黃河三角洲刁口河生態補水對地下水影響的模擬分析

黃河三角洲刁口河生態補水對地下水影響的模擬分析

彭勃1,葛雷1,王瑞玲1,劉波2,婁廣艷1,黃文海1

(1.黃河水資源保護科學研究院,河南 鄭州450004; 2.河海大學水文水資源學院,江蘇 南京210098)

摘要：針對2010年以來實施的黃河三角洲刁口河流路恢復過水及濕地生態補水措施,建立黃河三角洲刁口河流路及尾閭濕地地下水數值模型,模擬黃河三角洲刁口河流路及濕地補水前后地下水變化情況,評估刁口河恢復過流及尾閭濕地補水對區域地下水的影響。結果表明,刁口河恢復過水及尾閭濕地補水對地下水具有積極補給作用,在2010年、2011年、2013年生態補水期間,刁口河沿岸地下水滲漏量分別為10.2萬m`3/d、10.6萬m`3/d、9.2萬m`3/d,刁口河尾閭濕地周邊地下水滲漏量分別為1.4萬m`3/d、2.7萬m`3/d、1.03萬m`3/d;隨著地下水資源的補給,補水區及周邊地下水水位抬升明顯,刁口河沿岸及尾閭濕地周邊地下水抬升范圍分別為950～1100m和800～1100m,地下水位最大抬升幅度分別為60～80cm和35～46cm。

關鍵詞：尾閭濕地;生態補水;地下水水位;地下水數值模型;刁口河;黃河三角洲

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2015.05.001 10.3880/j.issn.1004-6933.2015.05.002

作者簡介:彭勃(1974—),男,高級工程師,主要從事水資源和水生態保護規劃研究。E-mail:pengbo@szybhj.yrcc.gov.cn

中圖分類號：X3

文獻標志碼：A

文章編號：1004-6933(2015)05-0001-06

Abstract：Based on the flow recovery of Diaokou River in Yellow River Delta and the ecological water supplement of wetland carried out since 2010,groundwater numerical models of Diaokou River and the tail wetland in Yellow River Delta are established,the phreatic fluctuation before and after water diversion period are simulated,and impacts of the flow recovery of Diaokou River and the ecological water supplement of wetland are evaluated. The result shows that the flow recovery of Diaokou River and ecological water supplement of tail wetland furnished the groundwater nearby. The infiltration of groundwater along the bank of Diaokou River was 10.2×10`4、10.6×10`4、9.2×10`4m`3/d and the infiltration of groundwater around the wetland was 1.4×10`4、2.7×10`4、1.03×10`4m`3/d in 2010,2011 and 2013,respectively. With the supplement of groundwater,the groundwater level raise occurred obviously in the supplied area and the areas around,the capture zone scope of groundwater ranged from 950 to 1100m and 800 to 1100m and the max uplift ranged from 60 to 80cm and 35 to 46cm along Diaokou River bank and in the adjacent tail wetland,respectively.

收稿日期：(2014-12-20編輯：彭桃英)

基金項目:江蘇省普通高校研究生科研創新計劃(KYZZ_0141)

Simulation analysis on effect of ecological water supplement on

groundwater in Diaokou River of Yellow River Delta

PENG Bo1,GE Lei1,WANG Ruiling1,LIU Bo2,LOU Guangyan1,HUANG Wenhai1

(1.YellowRiverWaterResourcesProtectionInstitute,Zhengzhou450004,China;

2.CollegeofHydrologyandWaterResources,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Key words： tail wetland; ecological water supplement; groundwater level; groundwater numerical model; Diaokou River; Yellow River Delta

刁口河故道是國家確定的黃河近期備用流路之一,其尾閭部分為黃河三角洲國家級自然保護區的重要生態保護區域,同時也是黃河三角洲高效生態經濟區的組成區域。然而自1972年斷流以來,由于水沙條件變化、海洋動力作用及人類活動的影響,刁口河地形地貌、自然形態和生態環境發生較大改變,出現了河口海岸蝕退、河槽萎縮、地下水含鹽量增加、濕地萎縮等一系列嚴重的生態問題,對黃河三角洲生態系統的穩定及區域社會經濟的可持續發展構成威脅。

為改善刁口河流路生態環境、高效管理和保護黃河入海備用流路,2009年7月,水利部黃河水利委員會做出了“啟用刁口河流路,實施生態調水”的決策。2010年6月,黃河水利委員會在黃河“調水調沙”期間開展了黃河三角洲生態調水及刁口河流路恢復過水試驗,至今已連續5年實施刁口河流路及尾閭濕地生態補水,取得了較為顯著的生態效果。2008年,范曉梅等[1]利用豎管法對黃河三角洲沉積物的滲透系數進行現場實驗測定;2010年黃翀等[2]利用水文模型SOBEK和地下水模型Visual Modflow對不同補水預案下濕地水文過程進行了模擬;2011年王新功等[3]采用調水前后實時監測遙感解譯及地下水模型模擬等方法,對2010年刁口河生態調水前后的植被、濕地、土壤含鹽量、地下水等因子進行了跟蹤評估分析。開展刁口河生態調水對地下水影響的評估研究,分析黃河三角洲刁口河流路及濕地補水前后地下水變化狀況及規律,評估刁口河恢復過流及尾閭濕地補水對區域地下水的影響,將為深化黃河三角洲生態調度,維持黃河三角洲生態系統良性循環,促進黃河三角洲高效生態經濟區可持續發展具有重要意義。

1研究方法及研究范圍

1.1研究方法

本研究使用Visual Modflow模型來模擬刁口河流路及尾閭區域周邊地下水的變化過程。收集、整理研究區有關資料,建立符合黃河三角洲實際的概念模型,在此基礎上建立相應的數學模型,再利用Visual Modflow軟件進行模擬,分析生態調水前后刁口河故道周邊地下水的變化及其尾閭濕地補水對周邊地下水影響程度,跟蹤評估黃河三角洲刁口河恢復過水及尾閭濕地生態補水對地下水的影響及其生態效應。

1.2研究范圍

選定現代黃河三角洲,即為以漁洼為頂點向東展開的扇狀三角洲,該洲陸上面積約為3000km2,包括黃河故道刁口河流路和現行清水溝流路。重點研究區是刁口河流路及尾閭濕地,即黃河三角洲刁口河沿岸2km、刁口河濕地恢復區及影響區2km范圍內。研究范圍及模擬重點區域詳見圖1。

圖1　研究模擬范圍及重點研究區范圍示意圖

研究區處在華北地臺新生坳陷的東南部,主要受新華夏構造體系和北西向構造的控制。自新生代以來,研究區地表以沉降運動為主,區內廣為第三系和第四系沉積物覆蓋,地貌上主要分為山前平原區和黃泛平原區。研究區屬小清河以北黃泛平原區,受地貌沉積物和構造條件制約,淺層地下水主要賦存于第四系上部的沖積海積層中的松散沉積物孔隙含水層中,粉砂和黏土質粉砂是地下水的賦存介質[4-5]。

2研究區生態調水期間地下水動態變化規律

研究區內地下水普遍埋藏較淺,約為0～5m。為掌握黃河三角洲地下水狀況及變化規律,中國科學院地理科學與資源研究所在黃河三角洲范圍內布設了20眼地下觀測井,進行水位及鹽度觀測。觀測井分布位置見圖2。

圖2　黃河三角洲地下水監測井分布示意圖

2.1生態調水情況

從2010年起,黃河水利委員會在黃河“調水調沙”期間開展了黃河刁口河流路恢復過水試驗,2010年、2011年、2013年刁口河共實施生態補水9847.19萬m3,每年補水時間及水量見表1。

表1　2010年、2011年、2013年刁口河生態

注：2013年刁口河總的生態補水量是2620萬m3。

2.2生態調水前后地下水動態變化分析

選取刁口河附近地下水觀測井(編號DZ11)監測數據對刁口河生態調水前后地下水動態變化進行分析。圖3描述的是2010年、2011年和2013年該觀測井在生態調水前、生態調水措施實施過程中和生態調水后的地下水水位隨時間的變化過程。分析時段選取為每年6月5日至8月31日。

圖3　刁口河生態補水前后地下水動態變化過程

分析生態調水前后刁口河周邊地下水動態變化規律,可知2010年、2011年和2013年3年的地下水水位隨時間的變化趨勢基本一致,且分析時段內水位總體呈現先下降后上升、整體下降的趨勢。調水結束后地下水水位基本都小于或等于調水前地下水水位。相比之下,2010年地下水水位波動較大,在補水結束后,地下水水位迅速下降;2011年地下水水位呈現明顯的波動性;2013年地下水水位具有明顯的突變點,大致在7月中旬——補水中期,地下水水位有明顯的下降趨勢。

補水前地下水水位的變化主要受降水、蒸發因素影響,2010年、2011年和2013年地下水水位的變化沒有明顯的一致性,主要受當年氣象條件的影響;補水期間,在補水和自然條件的共同作用下,2010年、2011年和2013年地下水水位呈現先上升后下降的趨勢,說明生態補水在一定程度上改變了研究區內地下水水流情況;補水結束后,研究區內地下水水位動態主要受氣象條件的影響,2010年、2011年和2013年地下水水位下降。

以上地下水動態變化過程是研究區內地下水均衡各要素發生變化的綜合反映,在分析時段內,該區域地下水為負均衡,含水層總排泄量大于總補給量,地下水水位在補水時緩慢上升保持在高水位,補水結束后地下水水位迅速下降。

同時,2011年、2013年與2010年相比,研究區各位置的地下水水位并沒有統一上升,說明該研究區的地下水水位主要受垂向作用較大,即受降水入滲和潛水蒸發的影響。而生態調水時間、調水規模以及補水范圍等有限,上年度生態調水滲漏補給影響區外的地下水,效果較小。

3黃河三角洲地下水模型構建及率定

3.1水文地質概念模型

表2　滲透系數和給水度分區

根據研究區現有的地質勘查成果,將土壤巖性由粉砂土突變成亞黏土的深度作為含水層的厚度(即所研究的含水層)。將研究區概化為潛水含水層,根據研究區的水文地質圖、綜合水文地質剖面圖等相關圖件,將滲透系數和給水度劃分為9個類型(表2)[6]。由于研究區地下水水位埋深較淺,刁口河過流一段時間后即與周邊地下水形成直接水力聯系;現行流路清水溝常年過流,河流與周邊地下水存在直接水力聯系,因此將河流對地下水的補給均概化為直接補給。將清水溝流路河床底滲透系數設為0.00167m/d,河床底沉積物厚度設為0.5m;刁口河流路河床底滲透系數設為0.0023m/d,河床底沉積物厚度設為0.3m。模擬區內地下水水流呈非穩定流狀態,將其概化成二維非穩定流,含水層為非均質各向同性,同一參數分區內視為均質,水流符合達西定律。根據研究區邊界的實際情況,將水流模型的邊界概化為二類邊界。研究區內地下水補給項主要包括降水入滲、地表水體入滲、側向補給,以及補水后濕地下滲補給;排泄項主要包括蒸散發、側向排泄以及部分河段地下水泄流量。

3.2地下水數值模型

根據上述地下水文地質概念模型,建立相應的地下水數值模型[7],利用Visual Modflow求解建立的數值模型。根據研究需要,黃河三角洲地下水模型剖分為100行×100列的矩形單元,在模型的重點模擬區,即刁口河尾閭濕地及現行流路南岸濕地處,將網格細分,經加密后,研究區網格分為152行×188列(圖4)。根據地下水水位觀測資料,運用SURFER軟件對研究區地下水的水位分布進行插值計算,得出模擬初始時刻的地下水流場,見圖5。

黃河三角洲地下水模型平面網格剖分

圖5　黃河三角洲地下水初始流場

3.3模型校正

根據黃河三角洲地下水動態監測數據,經過反復參數調整,對模型參數進行了率定,得到了較為理想的模型識別結果。選定2010年6月23日至2010年8月31日為模型的模擬校正時段,以2010年7月27日及8月31日(即模擬期第35天與第70天)為例,對各觀測點的計算值與實測值進行比較,見圖6。從模型結果來看,在第35天,各擬合點的絕對誤差為0.124m；第70天,各擬合點的絕對誤差為0.12m，由此計算第35天、第70天的標準化均方根分別為3.625%,8.225%,可以滿足模型的使用精度要求。

圖6　Visual Modflow模型計算值與實測值對比

同期,對2010年補水過程中地下水水位數據進行模擬,分別選取刁口河尾閭濕地保護區附近觀測點DZ11、現行流路南岸觀測點DZ06的水位擬合過程線見圖7。可見,在整個模擬期間,模擬的地下水位動態及水均衡特征與實際觀測情況較為一致,數值模型能夠較為真實地還原地下水水位的動態變化過程。

圖7　DZ11、DZ06水位觀測值和計算值擬合過程線

4研究區生態調水對地下水影響的模擬分析

應用地下水數值模型,針對2010年、2011年、2013年的補水過程,對黃河三角洲刁口河流路及尾閭濕地恢復區生態補水過程進行了全過程模擬。根據地下水數值模擬結果,在3年補水過程中,刁口河生態補水對地下水的日均河道滲漏量分別為10.2萬m3、10.6m3萬和9.2萬m3,刁口河尾閭濕地生態補水對地下水的日滲漏量分別為1.4萬m3/d、2.7萬m3/d和1.03萬m3/d，可見,黃河三角洲刁口河流路及尾閭濕地恢復區的生態補水對刁口河及尾閭濕地周邊地下水具有積極補給作用。

4.1刁口河生態調水對周邊地下水水位的影響

刁口河沿岸地下水在補水期間受河流滲漏補給,地下水水位隨之提升。根據地下水模型模擬結果(圖8)可知,補水對刁口河沿岸的地下水水位抬升效果顯著,且距離河道越近水位抬升越明顯。其中2011年刁口河補水對地下水水位的抬升影響最明顯,最大抬升幅度為80cm;2010年為首次補水,河流日滲漏量相對2011年要小,地下水水位的抬升幅度次之,最大抬升幅度為75cm;2013年無論補水量和補水時間均居最末,相應的地下水水位抬升作用最小,但最大抬升幅度也達到了60cm。

圖8　刁口河生態補水后地下水水位變化

由于三角洲地區沉積物顆粒較細、含水層滲透系數較小,河流過流對沿岸地下水的影響是有一定范圍的。模型分析結果表明,2013年刁口河生態補水期間,在距刁口河300m范圍以內地下水水位抬升比較明顯,水位增幅超過20cm,但其后水位的抬升作用迅速減弱;在距刁口河950m處,過水前后地下水水位差已小于5cm,地下水水位的抬升作用已不明顯,所以,2010年刁口河過流對沿岸地下水的影響范圍約為950m。同理推算2010年、2011年刁口河過流對沿岸地下水的影響范圍約為1000m、1100m,歷年生態調水對沿岸地下水水位的影響范圍基本一致,差別在200m范圍以內。由于2013年調水量為歷年中最小,歷時最短,影響范圍相應最小;2010年為刁口河多年斷流后首次過水,且歷時較長,地下水水位響應較為顯著;2011年為刁口河斷流后第二次全線過流,調水量大,歷時較長,且有2010年的調水基礎,因此地下水水位的響應最為顯著,影響范圍最大。

4.2刁口河尾閭濕地生態補水對周邊地下水水位的影響

根據地下水模型模擬結果及 2010年、2011年和2013年地下水水位響應圖(圖9)可知,2011年刁口河尾閭濕地生態補水對地下水水位的抬升影響最明顯,最大抬升幅度為46cm;2010年是首次開展刁口河恢復過水及尾閭濕地生態補水,為試驗性生態調水,調水量及補水量較小,濕地日滲漏量相對2011年較小,對周邊地下水水位的抬升作用相對較弱,最大抬升幅度為40cm;2013年刁口河生態調水量及尾閭濕地補水量最小,相應地對周邊地下水水位的抬升作用相對最小,但最大抬升幅度也達到了35cm。

圖9　刁口河尾閭濕地生態補水與 不補水周邊地區地下水水位對比

由于生態恢復區沉積物顆粒較細,含水層滲透系數較小,刁口河尾閭濕地補水對周邊地下水的影響是有一定范圍的。根據模型模擬數據結果,2013年刁口河尾閭濕地補水期間,在距濕地生態補水區300m范圍以內地下水水位抬升比較明顯,水位增幅超過10cm,但其后水位的抬升作用迅速減弱,在距生態恢復區800m處,恢復過水措施約2個月后,實際過水條件下的地下水水位與不過水條件下差別已不足5cm。 2013年生態恢復區補水對沿岸地下水的影響范圍約為800m,2010年、2011年生態恢復區蓄水對沿岸地下水的影響范圍分別約為1000m、1100m。3次濕地生態補水對周邊地下水水位的影響范圍基本一致,差別在300m范圍以內。2011年生態調水量最大,濕地日滲透補給量最大,因而調水對地下水的影響范圍最大;2010年為首次試驗性調水,濕地日滲透補給量較小,因而調水對地下水的影響范圍相對較小;2013年濕地日滲透補給量最小,故調水對地下水的影響范圍最小。

5結語

黃河三角洲刁口河生態補水是為改善刁口河流路生態環境、逐步恢復刁口河流路輸水輸沙功能而實施的一項重大治黃實踐活動,取得了較為顯著的生態環境效果。本研究以2010年以來實施的黃河三角洲刁口河流路恢復過水及濕地生態補水為基礎,建立了黃河三角洲刁口河流路及尾閭濕地地下水數值模型,模擬了刁口河及尾閭濕地補水前后地下水變化狀況,結果表明:

a. 刁口河及尾閭濕地生態補水對周邊地下水具有積極補給作用,在2010年、2011年、2013年生態補水期間,刁口河沿岸地下水滲漏量分別為10.2萬m3/d、10.6萬m3/d、9.2萬m3/d,刁口河尾閭濕地周邊地下水滲漏量分別為1.4萬m3/d、2.7萬m3/d、1.03萬m3/d。

b. 隨著刁口河及尾閭濕地水資源的補給,一定范圍內的地下水水位抬升明顯。其中刁口河補水對沿岸地下水的抬升影響范圍在950～1100m之間,地下水水位最大抬升幅度在60～80cm之間,與河道距離越遠,地下水水位抬升幅度越小;刁口河尾閭濕地生態補水對周邊地下水水位抬升影響范圍在800～1100m,地下水水位最大抬升幅度在35～46cm之間。

c. 根據模型分析結果可知,影響黃河三角洲地下水的首要因素仍為降雨,但生態補水成為汛期穩定高效補充地下水的有益措施。隨著多年持續不斷的補水,刁口河尾閭濕地生態環境得到修復,兩岸生態惡化趨勢得到一定程度的遏制,黃河三角洲尾閭生態狀況得到顯著改善[8]。

d. 黃河三角洲地下水流數值模型較好地實現了對黃河三角洲地下水動態模擬,所得數據可以滿足黃河三角洲地下水研究要求,為開展刁口河補水的生態效益分析提供了有力支撐。

由于研究區內地下水埋深較淺,在補水的作用下地下水水位抬升明顯,在夏季蒸發強烈的作用下,有可能在補水結束后引起地下水中鹽分上升并在地表聚集,加重研究區內土壤鹽漬化,然而受資料限制,暫時未能對其進行研究分析,這將是下一步研究的重點。

參考文獻：

[1] 范曉梅,劉高煥,束龍倉,等.黃河三角洲沉積環境和沉積物滲透系數的現場實驗測定[J].水資源與水工程學報,2008(5): 6-10.(FAN Xiaomei,LIU Gaohuan,SHU Longcang,et al.Field measuring the hydraulic conductivity of different sedimenta in Yellow River Delta[J].Journal of Water Resources & Water Engineering,2008(5):6-10.(in Chinese))

[2] 黃翀,劉高煥,王新功,等.不同補水條件下黃河三角洲濕地恢復情景模擬[J].地理研究,2010(11): 2026-2034.(HUANG Cong,LIU Gaohuan,WANG Xingong,et al.Scenario simulation of wetlands restoration in the Yellow River Delta[J].Geographical Research,2010(11):2026-2034.(in Chinese))

[3] 王新功,王瑞玲,劉波,等.黃河三角洲刁口河生態調水效果評估研究[J].水利水電技術,2011,42(11): 17-21.(WANG Xingong,WANG Ruiling,LIU Bo,et al.Study on evaluation of effect from eco-water supplement to Diaokouhe River in Yellow River Delta[J].Water Resources and Hydropower Engineering,2011,42(11):17-21.(in Chinese))

[4] 李勝男,王根緒,鄧偉,等.黃河三角洲典型區域地下水動態分析[J].地理科學進展,2008(5): 49-56.(LI Shengnan,WANG Genxu,DENG Wei,et al.Variations of groundwater depth in Yellow River Delta in recent two decades.[J].Progress in Geography,2008(5):49-56.(in Chinese))

[5] 安樂生,趙全升,葉思源,等.黃河三角洲淺層地下水化學特征及形成作用[J].環境科學,2012,33(2): 370-378.(AN Lesheng,ZHAO Quansheng,YE Siyuan,et al.Hydrochemical characteristics and formation mechanism of shallow groundwater in the Yellow River Delta[J].Environmental Science,2012,33(2):370-378.(in Chinese))

[6] 婁廣艷,范曉梅,張紹峰,等.黃河三角洲不同補水方案下地下水水位及水均衡影響研究[C]//第三屆黃河國際論壇論文集.鄭州:黃河水利出版社,2008.

[7] 薛禹群.地下水動力學 [M].2版.北京:地質出版社,1997.

[8] 葛海燕.刁口河尾閭黃河三角洲自然保護區生態補水效果評估[J].山東林業科技,2012(5):34-36.(GE Haiyan.Evaluation of effects on water supplement on Yellow River Delta Nature Reserve in lower reaches of Diaokou River[J].Journal of Shandong Forestry Science and Technology,2012(5):34-36.(in Chinese))