的目的和意义 地表水与地下水的相互作用是自然界中普遍存在的一种现象，也是全球水文 循环的重要组成部分【l 】。研究的范围已经涉及到水文学、水文地质学、水文地球 化学、生物学、气象学等多学科的渗透交叉。联合国环境规戈t ( u n d p ) 、联合国 教科文组织( u n e s c o ) 、国际水文地质学家联合会( i a h ) 、国际地下水基金会 ( i g f ) 、美国环境保护局、美国地质调查局、联合国环境规划署( u n e p ) 等组织和 机构都将地表水与地下水的相互作用作为目前研究的重要热点和前沿课题。 作为中国的第二大河，黄河是我国西北、华北地区的重要水源，是北方地区 最大的供水水源，担负着流域内及下游沿黄地区约占全国1 5 耕地面积、1 2 人 口及5 0 余座大中城市及巾原、胜利油田的供水任务。黄河不仅对缓解华北水资 源短缺、促进该地区社会可持续发展起着重要的作用，而且在全国经济发展中占 有重要位置。目前流域内已建成大、中、小型水库3 1 4 7 座，总库容5 7 4 l m 3 ， 引水工程4 5 0 0 处，提水：【程2 9 万处；在黄河下游，还兴建了向两岸海河、淮 河平原地区供水的引黄涵闸9 4 座，虹吸2 9 处，为开发利用水资源提供了重要的 基础设施。现状黄河供水地区年均引用黄河河川i 径流量3 9 5 l m 3 ，耗水量 3 0 7 乙m 3 ( 其中流域外1 0 6 亿m 3 ) ，黄河河川径流利用率已达5 3 。”1 黄河流域河水与地下水关系主要受地质构造、地形地貌、气象水文、人类活 动等条件控制，局部频繁转化，河水与地下水转化关系可概化为8 种模式，不同 模式其水动力特征有着明显的差异。黄河与地下水有着复杂的转化关系，各种转 化关系由于河流流量削减( 增加) 或地下水开采量的增加以及水利工程等影响都 会发生变化，或加剧或削减或向相反方向转化。1 ，引起了水循环的变化，诱发了 一系列生态环境负效应，使黄河水资源及生态问题突显。黄河的问题越来越受到 重视，其中黄河流域河水与地下水关系及其演变是黄河若干问题中重要问题之 。 黄河下游( 从桃花峪至山东垦利县入海口) 位于黄淮海平原，流经豫、鲁两 省的1 5 个地市、8 5 个县，是淮河与海河的分水岭，河道长7 8 6 k m ，落差9 4 m ， 1 河海大学硕士学位论文黄河下游渗漏补给地下水水量研究 流域面积只有2 2 万k m 2 ，分别占全河的1 4 4 、2 3 和2 9 。桃花峪以下为黄 河的古冲积扇，由于中新生代以来长期继承性的沉降，形成巨厚坳陷平原，构成 了巨大的地下水库，地下水资源丰富。黄河下游与地下水联系密切，河水位高出 两岸平原区地下水位3 8 m ，常年补给浅层地下水，成为地下水的重要补给来源。 从汛期和枯水期的浅层地下水位等值线上可以看出，黄河两岸地下水流场都向河 口弯曲，其弯曲程度向下游逐渐减弱，说明几十年来，无论汛期还是枯水季节， 黄河下游冲洪积平原上，黄河水都是补给地下水的，但自桃花峪至黄河入海口， 河床沉积物粒径逐渐变细，因此其补给强度也沿程逐渐减弱。据河南中牟万滩试 验【4 】，平均单位河长黄河侧渗补给量为3 3 4 4 m 3 a k m ，丰水年3 8 0 0 m 3 a k m ， 枯水年为2 0 0 0 m 3 a k m 。根据同位素、数值模拟和地下水动态资料等分析，黄 河侧渗影响范围达3 2 0 k m 。 黄河作为海淮平原的地下水分水岭，它的补给宽度和循环深度的确定，在其 范围内，地表水和地下水的转化机理研究，已成为沿黄城市实现可持续发展十分 重要的基础条件和水文地质工作者的重要研究内容。近年来，黄河下游突发性水 污染事件频频发生，不仅增加了水处理费用，水质下降，而且造成城市供水水源 的短期关闭，使得本来就十分严重的水资源形势更是雪上加霜。为了实现可持续 开发利用，人们不得不对黄河下游水资源的形成、分布、演化规律、再生性机理 和优化调控引起重视和进行研究。 研究天然状态下黄河下游渗漏补给浅层地下水的规律，对于研究河段水量平 衡，查明区内水资源条件，研究黄河与地下水最佳联合开发利用及水资源合理配 置模式，沿黄城市寻找备用水源地，治理早涝盐碱灾害，保护区内自然环境等都 具有重大的理论价值和现实意义，对于确定枯水季节小浪底水库的运行方案也具 有参考价值。 1 2 河水渗漏补给地下水的机理 1 _ 2 。1 ；- - i 水与地下水的补给关系 河水入渗( 如图1 - 1 ) 机理涉及到河流与含水层的关系、河水位与地下水位 的关系、河水入渗方式以及河水入渗量的计算方法等多方面内容，一直是水资源 研究的热点问题。 一2 一 河海大学硕士学位论文黄河下游渗漏补给地下水水量研究 图1 1 河水入渗补给地下水示意 1 5 1 z 河流与地下水的补给关系沿着河流纵断面而有所变化，如图1 2 。 y x 圆1 图2 固3 圈4 圈5 圜6 1 一基岩：2 一松散沉积物；3 一地表水位( 纵剖面) ； 4 一地下水位：5 一地表水位( 横剖面) ；6 一补给方向 图1 2 河水与地下水的补给关系沿河流纵断面变化 般来说，山区河谷深切，河水位常低于地下水位，起排泄地下水的作用( 图 1 2 中的小图a ) ，洪水期则河水补给地下水。山前，由于河流的堆积作用，河床 处于高位，河水常年补给地下水( 图1 2 中的小图b ) 。冲积平原与盆地的某些部 3 一 河海大学硕士学位论文 黄河下游渗漏补给地下水水量研究 位，河水位与地下水位的关系，随季节而变( 图1 2 中的小图c ) 。而在某些冲积 平原中，河床因强烈的堆积作用而形成所谓“地上河”，河水经常补给地下水( 图 1 2 中的小图d ) 。间歇性河流对地下水的补给过程：汛期开始，河水浸湿包气带 并发生垂直下渗，使河下潜水面形成水丘( 图1 2 中的小图a ) 。河水不断下渗， 水丘逐渐抬高与扩大，与河水联成一体( 图1 2 中的小图b ) 。汛期结束，河水撤 走，水丘逐渐趋平，使一定范围内潜水位普遍抬高( 图1 2 中的小图c ) 。 自然界完全切穿整个含水层的“完整”河流是比较少的，大多数情况下河流 为部分切割含水层或呈悬置于含水层之上的“非完整”河流。“非完整”河流对 地下水的补给达到极限入渗强度时，就会发生河水位与地下水位的脱节现象，此 时河水将通过包气带以垂直运移方式补给潜水，河流渗漏补给量的大小主要取决 于河水位的高低，降低地下水位并不会明显增加河流渗漏补给量。在同一河水位 下，降低地下水位，渗透性强的介质更容易发生河流与地下水脱节的现象。“非 完整”河流的极限入渗强度的计算方法较多，但通常情况是采用水文测流方法并 按水均衡原理计算获取，即用脱节状态的河段入、出流量之差除以河段长度获得 河流的极限入渗强度。 刘国东、李俊亭等7 】 8 】 9 1 采用砂槽实验和计算机数值模拟对傍河强采地下水 的机理进行研究，首先制作一个砂槽实验模型模拟傍河强采地下水的物理过程， 然后应用饱和- 非饱和流理论建立其数学模型，通过计算机进行理论模拟，物理 实验和理论模拟得到了相同的渗流现象和规律，取得了与前人不同的新认识和新 发现：排泄水位较高时，剖面上河流浸润曲线( 即潜水面) 是一条下凹曲线 而不是上凸的抛物线，而根据裘布依假设，对于稳定状态在平行地下水流方向的 剖面上，潜水面是一条抛物线；随着傍河抽( 排) 水的强度增大，地下水与 河水将失去饱和水力联系，产生脱节，其脱节的起始点不在河床面，而是位于河 床下距河床面一定距离的含水层内部，这也不同于人们的普遍认识；当井水 与河水产生脱节后，在河床下形成上下两个饱和区：一个与河水紧连，定义为悬 挂饱和层；一个与井水相连，是常见的潜水饱和层。 1 _ 2 - 2 河水渗漏补给地下水水量的影响因素 河水补给地下水时，补给量的大小取决于下列因素：透水河床的长度与浸水 周界的乘积( 相当于过水断面) ，河床透水性( 渗透系数) ，河水位与地下水位的 一正一 河海大学硕士学位论文黄河下游渗漏补给地下水水量研究 高差( 影响水力梯度) 以及河床过水时间，对此可以用达西定律进行分析。 当地下水的侧向径流强烈，而河床透水性相对较差时，即使是常年有水的河 流，也可以发生非饱和渗漏补给，水丘始终处于河床下一定深度，潜水位与河水 位并不相连。 为了确定河水渗漏补给地下水的水量，可在渗漏河段上下游分别测定断面流 量q i 及q 2 ，则河水渗漏量等于( q 1 - q 2 ) t ，t 为河床过水时间。对于常年性河流， 此渗漏量即为河水补给地下水的水量：但是，对于过水时问很短的问歇性河流， 渗漏量有相当大一部分消耗于湿润河床附近的包气带，将河水渗漏量当作地下水 获得的补给量，会产生误差。 1 _ 2 - 3 达西定律及其适用范围 ( 1 ) 达西定律 地下水在土体孑l 隙中渗透时，由于渗透阻力的作用，沿程必然伴随着能量的 损失。1 8 5 6 年，法国工程师亨利达西( h e n r y d a r c y ) 通过大量的砂土渗透实验， 首先总结得出渗透能量损失与渗流速度之间的相互关系，即渗透定律( 现称为达 西定律) ：通过试样的流量与试样横断面积及试样两端测压管水头差成正比，与 试样的高度与反比。该定律至今仍是分析地下水渗流计算和堤坝渗流计算的理论 基础。达西实验的装置如图1 3 所示。 装置中的是横截面积为a 的直立圆筒，其上端开口，在圆筒侧壁装有两 支相距为l 的侧压管。筒底以上一定距离处装一滤板，滤板上填放颗粒均匀的 砂土。水南e 端注入圆筒，多余的水从溢水管溢出，使筒内的水位维持一个恒 定值。渗透过砂层的水从短水管流入量杯中，并以此来计算渗流量q 。设t 时问内流入量杯的水体体积为v ，则渗流量为q = a v a t 。同时读取断面1 - 1 和 断面2 2 处的侧压管水头值h l 及h 2 ，a h 为两断面之间的水头损失。 达西分析了大量实验资料，发现土中渗透的渗流量q 与圆筒断面积a 及水 头损失a h 成正比，与断面间距l 成反比，即 q = n 等= k a ， 或v ：q ：k j a 5 ( 1 - 1 ) ( 1 - 2 ) 河海大学硕士学位论文 黄河下游渗漏补给地下水水量研究 式中j = 刖l ，称为水力梯度，也称水力坡降；k 为砂柱的渗透系数，其值等于 水力梯度为1 时水的渗透速度，c m s 。 式( 1 - 1 ) 和式( 1 - 2 ) 所表示的关系称为达西定律，它是渗透的基本定律。 ( 2 ) 达西定律的适用范围 图1 3 达西实验装置 达西定律是由砂质土体实验得到的，后来推广应用于其他土体如粘土和具有 细裂隙的岩石等。进一步的研究表明，在某些条件下，渗透并不一定符合达西定 律，因此在实际工作中应注意达西定律的适用范围。 大量实验表明，当渗透速度较小时，渗透的沿程水头损失与流速的一次方成 正比。在一般情况下，砂土、粘土中的渗透速度很小，其渗流可以看作是一种水 流流线互相平行的流动层流，渗流运动规律符合达西定律，渗透速度v 与水 力梯度j 的关系可在v j 坐标系中表示成一条直线，如图1 - 4 ( a ) e 0 曲线所示。 少数粘土( 如颗粒极细的高压缩性土，可自由膨胀的粘性土等) 的渗透实验表明， 它们的渗透存在一个起始水力梯度j b ，这种土只有在达到起始水力梯度后才能发 生渗透。这类土在发生渗透后，其渗透速度仍可近似的用直线表示，即 v = k ( j j 。) ，如图1 - 4 ( a ) 中曲线所示。 粗颗粒土( 如砾、卵石等) 的实验结果如图1 4 f b ) 所示，由于其孔隙很大， 一6 一 河海大学硕士学位论文黄河下游渗漏补给地下水水量研究 当水力梯度较小时，流速不大，渗流可认为是层流，v j 关系成线性变化，达 西定律仍然适用。当水力梯度较大时，流速增大，渗流将过渡为不规则的相互混 杂的流动形式紊流，这时v j 关系呈非线性变化，达西定律不再适用。因 此，达西定律的适用于层流状态的渗流，相应的渗透系数约为l o 1 0 。c m s 。 尽管如此，绝大多数的天然地下水运动仍服从达西定律。 ( a ) 细粒土的v j 关系( b ) 粗粒士的v j 关系 砂土、一般粘土；颗粒极细的粘士 图1 - 4 渗透速度v 与水力梯度j 的关系 1 2 4 黄河下游渗漏补给地下水的窗口 河床介质的变化直接制约着河流对地下水的补给。为此，把现实条件下可以 发生入渗的河床段称为入渗窗口，将不可能发生入渗的河床段称为入渗帷幕。河 流中的泥沙按其来源不同，分为床砂质与冲泻质。床砂质与冲泻质不同，它以冲 刷和淤积两种形式参与造床运动，导致入渗窗口与入渗帷幕的形成和转化。入渗 窗口是河流补给地下水的直接通道。对于黄河这样一个含沙量极高的河流，在河 流通过入渗窗口补给地下水时，浑水能否堵塞入渗窗口，是河水渗漏补给地下水 机理中的重要问题。由于入渗窗口处于冲刷的河流段，浑水在压力( 水压与水中 沙的重力) 作用下通过入渗窗口下渗时，浑水中的沙粒要被入渗窗口过滤在床面 上，但由于床面不平整和沙粒排列的随机性，使水流对沙粒产生上举力。当泥沙 颗粒在受上举力作用而上升离开河床床面以后，与速度较高的水流相遇，而被该 水流挟带前进。由此可见：黄河通过入渗窗口向地下水补给的是清水而不是浑水； 7 河海大学硕士学位论文黄河下游渗漏补给地下水水量研究 入渗窗口不会被浑水中的泥沙颗粒堵塞，在黄河主流线上的床质采样也说明了这 一点；由于参与造床运动的是床砂质，而冲泻质除了洪水漫滩时造成的淤积外， 基本上能在河道中畅通无阻，因此，冲泻质不会随水流分速度较小而垂直渗入地 层，渗水是清水而不是浑水。 1 0 1 3 国内外研究现状与存在问题 1 3 1 地表水与地下水相互作用的国内外研究现状 最早涉及地表水和地下水相互作用的研究可追溯到b o u s s i n e s q 在1 8 7 7 年对 河流与连续冲积含水层作用规律的探讨1 1 】。对于地表水和地下水交换水量和水质 定量的分析，常用的方法有六类： ( 1 ) 解析法 特殊的水文地质条件达到解析求解的条件，通过简化河流一含水层系统，可 用解析法分析。目前主要存在3 种解析模型。 ”】 假定河流完全切割含水层以及与含水层有密切的水力联系，泰斯( y h e i s l 首先提出了傍河取水对河流与含水层水位影响的解析模型 】，后人对该模型进行 了修正，使其有了长足的发展 1 4 1 ： 假定河流完全切割含水层以及与含水层有密切的水力联系基础上，河流 与含水层之间存在隔水边界的情况，虽然更结合实际的水文地质条件，但在现实 过程中仍很少应用 1 5 】； 假定河流部分切割含水层的情况。随着河流含水层相互研究的深入以及 许多野外实验的开展，证明了如果不考虑河流部分切割含水层、河流与含水层水 力联系较弱的情况，计算的河水渗漏量将偏大。h u n t l l 6 假定河流渗漏量同河水与 含水层的水位差成线性关系，用解析法求解，不仅包括了前人得到的解析解，而 且得到了含水层中任一点的水位降低量，同野外实测数据吻合较好。c h r i s t e n s e n e l 7 】 对h u n t 模型的敏感性和不确定性进行了分析，指出如果能准确测量含水层和河 流的水位，该模型应用较广。在前人工作的基础上，又有学者研究了河流宽度、 河床底部沉积层厚度和渗透系数的影响，提出了解析模型 1 8 f 1 9 l 。 朱仲元、刘廷玺等2 0 1 采用水量平衡法和非稳定流法两种方法计算了西辽河 一8 一 河海大学硕士学位论文黄河下游渗漏朴给地下水水量研究 ( 辽河主流上游老哈河汇合西拉木伦河后，称西辽河) 麦新通辽河段( 无区间 来水) 渗漏补给量。在水量平衡方法中，考虑同步的河段上下游测站断面处流量、 河段降水量、水面蒸发量和区间引水量，计算得到逐日渗漏量。假定行洪期河水 位迅速上升至某一水位，一次行水过程水位呈阶梯形变化，将河道两侧地下水流 视为一维流，根据非稳定流原理计算西辽河单位河长向两侧渗漏补给量。两种方 法计算结果相近，西辽河麦新通辽河段1 9 5 4 1 9 9 2 年平均渗漏量为 1 1 8 f l m 3a ，平均单位河长渗漏量为7 2 7 7 万m 3 k m t a ，渗漏率( 年渗漏量与年 径流量之比) 为2 0 7 5 。 1 9 8 0 1 9 8 7 年，在地质矿产部黄淮海平原水文地质综合评价项目中的“黄淮 海平原地下水资源研究”课题及国家重点项目第3 8 项的“华北平原分区地下水补 给量及时空变化规律研究”课题中，都曾在黄河两岸建立了数个长期观测断面， 应用一维非稳定流解析解模型和g w - 1 型与r c 网络混合模拟机，对黄河向地下 水的侧向径流补给进行了较深入的研究。研究结果表明，黄河下游对地下水的侧 向径流补给影响范围达1 0 k m ，侧渗对地下水补给量为6 9 2 亿m 3 a 。 1 0 【2 l 】 陈崇希等【2 2 】对傍河区开采地下水形成的承压一无压稳定井流进行了解析法 求解与分析。陶月赞 2 3 】在潜水蒸发和河渠水平渗透共同作用下，对于潜水非稳定 渗流模型，利用b o u s s i n e s q 第一线性化方法，通过l a p l a c e 变换，导出了在非时 变垂向水量交换作用下，河渠边界控制的半无限含水层中潜水非稳定渗流过程的 解析解，该模型及其解析解可用来研究河流与含水层间的垂向、水平水量交换的 相互转化规律。 袁红卫、崔绍峰等 2 4 1 假设于黄河聊城段东阿县境内的艾山侧渗观测断面上截 取一个宽度为l m 、长度为l m 的计算区( 顺河为宽，垂直河为长) ，考虑计算区 内潜水蒸发量、降阿入渗补给量、地下水开采量，应用水均衡原理分析计算含水 层导水系数t ，并通过同位素示踪实验得到了验证。由于侧渗井离黄河较近，水 位变化同步性好，水流运动可看作一维水平流，应用达西公式计算得到 1 9 8 6 - - 1 9 9 4 年黄河单位长度向左岸的年均侧渗量为3 3 8 万r n3 k m a 。为减少引黄 水量误差影响，选用1 9 7 1 1 9 8 7 年枯季无引黄或少量引黄月份共3 1 个月断面径 流系列水量平衡法计算孙艾区间水量损失量为1 0 9 万m 3 k m a ，考虑水面蒸发损 失，渗漏量为6 4 1 万m 3 k m a ，由于左岸比右岸侧渗量要大，假定左岸侧渗量 9 河海大学硕士学位论文 黄河下游渗漏补给地下水水量研究 为1 ，右岸侧渗量为o 7 ，则左岸侧渗量为3 7 7 万m 3 k m a ，可见达西公式法与 区间水量平衡法计算的结果基本一致。 ( 2 ) 数值模型法 在用解析解分析的同时，许多学者采用数值模拟方法进行地下水与河水关系 的研究，讨论了非完整河流、非完整井、含水层各向异性、不规则河床等相对复 杂的情况，进行了详细的模拟。 目前，用来分析地下水与河水相互作用的软件有m o d f l o w 、f e m w a t e r 、 f e f l o w 、g m s ( g r o u n d w a t e r m o d e l i n gs y s t e m ) 等。美国地质地质调查局开发 的m o d f l o w ，是三维有限差模拟软件，以其可视化程度高、交互性强、前后 处理功能优越，国外运用非常广泛。f e f l o w 是由德国水资源规划与系统研究 所( w a s y ) 研制开发的基于有限元计算方法的地下水模拟可视化软件。它的系 统组成部分包括图形人机对话、g i s 、c a d 数据借口、有限单元网格生成器、空 间参数区域化和可视化工具。g m s 软件具有良好的使用界面，强大的前处理、 后处理功能及优良的三维可视效果，目前已成为国际上最受欢迎的地下水模拟软 件之一，但系统规模较大，对计算机要求较高。 数值模型包括确定性数值模拟模型、最优化管理模型和随机模型。 确定性数值模拟模型 确定性数值模拟模型是在给定边界条件时预测现在或将来可能的情形。钱 会、郑西来等【25 以非完整河旁完整井列抽水的理想化实际模型为基础，建立起该 模型的三维稳定渗流数学模型，采用有限差分法求解了各种不同情况下此模型的 数值解。认为在非完整河旁抽取地下水会产生越河渗流问题，河流的宽度、河流 的完整性以及河底弱透水层的渗透性都会对越河渗流问题产生重要的影响，对这 类问题的求解应采用三维渗流数学模型。 近年来，数值法己广泛应用于河流径流量衰减的研究中【2 6 1 【2 7 【2 8 1 。束龙仓、 x t m h o n gc h e n 2 9 】 3 0 】以美国内布拉斯加州普拉特河谷为例，把河流流量衰减的过 程分解成河流基流的减少和河流入渗的增加两个过程，采用v i s u a lm o d f l o w 软件模拟抽水对普拉特河流量的影响，结果表明，抽水后期对河流流量的影响程 度要明显大于抽水期间，地下水位高出河水位的值越大，抽水对河流基流量减少 的影响越明显，对河流渗漏增加的影响却微弱。 1 0 河海大学硕士学位论文黄河下游渗漏补给地下水水量研究 崔亚莉、赵云章等 】将黄河下游悬河段作为地下水系统的混合边界条件处 理，运用f e f l o w 软件建立研究区地下水流数值模型，重点评价了原阳水源地地 下水流场和动态的变化趋势，模型计算结果表明，规划新增地下水开采量 4 8 c l m 3 a 中的3 2 2 ( l m 3 a 来自袭夺黄河水量。曹剑峰、冶雪艳等3 2 1 在建立黄 河下游悬河段水文地质概念模型的基础上，构建三维地下水流模拟模型，应用 f e f l o w 有限元软件求解。运用识别和验证后的模型计算表明，5 0 和7 5 降水 保证率年份黄河下游悬河段侧渗量分别为6 9 3 4 7 f l m 3 a 和6 3 7 8 1 f l m 3 a 。 国内外已出现许多集成地表水和地下水的模型。在国内，已有一些流域水文 模型，其中多数模型是基于山坡水文学的概念或者简化的地下水含水层建立的， 应用范围受到限制。李致家等【3 3 】从河道水流一维不稳定流( 扩展的圣维南方程组) 有限差分的迭代方程和地下水的有限元数值方法出发，通过河道四周地下水流与 河道水流的交换流量把两个模型数值计算的矩阵方程从理论上耦合起来。蒋业放 等3 4 1 运用动态水量交换机制，将河水模型和二维地下水模型进行耦合，分别用欧 拉法和三角网格差分法来求解。武强、孔庆友、徐军祥等 3 5 】利用河流一维明 渠非恒定流与地下水拟三维非恒定流运动方程建立了集成地表水和地下水的模 型，并将其应用到黑河流域下游水资源开发利用评价上。 确定性最优化管理模型 确定性最优化管理模型则是根据经济、生态环境等约束条件，利用线性规划、 动态规划、随机规划、多目标规划及智能算法等，找出最优或较优的管理方案。 谢新民等利用响应矩阵法等建立地表一地下水资源系统分布参数多