沙潁河干流與地下水水量交換研究

陶建華，陶月贊，劉佩貴

(合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽合肥 230009)

地下水與地表水相互關(guān)系的正確認(rèn)識(shí)和準(zhǔn)確描述，是地下水和地表水評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。地表水和地下水相互作用受多種因素的影響[1]，對(duì)這種相互作用的分析，常用方法有解析法[2-3]、數(shù)值法[4-5]等。繼Freeze等[6]于1969年首次提出基于物理機(jī)制的地表地下水流耦合理論體系之后，數(shù)值法因能模擬和分析各種復(fù)雜條件下的地表水與地下水的作用規(guī)律而應(yīng)用廣泛。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)地表水和地下水相互作用的研究，致力于將地表水與地下水兩大子系統(tǒng)進(jìn)行真正意義上的耦合模擬，研究熱點(diǎn)側(cè)重于分析水、生態(tài)、氣候和人類活動(dòng)之間的作用規(guī)律。筆者以沙潁河干流為例，考慮河床沉積物的滲透性在地表水與地下水相互作用中的重要性[7]，借助數(shù)值仿真技術(shù)，分析沙潁河干流界首至阜陽段地下水與地表水的水量交換關(guān)系，為該區(qū)水量、水質(zhì)評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)奠定基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

沙潁河是淮河最大的支流，流域總面積36651km2。筆者取沙潁河界首到阜陽段為研究區(qū)，總面積約為2250 km2。研究區(qū)為大陸季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均年降水量1024 mm，多年平均年蒸發(fā)量833 mm。區(qū)內(nèi)沙潁河河床高程19 m左右，河道斷面20多年間基本保持穩(wěn)定，河底、河岸沖淤變化甚微;茨淮新河為一人工河流。研究區(qū)地層隸屬華北地層區(qū)淮河地層分區(qū)，地表為第四系松散層所覆蓋。地貌趨于緩和、平坦，河流發(fā)育成平行狀(圖1)。

圖1 研究區(qū)示意圖

1.1 含水層分布

研究區(qū)地層，除阜陽市區(qū)以外，0～40m深度內(nèi)主要為全新統(tǒng)，大致可分為2個(gè)含水段:上部為Q42含水段，主要發(fā)育于茨河以北，頂板埋深一般5～10 m。其他地區(qū)的含水段砂層發(fā)育較差，在中部，局部甚至僅有一些亞砂土分布。該含水段與研究區(qū)干流水力聯(lián)系密切，為研究的目標(biāo)含水段。下部為Q41含水段，頂板埋深一般25～30 m，厚度一般4～8 m，個(gè)別地區(qū)較厚，局部地區(qū)僅發(fā)育一些亞砂土。研究區(qū)Q43分布于潁河、茨河兩岸局部，為淺黃色粉砂，亞砂土及薄層棕紅色亞黏土，厚0～4 m。

1.2 地下水的補(bǔ)給、排泄條件

研究區(qū)地下水的主要補(bǔ)給來源是大氣降水，其次為側(cè)向徑流和農(nóng)業(yè)灌溉對(duì)本區(qū)地下水補(bǔ)給;區(qū)內(nèi)地下水位埋深較淺，蒸發(fā)作用為地下水的主要排泄方式之一?？菟竟?jié)地下水位高于地表河水位，地下水補(bǔ)給河水為地下水的另一種排泄形式。

2 水文地質(zhì)模型

根據(jù)鉆探成果，將研究區(qū)地層概化為5層，第1層為亞黏土層，厚度一般7～13m;第2層為砂層，厚度一般4～8m，為目標(biāo)含水層;第3層為亞黏土和亞砂土層，厚度一般為8～15m;第4層為砂土層，厚度一般為3～8 m;底層為亞黏土和亞砂土層，厚度一般6～10 m。

由上述水文地質(zhì)模型推斷，沙潁河基本完全切割了目標(biāo)含水層，沙潁河以及目標(biāo)含水層與下伏含水層之間水力聯(lián)系微弱。

3 數(shù)值模擬

3.1 數(shù)學(xué)模型

模擬區(qū)地處淮北平原，地下水流方向整體由西北向東南，模擬區(qū)天然水力坡度較小，地下水流場(chǎng)較為平緩，滲流基本符合達(dá)西定律，水流各要素隨時(shí)間而變化，為非穩(wěn)定流。建立如下數(shù)學(xué)模型:

式中:Kx、Ky、Kz分別為含水層在 x、y、z方向的滲透系數(shù)(假定滲透系數(shù)主軸方向和坐標(biāo)軸的方向一致);w為源匯項(xiàng);μs為彈性水頭系數(shù);Kn為邊界面法向方向的滲透系數(shù);H為地下水水頭;H0為地下水初始水頭;H1為低水頭;Г1為水頭邊界;Г2為流量邊界;q為單寬流量;t為時(shí)間。

3.2 時(shí)間空間離散

平面上，將單元剖分為100×100，共計(jì)10 000個(gè)單元格;研究區(qū)以外部分設(shè)置為不活動(dòng)單元格;時(shí)間上，根據(jù)現(xiàn)有資料，以2004年1月為模擬期的初始時(shí)間，模擬期為5 a，計(jì)算步長(zhǎng)為10 d。

3.3 初始及邊界條件

含水層的初始流場(chǎng)由實(shí)測(cè)資料確定。沙潁河作為模型的內(nèi)邊界，按流量邊界處理，河流斷面特征(河床底寬和河床高程)和水位(圖2)等數(shù)據(jù)在界首斷面和阜陽斷面間做插值處理。模擬區(qū)北部邊界為透水邊界，概化為已知水頭邊界;東西兩側(cè)邊界為分水嶺，概化為零流量邊界;模擬區(qū)內(nèi)的茨河，概化為水頭邊界。

3.4 源匯項(xiàng)

圖2 河流水位過程線

研究區(qū)內(nèi)地下水開采現(xiàn)象較普遍，近年來淺層地下水動(dòng)態(tài)條件已由過去的入滲-蒸發(fā)型轉(zhuǎn)化為入滲-蒸發(fā)-開采型。降雨入滲量主要與包氣帶巖性，植被發(fā)育、潛水位埋深、降雨量大小等因素有關(guān);降雨入滲按面狀補(bǔ)給方式處理，降水入滲系數(shù)取0.2。潛水蒸發(fā)量主要與包氣帶巖性、植被發(fā)育、地下水位埋深、氣溫、日照強(qiáng)度等因素有關(guān);潛水蒸發(fā)按面狀排泄方式處理，潛水蒸發(fā)極限深度為4.5 m，蒸發(fā)系數(shù)取0.7。研究區(qū)淺層地下水開采井?dāng)?shù)量較多，將開采井分布情況按行政區(qū)域劃分，將其概化為在各行政區(qū)均勻分布。研究區(qū)存在大面積的農(nóng)灌區(qū)，灌溉用水量根據(jù)不同地區(qū)年平均灌溉用水量、不同年月降雨量、農(nóng)作物生長(zhǎng)需水量綜合確定;農(nóng)灌區(qū)灌溉水入滲補(bǔ)給按面狀補(bǔ)給處理，灌溉入滲系數(shù)取0.22。

3.5 模型識(shí)別與驗(yàn)證

模型模擬期為2004年1月—2008年12月，根據(jù)研究區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)勘察及早期農(nóng)灌勘察的相關(guān)抽水試驗(yàn)資料，將區(qū)內(nèi)與河流水力聯(lián)系密切的目標(biāo)含水層參數(shù)初步分區(qū)，再采用“試錯(cuò)法”反復(fù)調(diào)整參數(shù)。經(jīng)模型反演識(shí)別的目標(biāo)含水層(第2層)水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)及取值情況見表1、圖3所示。模擬中發(fā)現(xiàn)，地下水水位對(duì)河流水力傳導(dǎo)系數(shù)C響應(yīng)不明顯，C取值在10～150區(qū)間內(nèi)，地下水位擬合曲線基本不變。綜合分析研究區(qū)水文地質(zhì)條件和河流沉積特征等因素，按式(2)計(jì)算河底沉積物水力傳導(dǎo)系數(shù):

表1 水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)

圖3 水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)示意圖

式中:KS為河床沉積層滲透系數(shù);L為計(jì)算單元的河段長(zhǎng)度;W為河床寬度;M為河床沉積物厚度。在上述空間離散條件下，取河床水力傳導(dǎo)系數(shù)為100m2/d。

各觀測(cè)孔模擬值較實(shí)測(cè)值雖有所偏差，但整體而言，模擬情況較好，模擬值基本能反映研究區(qū)地下水位變化情況，模型識(shí)別效果如圖4所示，各觀測(cè)孔相對(duì)位置見圖1。

圖4 各觀測(cè)孔水位模擬曲線

為盡量減少資料限制及水文地質(zhì)特征的不確定性影響，盡可能真實(shí)地反映研究區(qū)的水文地質(zhì)特征，提高模型精度，對(duì)識(shí)別后的數(shù)值模型進(jìn)行驗(yàn)證。

4 驗(yàn)證結(jié)果及分析

研究區(qū)地下水水位常年高于沙潁河水位，修建節(jié)制閘以攔蓄地表水以后，地表水排泄地下水的格局沒有發(fā)生根本性變化，地表水對(duì)地下水的補(bǔ)給始終有限?，F(xiàn)狀年條件下，地表水對(duì)地下水水位形成比較明顯的影響范圍約為800 m，枯水季節(jié)地下水對(duì)河流的補(bǔ)給強(qiáng)度受河床水力傳導(dǎo)系數(shù)C值影響很大，兩者基本呈對(duì)數(shù)關(guān)系(式(3)、圖5)，但C值的變化基本不影響補(bǔ)給曲線形狀。

根據(jù)圖5所示，7月研究區(qū)內(nèi)孔隙潛水對(duì)河水的補(bǔ)給量最小，此后逐漸增大，12月補(bǔ)給量達(dá)到最大，此后逐漸減小，整體而言，當(dāng)年12月至翌年2月，地下水對(duì)河流的補(bǔ)給量較大。綜合分析研究區(qū)降雨量、潛水水位與河流水位情況，可知研究區(qū)7—9月降雨量較大，河流水位受降雨影響明顯抬高，地下水水位變化相對(duì)于降水滯后明顯，孔隙潛水與河流水位差一般在7月達(dá)到最小;由于大氣降水的補(bǔ)給作用，地下水位在8月末處于1年中最高，而此時(shí)由于節(jié)制閘對(duì)河水的攔截作用，河流水位一般亦達(dá)到最高，孔隙潛水與河流水位差較之7月反而有所增大;到12月末，河水位受降雨影響一般處于1年中最低，而地下水位下降相對(duì)滯后，孔隙潛水與河流水位差達(dá)到最大;此后，地下水位受降雨影響下降，孔隙潛水與河流水位差逐漸減小;整體而言，當(dāng)年12月至翌年2月，孔隙潛水與河流水位差較大?？梢?，地下水對(duì)河流的補(bǔ)給強(qiáng)度與兩者之間的水位差直接相關(guān)。

圖5 C值與補(bǔ)給強(qiáng)度關(guān)系曲線

取圖1所示區(qū)域?yàn)榈乇硭c地下水交換量的計(jì)算區(qū)，當(dāng)C值為100 m2/d時(shí)，模擬期內(nèi)河流對(duì)地下水的補(bǔ)給強(qiáng)度僅為4.77×10-6m3/(s·km);地下水對(duì)河流平均補(bǔ)給強(qiáng)度為7.26×10-3m3/(s·km)。模擬期內(nèi)地下水對(duì)河流的補(bǔ)給情況如圖6所示?？梢姡菟竟?jié)，研究區(qū)內(nèi)地下水對(duì)河流的補(bǔ)給是沙潁河的重要水源之一。

圖6 地下水補(bǔ)給河流模擬曲線

當(dāng)不考慮河床沉積物對(duì)交換水量的影響時(shí)，根據(jù)Darcy公式，枯水季節(jié)兩側(cè)地下水對(duì)河流的補(bǔ)給量約為 1.45 ×10-2m3/(s·km)[8]，與上述計(jì)算值相差甚遠(yuǎn)，可見研究區(qū)內(nèi)河床沉積物對(duì)地下水與地表水交換量的影響應(yīng)慎重對(duì)待。

5 結(jié)語

地下水與地表水之間的水量交換作用，在自然界中普遍存在，在枯水季節(jié)，一些河流甚至主要依靠地下水補(bǔ)給，所以，在地表水與地下水水質(zhì)和水量的評(píng)價(jià)中，對(duì)這種水量交換作用的正確認(rèn)識(shí)和描述十分重要。

通過上述研究，得到以下認(rèn)識(shí):①沙潁河干流界首至阜陽斷面，排泄河流是地下水的主要排泄方式之一，地下水與地表水的水量交換主要表現(xiàn)為地下水補(bǔ)給地表水;②河床沉積物滲透系數(shù)直接影響地下水與地表水之間的交換水量，研究區(qū)內(nèi)兩者基本呈指數(shù)關(guān)系;③地下水對(duì)地表水的補(bǔ)給量與兩者之間的水位差直接相關(guān)，地下水對(duì)沙潁河干流界首至阜陽段的補(bǔ)給量一般在7月最小，12月最大;④研究區(qū)枯水季節(jié)地下水對(duì)河流的補(bǔ)給強(qiáng)度較大，應(yīng)重視地下水水質(zhì)和水量的保護(hù)，過度開采可能引起地下水對(duì)沙潁河的補(bǔ)給量減少，對(duì)枯水季節(jié)的沙潁河流量產(chǎn)生重大負(fù)面影響;⑤為進(jìn)一步確定區(qū)域地下水與地表水之間的交換水量，有必要測(cè)定河床沉積物的滲透系數(shù)。

[1]BERESLAVSKII E N.Groundwater flow to a system of drainage canals[J].Water Resources，2006，33(4)，417-420.

[2]陳崇希，唐仲華.地下水流問題數(shù)值方法[M].武漢:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，1990.

[3]董新光，郭西萬.新疆博爾塔拉河干流段地表水地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系的系統(tǒng)分析法[J].干旱區(qū)地理，1996，19(4):45-50.

[4]FLECKMENSTEIN J，ANDERSON M，F(xiàn)OGG G，et al.Managing surface water-groundwater to restore fall flows in the cosunmes river[J].Journal of Water Resources Planning and Management，2004，130(4):301-310.

[5]賈仰文，王浩，仇亞琴，等.基于流域水循環(huán)模型的廣義水資源評(píng)價(jià)[J].水利學(xué)報(bào)，2006，37(9):1051-1055.

[6]FREEZE R A，HARLAN R L.Blue-print for a physicallybased digitally simulated hydrologic response model[J].Journal of Hydrology，1969(9):237-258.

[7]PERKINS S P，SOPHOCLEOUS M.Development of a comprehensive watershed model applied to study stream yield under drought conditions[J].Ground Water，1998，37(3):418-426.

[8]陶月贊，蔣玲.地下水補(bǔ)給對(duì)河流污染物濃度衰減過程的影響[J].水利學(xué)報(bào)，2008，39(2):245-248.