基于GMS的哈爾濱市地下水資源量評價(jià)

鄧國立，石瑾斌

（黑龍江省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院,黑龍江 哈爾濱 150080）

基于GMS的哈爾濱市地下水資源量評價(jià)

鄧國立，石瑾斌

（黑龍江省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院,黑龍江 哈爾濱 150080）

文中對哈爾濱地區(qū)淺層地下水水文地質(zhì)條件（包括含水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、邊界、動態(tài)、補(bǔ)排特征）進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，通過對含水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、水動力條件、邊界條件及源匯項(xiàng)進(jìn)行概化后，利用GMS建立了水文地質(zhì)概念模型并轉(zhuǎn)化為數(shù)值模擬模型，得出了在不同頻率的降水條件下的哈爾濱市淺層地下水總的可更新資源量。

地下水資源量；評價(jià)；數(shù)值模擬；GMS；哈爾濱

1 研究背景

水資源是城市發(fā)展的核心支柱與安全保障[1,2]。隨著城市建設(shè)的迅猛發(fā)展，城市水資源的需求不斷增加，供需平衡及采補(bǔ)平衡的矛盾尤顯突出[3]。由于地下水無論從水質(zhì)、供水能力、工程造價(jià)等方面來看看，都遠(yuǎn)優(yōu)于地表水，因此地下水已成為許多城市的主要水源。盡管近幾年來哈爾濱市水資源管理部門和水文地質(zhì)勘察單位對全市地下水資源進(jìn)行了較多的勘察、管理、規(guī)劃工作，但這些工作多集中于哈爾濱市城區(qū)范圍內(nèi)，對水文地質(zhì)條件相似的呼蘭新區(qū)、阿城新區(qū)及所轄雙城市開展的地下水資源管理與研究工作很少；同時(shí)，以往開展的地下水資源量評價(jià)多采用傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)學(xué)法、開采抽水試驗(yàn)法等，較難滿足在復(fù)雜、極端氣候條件下、人類活動干預(yù)下的精度較高的地下水資源量的評價(jià)要求，從而使得地下水盲目開采問題缺乏有效的規(guī)劃整治方案而形勢更加嚴(yán)峻，一度形成了380 km2的地下水降落漏斗。因此，利用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)[4,5]的具有較高精度的哈爾濱市區(qū)（包括呼蘭、阿城、雙城）地下水資源量綜合評價(jià)勢在必行。

2 研究區(qū)概況

研究區(qū)范圍包括哈爾濱市八區(qū)（含呼蘭、阿城）及雙城市，除去阿城區(qū)東南部丘低山裂隙水帶，總面積為8 734.96 km2。研究區(qū)是由泥河、少陵河、蜚克圖河拉林河及丘陵低山所圈成的高平原及河谷平原，中部被松花江、呼蘭河、阿什河切割成四大河間地塊。四河間地塊恰符合行政區(qū)區(qū)劃，分別為哈爾濱市區(qū)、呼蘭區(qū)、阿城區(qū)與雙城市。其中，哈爾濱市區(qū)被松花江干流切割成江南、江北兩部分。地形總趨勢為東南高，南、西及北西略高，中間較低并向東傾斜，海拔114～638 m。地貌主要包括河谷平原、高平原和丘陵三級。氣候冬長夏短，全年平均氣溫為3.4℃，1月最冷平均氣溫-19.6℃，7月氣溫最高平均為23.1℃。全年平均降水量512.6 mm，且多集中在6—8月份，約占全年總降水量的60%以上。年蒸發(fā)量900～1 669.89 mm，陸地蒸發(fā)量變化在250～500 mm之間，水面蒸發(fā)量在500～800 mm之間。

3 地下水系統(tǒng)特征

3.1 地下水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征

研究區(qū)淺層地下水系統(tǒng)是指區(qū)內(nèi)潛水含水層，立體結(jié)構(gòu)共分為15層，分別描述如下：第一層為滲水性差、厚約1 m的腐殖土與耕土，西北部呼蘭河一帶缺失；第二層為粉質(zhì)或淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土；第三層為細(xì)砂、粉細(xì)砂；第四層為中砂及中粗砂含礫；第五層為較薄的粉質(zhì)粘土；第六層為較厚的粉砂、細(xì)砂；第七層為中粗砂；第八層為在北部呈塊狀缺失的較薄的粉質(zhì)粘土或淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土；第九層為粗砂含礫或卵石；第十層為很薄的粉質(zhì)粘土層；第十一層為中粗砂含礫；第十二層為北部及西南部整體片狀缺失的粉質(zhì)粘土層；第十三層為厚度平均的中粗砂、中粗砂含礫，北部、東南部條帶狀缺失；第十四層為在松花江南部漫灘、階地整體缺失的礫砂含卵石層；第十五層為透水性極差的泥巖層，為潛水含水層底面。受沉積環(huán)境控制，含水砂層厚度較大，約40～80 m，因此，哈爾濱地區(qū)淺層地下水具有實(shí)際開發(fā)利用意義的對象為潛水含水層。

3.2 地下水系統(tǒng)邊界特征

研究區(qū)水文地質(zhì)邊界較清晰：西北、西南、東部三面環(huán)水，分別為泥河、松花江及拉林河、蜚克圖河，地下水多數(shù)時(shí)間向地表水排泄，僅在洪水期河水短期補(bǔ)給地下水，故確定該邊界為透水邊界；東南為低山山前平原，大氣降水通過山前風(fēng)化層，進(jìn)入平原區(qū)與山前風(fēng)化帶的接觸部位，并且很快滲入地下，最終成為側(cè)向徑流常年補(bǔ)給平原區(qū)含水層；東北部以外為高階地，區(qū)外地下水常年側(cè)向徑流補(bǔ)給區(qū)內(nèi)漫灘區(qū)含水層，故為地下水補(bǔ)給邊界；自西向東貫穿研究區(qū)的松花江原是區(qū)內(nèi)地下水主要排泄通道之一，但由于哈爾濱市區(qū)地下水目前仍存在約200 km2的降落漏斗，地下水位常年低于松花江水位，形成了自二水源至老江橋江段的江水常年補(bǔ)給地下水的態(tài)勢，故確定松花江為透水邊界。

3.3 地下水系統(tǒng)動態(tài)特征

從地下水動態(tài)規(guī)律來看，也可證明該系統(tǒng)地下水與降水及河水的密切關(guān)系。監(jiān)測資料顯示，研究區(qū)潛水最低水位出現(xiàn)在3月下旬或4月份中下旬，4月份后由于冰雪融化滲入地下，水位開始緩慢上升，5月中旬出現(xiàn)小的峰值，此后地下水位又呈現(xiàn)小幅度下降趨勢，6月中旬至7月初隨著雨季的到來，地下水位開始迅速上升，并很快達(dá)到最高值形成豐水期；進(jìn)入9月份水位開始以較緩的速度下降，表現(xiàn)出以年為周期的季節(jié)性變化特征，年變化幅度0.02～1.95 m。由于2008年屬于枯水年分，江河水兩岸漫灘較少出現(xiàn)淹沒現(xiàn)象[6,7]。另外在人類活動集中地帶（哈爾濱、松北開發(fā)區(qū)、阿城、呼蘭、雙城市區(qū)范圍內(nèi)）受到地下水開采量較大的影響，水位變化出現(xiàn)異常，地下水位沒有出現(xiàn)隨季節(jié)的變化而升高和降低的規(guī)律，兩年來潛水位始終處于緩慢下降階段。

以2008年地下水統(tǒng)測數(shù)據(jù)均值為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，通過繪制等水位線,可知地下水水位在100～260 m之間，其中地下水位大部分波動于110～150 m之間。水位在空間分布上呈由河流階地到漫灘到河谷逐漸遞減的態(tài)勢，最低水位出現(xiàn)在研究區(qū)中部松花江漫灘附近。區(qū)內(nèi)地下水大多朝著河谷方向流動。

同樣，根據(jù)研究區(qū)統(tǒng)測地下水位，繪制埋深等水位線圖。研究區(qū)內(nèi)地下水位埋藏在2～58 m間，其中哈爾濱市區(qū)、江北松北開發(fā)區(qū)，可見地下水漏斗。

3.4 地下水系統(tǒng)補(bǔ)排特征

該系統(tǒng)主要分布于河谷平原區(qū)及部分高平原上部，地下水是以垂向流動為主的，短距離水平流動補(bǔ)給江河，屬于三級地下水流動系統(tǒng)。在河谷平原區(qū)由于表層粘性土很薄，局部砂層裸露，地下水直接接受大氣降水的補(bǔ)給，形成潛水；在高平原區(qū)表層黃土狀粉質(zhì)粘土具有孔隙裂隙發(fā)育的特點(diǎn)，有利于大氣降水的滲入，形成孔隙裂隙潛水或上層滯水，孔隙潛水總體水流方向是流向江河（除洪水期外）。在分水嶺南部向拉林河方向流動，分水嶺北向松花江、阿什河方向流動。由同位素分析結(jié)果也可看出，第四系潛水含氚量一般多大于50 TV，地下水在含水層中儲留時(shí)間約3～5年，說明潛水接受了現(xiàn)代降水及河水的補(bǔ)給。

4 淺層地下水資源量評價(jià)

4.1 水文地質(zhì)概念模型的建立

1）含水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概化[8]。含水層巖性相對復(fù)雜，以粉細(xì)砂、細(xì)砂、中粗砂、礫石夾雜粘土為主，故可將含水系統(tǒng)概化為非均質(zhì)各向異性。

2）水動力條件的概化。研究區(qū)含水層厚度大且遍布全區(qū)，地下水流場較為平緩，滲流基本符合達(dá)西定律，因此地下水運(yùn)移可視為二維非穩(wěn)定流。

3）邊界條件的概化。①垂向邊界：上部邊界為潛水面，是位置不斷變化的水量交換邊界；下部邊界以泥巖為界，概化為隔水邊界。②側(cè)向邊界：西北、西南、東部河流邊界因水位資料不足概化為二類流量邊界；東南、東北地下水位資料充足概化為一類水位邊界。

4）源匯項(xiàng)的概化。①補(bǔ)給項(xiàng)：降水入滲、側(cè)向徑流、高水位期地表水補(bǔ)給地下水、渠道入滲、地表水灌溉田間入滲、水庫、魚塘水入滲量；②排泄項(xiàng)：潛水蒸發(fā)、低水位期地下水補(bǔ)給地表水、人工開采（分為農(nóng)業(yè)用水、生活用水、工業(yè)用水三個(gè)途徑，其中工業(yè)用水地下水開采集中于各城區(qū)中）。

4.2 數(shù)值模擬模型的建立、識別與驗(yàn)證

利用GMS軟件將建好的水文地質(zhì)概念模型轉(zhuǎn)化為數(shù)值模擬模型[9]，以2008年枯水期1月水位數(shù)據(jù)插值后作為初始流場，以2008年5月—12月的2組長觀孔水位動態(tài)數(shù)據(jù)為模型識別的依據(jù)，利用正演方法調(diào)試水文地質(zhì)參數(shù)，檢驗(yàn)邊界性質(zhì)等，得到一套模型參數(shù)。然后以識別結(jié)果水位作為初始流場，以2009年1月—12月的水位對模型進(jìn)行驗(yàn)證。從驗(yàn)證結(jié)果來看，各時(shí)段地下水流場的整體擬合形態(tài)良好，各觀測孔水位擬合形態(tài)趨勢合理，具體觀測點(diǎn)的水位擬合誤差基本小于0.5 m，絕大多數(shù)小于0.3 m，說明所建模型中的各參數(shù)能較好的刻畫研究區(qū)實(shí)際的水文地質(zhì)條件，水文地質(zhì)參數(shù)基本可靠，故該模型可用來進(jìn)行地下水位預(yù)報(bào)及水資源量評價(jià)。

4.3 模擬預(yù)測結(jié)果

所建數(shù)學(xué)模型經(jīng)識別、檢驗(yàn)后，對模擬計(jì)算區(qū)進(jìn)行了不同頻率降水量（25%，50%，75%）條件下的淺層地下水資源量預(yù)測。預(yù)測方案均以驗(yàn)證流場作為初始流場，降雨輸入為以1952—2006年降水量系列數(shù)據(jù)位為基礎(chǔ)，利用皮爾遜Ⅲ型曲線進(jìn)行頻率分析，得出保證率為25%，50%，75%的降水量，并保持模擬區(qū)計(jì)算邊界上的其他補(bǔ)給、排泄量不變，預(yù)測在該頻率降水量條件下一年后的地下水流場與淺層地下水資源量。模擬結(jié)果顯示：在頻率為25%，50%，75%的降水輸入下，哈爾濱市淺層地下水總的可更新資源量分別為78 283×104，68 851×104，60 259×104m3/a。

5 結(jié)論與建議

采用數(shù)值模擬方法，對以哈爾濱市區(qū)、呼蘭區(qū)、阿城區(qū)及雙城市為研究區(qū)的淺層地下水系統(tǒng)進(jìn)行水資源量評價(jià)。經(jīng)分析指出，淺層地下水系統(tǒng)是指區(qū)內(nèi)潛水含水層，按照不同巖性可劃分為15層結(jié)構(gòu)，研究區(qū)外邊界均為透水邊界；呈現(xiàn)顯著季節(jié)特征的地下水動態(tài)規(guī)律，反應(yīng)了該區(qū)地下水與降水及河水變化的密切關(guān)系，但人類活動對地下水位干擾程度較大；區(qū)內(nèi)地下水補(bǔ)給來源主要有六：降水入滲、側(cè)向徑流、高水位期地表水補(bǔ)給地下水、渠道入滲、地表水灌溉田間入滲、水庫、魚塘水入滲量。排泄途徑主要有：潛水蒸發(fā)、低水位期地下水補(bǔ)給地表水、人工開采。

通過對含水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、水動力條件、邊界條件及源匯項(xiàng)進(jìn)行概化后，建立了水文地質(zhì)概念模型并轉(zhuǎn)化為數(shù)值模擬模型。數(shù)值模擬結(jié)果表明，在頻率為25%、50%、75%的降水條件下，哈爾濱市淺層地下水總的可更新資源量分別為7.83，6.89，6.03億m3，淺層地下水具有一定的開發(fā)利用潛力。

淺層地下水的開采利用長期以來未引起廣泛的注意，其監(jiān)測資料和研究程度相對有限，有必要建立更密集的全區(qū)淺層地下水監(jiān)測網(wǎng)進(jìn)行長期監(jiān)測，加強(qiáng)具有較高精度的水量評價(jià)研究，治理已有漏斗、預(yù)防局部超采，在開發(fā)利用的同時(shí)要注重監(jiān)測水質(zhì)變化狀況，保護(hù)好這一重要的水源。

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