汾河蘭村—柴村段河流水位抬升對(duì)潛水流場(chǎng)影響的數(shù)值模擬研究

王瑞芬 季晨龍 李海明

(1.山西省水利水電科學(xué)研究院，山西 太原 030002；2.天津科技大學(xué)濱海地下水利用與保護(hù)研究室，天津 300457；3.天津市海洋資源與化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300457)

由于經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展和人口的急劇增長，汾河流域生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重破壞[1]。山西省先后組織了4次大規(guī)模治理，基本實(shí)現(xiàn)了汾河干流全年不斷流，流域地下水位持續(xù)回升，但流域自身的產(chǎn)流功能仍未恢復(fù)[2]。汾河流域歷史上擁有豐富的濕地資源，在涵養(yǎng)水源、降解污染、防洪蓄水等方面起到重要作用[3]，但在汾河早期的治理中，原本屬于河道的大量灘涂、濕地被開發(fā)利用，濕地資源不斷減少[4]。為此，山西省委省政府實(shí)施了汾河流域生態(tài)修復(fù)中游核心區(qū)干流蓄水工程，該工程主要通過河道蓄水向堤外濕地補(bǔ)水，蓄水期間使流域內(nèi)濕地水位抬升，蓄水水位保持在灘面1～2m。

流域內(nèi)濕地水位的抬升使得在濕地補(bǔ)給地下水的過程中面臨各種技術(shù)與科學(xué)問題，例如濕地水位的升降容易引起土地鹽堿化、沼澤化等問題。目前針對(duì)蓄水工程對(duì)下游地下水的影響多從滲流量[5]、環(huán)境流量[6]角度展開，也有研究者運(yùn)用不同的方法，對(duì)汾河流域的地下水位進(jìn)行了動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)[7-10]，但對(duì)濕地水位抬升影響下的地下水流場(chǎng)特征研究較為罕見。

數(shù)值模擬也已成為研究河水與地下水交換的重要手段[11-14]。其中，對(duì)河流與含水層系統(tǒng)模型的正確概化以及對(duì)模型參數(shù)的準(zhǔn)確估算是影響研究結(jié)果的關(guān)鍵因素[15-16]。本文運(yùn)用數(shù)值模擬的方法，研究了汾河蘭村—柴村段在河流水位瞬時(shí)抬升0.5m、1.0m、2.0m后的潛水流場(chǎng)特征，可為山西省汾河流域濕地水資源管理和修復(fù)提供相關(guān)參考。

1 研究區(qū)水文地質(zhì)條件

研究區(qū)位于太原市西張盆地，具體位置見圖1。西、北兩面被群山環(huán)抱，海拔多在780m以上，面積約為66km2。蘭村—柴村段的河流屬平原性河流，長度約10km，寬約50～300m，隨著河流流程的增加，含水層富水性增大。地下水主要接受汾河干流段地表水的滲漏補(bǔ)給以及大氣降水入滲補(bǔ)給，地下水位低于河水位，河水通過入滲向河兩岸含水層側(cè)向滲透補(bǔ)給地下水。潛水的地下水徑流主要受地形、含水層巖性、補(bǔ)給來源等控制?？傮w上由北部向南部，由東西兩側(cè)向中部流動(dòng)運(yùn)移。

圖1 研究區(qū)位置

研究區(qū)地下水為松散巖類孔隙水，含水層多為全新統(tǒng)砂卵礫石層，在0～160m埋深范圍內(nèi)分為潛水含水層和弱透水層，包氣帶厚度約10～22m，巖性多為粉土、亞砂土。潛水含水層頂板高程為620～824m，厚度約30～150m，巖性多為砂卵石。弱透水層厚度約10～80m，底板埋深40～160m，巖性多為黏土。

潛水的排泄方式主要有蒸發(fā)、越流排泄及含水層的側(cè)向徑流3種形式。

2 潛流帶水動(dòng)力特征數(shù)值模擬

2.1 水文地質(zhì)概念模型的建立

2.1.1 邊界條件

根據(jù)地形地貌、地層結(jié)構(gòu)及區(qū)域流場(chǎng)特征，潛水含水層南邊界與東邊界中下部概化為定流量邊界，東邊界上部、西邊界以及北邊界概化為隔水邊界，弱透水層均概化為隔水邊界，見圖2。

圖2 潛水含水層邊界條件

2.1.2 含水層空間概化

本文只關(guān)注與河流水力聯(lián)系密切的潛水含水層，根據(jù)已有的地質(zhì)圖、剖面圖、地質(zhì)報(bào)告等資料將含水層概化為非均質(zhì)各向同性潛水含水層，地下水流以水平運(yùn)動(dòng)為主。研究區(qū)含水層三維結(jié)構(gòu)與剖面概化見圖3。

圖3 研究區(qū)含水層三維結(jié)構(gòu)與剖面概化

2.2 地下水流數(shù)值模型的建立

2.2.1 空間剖分

對(duì)模擬研究區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格剖分，共剖分為20000個(gè)網(wǎng)格(100行×100列×2層)，其中活動(dòng)單元格為8368個(gè)，垂向上劃分為兩層，見圖4。

圖4 網(wǎng)格剖分示意圖

2.2.2 模型識(shí)別應(yīng)力期選取

根據(jù)現(xiàn)有資料，模型以2012年1—12月為校正期，2013年1—12月為驗(yàn)證期，以月為應(yīng)力期，每個(gè)應(yīng)力期為1個(gè)時(shí)間步長。

2.2.3 源匯項(xiàng)處理

本文模型中潛水含水層地下水補(bǔ)給項(xiàng)主要包括降水入滲補(bǔ)給、地表水滲漏補(bǔ)給，排泄項(xiàng)主要包括蒸發(fā)、徑流排泄。

降水入滲補(bǔ)給量根據(jù)降水量乘以降水入滲補(bǔ)給系數(shù)得到；地表水滲漏補(bǔ)給根據(jù)水文站徑流量測(cè)量資料，按一定滲漏比計(jì)算得到；潛水蒸發(fā)根據(jù)已有資料，潛水含水層現(xiàn)狀地下水位埋深在臨界埋深(5m)以下的區(qū)域不考慮潛水蒸發(fā)，在臨界埋深以上的沖積、洪積交界洼地區(qū)潛水蒸發(fā)系數(shù)值采用0.040，沖積平原區(qū)采用0.013；邊界徑流排泄量采用達(dá)西定律計(jì)算得到。

2.3 模型的校正與驗(yàn)證

根據(jù)研究區(qū)校正期和驗(yàn)證期潛水流場(chǎng)模擬值與實(shí)測(cè)值的比較，兩者的擬合程度較高，說明所建立的水文地質(zhì)概念模型和數(shù)值模型基本合理，該模型能較好地模擬研究區(qū)地下水動(dòng)態(tài)變化過程。

2.4 情景假設(shè)

本文以2014年1月地下水位為初始條件，預(yù)測(cè)了河流水位瞬時(shí)抬升0.5m、1.0m、2.0m時(shí)引起潛水含水層地下水位的變化情況，并且在每個(gè)河流抬升幅度下選取5日、10日、30日、60日、90日來舉例說明。

預(yù)測(cè)期模型主要考慮的補(bǔ)給項(xiàng)有降水入滲補(bǔ)給、地表水滲漏補(bǔ)給，排泄項(xiàng)主要有蒸發(fā)、徑流排泄。其中降雨量采用2004—2014年降雨量的平均值作為降水入滲補(bǔ)給輸入模型，其他參數(shù)與2013年保持不變。

3 結(jié)果與討論

研究區(qū)初始潛水流向?yàn)楸辈坑杀毕蚰?；中部受河流影響，流向變?yōu)橛晌鞅毕驏|南；南部為由東西兩側(cè)向中間流動(dòng)。北部等水位線密集，潛水流速快，水力坡度約為0.0065，流速約為0.220m/d。中部與南部等水位線稀疏，流速與北部相比較緩慢，水力坡度約為0.0009，流速約為0.041m/d。研究區(qū)內(nèi)河流水位高于潛水水位，河流與潛水的補(bǔ)給關(guān)系為河流補(bǔ)給潛水。河流水位瞬時(shí)抬升0.5m、1.0m、2.0m后，在5日、10日時(shí)對(duì)潛水流場(chǎng)整體影響不大，但河流處的等水位線出現(xiàn)微小變化，河水補(bǔ)給兩側(cè)潛水，河流對(duì)潛水的補(bǔ)給作用增強(qiáng)，見圖5、圖6。

圖5 5日潛水模擬流場(chǎng)

圖6 10日潛水模擬流場(chǎng)

隨著時(shí)間的推移，河流對(duì)潛水的側(cè)滲補(bǔ)給不斷加強(qiáng)，河流水位瞬時(shí)抬升0.5m、1.0m、2.0m時(shí)，河流附近的潛水流向逐漸變?yōu)閺暮恿飨驏|西兩岸流動(dòng)，特別是當(dāng)河流水位抬升1.0m、2.0m時(shí)變化最為明顯，見圖7、圖8。

圖7 30日潛水模擬流場(chǎng)

圖8 60日潛水模擬流場(chǎng)

河流水位瞬時(shí)抬升0.5m、1.0m、2.0m之后，經(jīng)過90日，研究區(qū)潛水流向在由北向南的趨勢(shì)上，由于河流的側(cè)滲作用，河流附近的潛水流向明顯變?yōu)橛珊恿飨驏|西兩岸補(bǔ)給，見圖9。北部水力坡度與潛水流速變幅較小，中部、南部水力坡度和流速與初始流場(chǎng)相比均有降低，水力坡度為0.0004～0.0006，流速為0.017～0.027m/d。

圖9 90日潛水模擬流場(chǎng)

圖10 河流水位抬升0.5m影響距離

圖11 河流水位抬升1.0m影響距離

將相同時(shí)刻下河流水位抬升影響后的潛水流場(chǎng)與初始流場(chǎng)相比較，繪制出河流水位抬升不同幅度時(shí)對(duì)潛水的影響距離，見圖10～圖12。由圖10～圖12可以看出，河流水位抬升相同幅度下，隨著時(shí)間的推移，影響距離逐漸增加，并且由于河流右岸空間有限，在河流水位抬升0.5m 60日、河流水位抬升1.0m以及2.0m 30日時(shí)影響距離已經(jīng)超出研究區(qū)邊界。河流水位瞬時(shí)抬升后，左岸90日時(shí)部分區(qū)域的影響距離也已超出研究區(qū)邊界。

圖12 河流水位抬升2.0m影響距離

根據(jù)圖10～圖12，得出河流抬升不同幅度時(shí)，經(jīng)過不同時(shí)間，其相應(yīng)的影響距離，見表1。多數(shù)情況下，河流水位抬升幅度越高，相同時(shí)刻下的潛水影響距離越大。

表1 不同時(shí)間不同河水位抬升幅度潛水水位影響距離 單位：m

4 結(jié) 論

a.研究區(qū)初始潛水流向?yàn)楸辈坑杀毕蚰?；中部受河流影響，流向變?yōu)橛晌鞅毕驏|南；南部為由東西兩側(cè)向中間流動(dòng)。北部等水位線密集，潛水流速快，水力坡度約為0.0065，流速約為0.220m/d。中部與南部等水位線稀疏，流速與北部相比較緩慢，水力坡度約為0.0009，流速約為0.041m/d。河流水位高于潛水水位，河流與潛水的補(bǔ)給關(guān)系為河流補(bǔ)給潛水。

b.隨著時(shí)間的推移以及河流水位抬升幅度的增加，河流對(duì)潛水的側(cè)滲補(bǔ)給不斷加強(qiáng)，使河流附近的潛水流向最先開始改變，經(jīng)過90日之后，潛水流向在由北向南的趨勢(shì)上，河流附近的潛水流向已明顯變?yōu)橛珊恿飨驏|西兩岸補(bǔ)給。

c.多數(shù)情況，河流水位抬升相同幅度時(shí)，隨著時(shí)間的推移，影響距離逐漸增加；河流水位抬升幅度越高，相同時(shí)刻下的潛水影響距離越大。河流水位瞬時(shí)抬升0.5m、1.0m、2.0m時(shí)，河流左岸60日影響距離分別為1742～2345m、1541～2613m、1809～3015m；90日時(shí)部分區(qū)域已超出研究區(qū)范圍。