河南周口龍湖濕地地下水-地表水交互作用模擬及修復決策研究

楊海瑞，徐永新，2，馬 念，陳 杰，陶 亮，張志敏，劉 戀

(1.林同棪國際工程咨詢(中國)有限公司，重慶 401121； 2.西開普大學 自然科學學院地球科學系，南非 開普敦 8000)

0 引 言

湖泊濕地是位于陸生生態(tài)系統(tǒng)和水生生態(tài)系統(tǒng)之間的過渡性地帶，濕地通過水文循環(huán)實現(xiàn)與周邊環(huán)境系統(tǒng)的物質和能量交換，水文過程制約著濕地環(huán)境的生物、物理和化學特征，從而控制著濕地景觀格局、生物生長及其他生態(tài)功能的形成與演化[1]。

湖泊與地下水的交互作用對湖泊水文循環(huán)起重要作用，這種交互作用主要通過地表水與地下水之間的水量交換和水質演變來體現(xiàn)[2-3]。由于這種交互作用，使得地下水成為很多內(nèi)陸湖泊濕地重要的補給來源。因此，探索地下水與湖泊水量、水質轉化機制是理解湖泊濕地水循環(huán)機制及其物質、能量與信息傳遞的關鍵基礎[4-5]，也是水環(huán)境治理和生態(tài)修復工程決策的前提。

隨著全球氣候變化和人類活動雙重影響的加劇，湖泊濕地地表水-地下水系統(tǒng)的相互作用響應敏感，濕地水文過程更加復雜，濕地生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)出高度脆弱性。在此背景下，地下水對于維持生態(tài)系統(tǒng)健康、結構與功能穩(wěn)定的重要性日益得到重視，關于濕地-地下水交互作用的多學科交叉探討成為當前國際濕地研究的熱點與前沿課題[6]。城市湖泊受人類活動影響更大，由于城市化對湖泊產(chǎn)生負面影響的案例并不罕見，湖泊治理需要對水文關系有非常充分的認識，但湖泊和地下水的相互作用卻并不像地表水那樣容易被認知，因此，地下水的作用常常被忽視，或者把地下水和地表水分開管理[7-8]。特別是在城市湖泊水環(huán)境治理與生態(tài)修復工程中，往往較少關注地下水與湖泊水體水量平衡的關系，而相關地下水模型在城市水工程中的應用更是較為少見。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)

龍湖是位于河南省周口市淮陽區(qū)的城市湖泊，為典型的中原地區(qū)內(nèi)陸湖泊型濕地，也是中原地區(qū)少有的重要城市景觀湖。龍湖濕地地處黃淮平原腹地，湖泊東西寬4.4 km，南北長2.5 km，圍堤長14 km，面積11 km2，水域面積5.34 km2，通常水深1.5～2.3 m，最大水深超過3 m。

龍湖濕地屬淮河流域，主要流經(jīng)水系為沙潁河水系。龍湖周邊河流(渠)共有9條，分別是：淮鄭河、七里河、白樓渠、古蔡河、北關溝、新蔡河、南關溝、徐老莊溝等(圖1)。其中，淮鄭河在龍湖西北側與龍湖直接相連，曾是龍湖的補給水源來源；南關溝在龍湖東南側，與龍湖相通，作為退水通道。近年來，為防止外源污染負荷輸入，淮鄭河、南關溝和龍湖之間的進出水閘常年關閉，龍湖與周邊地表水系現(xiàn)無直接補給關系。

圖1 龍湖與周邊水系示意

研究區(qū)埋深小于50 m的地層劃為淺層含水層，主要由全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)地層組成，上更新統(tǒng)底板作為淺層含水巖組底板。巖性主要由中細砂、細砂、粉砂、粉細砂、粉土及粉質黏土等組成。降水入滲補給系數(shù)一般為0.15～0.25。滲透系數(shù)為1～30 m/d，富水性較好，單井涌水量為1 000～3 000 m3/d。

天然條件下，淺層地下水主要接受降水入滲補給，其次為河流等地表水側滲、渠道側滲、灌溉回滲。地下水水位埋深2～6 m，總體流向由西北流向東南，水力坡度0.2‰～0.7‰。排泄方式主要為蒸發(fā)、人工開采、徑流排泄及河流湖泊排泄。

1.2 研究方法

目前，針對濕地地表水-地下水交互作用的研究大多依賴地表水和地下水模型[9-10]。MODFLOW是由美國地質調(diào)查局開發(fā)出的一套專門用于孔隙介質中三維有限差分地下水流數(shù)值模擬的軟件[11]。加拿大Waterloo水文地質公司在此基礎上，應用現(xiàn)代可視化技術開發(fā)研制出Visual MODFLOW[12]，該模型具有合理的菜單結構、友好的界面、功能強大的可視化特征[13]，可作為本研究定量分析的軟件支撐。

地表水和地下水的交互作用，不但形成水動力梯度，也形成化學梯度。在龍湖及周邊采集水樣進行常規(guī)離子檢測，在水量平衡分析結果上，應用水文地球化學交互模型分析龍湖濕地與地下水之間的水化學聯(lián)系及潛在風險。

本研究通過建立數(shù)值模型對水量平衡做定量計算，為水量、水質風險分析討論奠定基礎，重點介紹數(shù)值模擬的方法和過程。

1.3 數(shù)值模擬

1.3.1 模型概化

為建立模型，將地下水研究范圍擴展到龍湖周邊以新運河、周商運河、老黑河、狼牙溝、新蔡河和范丹寺溝為邊界包圍的區(qū)域。這是一個由河流切割的天然地下水系統(tǒng)。模型研究區(qū)坐標范圍：大地坐標X=20 286 000～20 318 000 m，Y=3 720 000～3 752 000 m，平面面積7.92 km2，底部邊界取在地表以下50 m處，頂部邊界取在地表。地下水含水層主要為第四系全新統(tǒng)沖積砂層，含水層厚度較大，含水介質為非均質各向同性。研究區(qū)水文地質模型概化示意見圖2。

圖2中，龍湖西北側新運河、周商運河和老黑河均為季節(jié)性河流，概化為第三類河流邊界(A2)；而東南側狼牙溝、新蔡河和范丹寺溝所處地勢較低，對地下水起排泄作用，故概化為第三類排水溝邊界(A3)；龍湖概化為第三類邊界(A3)；研究區(qū)南側至新運河段概化為側向徑流邊界(A1)；研究區(qū)頂面為潛水面邊界(A4)；底面為上更新世黏土、亞黏土層，滲透性弱，構成區(qū)域隔水底板(A5)。

圖2 研究區(qū)水文地質概念模型

1.3.2 數(shù)值模型建立

在建立水文地質概念模型的基礎上，根據(jù)有限差分原理，利用Visual MODFLOW建立地下水流數(shù)值模型。有限差分原理的基礎是時間和空間的離散化。其中，在水平面上采用間距為200 m等間距正交網(wǎng)格將研究區(qū)剖分為160行、160列，共剖分出了25 600個單元。從垂向上將研究區(qū)劃分為1個含水層，為第四系沖洪積砂礫卵石孔隙含水層。

計算采用穩(wěn)定流建模。根據(jù)計算流場形態(tài)、水位，并結合地下水監(jiān)測井所測得的地下水位，對模型進行校正，使模型計算流場與區(qū)域地下水運動特征基本一致。

1.3.3 數(shù)據(jù)來源

本研究收集到的數(shù)據(jù)包括淮陽縣降水序列(1999～2016年)、蒸發(fā)序列(1971～2013年)、地下水水位序列(《河南省地下水資料<周口市>》<1995～2016年>，周口市水文水資源局)、淮陽區(qū)淺層地下水供水量(《周口市水資源公報》<2008>，周口市水務局)。

實測數(shù)據(jù)包括：① 龍湖周邊約8 km2范圍地下水水位統(tǒng)測(2018年5～6月)；② 龍湖西北側和東南側分別選取1眼水井進行了抽水試驗，用來校正含水層滲透系數(shù)；③ 2018年5月在龍湖周邊7個井位采集了水樣，進行了地下水常規(guī)離子檢測分析。各測井位置見圖3，水質采樣點見圖4。

圖3 地下水監(jiān)測井位分布

圖4 水質分析取樣點及礦化度值(單位：mg/L)

1.3.4 模型率定

根據(jù)水文地質條件，將潛水含水層劃分為3個參數(shù)分區(qū)。地下水水流模型中水文地質參數(shù)滲透系數(shù)K和給水度μ值主要根據(jù)區(qū)域環(huán)境水文地質調(diào)查過程中試驗給出的結果，并結合巖性特征和經(jīng)驗值給定初始值，通過模型率定，獲得最終水文地質參數(shù)。

通過穩(wěn)定流模擬計算，模擬區(qū)地下水穩(wěn)定流場，見圖5。區(qū)內(nèi)地下水流向由西北流向東南，與區(qū)域地下水流向一致，與地下水流動特征基本相符。對比實測井孔地下水位與計算地下水位，兩者基本一致，見圖6，平均誤差小于1 m，基本滿足模型精度要求，證明所建模型基本可靠。經(jīng)模型率定，研究區(qū)滲透系數(shù)取值8～20 m/d，分區(qū)見圖7。

2 結果與討論

2.1 濕地地表水-地下水交互作用模式

水頭差的存在是水交互作用產(chǎn)生的前提，水力梯度決定了源匯項分布及其作用路徑，進而表現(xiàn)為不同的交互作用模式。Jolly等[14]將接觸帶尺度下濕地劃分為4種模式：① 非飽和流-補給型濕地，濕地下墊面與地下水面之間存在不相連的非飽和區(qū)間，濕地地表水垂向滲流補給地下水，多見于季節(jié)性濕地系統(tǒng)；② 飽和流-補給型濕地，濕地下墊面與含水層直接連通且濕地水位高于周邊地下水，濕地水體因而成為周邊地下水的補給來源；③ 飽和流-排泄型濕地，與②水力梯度相反，四周地下水補給濕地；④ 飽和流-貫穿型濕地，地下水流場的水力梯度方向連續(xù)一致，導致濕地在上游接受地下水補給、在下游排泄至地下水，地下水流“貫穿”整個濕地。

圖5 模擬區(qū)多年平均穩(wěn)定流流場示意

圖6 計算地下水位與實測地下水位對比

圖7 滲透系數(shù)分區(qū)示意

基于龍湖周邊地下水水位統(tǒng)測結果繪制了地下水位剖面圖(圖8)。由圖8可以看出，地下水由西北向東南水位逐漸降低，即由西北流向東南；龍湖西北側接受地下水補給，東南側向地下水排泄，屬于典型的“飽和流-貫穿型”濕地。

注：D2,D5,D7,D20,D10,D8表示鉆孔編號。

2.2 龍湖濕地地表水-地下水交換量

根據(jù)模型地下水均衡計算結果，地下水對龍湖多年平均補給量為617×104m3/a，排泄量為253×104m3/a，凈補給量為364×104m3/a。

對龍湖水文過程進行分析。龍湖主要來水包括降水、降水徑流、地下水補給、污水排放等，主要出水包括蒸發(fā)、向地下水排泄等，年際水量平衡關系如下式所示：

ΔW=(P-E)+(Roverland-roverland)+

(Runderground-runderground)+(Qin-Qout)

式中：ΔW為龍湖蓄水水量，m3；P為湖面降水量，m3；E為湖面總蒸發(fā)散量，m3；Roverland為湖區(qū)地表流入量，m3；roverland為地表流出量，m3；Runderground為地下徑流補給量，m3；runderground為地下徑流排泄量，m3；Qin為污水溢流入湖量，m3；Qout為地表水取水量，m3。

水量平衡計算如表1所示。由表1可知，龍湖總水補給量為1 466×104m3，其中地下水補給量6.7×104m3，占龍湖來水總量的42%，是最大補給來源，而降水量是第二大補給來源，占龍湖補給量39%。

表1 龍湖多年平均水量平衡計算

2.3 龍湖水系現(xiàn)有交互模式下龍湖水量風險分析

從前文可知，龍湖水體水量平衡和水位波動很大程度受周邊地下水動態(tài)波動和降水量的直接影響。由該地區(qū)歷年(1971～2017年)降水量的分析可知，當?shù)亟邓看嬖谀觌H變化，但總體相對穩(wěn)定，沒有明顯減少或增加趨勢(圖9)。由此可以推斷，地下水水位變化是影響龍湖水位波動的主要原因。

圖9 降水量年際變化趨勢分析

一定區(qū)域的地下水位通常主要隨著降水量或地下水開采量變化。在降水量相對穩(wěn)定的情況下，淺層地下水開采則是地下水位主要影響因素。資料顯示，2009～2016年龍湖周邊淺層地下水水位總體呈下降趨勢(圖10)，而從淮陽地區(qū)淺層地下水供水量年際變化看，研究區(qū)歷年淺層地下水開采量均維持在較高水平(圖11)，相關區(qū)域存在地下水超采問題[15-16]，可見，地下水超采是中原地區(qū)水資源面臨的一大威脅，也間接為龍湖帶來補給水量短缺的風險。

2.4 水文地球化學交互概念模式及風險分析

對7個取樣點水樣進行檢測分析，主要檢測結果分布見圖4。湖水TDS為937～1 143 mg/L，周邊地下水TDS均小于1 000 mg/L。

圖12為龍湖及周邊地下水水樣點Piper三線圖。由圖4、圖12可以看出，龍湖西北側補給區(qū)，沿徑流方向TDS呈上升趨勢，地下水化學類型逐漸由HCO3-Na·Ca·Mg型轉變HCO3-Na型；龍湖東南側排泄區(qū)，沿徑流方向TDS降低，總體呈“低-高-低”的變化，表明濕地地表水與地下水之間存在明顯的水文地球化學聯(lián)系，并形成獨特的水文化學循環(huán)模式。在龍湖水體中，TDS受蒸發(fā)濃縮作用明顯。

圖11 淮陽區(qū)淺層地下水供水量年際變化

注：2009～2016為年份，1～12為月份。

2.5 修復策略

(1)龍湖周邊地下水與龍湖水量交互作用密切，地下水位較大幅度波動會影響湖泊的水量平衡。2016年之前的數(shù)據(jù)表明龍湖區(qū)域地下水有持續(xù)下降的趨勢，這將對龍湖濕地的生態(tài)平衡造成威脅，迫切需要加強對該地區(qū)及周邊市縣更大范圍地下水開采的管控。

注：2009～2016為年份，1～12為月份。23～25號，27號為地下水長期監(jiān)測井編號。

(2)對龍湖及周邊水系環(huán)境進行全面治理，在達到一定條件后重新恢復龍湖與周邊地表水系的聯(lián)系，一方面擴大龍湖地表水補給范圍，另一方面通過水系連通改善龍湖水質，消除蒸發(fā)濃縮作用帶來的鹽堿化風險。在極端條件下，可通過湖外水系通道調(diào)沙潁河水補給龍湖。

(3)在全球氣候變化大背景下，區(qū)域降水量變化會加大龍湖濕地水量平衡的不確定性，有必要提前制定相應對策。建立龍湖水系地表水、地下水監(jiān)控體系，通過對水位、水量、水質、礦化度等參數(shù)及其相互響應機制和對生態(tài)系統(tǒng)影響的分析，制定具有針對性的管理策略并能適時調(diào)整。

3 結 論

本文以河南省周口市龍湖濕地作為研究區(qū)，利用收集的水位監(jiān)測、統(tǒng)測資料、水質檢測資料，應用Visual MODFLOW構建了地下水流數(shù)值模型。對龍湖地表水-地下水交互作用模式、交換水量及水文地球化學交互模式進行了分析研究。得出如下結論：

(1) 龍湖周邊地下水由西北流向東南屬于典型的飽和流-貫穿型濕地。

(2) 龍湖濕地與淺層地下水關系十分密切，地下水補給量占龍湖來水總量的42%，地下水是龍湖濕地最主要的補給來源。地下水位較大幅度波動會影響湖泊的水量平衡，應加強對該地區(qū)及周邊市縣地下水開采的管控。

(3) 沿龍湖“西北側-龍湖-東南側”方向，TDS含量呈現(xiàn)“低-高-低”的變化趨勢，龍湖濕地地表水與地下水之間存在明顯的水化學聯(lián)系。同時由于蒸發(fā)濃縮作用，湖泊也存在鹽堿化風險。

(4) 通過模型計算量化地下水-湖泊水量交換，明確湖泊濕地水量平衡機理，為制定風險管控對策奠定基礎，這種方法可以為同類型湖泊濕地水平衡研究和修復決策提供參考。