張宇正，張維江

(寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021)

我國西北內(nèi)陸灌區(qū)由于不夠完善的水資源開發(fā)和管理，產(chǎn)生了諸多不良生態(tài)環(huán)境問題，生態(tài)環(huán)境脆弱和水資源匱乏是制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。地下水是水資源的重要組成部分，在保障城鄉(xiāng)居民生活、支持經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和維護(hù)生態(tài)平衡等方面發(fā)揮著十分重要的作用，隨著西北地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展，水資源不僅是量的需求增加，供水保證率以及均衡性的需求都在增加。天然水源地在人工開采后，排泄項發(fā)生變化，進(jìn)而改變整體的地下水均衡態(tài)，應(yīng)用地下水均衡計算對天然與人工開采條件下地下水的補(bǔ)給、排泄規(guī)律進(jìn)行量化研究，可直觀地評價地下水開采利用情況，從而實現(xiàn)地下水對社會經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境的最優(yōu)支持，是干旱內(nèi)陸灌區(qū)水資源優(yōu)化管理與調(diào)控的基礎(chǔ)工作[1-4]。水均衡法與數(shù)值模擬法都是應(yīng)用地下水系統(tǒng)的水資源平衡性，評價地下水的補(bǔ)給與排泄情況，是目前應(yīng)用最為廣泛的地下水資源評價方法，兩種方法相輔相成，可以為區(qū)域地下水可持續(xù)開發(fā)提供更加科學(xué)的評價[5,6]。本文充分利用前人研究成果及已有水文地質(zhì)資料，應(yīng)用這兩種方法定量分析了水源地集中開采前后(以2014年為時間分界線)各均衡要素變化情況，為水資源的合理開發(fā)提供數(shù)據(jù)支撐，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)和生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展，保障地區(qū)供水安全。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于中衛(wèi)市以西的迎水橋鎮(zhèn)，面積約18.14 km2，屬衛(wèi)寧沖積平原黃河北岸，是中衛(wèi)市為滿足城市發(fā)展需求于2013年開辟的新的城市集中供水水源地(圖1)。研究區(qū)為單一的沖積平原地貌，第四系厚度較大，地勢西北向東南黃河平緩下傾，地形平坦開闊相對高差約10 m左右，屬大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年均降水量165.9 mm，集中在6-9月份，多年平均蒸發(fā)量1 399.5 mm。研究區(qū)屬同一水文地質(zhì)單元，含水層巖性、水文地質(zhì)條件均無太大變化。區(qū)內(nèi)地下水為全新統(tǒng)早期(Qhlal)黃河沖積層潛水，主要補(bǔ)給來源是渠系、田間灌溉入滲，其次為大氣降水和側(cè)向徑流。地下水徑流與地形基本一致。

圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 Location map of the study area

2 研究方法

2.1 水均衡法

水均衡法是目前評估地下水的主要方法之一，其以質(zhì)量和能量守恒定律為基本原理，將與地下水有聯(lián)系的四水轉(zhuǎn)化關(guān)系均反映在地下水的補(bǔ)給和消耗上。具有概念明確、方法簡便等優(yōu)點，是集計算與論證于一體的方法[4]。

根據(jù)水均衡法原理，可建立如下水均衡方程式:

Q補(bǔ)-Q耗=ΔW

(1)

式中:Q補(bǔ)為地下水補(bǔ)給量；Q耗為地下水排泄消耗量；ΔW為地下水的蓄變量[6]。

通過該地區(qū)多年觀測資料分析，地下水動態(tài)特征主要受農(nóng)田灌溉、渠系引水影響較大，枯水期水位有短期的下降，灌溉期和豐水季節(jié)水位迅速回升，并且水位變化不大，能基本說明補(bǔ)給量等于排泄量，因此，上述公式可近似表示為：Q補(bǔ)≈Q耗。

2.2 數(shù)值模擬法

數(shù)值模擬采用Visual MODFLOW(VMOD)軟件，該模型是目前世界上最著名、應(yīng)用最廣泛的模擬三維地下水流和溶質(zhì)運移的標(biāo)準(zhǔn)可視化專業(yè)模型軟件。VMOD用三維有限差分法概化地下水系統(tǒng)，由水量平衡原理通過連續(xù)性方程進(jìn)行地下水系統(tǒng)動態(tài)求解：

(2)

式中：K為滲透系數(shù)，m/d；h為含水層厚度，m；W為均衡期內(nèi)垂向流入或流出含水層的水量，表示地下水系統(tǒng)的源、匯項構(gòu)成，mm/a；Ss表示含水層儲水系數(shù)，1/m[7]。

3 水均衡法地下水均衡計算

本文以2013年為現(xiàn)狀年，在此之前研究區(qū)內(nèi)無集中式地下水開采，地下水開發(fā)情景為自然條件，2014年水源地開始運行，人工開采激增，為開采條件。

3.1 自然條件下水均衡計算

3.1.1 補(bǔ)給量計算

(1)田間灌溉滲入補(bǔ)給量。田間灌溉水滲入田間后，經(jīng)包氣帶滲漏補(bǔ)給地下水的水量，計算公式為：

Q田滲=αQ田間

(3)

式中：Q田滲為灌溉滲入補(bǔ)給量，萬m3/d；α為灌溉滲入補(bǔ)給系數(shù)(無因次)；Q田間為灌溉水量，采用灌溉面積與灌溉定額的乘積，萬m3/d[8]。

研究區(qū)灌溉面積根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，水作物實灌面積1 140 hm2，旱作物水澆地實灌面積353 hm2。灌溉定額與灌溉入滲系數(shù)根據(jù)已有研究資料，水作物灌溉定額為2.925 萬m3/(hm2·a)，旱作物水澆地灌溉定額為1.2 萬m3/(hm2·a)，合計農(nóng)作物用水量1 887.7 萬m3/a，灌溉入滲系數(shù)確定為旱作物水澆地0.21、水作物0.16[9]。經(jīng)計算可得Q田滲為622.69 萬m3/a。

(2)側(cè)向徑流補(bǔ)給量。采用達(dá)西公式計算：

Q側(cè)補(bǔ)=KHBI

(4)

式中：Q側(cè)補(bǔ)為鄰區(qū)地下水徑流補(bǔ)給量，萬m3/d；H為含水層厚度，m；B為計算斷面長度，m；I為水力坡度(無量綱)。

根據(jù)調(diào)查資料補(bǔ)給斷面長度取值12 307 m，水力坡度取值0.002 3，根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)資料滲透系數(shù)取9.69 m/d，含水層厚度為66.35 m。算得Q側(cè)補(bǔ)為664.3 萬m3/a。

(3)降雨滲入補(bǔ)給量。利用下列公式計算降水滲入量。

Q降水=10-1FAατ

(5)

式中：Q降水為降水滲入補(bǔ)給量，萬m3/a；F為計算區(qū)面積，km2；A為年降水量，mm；α為降水入滲系數(shù)；τ為有效降雨量百分?jǐn)?shù)[10]。

年降水量取中衛(wèi)市氣象站多年降水量的平均值165.87 mm。有效降雨量百分?jǐn)?shù)及降水入滲系數(shù)分別取50%與0.23。經(jīng)計算可得Q降水為33.95 m3/a。

3.1.2 排泄量計算

(1)蒸發(fā)排泄量。蒸發(fā)量采用以下公式計算：

Q蒸發(fā)=10-1CE0F

(6)

式中：Q蒸發(fā)為潛水蒸發(fā)量，萬m3/a；F為潛水蒸發(fā)計算面積，km2；C為蒸發(fā)系數(shù)；E0為平均水面蒸發(fā)量，mm/a。

根據(jù)研究區(qū)地下水埋深現(xiàn)狀(平均1.5 m以內(nèi))及地質(zhì)條件，蒸發(fā)系數(shù)取0.394[11]。計算可得Q蒸發(fā)為348.58 萬m3/a。

(2)排水溝排泄量。排水溝主要排泄灌溉回歸水、地下水、工業(yè)廢水及城市生活污水。研究區(qū)沒有特大排水溝，僅有太平渠視作排水溝及其他兩條較小的排水溝。根據(jù)調(diào)查，該排水溝總長36.85 km，2013年排水溝排泄量為2 387.1 萬m3，流經(jīng)均衡區(qū)長為8.5 km。得出研究區(qū)內(nèi)排水溝排泄量為551.15 萬m3/a。

(3)人工開采量?，F(xiàn)狀條件下研究區(qū)地下水開采為分散式開采：主要是以當(dāng)?shù)鼐用裆铒嬘盟疄橹?，?jīng)調(diào)查統(tǒng)計均衡區(qū)現(xiàn)狀開采量251.49 萬m3/a。

(4)向黃河排泄量。計算方法與側(cè)向補(bǔ)給計算方法相同，經(jīng)計算得向黃河排泄量為160.24 萬m3/a。

通過上述地下水補(bǔ)給量與排泄量的計算，可以得出研究區(qū)現(xiàn)狀條件下地下水的補(bǔ)給量為1 320.94 萬m3/a，排泄量為1 311.45 萬m3/a，呈微弱的正均衡(見表1)。

表1 自然條件水均衡計算結(jié)果表Tab.1 Natural condition water balance calculation result table

3.2 開采條件下水均衡計算

根據(jù)《中衛(wèi)市城市總體規(guī)劃(2003-2025年)》，為滿足城市發(fā)展需要，將研究區(qū)規(guī)劃為新的集中供水水源地，計劃開采量為4.2 萬m3/d。開采條件下，研究區(qū)地下水由于開采量的增加造成了其他項的量發(fā)生變化。

(1)補(bǔ)給項中側(cè)向補(bǔ)給量計算，開采條件下，研究區(qū)水位下降，水力坡度取值0.002 7；根據(jù)開采井抽水試驗資料，開采產(chǎn)生降落漏斗，其南部邊界達(dá)到黃河岸邊，形成較強(qiáng)的河流激化補(bǔ)給，因此將漏斗范圍波及黃河邊界的長度，概化成一條定水頭補(bǔ)給邊界，確定黃河定水頭補(bǔ)給邊界長度9 185 m，采用達(dá)西公式進(jìn)行計算，由于漏斗靠黃河較近，因此該水力坡度值較側(cè)向補(bǔ)給的大，取值0.004；滲透系數(shù)、含水層厚度由河岸相關(guān)地勘資料確定。

(2)排泄項中蒸發(fā)量計算，重新取潛水蒸發(fā)系數(shù)值為0.12[11]；排水溝排泄量計算中，排水溝水量取2014、2015、2016資料均值計算，計算可得研究區(qū)排水溝排泄量1.08 m3/d。開采排泄中加入集中開采量4.2 萬m3/d。

經(jīng)計算，可以得出研究區(qū)開采條件下地下水的補(bǔ)給量為2 261.18 萬m3/a，排泄量為2 267.75 萬m3/a，呈負(fù)均衡，詳見表2。

4 數(shù)值模擬法水均衡計算

4.1 模擬區(qū)初始條件及邊界性質(zhì)的概化

將2013年5月研究區(qū)鉆井水位空間插值，得到模型初始水位條件。

表2 開采條件水均衡計算結(jié)果表Tab.2 Results table of water balance calculation for mining conditions

模擬區(qū)范圍參考地下水流場，以研究區(qū)為主稍作外延，將黃河作為模型南部邊界，概化為水頭邊界(第一類邊界)。其他都概化為通用水頭邊界(GHB，混合邊界)，如圖2所示。

模型上邊界為地表，下邊界為第四系含水層地質(zhì)邊界，概化為隔水邊界。

圖2 模擬區(qū)邊界概化Fig.2 Simulation area boundary generalization

4.2 參數(shù)分區(qū)及匯源項處理

模型初始參數(shù)分區(qū)由地勘資料綜合第四系沉積環(huán)境得出(圖3)。

圖3 初值參數(shù)分區(qū)圖Fig.3 Partition diagram of initial value parameter

降水及灌溉屬垂向補(bǔ)給，用Recharge模塊處理，先為整個模擬區(qū)面賦值年平均降雨量165.87 mm，然后結(jié)合遙感影像圈劃出水作物與旱作物分區(qū)，分別面賦值補(bǔ)給強(qiáng)度468與252 mm/a；根據(jù)實際資料，用Drain模塊模擬研究區(qū)內(nèi)排水溝，排泄高程為1 210 m，單位面積水力傳導(dǎo)系數(shù)為14.9 m2/d；潛水蒸發(fā)由ET模塊處理，蒸發(fā)量為研究區(qū)多年平均值1 399.5 mm，地下水蒸發(fā)極限埋深設(shè)為5 m；人工開采井根據(jù)調(diào)查所得，用Well模塊進(jìn)行賦值計算。

4.3 模型識別及驗證

對2013年12月實測地下水位等值線和模型模擬水位線擬合(圖4)，模擬流場與實際流場基本吻合，且識別后的水文地質(zhì)參數(shù)也在合理范圍內(nèi)(圖5)。表明所建立的數(shù)學(xué)模型較為真實地刻畫了研究區(qū)地下水系統(tǒng)，可利用此模型進(jìn)行地下水模擬與預(yù)測。

圖4 模擬區(qū)地下水流場擬合圖Fig.4 Simulation area underground flow field fitting diagram

圖5 調(diào)整參數(shù)分區(qū)圖Fig.5 Adjust the parameter partition diagram

4.4 數(shù)值模擬計算結(jié)果

根據(jù)校正后的模型，計算出自然條件下的均衡情況(表3)。

表3 自然條件模擬區(qū)地下水均衡表Tab.3 Groundwater balance table in natural condition simulation area

在模型中加入集中開采井相關(guān)數(shù)據(jù)，從2014年6月開始開采，模擬期為10年(2013年6月至2023年6月)，計算得到開采條件下(2023年)的地下水均衡情況(表4)。

5 水均衡計算結(jié)果分析

通過水均衡法與數(shù)值模擬法計算結(jié)果可以看出，兩種方法均較好的評價了研究區(qū)不同狀態(tài)下的地下水均衡。兩種方法計算結(jié)果基本接近，加和平均得到自然與開采條件下各補(bǔ)給、排泄項水量對比表(表5)，分析可知，補(bǔ)給項中，開采條件下側(cè)向徑流增加，并且集中開采形成降落漏斗激發(fā)了黃河反補(bǔ)研究區(qū)地下水；排泄項中蒸發(fā)量與排水溝排泄量占比分別由25.74%、45.58%下降到3.59%、17.39%。表明研究區(qū)地下水補(bǔ)給方式與排泄途徑發(fā)生改變，地下水流場也有較大的變化，人類活動(開采條件)對區(qū)域地下水環(huán)境影響巨大。

表4 開采條件模擬區(qū)地下水均衡表Tab.4 Groundwater balance table in simulated area of mining conditions

表5 然與開采條件補(bǔ)給、排泄對比表Tab.5 Comparison of natural and mining condition recharge and excretion

6 結(jié) 語

本文同時應(yīng)用水均衡法與數(shù)值模擬法對水源地地下水人工開采前后地下水均衡態(tài)進(jìn)行了計算分析，兩種方法互為論證，取得了較好質(zhì)量的地下水均衡計算結(jié)果。

明晰水源地在兩種條件下各均衡要素量，有助于決策者更好地了解研究區(qū)水資源，為地下水資源的可持續(xù)開發(fā)利用提供數(shù)據(jù)支撐。分析了研究區(qū)水均衡態(tài)的變化情況，為研究區(qū)相關(guān)部門改進(jìn)現(xiàn)有水資源配置方案、平衡地下水采補(bǔ)等方面提供一定的參考依據(jù)。