（水文学及水资源专业论文）南阳市地下水流数值模拟及河流与地下水关系分析.pdf

摘要 地表水与地下水的联系是紧密的，对于二者补排关系的确定关系到水资源的 合理评价和利用。 本文以河南省南阳市傍河水源地为研究区，根据研究区内地质、水文地质、 水文、地下水开采等资料，利用s u a lm o d f l o w 软件建立了地下水流数值模 型。利用水均衡分析对研究区河流与地下水之间的补排关系进行分析，计算研究 区内橡胶坝工程蓄水前后河流入渗的地下水补给量。 数值模型水均衡分析结果表明，在模拟期内，河流渗漏补给量在研究区含水 层道的总补给量中占据主导地位，人工开采为主要排泄项。通过分析河流洪水过 程对地下水位影响，距离河流越近处，河流洪水过程对地下水位的影响程度越大。 对研究区内橡胶坝蓄水前后含水层补给量的计算比较表明，橡胶坝蓄水达到设计 水位后，河流入渗补给地下水量较蓄水前的入渗补给量( 5 7 1 0 1 0 4 m 3 ) 增加了 1 1 ，研究区内可充分利用橡胶坝蓄水工程对地下水进行补给，可以有效地控制 地下水资源超采，对研究区内水源地的水资源管理和有效利用具有重要意义。 关键词：地下水；数值模拟；洪水；橡胶坝；含水层补给量 a b s t r a c t s u l h c ew a t e ra n d 毋o u n d w a t e ra r ec l o s e l yl i n k e da n dt h ed e t e m i n a t i o no f r e c h a 玛er e l a t i o n s h i pi sk e yt ow a t e rr e s o u r c e sa s s e s s m e n ta l l du s e t h ep a p e rt a k e sn a i l 1 9c i t yi nh e n a j lp r o v i n c ea se x 锄p l e ，c o m b i n e dw i t h l o c a lg e o l o g i c a la i l dh y d r o g e o l o g i c a li n f o m a t i o n ，e s t a b l i s h e san 啪e r i c a lm o d e lo f 铲o u n d w a t e rn o wa i l da n a l y s e sr e g i o n a lw a t e rb a l a i l c e o nt h i sb a s i s ，t h ep a p e r a n a l y s e st h er e c h a r g er e l a t i o n s h i pb e 撕e e nt h e 俩os y s t e m sa n dc a l c u l a t e s t h e r e c h a r g eq u a n t i t yb e t 、v e e nr i v e ra i l dg r o u n d w a t e rb e f o r ea 1 1 da r e rt h en l b b e rd a m p r o j e c t i t i sd e m o n s t r a t e db yt h ew a t e rb a l a n c ea l l a l y s i so fn u i n e r i c a lm o d e lt h a td u r i n g s i m u l a t i o np e r i o d ，i ns t u d ya r e a ，r i v e rl e a k a g et a k e sac h i e fp a r ti nt o t a lr e c h a 略e ， w h i l ep u m p i n gi sam a i nd i s c h a r g ei t e m a n a l y s i so fr i v e rn o o d sa 虢c t t h e g r o u n d w a t e rs t u d yc o n c l u d e st h a tt h el e s sd i s t a i l c ea w a yf r o mt h er i v e r t h em o r e n u c t u a t i o no fg r o u n d w a t e rl e v e la 行e c t e d b yr i v e rn o o d s t 1 1 en 啪e r i c a lc o m p a r i s o n o fa q u i f e rr e c h a 略eb e f o r ea 1 1 da r e rr u b b e rd a mp r o j e c ts h o w st h a tr e c h a 略eq u a n t i t y h a sa1 1 p l u s 、h e nt h ew a t e rl e v e le q u a lt ot h ed e s i g nw a t e rl e v e lo fr u b b e rd a 吼 w ec a l lm a k e 如l lu s eo fm b b e rd a mp r o j e c tt os a v ew a t e ra l l dc o n t r o lt h ep r o b l e mo f e x c e s s i v ee x t r a c t i o no fg r o u n d w a t e rr e s o u r c e s a l lt h ea b o v ec o n c l u s i o n sa 代o fg r e a t s i g n i f i c a n c ef o rt h ew a t e rr e s o u r c em a n a g e m e n ta 1 1 du s e k e y w o r d s ：伊d u n d w a t e r ；n 啪e r i c a ls i m u l a t i o n ；n o o d ；m b b e rd a i n ；a q u i f e rr e c h a 玛e 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，论文中不包含其他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) ：j 修3 塑僻黼万 月论文作者( 签名) ：咝鱼塑塑黼p月 学位论文使用授权说明 日 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、缩印或其他复制手段保存论文。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) ：日 河海大学硕士学位论文 定流模型问世( c v t h e i s 1 9 3 5 ) 。2 0 世纪3 0 年代到5 0 年代，泰斯公式( c v t h e i s ， 1 9 3 5 ) 的出现开创了现代水文地质计算的新纪元，非稳定流模型开始出现并发展 起来。在此期间，c e j a c o b ( 1 9 4 0 ) 建立了地下水流运动的基本微分方程，严格 导出了泰斯公式并得到了贮水系数的物理解释，创出了用数学模型研究地下水的 开端。 另外，近年来发展起来的人工神经网络技术在地下水流模拟中得到了应用， a b d u l a z i z 和w b n g 于1 9 9 2 年首次将人工神经网络技术应用于含水层导水系数、 贮水系数、越流系数的估算。用这种方法确定的含水层参数比传统的克里格 ( k r i g i n g ) 方法更准确【3 1 。随着计算机的进步使一些复杂的地下水流的模拟成为可 能，数值方法不仅有效地应用于解决地下水流问题，也用于解地下水质问题以及 其它模型问题。二维平面( 剖面) 模型、准三维流模型、三维流模型、耦合模型 等先后出现，从此进入了数值模型的迅速发展期【4 巧】。 我国地下水数值模拟起步较晚，开始于2 0 世纪7 0 年代，但经过3 0 多年来 数学工作者( 肖树铁、谢春红、孙纳正、陈明佑、杨天行等) 和水文地质工作者( 林 学钰、朱学愚、薛禹群、陈祟希等) 以及科研院所的共同努力，现已接近或达到 国际水平【6 】。它的应用已遍及与地下水有关的各个领域和各个产业部门。高校、 科研院所与生产部门相结合，已运用数值模拟解决了很多国民经济建设中急需 解决的各类问题，其中包括水资源评价问题；地下水污染问题，水岩作用和生 物降解作用的模拟；非饱和带水分和盐分运移问题；海水入侵、高浓度咸水、 卤水入侵问题；热量运移和含水层贮能问题；地下水管理与合理开发、井渠合 理布局和渠道渗漏问题；地下水地表水联合评价调度问题；地面沉降问题； 参数的确定问题。所建立的模型囊括了包括识别模型、预报模型以及管理模型 等在内所有的地下水模型类型【7 】，地下水量水质模拟及管理程序【8 1 ( 长春地质学 院) 、渗流计算程序和三维有限元地下水计算程序( 中国地质大学) 、不规则网格 有限差分程序( 西安地质学院) 等，但是可视化程度较低，数据的处理功能也比 较弱，推广使用有一定的困难。 在地下水资源研究方面，常用的数值模拟方法有：有限差分法、有限单元法、 边界元法和有限分析法。应用最为广泛的是有限差分法和有限单元法。不同的方 法对应有不同的软件。其中常用的有：s u a lm o d f l o w 是由加拿大w a t e 订0 0 水 2 河海大学硕士学位论文 世纪7 0 年代，美国田纳西流域管理局利用g i s 技术处理和分析各种流域数据，为 流域管理和规划提供决策服务，从此，g i s 开始应用于水文学及水资源管理。2 0 世纪9 0 年代以来，一些发达国家在地下水领域广泛开发和应用各种用途的地理信 息系统，较好地带动了该领域的发展，并广泛应用于地下水模拟、评估、开采等 方面。在我国，2 0 世纪8 0 年代初，国家科委牵头成立了资源与环境信息系统国家 规范研究组，开始了g i s 方面的研究。 近二十多年来，随着计算机技术的不断进步，地理信息系统在水文水资源领 域的应用取得了很大发展。从g i s 在水资源研究中所起的作用看，g i s 应用有两 种情况：一是利用g i s 系统来采集、管理、分析和显示用户数据；二是利用g i s 平台提供的开发环境进行二次开发，建立专题信息系鲥1 6 】。 由于g i s 软件具有强大且便捷的地理空间分析功能，在地下水污染脆弱性评 价方面已经得到广泛应用，极大推动了该领域的发展【1 7 】。而g i s 在水文地质方 面的应用已经成为一个热点。例如，在地下水资源评价、决策支持及专家系统、 水源地保护、地下水污染及环境影响评价、编制水文地质图等方面，g i s 技术都 得到了广泛应用【1 8 棚】。g i s 在地下水领域的主要应用在于地下水模型、含水层 性质的识别、地下水检测、编制水文地质图和数据库的建立等方面刚。 随着信息化成为当今社会发展的潮流和趋势，地下水动态模拟评价系统信 息化已成为水文地质工作的工作方向。如何充分利用g i s 在数据采集、存储、 处理和可视化表达等地下水模拟重要环节上的优势，把g i s 与地下水模型结合 起来，为地下水模拟工作提供更为简单适用的新方法和统一高效的g i s 平台环 境，已成为目前地下水动态评价系统信息化建设的关键步骤，也是g i s 在地下 水研究应用中向深层次发展的瓶颈问题。 1 2 3 地表水与地下 x 第一章绪论 上世纪六十年代，国外学者已注意到地表水和地下水联合开发利用的研究， 当时大多数是将水资源系统作为集中参数系统来处理。其中具有代表意义的是 c a s h e 和l i n d e d o r g ( 1 9 6 0 ) 应用线性规划模型来分配两个农业区的地下水和地表 水。c t j c n k i n s ( 1 9 6 8 ) 运用泰斯公式研究在河流附近开采地下水时对河水的影响。 p i n d e r 和s a u e “1 9 7 1 ) 建立了联合模拟的数值模型，研究含水层的贮存作用对河流 供水产生的调节效应。o z b i l g i n ( 1 9 8 4 ) 、i l i e v ( 1 9 8 7 ) 和l e d o u x ( 1 9 8 9 ) 对联合模型 作了进一步探讨【2 3 之4 1 ，他们指出，研究地下水与湖泊、沼泽以及江河等之间的相 互作用对于学科研究领域的发展有一定的作用【2 5 j 。由于地表水污染的问题，人们 对于地下水和河流之间的相互作用的研究很多。近年来，生态系统破坏严重，沼 泽和海滩的面积呈扩张趋势，研究地下水与它们之间的关系也势在必行。1 9 9 7 年m o l d e n 就提出过在水量评价计算过程中把地下水和地表水联合起来的思想， 1 9 9 9 年，m o l d e r s 和s a k t h i v a d i v e l 在原来的基础上继续完善，发展了水量计算程 序，用来分析地表水与地下水之间的用水模式以及水量均衡【2 6 。2 引。 应用计算机和数值模拟技术进行水资源评价与管理是目前国内外常用的一 种有效手段。就目前有关地表水与地下水联合模拟评价和管理的数学模型而言， 无论是水文学家所研制的以地表水评价为主的联合模拟管理模型，还是水文地质 学家所开发的以地下水资源评价为主的联合模型【2 9 】，尽管建立模型的数学、数值 方法有所不同，但它们大多数都具有一个共同特点，即所建立的数学模型仅考虑 主要研究对象的水流运动规律，而不直接考虑与主要研究对象存在水力联系的其 它水源的运动规律，仅仅把这些具有水力联系的水源作为主要评价对象的一个源 ( 汇) 项加以问接考虑，这些方法实际上未能将地表水与地下水两大子系统进行 真正意义上的联合评价p o 刁2 1 。 地表水和地下水集成模型是分析两者相互作用应用较广的方法，而对于集成 模型中不同时空尺度的整合不确定性、参数的率定及如何处理水文系统的非线性 是亟待解决的关键问题，而集成模型结构的严谨和实际应用的困难是集成模型应 用和通用化时须及时解决的障碍。地表水和地下水作用作为全球水循环的一部分 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 多学科的交叉，综合集成全球水循环各组成部分的复杂系统模型是地表水和地下 水相互作用研究发展的必然趋势。 河海大学硕士学位论文 1 3 存在的问题 随着计算机技术的飞速发展，国内外关于地下水系统数值模拟的研究有了 长足的进步，但由于实际水文地质条件的复杂性，野外试验数据的缺乏，模拟 技术的不合理运用，多学科交叉存在的难度等，发展中还存在一些问题： ( 1 ) 各学科之间难以沟通，侧重的时间或空间尺度存在较大差异，地下 水、地表状况、土壤、植被、气候变量和土地利用等都存在时空变异性，模型 的耦合集成存在较大的难度。 该领域研究工作的深入越来越依赖于综合集成和跨学科协同攻关，发挥互 补作用，可以解决各学科不同模型存在的一些缺陷，同时，该领域与其他学科 合作建立的耦合模型有更好的实用价值，可以综合解决流域管理中存在的复杂 问题，如地下水与地表水模型的耦合，陆面过程模拟、分布式水文模型模拟、 基于遥感的生态模型与地下水系统数值模拟模型的耦合等。只有模型之间有了 充分的交互，对模型的评价才更合理。同时需要指出，面对模型耦合的大问 题，地下水系统数值模拟的其他方法也发挥着不可替代的作用。 ( 2 ) 地下水系统数值模型的水文地质参数可以通过参数优化来调整，但参 数调整的范围缺少准确的标准。 模型通过参数调整与实测值拟合较好，但应用到其他区域或年份时又会出 现较大误差，说明对基本物理过程的描述还不够准确。模型反演求参时，解的 不唯一问题一直是水文地质数学模型数学基础薄弱的环节。模型中参数的不确 定性将导致计算的水头、流速的不确定性，从而影响到模拟结果的可靠性。如 何加强参数的研究，提高地下水系统数值模拟的精度仍是亟待解决的问题。研 究工作者仅仅通过模型参数调整提高参数精度是徒劳的，应加强模型参数的野 外原位测定方法的改进、空间变异分析和新数学方法的运用，一个地区、一个 流域或一个水文地质单元，应建立自己的标准参数，这个参数应有一定的代表 性，应加强标准参数集的制备，这样可以轻松地进行检查、评价和修改。 ( 3 ) 随着计算机的广泛应用，计算机软件实现了对大量水文地质学及地下 水动力学问题的模拟，其计算能力远远超过人们获取数值模型所需野外资料的 能力，勘探技术水平需要提高。 在地下水系统数值模拟中，对水文地质条件的了解和概化所建立的概念模 6 第二章研究区概况 第二章研究区概况 2 1 自然地理条件 2 1 1 地理位置及交通 南阳市位于河南省西南部。地理位置为南阳盆地中北部，地处北纬北纬3 2 。 5 6 至3 3 。0 47 ，东经1 1 2 。2 6 至1 1 2 03 77 之间，大地坐标x 在3 8 3 5 8 5 5 0 到 3 8 3 7 1 5 4 0 ，y 在3 6 4 8 3 0 0 到3 6 6 2 0 7 0 之间。全境东西长1 6 2 5k m ，南北宽1 6m ， 总面积1 7 4k m 2 ，本次模拟研究区面积( 除去岗区面积) 1 2 3l ( i n 2 ( 图2 1 ) 。 图2 1 南阳市交通位置图 南阳市是豫西南政治经济交通文化中心，辖2 区1 1 县，国土面积2 6 5 6 9 k m 2 ， 是国务院命名的历史文化名城，焦枝铁路与在建的宁西铁路在此交汇，中心城区 现状人口5 5 万人，工业产值4 2 3 1 亿元。南阳市的发展方向是水城、绿城、现 代化新城，根据南阳市城市和经济发展规划，2 0 1 0 年南阳市城区人口将发展到 1 2 0 万，工业产值将达到1 2 0 亿元。 区内有焦枝铁路和南漯铁路在南阳市交汇，公路以南阳市为中心四通发达， 南阳市内至往全国主要城市有民航班机飞行，区内外的交通甚为方便。 9 2 1 2 地形地貌 河海大学硕士学位论文 研究区，地形地貌总的特点是西北高，东南低，西部为垄岗，东北部为基岩 残i 上j 一独山，东、南为白河冲积平原，按地貌成因，可分为剥蚀地形和堆积地形 三种地貌类型见图2 2 。 ( 1 ) 剥蚀地形( 8 号分区) 剥蚀残山一独山，位于市区东北海拔高程为1 3 5 3 6 7 8 m ，相对高差2 3 2 8 m ， 面积约2k m 2 ，组成岩性为加里东期侵入的辉长岩和元古界片岩。辉长岩呈岩柱 状产出，片岩多为捕虏体。由于长期剥蚀，现己形成山顶浑圆的冢状山。 比例尺l ：5 0 0 0 0 1 低漫潍区 幽2 高漫滩区 u 3 一级阶地 囹瑟二级阶地 口5 岗间洼地 圈6 垄岗地区 图了剥蚀缓崩 囹8 剥蚀残山 图2 2 研冗区地貌图 ( 2 ) 剥蚀堆积地形( 垄岗区5 、6 、7 号分区) 分布在焦枝铁路以西，标高1 3 5 1 5 5 m ，主要走向近南北，呈东西波状起伏 而向南倾斜的垄岗地形。根据区内地貌形态，该类型又可分为坡秋裙、垄状岗地、 岗问洼地和剥蚀缓岗四个亚类型： l 、坡积裙 该亚类型仅分布在独山山麓周围，与白河冲积阶地和龙岗呈缓坡接触，其坡 度随古地形而异，可达8 。1 0 。，倾斜方向与现代地形致，有时将白河冲积 n a 第二章研究区概况 阶地之堆积物覆盖掩埋，形成地层结构的叠置关系。组成岩性为棕黄色、棕褐色 亚粘土，含钙质结核和碎石。 2 、垄状岗地 该亚类型分布在市区西部的十八里岗、麒麟卧龙岗、黄土岗、姚站岗等地。 垄状岗地以近南北走向展布，北高南低，自然坡降为3 ，岗顶较为平坦，呈向 南倾斜的微倾斜垄状岗地。组成岩性为中更新统洪积、棕黄色、棕红色粘土，含 钙质结核和铁锰质结核。 3 、岗间洼地 该亚类型分布在垄状岗地之间，岗间洼地是岗顶上发育的南北向一级冲沟 和与之大致垂直的二级支沟冲刷剥蚀而成，洼地和岗顶相对高差在5 2 0 m 之间， 呈近南北向展布。诸岗间洼地，北高南低纵向坡降为2 5 ，谷坡陡缓不一，一 般坡度为2 o 。组成岩性，洼地是在q 2 地层上堆积的q 3 8 1 。p 1 棕黄色亚粘土，含 少量钙质结核和铁锰质结核。 4 、剥蚀缓岗 分布在岗区西北的边界上，标高1 5 2 m 左右，以缓岗地形展布在岗间洼地 的边上。组成岩性为华里西期侵入的灰白色黑云母花岗石，岩石表面风化破碎， 系地表冲刷剥蚀而成。 ( 3 ) 堆积地形( 白河冲积平原) ( 1 、2 、3 、4 号分区) 根据区内新构造运动的特征，该类地形又可分为二级阶地、一级阶地和河漫 滩三个亚类型： 1 、二级阶地 二级阶地主要分布在白河北岸市区以北的大片平原地区，其次分布在白河南 岸冉营五里堡以南的广大地区。北岸标高1 2 5 1 3 5 m ，南岸标高1 2 1 1 2 5 m 。纵 向坡降约2 ，微向一级阶地倾斜。前缘与一级阶地接触。地表岩性为亚粘土， 其下为冲积砂层和砂砾卵石层。 2 、一级阶地 一级阶地在白河北岸城区及其东部非常发育，白河南岸沿河分布较窄，面积 约3 7k m 2 ，北岸标高1 2 0 1 3 0 m ，南岸标高1 l 乱1 2 1 m ，阶面北宽南窄，在白河 北岸阶面宽5 0 0 2 0 0 0 m ，南部宽7 0 0 3 0 0 0 m ；南岸阶面宽2 5 0 7 0 0 m 。纵向坡降 河海大学硕士学位论文 2 8 o ，阶面微向漫滩倾斜，前沿与漫滩呈陡坎或斜坡相接，坎高0 5 2 m ，倾斜 角1 0 。3 0 。地表岩性，前沿为粉细沙，向后渐变为亚沙土，其下为冲积砂砾 石和砾卵石。 3 、河漫滩 位于白河河床和一级阶地之间，面积约1 2k m 2 。漫滩宽1 0 0 1 5 0 0 m ，纵坡 降为2 5 。漫滩上有与白河平行的砂堤、砂坝等微地貌形态，与河床高差1 3 m ； 这种漫滩我们称为高漫滩，与河床高差o 5 1 m 的河漫滩我们称为低漫滩。组成 岩性均为含砾卵石的中粗砂和中细砂。由于区内新构造运动所致，使二级阶地、 一级阶地、河漫滩呈内叠相嵌形式出现。 2 1 3 水文气象条件 ( 1 ) 气象条件 南阳盆地位于秦岭和伏牛山以南，气候分带上属暖温带大陆性季风气候区， 有温带向亚热带过度的特点，季风的进退也与四季的替换较为明显。据南阳地区 气象局南阳站和南阳市资料，历年( 1 9 5 3 年至1 9 8 9 年) 气象要素特征如下： 气温：历年平均气温为1 4 9 ，一般在1 和1 6 最冷月( 1 月) 平均气温为 o 9 ，最热月( 7 月) 平均气温为2 7 4 。历年极端最高气温为4 1 4 ( 1 9 7 2 年6 月1 1 日) ，极端最低气温为2 1 1 ( 1 9 5 5 年1 月1 1 ) ，全年无霜期为2 2 9 天，最长可达2 7 2 天。 降水：历年平均降水量为7 9 9 6 m m 。年最大降水量为1 2 9 0 1 1 t u l l ( 1 9 6 3 年) ， 年最小降水量为4 9 2 2 咖( 1 9 7 8 年) 。月最大降水量可达7 8 0 m m ( 1 9 6 3 年8 月) ， 一日最大降水量可达2 1 2 9 m m ( 1 9 6 3 年8 月3 日) ，一次连续降水可达5 8 9 7 m m ( 1 9 6 3 年8 月1 日至1 1 日) 。最长连续干旱天数可达1 2 4 天( 1 9 7 6 年1 1 月1 1 日至1 9 7 7 年3 月1 4 日) 。年内月降水量分配极不均匀，历年1 2 月份降水量最小， 仅有1 1 6 8 m m ，占年平均降水量的1 4 6 ；历年7 月份降水量最大，可达 1 7 8 6 1 n u n ，占年平均降水量的2 2 3 4 ；丰水季节的6 至9 月份，降水量为 5 5 6 1 4 m m ，占全年降水量的6 9 5 5 。 降水集中时间，水热同期，不仅对农作物生长十分有利，而且对地下水的补 给也是十分有利的。但由于年内降水量分配不均，也常形成本区的旱涝灾害。根 据历年降水资料分析，结合当地气候特点、工农业需水情况和多年地下水动态观 1 2 第二章研究区概况 测资料，把历年降水量划分为四个水文年型，各水文年型的降水量情况见表2 1 。 表2 1 水文年型划分表 水文年型 年降水量变化年平均降水出现年数出现频率占统计年 ( i i l i l l )( m m )( )( ) 丰水年 9 0 01 0 7 882 02 1 6 2 平水年7 5 0 9 0 08 2 51 12 1 5 02 9 7 3 中枯水年 6 0 0 7 5 07 0 l1 35 l 一8 53 5 1 4 枯水年 8 51 3 1 5 湿度：历年平均湿度为7 2 。历年最大相对湿度为8 0 8 3 ，均出现在7 月 份。历年最小月平均相对湿度为6 6 ，均出现在6 月份。历年7 、8 月份空气湿 度最大，相应降水量也是最大。 蒸发：历年平均蒸发量为1 4 4 9 2 瑚m ( 直径2 0 m m 水面蒸发皿) 。年最大蒸发 量为1 9 5 5 9 m m ( 1 9 6 6 年) ，年最小蒸发量为1 1 1 5 5 m m ( 1 9 8 9 年) 。年内月蒸发 量也是不均匀。根据历年各月平均气象资料表明，年内蒸发量基本上随年内气温 的变化而变化，其变化规律呈现为正态曲线。就年内四季而言，夏季蒸发量最大， 各月均在1 7 4 m m 以上，6 月份达2 2 5 4 4 m m ；春季次之，各月变化在9 8 1 7 2 n h n 之间；秋季再次之，各月变化在6 “1 3 4 m m 之间；冬季蒸发量最小，各月均在 6 0 m m 以下。年内蒸发量基本上随年内空气湿度的变化而变化。 风向、风速：因南阳市西北面有伏牛山和秦岭等天然挡风屏障，一年四季均 以东北风为主，夏季兼有东南风。历年平均风速为2 5 n 以，全年春季风速最大， 平均为2 91 1 1 s ，瞬时最大风速2 7n 1 s 。 ( 2 ) 水文条件 白河：白河为流经南阳市区的过境河流，属长江流域汉水支流的唐白河水系。 白河发源于嵩县境内伏牛山玉皇顶( 海拔2 2 1 1 6 m ) 东麓，流经嵩县、南召县、 南阳市、新野县至湖北省襄樊县两河口与唐河汇流后，与襄樊市注入汉水，河道 总长3 2 9 3k m ，流域面积1 2 2 7 0k m 2 。自河自南阳市十二里河汇流口以上，河道 长度2 0 5 3k m ，流域面积4 1 0 0k m 2 。白河从独山东北进入市区，沿市区东部和 南部绕流至行龙庙转向南流出本市，白河流经南阳市的河段长3 0k m ，其中城区 河段长1 4k m 。河流坡降o 6 7 ，一般流速在o 1 6 0 5 5 州s 之间，最大流速达5 4 3 河海大学硕士学位论文 n 以，河道宽1 0 0 0 2 0 0 0 m 。白河在进入南阳市区段，河水常年补给地下水，是市 区东部平原地下水资源的主要补给水源，白河水位、流量的变化，不仅对傍河地 下水动态有影响，而且对平原地下水资源补给量的研究至关重要。白河干流上建 有大型水利枢纽工程鸭河口水库，控制流域面积3 0 2 5 胁2 ，总库容1 3 1 6 亿m 3 。 南阳( 三) 站建站以来，多年平均径流量4 5 6 亿m 3 ，最大流量3 2 4 0 m 3 s ，最小 流量o 1 l m 3 s ，南阳( 三) 站1 9 9 5 2 0 0 0 年月平均流量见表2 2 。 表2 2 南阳( 三) 站1 9 9 5 2 0 0 0 年月平均流量( 单位：m 3 ，s ) 月份1 9 9 5 年1 9 9 6 年1 9 9 7 年1 9 9 8 年1 9 9 9 年2 0 0 0 年 一月1 7 22 61 6 22 9 94 1 56 3 4 二月0 3 41 7 52 7 31 0 83 1 04 1 8 三月0 4 68 5 42 1 21 6 74 8 80 8 2 四月o 3 l 1 5 6 2 3 1 54 5 94 4 3 1 7 6 五月 o 3 61 9 7 63 3 7 83 9 21 5 2 92 6 3 六月5 1 71 1 7 33 5 1 34 3 2 73 9 3 71 7 8 七月1 5 83 6 45 0 7 76 8 22 3 74 5 5 八月1 1 3 1 81 5 0 7 7 1 3 3 7 9 13 7 92 2 6 九月 5 5 95 6 64 9 43 05 4 46 5 5 十月1 7 65 4 31 4 84 5 22 6 21 7 3 十一月2 1 48 6 93 3 17 88 5 41 7 7 十二月 3 6 7 5 8 9 71 6 2 32 9 23 4 9 2 1 6 研究区内，除了白河外，从东往西，还有流经市区的永河、温凉河、梅溪河、 三里河等白河支流，各支流均发源于白河右岸的垄岗丘陵区，是冲沟切穿粘性土 弱含水层后，汇集岗区径流而成【3 4 1 。 2 2 区域地质条件 2 2 1 地层 区域地层属华北和华南地层的过渡型。出露地层有震旦系、白垩系、第三系 和第四系。研究区仅分布有第四系地层。根据古气候特征，地层的接触关系及 c 1 4 的分析资料，可把第四系分为：下更新统、中更新统、上更新统及全新统。 ( 1 ) 下更新统冰水沉积层( q l 酎) ：试验区q l 地层以灰绿或灰白色粘土为特 1 4 j i i j 海人学埘! i j 学位沦文 垄岗含水层。 a 一水文地质剖蹰圈 瑟三三翼；鞴 m 菱i 黧l 黪* 彘 纛蠹鍪鬻* m 嚣霸* * 褰蚤器m | “碜 妊。0 耀# ” 荔溺# 镕糌 乏i 曩l 嚣。荔 鬈l * w 乏囊三l 爹媸一耋 熬 一岫槲一“+ ? 一 ，j o 。o 糍历 爹蝴一“凌麓缓缝 l j 蕊瀵雾 霜蛰”蚕麓鬈爨警萋霎 ( a ) 器一水文地质谶谳豳 魄缀定 象豢：羹挈 耕 i i 黧* m 弱棚 醋薹! i 黧群 嚣 ：簿蠢鬟麓 缆i 黧鬻* m ：i ：jmm 镑圈豢舌霞霪乏：；霸寤驾嚣 一鍪蠢。* * m ；! ；嚣* mw 【：嚣著鬈豢囊i 彩鬈荔貉镶 瓣 图槲静e 羞爱鞯徽帮 手霉i 墨霪麟婀缮f 弱霪攀 翟m ” i ! 纛鬈。雾i i i 戛曩雾“”鬟乏i i i 曩荔：葶饕棼 ( b ) 图2 3 水文地质剖面图 ( a ) a a ( b ) b b ( 1 ) 东部平原区含水组：分布于市区东部白河一、二级阶地，由全新统、 上更新统及中更新统冲洪积层组成。岩性为含砾卵石中粗砂、中细砂、砂砾卵石 和含泥质沙砾石，含水层厚度6 5 4 m ，渗透系数4 0 1 0 m d ，导水系数 3 0 0 2 5 0 0 m 2 d ，给水度0 1 o 3 ，地下水埋深3 19m 。由于新构造运动和地貌差 异，含水层东厚西薄、南厚北薄。 ( 2 ) 西部岗区含水层：分和于焦枝铁路以西的岗区，由中更新统垂直节理 发育的冲洪积粘上层组成。含水层厚度5 1 5 m ，渗透系数l 3 m d ，导水系数 1 6 馨嚣攥鼙兹鬻 _蓠蒜灞饕芷鞲；琏噼麟勰粼麟 #mm鼎节鏊 笺髻要笺墨鋈巨 拳罐懈糍雠槛麟栅麟赫嫠= 甏锗 麟薰辩#女舛鑫 雾鬻嚣一 鼙|曩蒸海_i 菡巅隰一 ”拜戮”珑 雌# 黧 飞。磉 熬鎏嚣繇 豹* # m #镕鎏羲夔蒲镕 露圈罄囵黝 第二章研究【x ：概况 6 3 0 m 2 d ，给水度0 0 6 7 ，地下水埋深一般小于1 0 m ，局部点埋深人十1 0 m 。地 下水以垂直交替运动为主，径流条件较差。 2 3 2 富水性分区 根据含水层的导水性能( 导水系数) 和单位涌水量( q ) 分五个区，见图2 4 。 比例尺 1 ：5 0 0 0 0 极富区 丰富区 中等区 贫水区 极贫区 图2 4 南阳市城区浅层地下水富水性分区图 ( 1 ) 潜水极富区：分布于市区东北的白河漫滩、一级阶地、二级阶地南部 及一级阶地的东段部分和袁庄一王府一线东南的白河漫滩区、一级阶地和二级阶 地的前缘部分，含水层岩性主要为砾卵石粗砂和砂砾石，含水层的厚度在 2 5 5 0 m ，渗透系数4 0 1 0 0 州d ，导水系数1 0 0 0 2 5 0 0 m 2 d ，给水度0 1 0 3 ，单 位涌水量3 0 6 0 m 3 h m ，地下水埤深5 1 5 m ，该区主要接受大气降水和白河侧渗 补给，是南阳市城市饮用水集中供水水源地。 ( 2 ) 潜水丰富区：陔区在门河右岸，主要呈带状分布在二：级阶地与一级阶 地的中部和袁庄一王府一线两北的一级阶地。在白河左岸，分布在柳林庄一小笳 窑一线以南的白河二级阶地，含水层岩性丰要为砂砾石。含水层厚度一般在 15 4 m 之i 训，局部地段达5 0 m ，渗透系数在4 0 l o o m d 之问，导水系数 6 0 0 1o o o m 2 d ，给水度o 1 0 3 ，单位涌水量15 3 0m 3 h m ，地下水位埋深5 15 m 。 第二章研究区概况 ( 5 ) 开采气象型：白河右岸一、二级阶地南部是城市企、事业单位自备水 源井和城市公共供水补压井集中采区，人为开采是该区地下水动态变化的主要影 响因素，其次为大气降水。 2 3 。5 地下水补、径、排 ( 1 ) 地下水补给 该研究区地下水补给主要来自白河河水的渗漏和大气降水垂直入渗，以及农 田灌溉入渗与地表洼水的入渗和上游断面与垄岗交接带地下径流的流入。 平原区，由于地下水埋深浅，地表岩性疏松，加上本区雨量充沛，又有白河 及其支流流经市区，总体上，区内大气降水、地表水、地下水交替比较活跃，有 利于地下水的补给与形成。尤其白河河床与漫滩地表岩性为粗砂含砾石，地下水 位埋深小于5 m ，不仅对大气降水的入渗有利，而且河床与漫滩区的沙砾石与一 阶地区下伏之沙砾石层为一连通的整体，白河天然条件下的侧渗补给和开采条件 下的激发补给都是极为有利的。 ( 2 ) 地下水径流 东部平原区是一个有多年开采历史和相当开采规模的水文地质单元。在白河 左、右岸，南阳棉纺厂和净土庵分别为现状浅层地下水位下降漏斗中心，漏斗区 内白河侧渗、大气降水入渗等不及量连同上游断面地下径流流入量均向漏斗中心 汇流，汇流的水力坡度主要受开采条件和开采强度控制，沿河开采段，水力坡度 最大达到1 0 ，研究区东部农灌开采区水力坡度平缓，为o 0 9 o ，其他区域水 力坡度介于期间。区内所接受的河流侧渗补给量。大气降水补给量。灌溉入渗量 和地表洼水入渗量转变为地下径流后，连同上游断面与垄岗交接地带地下径流流 入量均向漏斗中心汇流。地下水水力坡度因漏斗的位置不同而异。其中外围的沿 河开采段，水力坡度为2 4 2 8 ；漏斗北部的斜坡带，水力坡度为1 1 3 4 。 ( 3 ) 地下水排泄 研究区白河右单元西至垄岗隔水边界，东、南为河流侧渗边界，北届为地下 径流输入边界是基本上没有出流的封闭漏斗。该区在白河沿岸漫滩地带地下水位 埋深有小于5 m 的地方，地下水通过蒸发排泄，蒸发量为2 0 9 万m 3 a 。其他地区 地下水位埋深大于蒸发极限深度，所以地下水的排泄主要是人工开采( 包括城市 供水开采、近郊农灌开采和人畜生活用水开采) 和越流输出( 浅层地下水位高于 1 9 河海大学硕士学位论文 中深层承压水位) ，白河左岸单元除南界西段为地下径流排泄边界外，均为白河 侧渗或地下径流补给边界，地下水排泄方式有人工开采、越流和地下径流输出。 在白河南岸，随着工业发展，地下水开采量加大。由于开采量超过了补给量，故 在白河南岸，相继出现了约占市区平原面积8 ( 5 5 k m 2 ) 的地下水漏斗区。其 补给、径流、排泄条件和上述白河北岸的大漏斗区情况基本一致。 2 4 地下水开发利用现状及存在问题 2 4 1 地下水开采现状 1 9 7 8 年后的二十年中，沿白河城区段陆续新建了东水厂、二水厂、三水厂、 宛城区水厂等傍河水源地，连同原西水厂及自备井水源井总数发展到近3 0 0 多 眼，其中浅层水日供水能力1 9 8 万m 3 。 南阳市傍河水源地包括一、二、三水厂及宛城区水厂，一、二水厂位于白 河右岸，三水厂及宛城区水厂位于白河左岸，多分布在原沿河漫滩中。一水厂水 源井原距白河水边线平均2 5 0 m ，橡胶坝蓄水后现有7 眼井位于橡胶坝回水区中； 二水厂为直线井排，距水边线平均2 0 0 m ，其中5 眼位于橡胶二坝回水区( 南阳 大桥) 上游；宛城水厂及三水厂分别位于白河大桥上下游，宛城水厂供水规模较 小。上述傍河水厂现状供水能力1 3 4 万m 3 日( 表2 3 ) 。 表2 3 南阳市自来水厂供水情况 始建 投产时 水源井现状现状日供水 水厂名称生产井位置 时间间井数( 眼)量( 万m 3 d ) 一水厂白河右岸白河大桥上下游 1 9 7 91 9 9 22 55 5 二水厂白河右岸南阳大桥上下游 1 9 8 81 9 9 975 0 三水厂白河左岸白河大桥下游 1 9 9 382 5 宛城水厂白河左岸白河大桥上游3o 4 西水厂 1 94 o 合计4 31 3 4 2 4 2 地下水开采存在的问题 随着城市化进程加快和经济的快速发展，南阳市城区浅层地下水开采量逐渐 增大，在白河两岸形成了两个浅层地下水位下降漏斗【3 5 1 。 ( 1 ) 白河右岸浅层地下水位下降漏斗 第二章研究区概况 白河右岸浅层地下水位下降漏斗的边界和范围自上世纪8 0 年代以来一直稳 定在东、南以白河为界，北到独山坡积群，东北部至达士营，西至垄岗，西南到 地下水分水岭处( 卧龙大桥一南阳市节水办一南阳卫校附属医院连线附近) ，几乎 遍及整个白河右岸平原，面积5 2 4 6 k m 2 ，地下水位下降漏斗区内，大气降、白河 侧渗等补给转变为地下径流，连同上游断面区水与垄岗交接段地下径流向漏斗中 心汇流，见图2 5 。 图2 5 南阳市城区浅层地下水等水位线图 白河右岸浅层地下水位下降漏斗中心位于宛城区生产资料公司。2 0 0 3 年漏 斗中心最高水位1 1 2 5 0 7 m ，最低水位1 1 0 8 8 7 m ，年变幅为1 6 2 m 。 ( 2 ) 白河左岸浅层地下水位下降漏斗 白河左岸浅层地下水位下降漏斗西、北以白河为界，东南到地下水分水岭处， 其东边界受白河水位、地下水位影响变化较大，2 0 0 3 年5 月份，东边界在茶庵 一杨官营一全庄连线附近，南边界即地下水分水岭，在刘庄一大林庙一黄谏树一 构树庄连线附近，相对比较稳定，漏斗面积为3 4 7 4 k m 2 。白河右岸的浅层地下水 漏斗中心位于南阳棉纺厂极强开采区。 1 9 7 8 地下水降落漏斗逐渐形成并不断扩展，至7 8 年未城区及近郊浅层地下 水下降漏斗面积3 9 8 k m 2 ，漏斗中心水位埋深1 4 2 4 m ，累计疏干含水层厚度达 2 l 河海大学硕士学位论文 2 6 5 m 。 2 5 小结 本章中对研究区内的自然地理条件、地形地貌以及水文气象条件进行了概 括，系统分析了研究区内地下水的补给、径流、排泄条件和动态特征，阐明了研 究区内地下水的开发利用现状及存在问题，为进一步的研究分析做好准备工作。 第三章研究区地下水流数值模拟 第三章研究区地下水流数值模拟 3 1 水文地质概念模型 3 1 1 研究区范围 根据研究区地下水开采布局以及地下水开采降落漏斗影响范围，并结合如下 资料：( 1 ) 2 0 0 0 年平原区河道蓄水补源与水资源可持续可发利用试验研究 的试验区地貌图；( 2 ) 1 9 9 0 年河南省南阳市水资源研究的研究区图；( 3 ) 1 9 8 1 年出版南阳市地形图，通过a r cg i s 把三张扫描的底图配准叠加确定为 本次研究区范围。选取1 9 8 1 年南阳市地形图上的大地坐标作为本次模型的 输入坐标。模拟范围南北跨度约1 2 1 m ，东西跨度1 0 2 6 l ( 1 1 1 ，面积约为1 2 3 k m 2 ， 如图3 1 。 图3 1 研究区范围 河海大学硕士学位论文 3 1 2 含水层特征及计算目标含水层 本次计算的目的含水层为潜水含水层。该含水层有全新统和上更新统冲积层 及中更新统冲洪积层组成。岩性为含砾卵石中粗砂、中细砂、砂砾卵石和含泥质 砂砾石组成，总厚度在6 5 4 m 。如平原中东部王府以西到牛王庙间，含水层最大 厚度可达5 4 m ，渗透性极强( k = 6 0 1 0 0 n 以) ；西部桐树庄和岗区交接地带，含 水层厚度由15 m 渐变成6 m ，渗透系数为2 0 1 t 以；平原北部油泵厂和达士营，含 水层厚度分别只有1 2 m 和2 4 m ( k 孑4 0 8 0 i n d ) ，平原南部的唐湾和赵庄，含水 层厚度分别为1 8m 和4 8m 。 含水层的颗粒组成，由东向西总的规律是由粗变细，由东部白河漫滩区的粗 砂砾卵石，至西部二级阶地后缘渐变诶中细砂。含水层垂直方向的变化规律是： 上部全新统和上更新统的冲积层，结构疏松，含泥量少，颗粒纯净，级配比较均 一；下部中更新统的冲洪积层，结构较密实，且含泥量多，颗粒级配不均一，有 时渐变为粘土含砾石。 在研究区内，孔隙潜水在天然状态下的水力坡度不大( 一般均小于千分之一) ， 渗流基本符合达西定律；水流形式可概化为平面二维或准三维流：在目前和水位 观测期内均为非稳定流运动。研究区地下水垂向循环的过程和途径主要是大气降 水和地表水体入渗补给潜水，潜水一部分蒸发排泄，另一部分通过弱透水层进行 越流补给。根据地质剖面图，以及观察到的水文地质参数在垂向上变