佳木斯市地下水资源补给量计算分析及水位预报研究.doc

第 45 卷 第 12 期2009 年 12 月甘 肃 水 利 水 电 技 术 Gansu Water Conservancy and Hydropower TechnologyVol45，No12Dec ，2009 3 水文水资源佳木斯市地下水资源补给量计算分析及水位预报研究王延东 1，赵忠伟 2，周彦章 3，王钢钢 2（1.广东省电力设计研究院，广东 广州 510663；2.河海大学 水利水电工程学院，江苏 南京 210098；3.河海大学 土木工程学院，江苏 南京 210098）摘要：通过地下水补给计算及数值模拟研究，可以进行地下水位预报，从而提供水位预警，避免土壤沼泽化和盐碱化 等灾害性事故的发生。本次研究通过佳木斯市地下水补给计算及数值模拟，对该地区未来几个月水位变化进行了预 报，并结合已有水文地质资料对模型进行识别和验证，具有较好模拟精度，预测结果较为准确。预测结果显示污水处 理厂厂址处在 50 年一遇江水位情况下，地下水将溢出地表，不利于污水处理厂的运行并可能造成较大破坏。 关键词：地下水补给；计算分析；数值模拟；地下水位预报中图分类号：P641.2 文献标识码：A佳木斯城市生产和生活用水主要依靠地下水，合理开发和利用地下水资源是当地水利部门的一项重要课题，而数值 模拟及水文预报技术为该地区地下水资源的合理规划和有效管理提供了科学方法和依据。本次研究针对佳木斯城东污水处理厂厂址规划项目，通过地下水补给计算分析该地区地 下水位变动规律，并对该地区进行地下水水位预报，预测在 该地区设立厂址的安全性。1 研究区概况研究区内含水系统整个分布于松花江南岸，海拔 7785 m，地势平坦开阔，为城区和农田所在地。由于人类耕作、挖 砂、养鱼等经济活动，局部出现坑沼。组成岩性上部为全新统 早期冲积层，表层为薄层亚黏土或亚砂土（厚 1.02.5 m），下 部为砂、砂砾石。根据区内 22 个钻孔资料，运用 GMS 模拟研 究区地质概况如图 1 所示，含水层结构剖面图如图 2 所示。 研究区为河岸漫滩区，总面积约 195 km2，北部和西部以河流为界，南部和东部以丘陵地区分水 岭为相对隔水边界。 该地区多年平均年降水量为 540 mm，大气降水为该地区地 下水主要补给水源 ，降水量年内分配不均匀，7、8、9 三个月图 1 研究区地质概况图 2 含水层结构剖面图降水量约占年降水量的 59.5%，是地下水的主要补给期。根 据钻孔资料及野外观测，按岩层的透水、储水性可以将该区 域含水层分为 3 层，上层部分覆盖较薄的黏土覆盖层，往下 第 2 层为厚度可达 2040 m 的砂土和亚黏土层，再往下为 亚黏土层，坐落在白垩纪砂岩上。研究区的地下水埋深受地 形、地貌、气象、水文因素和人为因素的影响，埋深介于 2.508.50 m 之间，年平均埋深 5.50 m。2 补给计算原理及数学模型潜水地下水库主要补给方式包括降雨入渗补给、侧向补 给、地表水体渗漏补给、灌溉补给和人工回灌补给，主要排泄 方式包括蒸腾蒸发、侧向排泄和地下水开采，其主要影响因 素包括地形地貌、地质构造等，补给效果主要通过补给水量、 补给速率和补给时间等因子来衡量。根据水量平衡原理，建 立水量平衡方程 SWB 模型如下1：s=Pr+Wi+Qi+Qs+R-ET-Qr-W（1） 式中：Pr降雨入渗补给量；Wi灌溉补给水量； Qi侧向补给量； Qs地表水体渗漏补给量； R人工回灌水量；收稿日期：2009-11-25基金项目：2008 教育部博士点基金资助项目（200802940012）作者简介：王延东（1979-），男，硕士，工程师。2009 年 第 12 期甘肃水利水电技术 第 45 卷即2ET蒸发蒸腾总量；Qr侧向排泄量；W人工开采水量。降雨入渗补给量可以通过降雨入渗补给系数法确定，Pr =pF （2）条件进行了简化。上部边界为潜水面，是位置不断变化的水量交换边界，有降水入渗、人工开采和农业灌溉回渗等；下部 边界以第三系亚黏土顶板为界，概化为隔水边界；西部和北部松花江概化为河流边界或一类水头边界；东部和南部基本概化为隔水边界，但在局部存在个别为流量边界。将研究区 地下水流系统概化为非均质、各向同性、二维、潜水非稳定地式中：降雨入渗补给系数；p降雨量；F降雨入渗面积，一般以库容表面面积计算。灌溉补给水量包括田间灌溉沟渠入渗量和田间入渗补 给量两部分。灌溉补给水量分为渠系渗漏水量和田间补给水 量两部分，即3Wi= Wu+mWu（3）式中：输水渠利用系数；灌溉补给系数；m渠系渗漏补给系数； Wu灌溉用水量。 地下水库侧向补给量4：Qi=KJMLt（4） 式中：K含水层渗透系数；J渗透坡降；M含水层厚度； L侧向补给长度； t补给时间。地表水体渗漏补给包括水库渗漏、河流、湖泊及输水渠 等入渗补给，河床渗漏补给参考公式5：Qs= KLW （H-h）t （5）M式中：K河床渗透系数； L河流长度； M河床覆盖层厚度； W河流宽度； H河流水位； h补给点水位。潜水蒸发量可以通过潜水蒸发系数计算，也可以参照柯 夫达公式6：ET=E（0 1- H ）nF（6）H0式中：作物修正系数； E0水面蒸发强度； H地下水埋深； H0潜水蒸发最大埋深； n土壤参数； F蒸发计算面积。侧向排泄量主要包括通过地下坝坝顶溢流、隔水边界溢 流和河流、排水沟排泄等方式，可以参考公式（4）和（5）进行 计算。研究采用地下水数值模拟软件 MODFLOW，进行自动矩形网格剖分，共剖分矩形网格单元 6 218 个，每个单元面积195.72158.70 m（2 图 3）。在数值模拟过程中，对研究区边界下水流系统，可用如下定解问题来进行描述7：式中：h、B含水层水位和底板标高（m）；（1 x，y，t）、（2 x，y，t）含水层的补给强度和排泄强度；q（x，y，t）第二类边界单宽流量；K渗透系数；h（0 x，y）初始水位；h（1 x，y，t）第一类边界点水位；储水系数。图 3 研究区矩形剖分图3 数值模拟及水位预报3.1 源汇项处理 降水入渗补给是本区地下水的重要补给源，其入渗量与降水量、潜水水位埋深和包气带岩性有关 。模型中，根据一年中一次降雨 大 于 50 mm 所得的累计降水总量，分区按不 同的降水入渗系数逐月以 RECHARGE 的形式面状补给地 下水 。根据入渗能力的不同， 将 计 算 区 分 为 13 个 子 区 域（图4），不同区域具有不同的降水入渗系数。图 4 降雨入渗分区图由于长期对地下水的大量开采，地下水位下降，形成地 下水开采漏斗，地下水由漏斗周围侧向补给漏斗区。地下水第 12 期王 延 东 ，等 ：佳木斯市地下水资源补给量计算分析及水位预报研 究第 45 卷侧向径流补给量主要考虑大头山、三连村南、四丰山水库、音达木河上游断面以及研究区东部边界的侧向流量。依据动态 观测资料确定边界流量随时间段的变化趋势，根据不同时期各段的水力梯度和水文地质参数初值，计算给定随时间变化的侧向补给（排泄）量。研究区内主要水系有松花江及其支流英格吐河、音达木 河，天然条件下，河流侧向补给量随年份和丰枯季节变化。四 合屯至松江乡地段，地下水位常年低于松花江水位，因此，这一地段江水常年补给地下水。松江乡至宏力地段地下水在年 内部分时间补给江水，洪水季节江水回渗补给地下水。研究 区内松花江在枯水期成为地下水的排泄通道，丰水期又成为 地下水的补给源。在模型处理时将其概化为 RIVER 边界，水 位根据佳木斯水位观测站观测值确定。研究区内的主要灌区有大头山灌区 、长青灌区、松江灌 区和四丰山灌区，分布在研究区的东、西两侧。在作物生长时期存在灌溉回归水补给地下水，在模型中按面状补给处理， 采用 RECHARGE 进行处理。研究区域内潜水蒸发量根据地下水位埋深和水面蒸发 强度等因素确定。MODFLOW 根据输入的不同地下水埋深、 蒸发极限深度、水面蒸发强度等因素，自动计算潜水蒸发值， 计算结果通过已有水量平衡计算数据进行校核。3.2 模型的识别和验证如图 5 所示，由于对目的层的水文地质条件有比较清楚 的认识，各水文地质参数初值也比较客观，通过细致的调参， 模型识别取得了较好的结果，计算流场与实测流场也基本相 同，拟合结果初步说明了所建立的水文地质概念模型和数学 模型是正确的。所取的各源汇项是正确的。3.3 地下水位预报本次研究分别在杏林路、音达木泵站及污水处理场场址 建立地下水位预报点（图 7）进行定点预报。预报期内松花江水位采用 50 年一遇，佳木斯市大气降水采用 50 年一遇，地N污水处理厂厂址 松音达木泵站下水开采用 2003 年实际开采量。图 7 水位预报点位置图花 江杏林路口图 6 模型验证结果图 5 模型识别结果为进一步验证所建立的数学模型和模型参数的可靠性， 利用 2003-05-162003-09-16 丰水时段的地下水位动态观 测资料对数学模型进行验证。模型验证时段的主要补给来源 为降水入渗和侧向径流补给等，河流边界取多年丰水时段平 均水位；排泄主要为人工开采。模型验证末刻水位拟合结果 如 图 6 所示 ，水位拟合最大误差绝对值为 1.395 m，平 均 值 为 0.24 m，计算流场与实测流场也基本吻合，说明验证时段根据研究区地下水动态变化特征，地下水水位预报的初 始流场采用验证模型，即初始流场模拟期为 2003 年 1 月 16 日到 2003 年 9 月 16 日，外推至 2003 年 12 月 16 日流场。3 预报点的水位预报结果如图 810 所示。由图 810 可知 （图中图示较大的独立点为观测值），杏 林路泵站、音达木泵站及污水处理厂的地下水位在预报期内逐渐升高，最高地下水位分别出现在第 639、638、632 d，即 均发生在 9 月末，水位分别为 78.45 m、77.14 m 和 77.87 m。（下转第 12 页） 12 40.050s表 2 各代表站典型年降雨量计算30.070s80s均值站名Cv Cs 典型年降雨量/mm20.010.00.0-10.0各年代占多年平均的百分数-20.0-30.04 结语90s2000s站名/mm金塔59.60.38 鼎新54.10.39 鸳鸯池57.40.41 梧桐沟74.00.40 正义峡68.60.38 酒泉82.70.40 花海子43.80.43 玉门镇63.00.34Cv2.52.52.53.03.03.03.02.520%76.970.175.295.887.9106.957.479.650%56.150.753.568.363.876.239.360.075%95%43.129.438.726.140.226.652.337.249.535.658.441.630.021.047.433.6（1） 金塔县降水量稀少，年内分配不均、年际变化较大、面上分布极不均匀，年际丰枯变化过程有较长的持续性，自马鬃山74.50.402.597.169.652.735.31997 年以来降水量年际变化过程呈持续减少趋势。（2） 年降雨量随着海拔高度的升高而增大，增幅为海拔 高度每上升 100 m 年降雨量增加 6.6 mm；年降雨量随纬度的增加而减少，纬度每增加 1 度年降雨量减少 9.2 mm；年降 雨量随经度的增大而增大，经度每增大 1 度，年降雨量减少2.5 mm。!（上接第 3 页）针对以上预报结果，结合地表高程可以预测该地区地下 水位变动过程，预测地表淹没风险，及时采取措施防止土壤 盐碱化等灾害性事故的发生。鉴于杏林路、音达木泵站及污 水处理场的地表高程分别为 80.4 m、80.6 m、77.5 m 左 右 ， 因此可以看出污水处理厂厂址 处 在 50 年一遇江水位情况 下，地下水将溢出地表，这将极不利于污水处理厂的运行并 可能造成较大破坏。4 结论及建议（1） 通过地下水补给计算及数值模拟研究，可以为研究 区域提供地下水水位预报，从而提供预警，避免土壤盐碱化 及沼泽化等灾害性事件的发生。（2） 地下水补给计算可以通过建立地下水平衡模型来 实现，而各补给项的计算需要充分考虑其影响因素，并结合 各地区水文地质资料通过相关分析加以修正。（3） 地下水数值模拟与水位预报对预防灾害性事故具 有重要的意义，但由于监测资料、水文地质参数及模型本身的不确定性，所预测结果存在一定的风险，因此需要对模型 进行校核，以保证预报的准确性。鉴于于地下水补给计算过程中参数的不确定性以及地 下水数值模拟过程的随机性，建议对地下水随机场及参数进 行不确定性分析和风险评估，以便结合水位预报提出风险应 对措施。参考文献：1 ZHAO Jian, ZHAO Zhongwei, CHEN Xiaobing. Fuzzy Risk Analysis on Recharge of Under ground Reservior C. LIU Jianjun. Flow in Porous Media, Wuhan: ORIENT ACADEMIC FORUM2009: 757