壩內(nèi)蓄水對地下水補給和潛水蒸發(fā)影響模擬分析

魏向博

（新疆阿克蘇水文勘測局，新疆 阿克蘇 832000）

我國汛期河川徑流占年徑流比例較大，其中以洪水形式居多，且年際豐枯變化大，易形成非澇即旱、旱澇交替的局面。合理調(diào)控洪水，可以補充地下水、地表水資源，改善河流水生態(tài)環(huán)境。本文主要利用數(shù)值模擬方法對地下水補給和潛水蒸發(fā)受壩內(nèi)蓄水的影響進(jìn)行分析研究。

1 研究區(qū)概況

某河流橡膠壩工程位于我國北方，地處北亞亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，屬于典型的北方半干旱性、半濕潤性氣候，雨水較為充沛，但降水十分集中，6 月～9 月降水量占全年降水量的80%以上。研究河流在區(qū)內(nèi)共有5 條支流，年平均流量為15.37 m3/s，其中七、八、九月三個月為豐水期，產(chǎn)生的徑流量占到全年徑流量的45%左右；枯水期為每年的3 月～6 月，徑流量占到全年徑流量的19%左右。研究河流左右兩岸主要位于沖洪積平原區(qū)的一級和二級階地以及河漫灘之上，河漫灘區(qū)和河床階地區(qū)下伏砂礫石層和砂礫亂石之間連接成一個整體，有助于地下水的補給。目前該河傍河地下水為該城市的主要用水，占到總供水的一半左右，隨著城市人口的不斷增加，該城市的用水量也在不斷增加，亟需提升傍河地下水儲量。

2 數(shù)值模型建立

2.1 工程建模分析

某河流橡膠壩工程東西跨度為10.26 km，南北跨度為12.1 km，總面積達(dá)到123 km2。研究區(qū)所在城市目前以埋深60 m 左右的淺層地下水作為主要供水，因此本研究選擇70 m 埋深內(nèi)的潛水水層作為研究對象。所研究河流河道寬在700 m～100 m 之間，是典型的平原寬淺河道，和外部水量交換很小，下部邊界位于單一的含水層分布區(qū)，和粘土之間接觸，因此可以視作隔水邊界。將整個研究區(qū)劃分為一個單元格，每個單元格的大小為121 m×103 m。垂直方向上劃分5 個層次，為避免第一層出現(xiàn)疏干的情況，厚度加大設(shè)定為20 m，其余四層分別為10 m、10 m、15 m 和15 m。在經(jīng)過以上劃分后，整個研究區(qū)共劃分為50000個網(wǎng)格單元。

2.2 地下水?dāng)?shù)字模型

進(jìn)行地下水運動形式數(shù)模建模時，可將其視作一個各向同性、非均值、非穩(wěn)定以及準(zhǔn)三維的地下水模型，具體計算模型如下所示：

在以上模型中，Γ1、Γ2分別表示第一類流量邊界和第二類流量邊界，Ω 表示研究區(qū)范圍，t 表示時間，H0表示初始水位，S表示儲水率，H1表示計算期間邊界處地下水位情況，W 表示源匯項，H 表示潛水水位，K 表示滲透系數(shù)[1]。

2.3 河道蓄水過程水位變化

研究河道地區(qū)附近設(shè)有一水文觀測站，通過該觀測站進(jìn)行水壩建設(shè)前后的河流水位變化觀測，基于觀測數(shù)據(jù)本文通過以下公式對河道蓄水過程水位演變情況進(jìn)行計算：

式中：Z1、Z2表示主河道上下斷面上的河底高程，Y1、Y2表示斷面上下斷面處水深，V1、V2表示上下斷面處斷面平均流速，α1、α2表示上下斷面處斷面處動力修正系數(shù)，he表示能量水頭損失，g 表示重力加速度[2]。

采用美國HEC-RAS 河道水力學(xué)軟件進(jìn)行模擬分析。該計算軟件作為一個適用于河道非穩(wěn)定以及穩(wěn)定的一維水力計算工具，具有十分強(qiáng)大的計算功能，可以進(jìn)行各種涉水建筑的線、面的分析計算工作[3]。基于HEC-RAS 軟件內(nèi)既定的關(guān)于砂礫石、順直類型河道的曼寧系數(shù)值，對研究河流進(jìn)行計算，結(jié)果顯示在研究河流中的左右漫灘、河道處的曼寧系數(shù)值分別為0.045 和0.032，邊界條件處的摩擦阻力比降低為0.00016[4]。

使用2015 年1 月～2017 年12 月的觀測數(shù)據(jù)作為基本流量資料，使用一維恒定流對河流建壩前后的河流水位情況進(jìn)行模擬。在2015 年1 月～2017 年12 月期間，隨著一壩、二壩、三壩、四壩的相繼建設(shè)，河流的水位依次上升，分別上升2.5 m～3 m，其中二壩建設(shè)的水位上升最為明顯，平均水位升高達(dá)到3 m 左右。

3 模擬結(jié)果及分析

基于上文建構(gòu)的地下水流數(shù)字模型，結(jié)合入滲補給系數(shù)計算地下水開采量、降水入滲補給量、邊界條件以及初始水頭值，對2015 年1 月～2017 年12 月期間研究河道建設(shè)各級橡膠壩前后的地下水滲透補給量進(jìn)行計算，具體計算結(jié)果見圖1。

圖1 橡膠壩建設(shè)前后河道側(cè)滲補給量

從圖1 可以發(fā)現(xiàn)，在研究河道建設(shè)橡膠壩后傍河區(qū)地下水提蓄水補給量明顯增加。河道原始水位1.45 億m3/a，三壩建成后補給量增加到2.1 億m3/a，二三壩建成后補給量增加到4.05 億m3/a，一二三壩建成補給量增加到4.5 億m3/a，一二三四壩建成后補給量增加到4.75 億m3/a。較之未建設(shè)橡膠壩前的補給量增加了3.3 億m3/a。

隨著地下水位的不斷抬升，相應(yīng)的潛水蒸發(fā)損失也不斷增加，如表1 所示為2015 年1 月～2017 年12 月期間研究河道建設(shè)各級橡膠壩前后潛水蒸發(fā)量的變化情況。從表1 發(fā)現(xiàn)，隨著越來越多的橡膠壩建成，潛水蒸發(fā)量顯著增加。河道未建壩的潛水蒸發(fā)量為1658700 m3/a，三壩建成后潛水蒸發(fā)量為2095300 m3/a，二三壩建成后潛水蒸發(fā)量為2713700 m3/a，一二三壩建成潛水蒸發(fā)量為3980100 m3/a，一二三四壩建成后潛水蒸發(fā)量為5019900 m3/a。較之未建設(shè)橡膠壩前的補給量增加了3361200 m3/a。

表1 橡膠壩建設(shè)前后潛水蒸發(fā)量變化情況

4 結(jié)論

模擬研究顯示加大壩內(nèi)蓄水量可有效提高傍河地區(qū)的地下水補給和潛水蒸發(fā)量，即通過建設(shè)橡膠壩，實現(xiàn)壩內(nèi)蓄水，對于提升傍河區(qū)地下水補給和潛水蒸發(fā)量具有十分明顯的效果，可有效緩解周邊的水資源缺乏狀況，值得推廣使用。