基于暗管排水的地下水調(diào)控模擬研究

柳王吉 向龍 徐如超 龔文杰

摘要：以余姚市高效農(nóng)業(yè)園區(qū)圍墾區(qū)為研究對象，綜合運(yùn)用試驗(yàn)法、模擬法等研究方法，在園區(qū)基礎(chǔ)資料收集和水文地質(zhì)勘查的基礎(chǔ)上，用Modflow建立三維地下水?dāng)?shù)學(xué)模型，定量分析不同降雨補(bǔ)給條件下的地下水動(dòng)態(tài)變化規(guī)律；根據(jù)不同設(shè)計(jì)降雨和河道水位控制邊界、不同暗管排水方案下農(nóng)業(yè)園區(qū)地下水位的變化規(guī)律，分析暗管埋深、間距等與園區(qū)地下水控制的關(guān)系，確定了地下水動(dòng)態(tài)排水的最佳暗管設(shè)計(jì)方案。研究表明：暗管間距15m、埋深2.5m能夠達(dá)到精準(zhǔn)排水控制的設(shè)計(jì)要求。還探索了淺層地下水排水規(guī)律，為精準(zhǔn)調(diào)控不同暴雨條件下地下水位和防治圍墾土地鹽漬化提供決策依據(jù)。

關(guān)鍵詞：地下水動(dòng)態(tài)模擬；Modflow；暗管排水；埋深：間距

中圖分類號：S276.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.04.037

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)（Precision Agriculture）是當(dāng)今世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的新潮流，是由信息技術(shù)支持的根據(jù)空間變異來定位、定時(shí)、定量地實(shí)施一整套現(xiàn)代化農(nóng)事操作技術(shù)與管理的系統(tǒng)工程。水利水文計(jì)算可為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的高效水資源利用和動(dòng)態(tài)墑情、雨情、灌溉排水管理等提供科學(xué)決策支持。近年來，余姚市高效生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展態(tài)勢良好，率先發(fā)展綠色高新農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園示范建設(shè)，與以色列艾利農(nóng)業(yè)集團(tuán)開展合作，探索現(xiàn)代高新農(nóng)田水利管理與開發(fā)新思路。該農(nóng)業(yè)園區(qū)位于杭州灣錢塘江三角洲的灘涂圍墾地，較高的地下水位和鹽漬害不僅直接危害作物的正常生長，而且易引發(fā)養(yǎng)分失衡、病蟲害增加等相關(guān)問題。因此，研究農(nóng)業(yè)園區(qū)地下水位的動(dòng)態(tài)變化趨勢，分析確定排水方案，對農(nóng)業(yè)穩(wěn)步持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

目前，國內(nèi)外有許多案例采用地下暗管、溝渠等措施進(jìn)行地下水排水控制，降低鹽漬化及地下水位等。與明溝排水相比，暗管排水具有減少占用耕地、提高土地利用率、增大明溝控制面積、節(jié)省勞力、便于機(jī)械化施工等優(yōu)點(diǎn)。我國推廣應(yīng)用暗管排水的時(shí)間不長，20世紀(jì)50年代后期逐步興起，幾十年來對暗管排水已有較多研究。地下水流數(shù)值模擬計(jì)算在手工或自動(dòng)校準(zhǔn)模型參數(shù)的基礎(chǔ)上，采用多方案并行計(jì)算，確定優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，是解決復(fù)雜水利調(diào)度與控制難題的關(guān)鍵。數(shù)學(xué)模型已廣泛運(yùn)用到灌區(qū)地下水控制的研究中，但用Modflow三維地下水?dāng)?shù)學(xué)模型模擬多種暗管設(shè)計(jì)方案在不同設(shè)計(jì)條件下的地下水動(dòng)態(tài)變化方面的研究尚不多見。

筆者在收集余姚農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園區(qū)水文、氣象、地形地貌、地質(zhì)、水文地質(zhì)條件等資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合野外調(diào)查、勘探和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行參數(shù)敏感性分析和參數(shù)識別，構(gòu)建高精度的模型系統(tǒng)，以尋找合理的排水方案。考慮到降雨與外河水位為重要的控制條件，在設(shè)計(jì)邊界條件時(shí)，分別設(shè)置了4種典型設(shè)計(jì)降雨和2種河道控制水位，以反映地下水位對不同降雨類型和外河控制情況的響應(yīng)及不同暗管組合在不同邊界條件下的排水效果。通過改變模型中暗管排水模塊的間距、埋深、水力傳導(dǎo)系數(shù)（在模型相應(yīng)模塊中表示暗管周邊地下水的傳導(dǎo)能力，與管材、管徑等有關(guān)）的組合，模擬不同暗管條件下園區(qū)內(nèi)地下水位的變化趨勢，分析暗管埋深、間距等對排水的影響，并確定合適的排水方案，為園區(qū)地下水位控制和土地鹽漬化防治提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

余姚市位于浙江省寧紹平原北部，中心地理坐標(biāo)為東經(jīng)121°09'、北緯30°30'。園區(qū)位于余姚北部，杭州灣南岸，屬濱海相沖湖積平原區(qū)，地形開闊平坦，總面積約4.3km2，地勢南高北低，渠系縱橫交錯(cuò)：屬季風(fēng)型氣候區(qū)，具有四季分明、氣候溫和、雨量豐沛、日照充足等特點(diǎn)；潮汛屬不規(guī)則半日潮。區(qū)內(nèi)河流主要有北排江（寬約100m）、九塘橫江（寬約30m）。

園區(qū)地下水運(yùn)動(dòng)受地形地貌控制，方向白南向北，通過園區(qū)地塊向杭州灣運(yùn)動(dòng)。區(qū)內(nèi)地下水埋深淺，晴熱天氣多，日照時(shí)間長，蒸發(fā)量大，蒸發(fā)為園區(qū)地下水的主要排泄方式之一。抽水泵站控制河流保持較低的水位，成為地下水主要的排泄場所。

2 材料與方法

2.1 野外試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

2.1.1 地質(zhì)勘查試驗(yàn)

根據(jù)野外勘探資料，按地層巖土特征、巖系埋藏條件、力學(xué)性質(zhì)、成巖時(shí)代與成因類型，園區(qū)綜合地質(zhì)層劃分為4個(gè)大層5個(gè)亞層。將地質(zhì)鉆孔所采的巖芯進(jìn)行編錄，準(zhǔn)確查明含水層的位置；進(jìn)行土T試驗(yàn)，獲得各含水層的物理力學(xué)指標(biāo)設(shè)計(jì)參數(shù)（見表1）。

2.1.2 雙環(huán)入滲試驗(yàn)

表層土壤作為流域內(nèi)與大氣降水人滲和產(chǎn)匯流直接接觸的介質(zhì)層，土壤滲透系數(shù)的大小對降雨人滲有較大的影響。在農(nóng)業(yè)園區(qū)的東、西兩區(qū)選擇代表性試驗(yàn)點(diǎn)（共選取10個(gè)點(diǎn)）進(jìn)行雙環(huán)人滲試驗(yàn)，設(shè)定試驗(yàn)外環(huán)直徑為50cm，內(nèi)環(huán)直徑為25cm，測定研究區(qū)表層土壤的滲透能力。記錄馬氏瓶內(nèi)相應(yīng)水位的變化，利用式（1）計(jì)算試驗(yàn)土層的滲透系數(shù)，得到10個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的滲透系數(shù)平均值為5.85xl0-6Cm/S。式中：K為試驗(yàn)土層的滲透系數(shù)，cm/s；Q為內(nèi)環(huán)的注人流量，mL/min；F為內(nèi)環(huán)的底面積，cm2；H為試驗(yàn)水頭，H=10cm；z為從試坑底算起的滲入深度，cm；Hu為試驗(yàn)土層的毛細(xì)上升高度，參考《水利水電T程注水試驗(yàn)規(guī)程》（SL345-2007）取160Cm。

2.1.3 抽水試驗(yàn)

勘探孔按場地均勻布置，共布置3口抽水試驗(yàn)主孔（ZK7-ZK9），每口主孔各布置2口觀測孔，平面布置見圖1。觀測孔ZK7-1、ZK7-2至抽水孔ZK7的距離分別為1.75、3.50m，觀測孔ZK8-1、ZK8-2至抽水孔ZK8的距離分別為2.00、4.00m，觀測孔ZK9-1、ZK9-2至抽水孔ZK9的距離分別為1.70、3.40m。根據(jù)鉆探巖芯的性質(zhì)，確定抽水試驗(yàn)控制層位為3-1層，含水層厚度為16～17m，井深7.5m，濾管長3m，抽水持續(xù)時(shí)間36h，流量和水位降深見表2。根據(jù)抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用多孔潛水非完整井計(jì)算公式（2），每主孔各計(jì)算4個(gè)點(diǎn)，取均值，求得3-1層砂質(zhì)粉土含水層滲透系數(shù)，ZK7為1.13×10-3cm/s，ZK8為1.09×10-3cm/s，ZK9為1.14xl0-3Cm/S。式中：K為試驗(yàn)土層的滲透系數(shù)，m/s；Q為試驗(yàn)孔出水流量，m3/s；S為試驗(yàn)孔水位降深，m；S1、Sn分別為觀測孔1、2的水位降深，m；l為過濾器長度，m；r1、r2分別為觀測孔1、2至抽水孔的距離，m。

2.2 數(shù)值模擬方法

本研究采用Modflow建立三維地下水?dāng)?shù)學(xué)模型，對研究區(qū)地下水動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行模擬。

2.2.1 地下水控制方程

在不考慮水的密度變化的條件下，孔隙介質(zhì)中地下水在三維空間的流動(dòng)可以用下面的偏微分方程來表示：式中：Kxx、Kyy、Kzz分別為滲透系數(shù)在x、y、z方向上的分量；h為水頭：w為單位體積流量，代表流進(jìn)匯或來自源的水量；ss為孔隙介質(zhì)的貯水率：t為時(shí)間。

土壤中的多余水分通過暗管接頭處或管壁濾水微孔滲入管內(nèi)排出，作為地下含水層的源匯項(xiàng)列入式（3）。農(nóng)用排水暗管從含水層中排泄地下水，其所排水量與含水層的水頭和某一固定水頭或高程之差成正比。其中要求含水層水頭高于這一固定的高程，否則無排水效果。假定暗管中僅部分有水，因而暗管的水頭大約等于其半高處的高程di，j，k。水頭損失大小可假定與暗管系統(tǒng)的排水量QDi，j，k（即從計(jì)算單元（i，j，k）排到暗管的排水量）成正比。排水量公式為式中：CDi，j，k為綜合（或等效）滲透系數(shù)，用來描述暗管與計(jì)算單元（i，j，k）的區(qū)間總水頭損失：hi，j，k為假定的計(jì)算單元（i，j，k）的水頭，其大小取決于流向暗管的匯聚水流的特點(diǎn)、暗管自身特點(diǎn)及其直接相鄰的環(huán)境。

2.2.2 模型構(gòu)建

研究區(qū)按照大小相同的矩形網(wǎng)格劃分，抽水井附近加密網(wǎng)格。模型識別時(shí)，根據(jù)水文地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，將研究區(qū)在鉛直方向上剖分為3層，共計(jì)18.5m，白上而下含水層厚度比例依次約為7.8%、4.4%、87.8%。根據(jù)研究區(qū)現(xiàn)實(shí)情況和研究精度的要求，以15mx15m規(guī)格為一個(gè)單元對模型進(jìn)行剖分，分為有效單元70368個(gè)，無效單元18732個(gè)。

根據(jù)園區(qū)的規(guī)劃設(shè)計(jì)條件，內(nèi)河的常水位為0.3m。采用排水泵站抽水來控制水位，其抽水能力為15m3/S。外河常水位為2m。將內(nèi)、外河常水位作為定水頭條件處理，進(jìn)行長歷時(shí)模擬控制，將其達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的水位作為暗管排水時(shí)的初始水位。根據(jù)余姚市氣象資料和地下水長期動(dòng)態(tài)系列資料，分析確定不同非飽和帶巖性、不同地下水埋深條件下的潛水蒸發(fā)量，輸入到模型中。

2.2.3 參數(shù)估計(jì)

（1）參數(shù)初值確定。將雙環(huán)人滲試驗(yàn)點(diǎn)滲透系數(shù)均值、地基土物理力學(xué)試驗(yàn)所得參數(shù)、抽水試驗(yàn)參數(shù)均值分別作為研究區(qū)表層、第二層、第三層土壤的初始滲透系數(shù)：考慮到水文地質(zhì)條件的差異性，將每個(gè)含水層劃分為3個(gè)區(qū)域，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)分別對應(yīng)抽水井ZK9、ZK7、ZK8，賦予相應(yīng)滲透系數(shù)初值。給水度初始值根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和浙江省的相關(guān)研究成果給出，第一至三層分別取0.137、0.125、0.141。

（2）參數(shù)敏感性分析。①滲透系數(shù)（K）敏感性分析。根據(jù)模型計(jì)算所得6個(gè)觀測井在不同滲透系數(shù)下（取初值的0.5倍、1倍、1.5倍）的地下水位變化（以ZK7-1、ZK7-2為例，見圖2），隨著K值增大，地下水位不斷升高，且變化比較明顯，說明研究區(qū)地下水位對滲透系數(shù)反應(yīng)較靈敏。②給水度敏感性分析。在不同的給水度條件下（以ZK8-1、ZK8-2為例，見圖3），研究區(qū)地下水位變化較小，說明地下水位對給水度反應(yīng)不敏感，給水度不確定性對水位降深計(jì)算影響遠(yuǎn)小于滲透系數(shù)，參數(shù)率定以滲透系數(shù)為主。

（3）參數(shù)率定。利用抽水試驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)率定。抽水試驗(yàn)期間，研究區(qū)并未出現(xiàn)降雨，故無面狀補(bǔ)給源輸入。通過對比分析6個(gè)觀測井的計(jì)算水位和觀測水位，采用手動(dòng)校正法對模型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化處理，優(yōu)選出模擬較好的滲透系數(shù)和給水度直到擬合誤差滿足精度要求。擬合結(jié)果（以ZK9—1、ZK9-2為例，見圖4）顯示各觀測井的計(jì)算水位值和觀測值變化趨勢一致，擬合程度較好。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（見表3）表明率定參數(shù)符合實(shí)際情況，模型的收斂性和穩(wěn)定性較好，可用來計(jì)算和預(yù)測地下水系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化。

2.3 模擬方案設(shè)置

降雨和外河網(wǎng)邊界以“菲特”暴雨（2013年10月登陸的強(qiáng)臺風(fēng)“菲特”引發(fā)的浙江等地的強(qiáng)暴雨）、20a一遇、50a一遇和100a一遇4種降雨類型為原型，將降雨人滲補(bǔ)給量和河道水位變化過程耦合到模型中同步計(jì)算。初始水位設(shè)置不變。內(nèi)河常水位邊界仍設(shè)為0.3m，通過抽排方式控制：在暴雨條件下，經(jīng)過排澇模數(shù)計(jì)算獲取動(dòng)態(tài)控制水位：外河常水位邊界設(shè)置常水位2m或汛期調(diào)度水位2.53m兩種條件?？紤]暗管埋深的可行性分析，將暗管埋深1.5、2.0、2.5m，暗管間距15、30、45m，水力傳導(dǎo)系數(shù)0.275、0.550、1.100m/d進(jìn)行組合。綜合各邊界約束，優(yōu)化暗管排水方案設(shè)置見表4。

3 分析與討論

設(shè)置10個(gè)模擬觀測井，在不同方案條件下模擬觀測井水位，并選取高地下水位分布區(qū)的井4和井8作為分析的典型觀測點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)分析其水位最高值、排水時(shí)間、排水總量等，結(jié)合圖表分析暗管埋深、間距等對園區(qū)地下水位的影響。

3.1 暗管埋深分析

方案1模擬結(jié)果見表5～表8。對比上述不同條件約束下的典型地下水排水特征值可以看出：

（1）隨著降雨人滲補(bǔ)給量的不斷增大，地下水位的峰值升高，暗管排水總量增多。以埋深1.5m時(shí)的4號井為例，100a一遇比20a一遇降雨條件下的水位峰值升高0.011m，而在埋深為2.5m時(shí)，其水位峰值只升高0.002m，說明暗管埋深越大，水位峰值越低，排水越有利，但隨埋深增大帶來的峰值降低效果在減弱。

（2）隨著降雨強(qiáng)度的增大，區(qū)內(nèi)地下水位從峰值回落至1.5m的排水歷時(shí)不斷延長，以設(shè)計(jì)埋深為1.5m時(shí)的8號井為例，歷時(shí)從131h增大至163h，即降雨強(qiáng)度越大越不利于排水。

（3）對比4種降雨類型方案，當(dāng)暗管埋深從1.5m變?yōu)?.0m時(shí)，觀測井水位經(jīng)歷“先上升后降低”的過程，當(dāng)埋深增大至2.5m時(shí)，只在“菲特”暴雨的前2h水位是上升的，其他方案水位都直接降低，說明暗管埋深增大可以顯著提高含水層排水效果。

（4）從排水效果來看，在模擬結(jié)束時(shí)，觀測井水位基本降低至暗管埋深附近，排水效果良好。

（5）從排水歷時(shí)來看，在模擬結(jié)束時(shí)（240h），除埋深1.5m時(shí)的井8外，其他方案都沒有降至暗管埋深處，可考慮增大暗管的水力傳導(dǎo)系數(shù)和控制外源補(bǔ)給，以增強(qiáng)其排水能力。

結(jié)合方案4模擬結(jié)果（見表9），對比其他條件相同時(shí)外河水位控制在2m（見表8）和2.53m（見表9）時(shí)的園區(qū)地下水位變化情況可見，當(dāng)外河控制水位增大至2.53m時(shí)，井4和井8的初始水位分別升高了0.339m和0.326m（1.5m埋深下）：區(qū)內(nèi)地下水位的峰值提前，且在模擬結(jié)束時(shí)水位均高于外河控制水位為2m時(shí)的水位，可見較低的外河水位有利于園區(qū)的整體排水效果。

3.2 暗管間距分析

根據(jù)方案2和方案5觀測井水位變化曲線和暗管排水統(tǒng)計(jì)顯示（以方案5為例，見圖5、表10），暗管間距越大，水位變化曲線越平緩，即園區(qū)水位下降速率越?。洪g距越大，水位先升后降的過程越明顯，15m間距部分井水位直接下降，排水效果顯著。從水位峰值看，隨暗管間距減小，地下水位峰值降低，以方案5中井4為例，其水位峰值由1.904m降至1.682m，但間距15m與30m峰值相同，可見隨間距減小，其對峰值的影響減弱，直至無影響：從排水效果看，隨著暗管間距增大，井4在模擬結(jié)束時(shí)的水位由0.586m提高至1.204m，排水效果變差。

3.3 水力傳導(dǎo)系數(shù)分析

根據(jù)方案3相關(guān)統(tǒng)計(jì)，隨著暗管水力傳導(dǎo)系數(shù)的增大，園區(qū)地下水位下降速率逐漸增大，觀測井水位峰值逐漸變小，井4水位峰值由1.755m降低為1.657m，說明水力傳導(dǎo)系數(shù)的大小對暗管排水有較大影響。從排水歷時(shí)看，井8的水位從峰值降至暗管埋深處所需時(shí)間由大于168h縮短至96h，排水速率顯著增大。

4 結(jié)論與建議

暗管排水是降低地下水位的有效措施。試驗(yàn)研究表明，增加暗管埋深有利于提高排水效果，較小的暗管間距有利于表層土壤排水，間距越小地下水位下降越快，但隨著埋深的增加和間距的減小，其對地下水位降低的促進(jìn)作用會減弱。增大暗管水力傳導(dǎo)系數(shù)可有效提高暗管排水能力。外河水位對園區(qū)水位有較強(qiáng)的影響，外河控制水位提高使區(qū)內(nèi)初始水位升高、地下水位峰值提前、模擬結(jié)束時(shí)水位較高。模擬結(jié)束時(shí)，區(qū)內(nèi)靠近外河的部分田塊水位并未降至暗管埋深處，其主要原因是暗管排水慢及受外河高水位補(bǔ)給的影響。

在研究區(qū)外河水位較高和土壤滲透系數(shù)小等不利條件下，可從減小暗管間距、增加埋深和增大水力傳導(dǎo)系數(shù)三個(gè)方面來提高排水能力。研究方案優(yōu)化推薦研究區(qū)建設(shè)以暗管排水為主，輔以明渠和泵站排水設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)體系，從整體上改進(jìn)園區(qū)排水狀況?？稍O(shè)計(jì)暗管埋深2.5m、間距15m和水力傳導(dǎo)系數(shù)0.55m/d，此方案當(dāng)面臨100a一遇降雨且外河水位為汛期調(diào)度水位2.53m時(shí)，地下水位亦可在100h時(shí)降至1m，240h時(shí)降至0.586m，排水效果較好，基本滿足設(shè)計(jì)農(nóng)田排水的要求?？赡苊媾R的風(fēng)險(xiǎn)是外河高水位的持續(xù)補(bǔ)水會增加長期排水量，不利于內(nèi)河水位控制和排水，且長期排水過程要考慮灌溉和降雨的綜合作用，流場穩(wěn)定需要較長時(shí)間，表層土滲透性差，可能影響暗管上部排水通量，不利于脫鹽。此外，考慮到增大埋深和減小間距對降低地下水位的效果逐漸減弱，可結(jié)合實(shí)際鋪設(shè)暗管的成本適當(dāng)減小埋深和增大間距，而考慮增大暗管的水力傳導(dǎo)系數(shù)或降低外河水位等措施進(jìn)一步促進(jìn)排水。