地表水與地下水水循環要素模擬模型初步研究——以松嫩平原為例

周光濤

科技成果

(黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱 150080)

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地表水與地下水水循環要素模擬模型初步研究
——以松嫩平原為例

周光濤

科技成果

(黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱 150080)

摘要：松嫩平原是黑龍江省的重要糧食產地，是水資源的重要利用區，文章通過建立松嫩平原地區地表水和地下水水循環要素模型，對水資源配置后地表水和地下水開發利用的合理性進行分析論證。

關鍵詞：松嫩平原；供需平衡；模型；水資源配置

松嫩平原位于黑龍江省西部，以完整的水資源分區確定的松嫩平原(下同)地理坐標E44°4′～51°38′、N122°28′～128°43′，北及東北起自大、小興安嶺山脊，南至松花江干流和吉林省邊界，西與內蒙自治區的呼倫貝爾盟及吉林省接壤，東以呼蘭河慶安縣和岔林河、枷板河、阿什河、拉林河及螞蟻河流域分水嶺為界。全區土地總面積16.24 萬 km2，占全省面積的35.7%，其中平原區面積為11.88 萬 km2，占全區總面積的73.1%；山區及丘陵區面積為4.36 萬 km2，占全區總面積的26.9%。區內河流主要為嫩江流域及松花江干流上游段，主要河流有嫩江干流及其支流臥都河、固固河、門魯河、科洛河、訥謨爾河、烏裕爾河、雙陽河、諾敏河、阿倫河、音河、雅魯河、綽爾河；松花江干流及其支流阿什河、拉林河、呼蘭河等共計17條主要河流。

松嫩平原鹽堿化土地面積較大，是世界上三大片蘇打鹽堿地集中分布地區之一，而且重度鹽堿化土地面積仍以每年1.4%的速度擴展；于此同時，松嫩平原地區為黑龍江省的重要糧食產地，是水資源的重要利用區，研究掌握其地表水、地下水轉化規律，建立這個地區的水循環要素模型有重要的意義。

1基本原理

地表水、地下水轉化及水資源配置模型是個復雜的二元結構模型系統, 文章針對由河網、湖泊、水庫、沼澤等地表水和地下水構成的復雜而完整的水循環系統, 研究影響水資源利用保護的主要因素, 建立地表水、地下水聯合水資源配置的多目標模型, 在不同的工程條件下, 對不同的需水方案進行供需平衡分析, 提出不同水平年的水資源合理配置方案。供需平衡模擬應體現區域內地表水、地下水頻繁轉化的特點, 并能概化反映河道滲漏、泉水出溢、潛水蒸發、渠系入滲、田間入滲、人工開采等平衡要素[1]。

模型系統主要包括： ①地下水均衡模型；②地下水有限元計算模型；③供需平衡及水資源配置模型等。其中地下水均衡模型用于不同水資源配置方案地下水的補給、排泄平衡計算；地下水有限元計算模型主要用于分析地下水流場的變化規律；供需平衡及水資源配置模型用于灌區水資源供需分析及地表水、地下水聯合配置方案計算。單元地表水、地下水二元結構模型概化見圖1。

圖1　區域地表水、地下水二元結構模型概化圖

2數學模型的建立

2.1建模依據

建模的主要依據為“水量平衡 ”這一基本原理， 在較大范圍的區域性平原區地下水資源評價中，由于水文地質條件和影響因素復雜，因此多采用水量均衡法。對于某獨立的水文地質單元來說, 在補給量和排泄量不平衡的發展過程中, 任一時段的補給量和排泄量之差, 等于其內部水體的變化量。基本方程為：

±μFΔH/ΔT=(Q入-Q出)+(W補-W排)

(1)

式中：μ為區內含水層的平均給水度;F為均衡區含水層的面積;ΔT為時段(或均衡期);ΔH為在ΔT時段內水位的平均變幅;Q入、Q出分別為地下水側向流入、流出量；W補、W排分別為垂直補給量、排泄量。

以為計算分區, 進行均衡區地下水補給項、排泄項的計算。建立數學模型：

(q山前側入+ q河+ q側入+ q降凝+ q渠+ q田+ q回補)

-( q蒸+ q側出+ q泉+ q開采)=Δw

(2)

式中：q山前側入為山前側向入滲量；q河為河道入滲量；q側入為斷面側向入流量；q降凝為降水及凝結水入滲量；q渠為渠系水入滲量；q田為田間水入滲量；q回補為工業、生活用水回補入滲量；q蒸為潛水蒸發及植物蒸騰量；q側出為斷面側向出流量；q泉為泉水出溢量；q開采為人工開采量；Δw為地下水均衡差。水量單位均為億m3。

2.2計算均衡要素

2.2計算均衡要素

1)降水凝結水入滲量q降凝。q降凝受次降水量、地下水埋深、土壤性質、雨強及前期土壤含水量的影響。采用公式q降凝=Fα計算。其中F為有效降雨入滲面積，按不同地下水埋深計算；α為降雨入滲系數，與地下水埋深有關，不同埋深采用不同系數。

2)潛水蒸發蒸騰量q蒸。潛水蒸發蒸騰是指地下水通過毛細作用上升到地表面蒸發損失的水量，其大小與地下水埋深、土壤土質結構及植被情況有關。采用公式q蒸=Fαβ計算。其中：F為有效蒸發面積，按不同地下水埋深計算；α為蒸發系數，與地下水埋深有關，不同埋深采用不同系數；β為裸區與灌區蒸發強度折算系數。

3)河道入滲量q河。一般情況下，按單元滲漏率或輸水量的百分數計算。

4)渠系水入滲量q渠。渠系水入滲指灌區引水在渠道輸水過程中，因渠系滲漏而入滲補給地下水。計算模型為：q渠=q引(1-α)(1-β)

式中：q引為灌區渠首引水量；α為渠系水利用系數，包括干、支、斗渠綜合系數；β為包氣帶消耗系數。

5)田間水入滲量q田。q田按下式計算：q田= q灌(1-α)(1-β)

式中：q灌為進入田間的供水量；α為田間水的利用系數；β為包氣帶消耗系數。

6)斷面側向入流及出流量q側。山前側滲補給、斷面側入和側出均按達西定律計算，即q側=TBIsinα

式中：T為導水系數；B為斷面寬度；I為水力坡度；α為地下水流向與斷面夾角，根據等水位線量算。

7)泉水出溢量q泉。區域內泉水出溢主要分布在洪積扇緣的泉溝和河流的河道，對其線、點狀量模擬非常困難，故模型開發中按面狀考慮。即：q泉=Fα。其中F為泉水出溢面積，根據當地水文地質部門調查資料確定泉水出溢區，假定地下水埋深3m以內均為泉水出溢面積；α為單位面積泉水出溢強度。

8)人工開采量q開采及工業、生活用水回補滲量q回補。人工開采量考慮開采能力和允許可開采量限制；工業、生活用水主要為人工開采地下水，按排水量回補入滲系數計算入滲量，與人工開采量綜合考慮。

2.3地下水數值計算模型

1)水文地質條件概化：模型區地下水的主要補給來源是河水、渠系水、田間水的垂直入滲，而泉水溢出、蒸發和人工開采是主要排泄方式。模型區周邊皆為二類流量邊界。山區邊界沿山前大斷裂分布，流入量主要為基巖裂隙水側向流入和河谷潛流。

2)數學模型的概化：模型區南半部地下水為潛水、北半部存在承壓水，宜采用潛水—承壓水數學模型。鑒于區域內均有不同程度的地下水開采，特別是嫩左低平原區，地下水已經超采近120%。地下水模型概化為非均質各向同性二維流潛水模型。

(3)

式中：h為含水層水位標高，m；b為含水層底板標高，m；k為含水層滲透系數，m/d；μ為含水層給水度；Wb為各補給項強度之和，m3/(km2·d)；Wp為各排泄項強度之和，m3/(km2·d)；q為流量邊界單寬流量，m3/(m·d)；г2為流量邊界代號；n為邊界上的內法線方向。

2.4定解條件

1)有限元剖分：采用三角剖分法將模型計算區剖分為三角形單元，進行單元編號和節點編號，區分內節點、邊界節點。模型區供剖分為1194個單元、其中內節點629個、邊界節點565個。

2)參數分區：模型區涉及到的水文地質參數主要為滲透系數k、給水度等。根據區域地質條件及前期研究成果進行參數分區，模型區參數取值范圍：k值為0.1～150m/d，μ值為0.1～0.35。為便于計算，參數分區邊界大體以水系輪廓為基礎，按不同埋深劃分為30個參數區。

3)初始流場：以2012年水位統測結果為基礎，結合地下水動態長期觀測資料，繪制1月份等水位線圖為初始流場。

4)源匯項處理：計算區地下水主要靠河水、渠系水、灌溉水、降水凝結水入滲及便捷流入補給。消耗于蒸騰蒸發、泉水溢出和人工開采。有關參數的選取主要依據多年來區域內有關研究報告和水利部門研究成果，地下水補、排量由均衡計算求得。

模型區屬區域性模擬計算區，范圍巨大，區內農業發達，干支渠密布，區內河流干流因水庫眾多，因此將河水入滲、渠系水入滲、灌溉水入滲、降凝水入滲、蒸騰蒸發和人工開采量均處理為面狀量，按各小區域不同埋深均衡計算結果，以單位面狀量表示。

2.5供需平衡及水資源配置模型

基于上述地下水均衡模型、地下水數值計算模型、以滿足最嚴格三條紅線確定的區域用水為基本約束，以小流域為單元，對地表水來水、泉水出溢、地下水開采量進行聯合配置，分析各區的供需狀況、耗水狀況，對松嫩平原各重要控制斷面進行水量平衡。

2.6率定參數

根據松嫩平原各區現狀供用水情況，并結合地下水2012年各觀測點實測水位成果，松嫩平原各區地表水及地下水模擬結果，見表1。

通過對各區建立模型，可以看出各區供水量計算中地下水和地表水供水量與實際比較符合，與區內實測地下水觀測點資料對比，潛水水位擬合差均在0.5m以內，且初始流場與計算流場一致。

從檢驗結果可以看出，模擬計算共15次，誤差在10%以內，符合《水文情報預報規范》定的計算標準，模型較好的反應了地下水變化的實際情況和各區的供用水情況，可用于松嫩地區地下水位變化的預測和地表水、地下水聯合水資源配置。

3模型應用

根據上述構建的模型參數，以及松嫩平原規劃水平年需水成果,根據本次推薦水資源配置方案，模擬河道滲漏、泉水出溢、潛水蒸發、渠系入滲、田間入滲、人工開采等平衡要素變化情況，模擬成果見表2。

松嫩平原的水資源總量為226.2 億 m3，其中多年平均地表徑流量155.5 億 m3，地下水可開采量81.7 億 m3。由表3～6可知，本次資源配置后，總供水量159.35 億 m3，其中地表水供水量111.68 億 m3，地下水供水量46.68 億 m3，扣除引提過境水供水量，內河流域水資源開發利用程度為38.06%，平原區地下水開發利用程度57.14%。地表水和地下水的開發利用程度較為合理，且將觀測點潛水埋深與現狀對比可以看出，潛水層深度也達到較適宜深度。

表1　松嫩平原供水水源模擬成果表　億m3

表2　水資源配置模擬成果表　億m3

4結語

1)松嫩平原地區的地表水和地下水之間有規律、大數量、反復的轉化過程反映了水循環系統的復雜性，也反映了地表水與地下水之間不可分割的內在聯系，松嫩平原地區是黑龍江省西部的重要糧食產地，是水資源的主要利用區，研究掌握其地表水地下水的轉換規律，可成為本地區水資源開發利用和保護的基礎。

2)文章中建立的地表水和地下水循環模型，可以對不同水資源配置方案情況下的地表水開發利用程度和地下水開采進行預測，從而分析方案配置的合理性，對松嫩平原地區的水利工程開發建設具有一定的指導意義。

參考文獻：

[1]李福生，侯紅雨.黑河中游地表水、地下水轉化及水資源配置模型[J].人民黃河，2008，30(08)：64-66.

Preliminary Research of Water Circle Elements of Surface-water and Groundwater in Songnen Plain

ZHOU Guang-tao

(Heilongjiang Provincial Water Conservancy & Hydroelectric Power Investigation,Design and Research Institute, Harbin 150080, China)

Abstract：The Songnen plain is an important grain production origin and the important use area in Heilongjiang Province. By building the surface-water and groundwater circle model in the Songnen plain, this paper is to analyze and discuss the reasonability of surface-water and groundwater development and use after the allocation of water resources.

Key words：Songnen plain;balance of supply and demand;model;allocation of water resources

中圖分類號：P641.8；TV213.4

文獻標識碼：B

[作者簡介]周光濤(1979-)，男，山東蓬萊人，高級工程師。

[收稿日期]2015-10-28

文章編號：1007-7596(2016)01-0001-04