徐如超,向　龍,崔廣柏,查治榮,許　偉,周鵬飛

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇 南京　210098; 2.青島水文局黃島分局,山東 青島　266400)

太湖地區(qū)典型小流域地下水儲量動態(tài)模擬與分析

徐如超1,向龍1,崔廣柏1,查治榮2,許偉1,周鵬飛1

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇 南京210098; 2.青島水文局黃島分局,山東 青島266400)

摘要：對太湖地區(qū)典型小流域的近地表地質(zhì)特征進(jìn)行系統(tǒng)野外試驗,分析近地表土層土壤和巖層結(jié)構(gòu)特征,初步確定了含水層計算參數(shù);采用三維地下水流數(shù)值模擬方法概化水文地質(zhì)條件,識別與驗證模型參數(shù)。結(jié)果表明:地表水補(bǔ)給地下水的量約是地下水補(bǔ)給地表水總量的2倍,山溪型小流域的地表地下水交互過程趨于單向交換,即河道水補(bǔ)給地下水。從含水層儲水量變化看,除去蒸散發(fā),通過地下通道流失的水量占據(jù)總水量的相當(dāng)比重,且地下儲水的減少量主要依賴降雨入滲進(jìn)行補(bǔ)給。所建立的模型能夠較好地反映研究區(qū)實際的水文地質(zhì)條件,揭示地表水和地下水的交互量的變化過程,并定量研究流域水量平衡動態(tài)關(guān)系,可為變化環(huán)境下的地下水保護(hù)和濱湖區(qū)的地下水潛流計算研究提供預(yù)測分析依據(jù)。

關(guān)鍵詞：地下水；數(shù)值模擬;地表-地下水耦合;交互作用；太湖流域

在全球氣候和環(huán)境發(fā)生變化的同時,人類活動和下墊面利用方式的改變不斷影響著水文循環(huán)過程,極端水文現(xiàn)象時有發(fā)生,區(qū)域地表水和地下水資源的交互作用也不斷變化,使得地表-地下水資源在時空上重新分配,影響區(qū)域水資源的可持續(xù)利用[1]。因此,研究地表水與地下水的交互作用及響應(yīng)機(jī)制十分重要[2]。由于地表-地下水動態(tài)變化機(jī)制復(fù)雜,地下水?dāng)?shù)值模擬是推導(dǎo)和演繹二者交互過程的主要方法之一;國內(nèi)外許多地下水模擬方法都疊加了地表水的影響,如李致家等[3]通過河道四周地下水流與河道水流的交換流量把一維不穩(wěn)定流有限差分迭代方程和地下水有限差分方程耦合起來,并驗證了模型的合理性;董艷輝等[4]系統(tǒng)研究了模型單元達(dá)數(shù)百萬級的地下水系統(tǒng),并根據(jù)多情景的模擬結(jié)果分析斷層及不同補(bǔ)給條件對地下水流場產(chǎn)生的影響;胡立堂等[5]考慮了地面水入滲補(bǔ)給的滯后性,分析研究了地下水?dāng)?shù)值模擬中入滲補(bǔ)給滯后的處理方法。復(fù)雜的分布式水文模型可耦合地表-地下水控制方程,并協(xié)調(diào)二者的時間尺度關(guān)系,發(fā)展了一系列單向、雙向耦合模型,如SWAT-MODFLOW、HydroGeoSphere、FEFLOW等模型系統(tǒng)[6-7]。這些研究中,地下水儲量是直接影響地表水-地下水交互強(qiáng)度的重要變量,也是水量平衡分析重要因子。

太湖流域是長三角經(jīng)濟(jì)區(qū)人口最為稠密和經(jīng)濟(jì)發(fā)展最快的地區(qū)之一,在城市化發(fā)展過程中,水資源需求不斷增加,使地下水開采量和地表水的取用量不斷攀升,地表水體污染加劇[8]。由于太湖流域丘陵區(qū)地勢變化大,徑流產(chǎn)生機(jī)制復(fù)雜,且下游平原河網(wǎng)區(qū)的地下水埋深淺,與地表水交互作用強(qiáng)、響應(yīng)快,使得研究區(qū)水循環(huán)更為復(fù)雜;試驗表明,近地表的地下水儲量變化與地表徑流關(guān)系極為密切。因此,確定淺層地下水儲量變化對地表徑流的影響是定量化二者互動關(guān)系的關(guān)鍵。本文將三維地下水模型Visual MODFLOW[9-10]應(yīng)用于太湖地區(qū)典型小流域,研究地表水與地下水的交互過程與地下水儲量關(guān)系,評估地下水儲量動態(tài)變化對水文計算的潛在影響,為地下水資源保護(hù)和濱湖區(qū)的地下水潛流計算研究提供預(yù)測分析依據(jù)。

1研究區(qū)水文地質(zhì)概況

江蘇省宜興市梅林鎮(zhèn)楊家山地區(qū)的頭坳小流域,屬亞熱帶季風(fēng)氣候,多年平均氣溫為15.7℃,年平均降雨量約為1 177 mm,雨水主要集中在春夏季,年均蒸發(fā)量為1 280 mm。頭坳小流域面積為73.7 hm2,以丘陵崗地為主,土地利用以耕地為主(包括茶園、果園),約占75%左右,主要有水稻田、旱地、茶園、竹園、板栗園、菜地和梨園等。土壤類型為紅黃壤(旱地)和水稻土,是典型的農(nóng)業(yè)區(qū)[11-12]。區(qū)內(nèi)地勢西南高東北低,海拔高度為4～50 m,流域坡度變幅為0～20°,是典型的緩丘陵地形(圖1);出口及河谷地區(qū)平緩,地下水位埋深淺。近地表地質(zhì)勘查的結(jié)果表明,含水層從地表向下依次為素填土、粉質(zhì)黏土、碎土石,其中素填土層厚約0.5～0.9 m,粉質(zhì)黏土層厚約2.3～14.0 m,碎土石層厚約11.3～13.0 m(表1)。區(qū)內(nèi)取水井多是用于生活和農(nóng)業(yè)灌溉,取水深度一般在10～30 m之間,從水文地質(zhì)條件來看,該區(qū)域取水目的層為潛水含水層。研究區(qū)補(bǔ)給來源主要為大氣降水、地表水入滲和灌溉入滲,其排泄方式除一條山谷河流外,還包括陸面蒸發(fā)及人工開采。

圖1　頭坳小流域地形

2模型原理與方法

2.1控制方程概化

研究區(qū)地下水系統(tǒng)的補(bǔ)給和排泄在時間和空間上差異較大,因此其地下水流系統(tǒng)為非穩(wěn)定流;同時本區(qū)主要的開采目的層位是第四系沖洪積潛水含水層,且含水層之間沒有連續(xù)的隔水層,故將其視為單一潛水含水層;區(qū)內(nèi)各含水層連續(xù)均勻無間斷,綜合上述特征,將研究區(qū)概化為非均質(zhì)各向同性的潛水含水系統(tǒng),用以下偏微分方程和定解條件[13]來描述:

式中:H為水位;K為含水層滲透系數(shù);W為單位時間單位體積上從垂直方向流入或流出含水層的水量;x、y、z為空間坐標(biāo);t為時間;SS為釋水率;H0(x,y,z) 為研究區(qū)初始水位;Γ1為第一類邊界條件;Γ2為第二類邊界條件；H1(x,y,z,t) 為第一類邊界的水位;q(x,y,z,t) 第二類邊界上的流量函數(shù);h為第二類邊界上的外法線方向。

2.2邊界條件處理

降雨入滲形成地下水潛流補(bǔ)給地下含水層,以面流量的形式作為入流上邊界;山谷兩側(cè)地下水分水嶺處與外界的交換流量較小,近似處理為零流量邊界,在模型中以擋水墻的形式表示;研究區(qū)下游延伸至梅林鎮(zhèn)宜浦線公路,地下水潛流流出區(qū)外,構(gòu)成地下徑流排泄邊界,同時考慮到區(qū)內(nèi)小工廠及村民用水大多取于此地,將其概化為二類流量邊界,以抽水井的形式表示;流域出口處有淺水溝,溝內(nèi)常年有水且水位變化較小,對含水層有入滲補(bǔ)給作用,也是地下水的排泄通道,構(gòu)成第一類變水頭邊界條件[14-15]。

2.3網(wǎng)格離散及參數(shù)化

研究區(qū)按照大小相同的矩形網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格橫線表示東西方向,縱線表示南北方向,在河流交互區(qū)加密網(wǎng)格。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,自上而下含水層厚度比重依次約為:第1層為7%,第2層為54%,第3層為39%。將研究區(qū)域劃分為205行×180列,3層共3×205×180(110 700)個網(wǎng)格單元,其中有效單元為75 253個,邊界外的無效單元為35 447個。

表1　流域縱剖面土壤分層參數(shù)測定成果

根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)條件及注水試驗的結(jié)果,將區(qū)內(nèi)含水層參數(shù)分成3個區(qū)域,并選擇其中4個觀測井進(jìn)行水位觀測,以確定模型參數(shù)。參數(shù)分區(qū)和觀測井的位置如圖2所示。

圖2　地質(zhì)參數(shù)分區(qū)和地下水位觀測井分布

3野外試驗與模型驗證

模型校正主要考慮的含水層參數(shù)為滲透系數(shù)K和給水度μ[16-17]。依據(jù)場地的工程地質(zhì)條件及地下水的賦存狀態(tài),為達(dá)到分析水文地質(zhì)參數(shù)的目的,在研究區(qū)布置2個鉆孔(G1,G2)進(jìn)行注水試驗,并結(jié)合室內(nèi)分層土工試驗結(jié)果(表1),分析得出素填土和粉質(zhì)黏土K取值范圍為5×10-5～8×10-4m/d,碎土石層K取值范圍為0.01～0.5 m/d;根據(jù)研究區(qū)潛水層非穩(wěn)定流抽水試驗資料計算得到μ的初始值范圍為0.05～0.13。

根據(jù)初始試驗參數(shù)集合,采用2008年1、2月的地下水水位作為模型識別期,模擬時間為60 d?？紤]實際降雨、蒸發(fā)、河流等源匯項以及水文地質(zhì)參數(shù)情況,得到研究區(qū)地下水位在給定條件下的時空分布。為了識別各含水層參數(shù)、邊界條件和區(qū)域均衡值,對27～30號觀測井的計算水位和觀測水位的動態(tài)曲線進(jìn)行對比分析[18],采用手動校正法對模型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化處理,直到計算水位與觀測水位的擬合誤差達(dá)到精度要求。其擬合結(jié)果如圖3所示。

由圖3可見,模型率定期內(nèi)各觀測井的計算水位值和觀測值變化趨勢一致,擬合程度較好,說明輸入模型的各含水層參數(shù)及概化的邊界條件符合研究區(qū)的實際情況,得到各分區(qū)的參數(shù)如表2所示。

模型驗證期采用率定期內(nèi)計算得到的2008年2月29日的水位值作為初始水位值,模擬持續(xù)至2008年5月31日共92 d。將模型識別期內(nèi)得到的含水層參數(shù)及驗證期對應(yīng)的源匯項輸入模型,對4個觀測井水位的計算值與觀測值進(jìn)行分析比較,驗證模型的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性[19],結(jié)果如表3所示。

統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明,模擬水位和觀測水位比較吻合,模型的收斂性和穩(wěn)定性較好,所建立的數(shù)學(xué)模型能夠反映研究區(qū)實際的水文地質(zhì)條件,可以用來計算和預(yù)測地下水系統(tǒng)的動態(tài)變化。

表2　流域含水層分區(qū)參數(shù)

注：Kx=Ky。

圖3　27～30號觀測井水位擬合分析

觀測井號平均殘差/m均方差/m相關(guān)系數(shù)27號0.0910.1360.87228號0.1120.1730.86429號0.0730.1150.88530號0.0550.0870.893

4討論與分析

地表水-地下水交互模擬計算以2009年1月1日的水位值作為初始水位,模擬2009年1月1日至12月31日期間在實際降雨徑流輸入條件下的地下水位響應(yīng)過程;統(tǒng)計模擬期內(nèi)各邊界條件對地下含水層系統(tǒng)的影響以及地下水儲量的變化(表4)。

表4　地下含水層水量平衡分析　m3

模擬期內(nèi)對研究區(qū)地下水有補(bǔ)給作用的邊界條件包括有變水位邊界、河流邊界和降雨,其中河流滲入地下的補(bǔ)給量為4 112.11 m3,降雨補(bǔ)給263 303.81 m3;同時河流也有排泄作用,排泄水量2 000.45 m3,整個區(qū)域的蒸發(fā)量為64 056.81 m3。由水平衡分析可知,河網(wǎng)滲流是地表水-地下水交互主要的發(fā)生界面。由圖4可見,河流滲入地下含水層的累計量由負(fù)變正并不斷增大,說明計算時段前期,地下水位高于河道水位,地下水補(bǔ)給地表水形成基流;模擬后期轉(zhuǎn)變?yōu)榈叵滤陀诤拥浪?、河水補(bǔ)給地下水的狀態(tài);且地表水補(bǔ)給地下水的量約是地下水補(bǔ)給地表水總量的2倍,說明山溪型小流域的地表-地下水交互過程趨于單向交換,即河道水補(bǔ)給地下水。

圖4　河水凈補(bǔ)給量累計過程線

由圖5可見,綜合下游水位變動、河槽水位變化、蒸散發(fā)和降雨等各種條件的作用,地下含水層儲水的累計變化量由正值不斷增大,繼而逐漸減小并變?yōu)樨?fù)值,表明研究區(qū)的儲水是由流入增大狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椴粩嗔鞒龅臓顟B(tài),導(dǎo)致模擬結(jié)束時的含水層儲水比模擬開始時共減少201 309.95 m3,而降雨補(bǔ)給量為263 303.81 m3,說明地下儲水的減少量主要是依賴降雨入滲進(jìn)行補(bǔ)給的。

圖5　流域含水層儲水量動態(tài)變化過程線

5結(jié)論

通過三維有限差分?jǐn)?shù)值模擬技術(shù),在野外與室內(nèi)試驗獲得水文地質(zhì)參數(shù)基礎(chǔ)上,對太湖地區(qū)典型小流域進(jìn)行數(shù)值模擬,揭示了區(qū)域內(nèi)地表-地下水交互量的變化過程,并定量研究了流域水量平衡動態(tài)關(guān)系,可為多因素影響下的地下水保護(hù)和濱湖區(qū)的地下水潛流計算研究提供依據(jù),具有一定的實踐價值。具體研究成果如下:

a. 借助三維地下水模型耦合地表水文過程,計算得到的流域淺層地下水儲量變化能夠用來分析地表水與地下水的互動關(guān)系。模型識別與驗證的結(jié)果表明,該模擬方法具有較強(qiáng)的可靠性和穩(wěn)定性,模型較好地反映了研究區(qū)水文地質(zhì)條件,可以用來預(yù)測地下水動態(tài)變化特征。

b. 根據(jù)野外觀測試驗的參數(shù)集合,識別了研究區(qū)最優(yōu)的滲透系數(shù)和給水度組合,為太湖周邊丘陵區(qū)的地下水模擬參數(shù)提供參考。模擬研究表明,地表水補(bǔ)給地下水的量約是地下水補(bǔ)給地表水總量的2倍,山溪型小流域的地表地下水交互過程趨于單向交換,即河道水補(bǔ)給地下水。從含水層儲水量變化看,除去蒸散發(fā),通過地下通道流失的水量占據(jù)總水量的相當(dāng)比重,且地下儲水的減少量主要依賴降雨入滲進(jìn)行補(bǔ)給。

c. 該模型模擬并揭示了研究區(qū)地表水與地下水交互量的變化過程,河流與地下含水層之間的補(bǔ)排關(guān)系隨季節(jié)變化也在相互轉(zhuǎn)化,這可為濱湖區(qū)地下水潛流計算研究提供依據(jù)。地表水與地下水較強(qiáng)的交互作用使得水體污染發(fā)生時易導(dǎo)致連帶反應(yīng),給水環(huán)境保護(hù)帶來困難。

參考文獻(xiàn)：

[ 1 ] 張利平,陳小鳳,趙志鵬,等.氣候變化對水文水資源影響的研究進(jìn)展[J].地理科學(xué)進(jìn)展,2008,27(3):61-67.(ZHANG Liping,CHEN Xiaofeng,ZHAO Zhipeng, et al. Research progress of climate changing effect on hydrology and water resources[J].Progress in Geography, 2008,27(3):61-67.(in Chinese))

[ 2 ] 夏軍,左其亭.國際水文科學(xué)研究的新進(jìn)展[J].地球科學(xué)進(jìn)展,2006,21(3):256-261. (XIA Jun, ZUO Qiting. New progress of international hydrological science research [J].Progress in Geography, 2006,21(3):256-261. (in Chinese))

[ 3 ] 李致家,謝悅波. 地下水流與河網(wǎng)水流的耦合模型[J]. 水利學(xué)報,1998(4):44-48.(LI Zhijia,XIE Yuebo.Coupling model of groundwater and river [J]. Journal of Hydraulic Engineering,1998(4):44-48. (in Chinese))

[ 4 ] 董艷輝,李國敏,黎明. 甘肅北山大區(qū)域地下水流動模擬[J]. 科學(xué)通報,2009(23):3790-3792.(DONG Yanhui, LI Guomin, LI Ming. Numerical modeling of the regional ground water flow in Beishan Area, Gansu Province[J]. Chinese Science Bulletin, 2009(23):3790-3792.(in Chinese))

[ 5 ] 胡立堂,儀彪奇,楊旭輝. 地下水?dāng)?shù)值模擬中入滲補(bǔ)給滯后的處理方法[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì),2009(3):16-20. (HU Litang, YI Biaoqi, YANG Xuhui. Representation of hysteresis property of recharge to phreatic surface in numerical models[J]. Hydrogeology & Engineering Geology, 2009(3):16-20.(in Chinese))

[ 6 ] KIM N W, CHUNG I M, WON Y S, et al. Development and application of the integrated SWAT-modflow model [J]. Journal of Hydrology, 2008, 356:1-16.

[ 7 ] DISERSCH H J. Feflow有限元地下水流系統(tǒng)[M].谷源澤,譯.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社, 2001.

[ 8 ] 成新,黃衛(wèi)良,江溢,等.太湖流域地下水問題與對策[J].水資源保護(hù), 2003, 19(4):1-4.(CHENG Xin, HAUNG Weiliang,JIANG Yi, et al.The problems and countermeasure of groundwater in Taihu Basin[J].Water Resources Protection, 2003, 19(4):1-4.(in Chinese))

[ 9 ] 武強(qiáng),董東林,武鋼,等.水資源評價的可視化專業(yè)軟件(Visual Modflow)與應(yīng)用潛力[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),1999(5):21-23.(WU Qiang, DONG Donglin, WU Gang, et al. Visual Modflow and its potential applications in groundwater resource assessment[J].Hydrogeology & Engineering Geology,1999(5):21-23. (in Chinese))

[10] RLEN W H , EDWARD R B , MARY C H , et al. MODFLOW-2000, The U S Geological Survey modular ground-water model:User guide to modularization concepts and the ground-water flow process[M].Virginia: U S Geological Survey，2000.

[11] 朱永澍,向龍,余鐘波,等. 太湖典型小流域磷素流失特征分析[J]. 水資源保護(hù),2013,29(4):31-35.(ZHU Yongshu,XIANG Long,YU Zhongbo et al. Characteristic analysis of phosphorus loss in typical watersheds of Taihu Basin[J]. Water Resources Protection,2013,29(4):31-35.(in Chinese))

[12] 張榮保,姚琪,計勇,等.太湖地區(qū)典型小流域非點源污染物流失規(guī)律[J].長江流域資源與環(huán)境, 2005,14(1):95-98. (ZHANG Rongbao, YAO Qi, JI Yong,et al. Non-point source pollutants outflow law in typical small basin of Taihu Lake Region [J].Resources and Environment in the Yangtze Basin, 2005,14(1):95-98. (in Chinese))

[13] 陳崇希.地下水動力學(xué)[M].武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社, 1999.

[14] 曹劍鋒,遲寶明,王文科,等.專門水文地質(zhì)學(xué)[M].3版.北京:科學(xué)出版社, 2006.

[15] 齊蕊.都思兔河流域三維地下水流場的數(shù)值模擬研究[D].北京:中國地質(zhì)大學(xué),2013.

[16] 陳潤橋,溫偉光,何緒升,等.降水頭注水試驗在天津地區(qū)的應(yīng)用分析[J].山西建筑,2013,39(11):45-46.(CHEN Runqiao,WEN Weiguang,HE Xusheng,et al. An application analysis of precipitation water injection test in Tianjin[J].Shanxi Architecture,2013,39(11):45-46. (in Chinese))

[17] 沈日庚. 上海地區(qū)鉆孔降水頭注水試驗公式應(yīng)用探討[J].上海地質(zhì),2010,3(3):51-53.(SHEN Rigeng. An application analysis of precipitation water injection test in Shanghai[J].Shanghai Geology,2010,3(3):51-53. (in Chinese))

[18] 楊青春,盧文喜,馬洪云.Visual Modflow在吉林省西部地下水?dāng)?shù)值模擬中的應(yīng)用[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2005(3):67-69. (YANG Qingchun, LU Wenxi, MA Hongyun.The application of Visual Modflow in groundwater numerical simulation in the west of Jilin Province[J]. Hydrogeology & Engineering Geology,2005(3): 67-69. (in Chinese))

[19] 余維,王博,陳真林.MODFLOW在井灌區(qū)地下水?dāng)?shù)值模擬中的應(yīng)用[J].中國農(nóng)村水利水電,2006(11):17-21.(YU Wei,WANG Bo,CHEN Zhenlin. The application of modflow in groundwater numerical simulation in well irrigation[J].China Rural Water and Hydropower,2006(11):17-21.(in Chinese))

Dynamic simulation and analysis of groundwater storage in typical watershed of Taihu Basin

XU Ruchao1, XIANG Long1, CUI Guangbo1, ZHA Zhirong2, XU Wei1, ZHOU Pengfei1

(1.CollegeofHydrologyandWaterResources,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.HuangdaoBranch,QingdaoHydrologyBureau,Qingdao266400,China)

Abstract：This study was carried out in a typical small watershed of the Taihu Basin. The aquifer calculation parameters were identified through systematic field experiments on near-surface geological features and analysis of near-surface soil and rock structural features. The three-dimensional groundwater numerical simulation method was used to generalize the hydrogeological conditions, and to identify and verify the model parameters. The results show that the surface water recharge to groundwater is approximately twice the groundwater recharge to the surface water, and the interaction between the surface water and groundwater in stream-type watersheds tends to be unidirectional. That is, the river water recharges groundwater. In terms of the change of water storage in the aquifer, in addition to evapotranspiration, water loss through the underground passage accounts for a large proportion of the total water amount, and the reduced groundwater storage is recharged mainly by rainfall infiltration. The established model can well reflect the actual hydrogeological conditions of the study area. It has been used to describe the change process of the interaction between the surface water and groundwater, and to quantitatively study the dynamic changes of the basin water balance. In addition, it can provide a basis for the prediction and analysis of groundwater protection in changing environments and groundwater undercurrent calculation of lake areas.

Key words：groundwater; numerical simulation; coupling of surface water and groundwater; interaction; Taihu Basin

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.02.011

基金項目:國家自然科學(xué)基金(51309078, 51209071);“十二五”國家科技支撐計劃(2012BAK10B04);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項

作者簡介:徐如超(1991—),男,碩士研究生,研究方向為水文學(xué)和水資源。E-mail: 1429666472@qq.com 通信作者:向龍，講師,博士。E-mail: xianglonghhu@gmail.com

中圖分類號：P339

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1004-6933(2016)02-0051-06

(收稿日期：2015-12-28編輯：徐娟)