三江平原虎林灌區地下水開采致水位變化分析

趙子龍，劉正茂，韓　雪，馬大男

(1.黑龍江農墾勘測設計研究院，哈爾濱 150090；2.黑龍江科技大學，哈爾濱 150022)

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三江平原虎林灌區地下水開采致水位變化分析

趙子龍1，劉正茂1，韓雪2，馬大男2

(1.黑龍江農墾勘測設計研究院，哈爾濱 150090；2.黑龍江科技大學，哈爾濱 150022)

摘要：以三江平原虎林灌區為例，根據現有的農業灌溉取水工程布置方案，運用Processing Modflow軟件對未來10 a的地下水位狀況進行數值計算，預測10 a后該區地下水水位情況。結果表明：10 a后模擬區承壓水流場的整理形態和地下水流發生了較大改變，第四系承壓水整體變化不大，局部中間地帶出現了地下水降落漏斗，漏斗最深達3.6m。為區域生態綠色可持續發展，建議減小地下水開采，充分利用地表水資源，做到地表水與地下水聯合調度。本研究為今后該區的農業灌溉取水工程合理化布井提供重要依據。

關鍵詞：三江平原；農業灌溉；地下水；水位變化；數值計算

0引言

三江平原從20世紀后半葉至今，大力發展了“旱改水”政策，水稻面積從最初的26.67 萬 hm2發展到173.33 萬 hm2。在“旱改水”過程中，農業灌溉對地下水的開采量與日俱增，致使很多地區出現了地下水位降落漏斗，并且漏斗面積逐年擴大，甚至出現地面沉降等地質災害現象。這不僅對工、農業生產產生了嚴重影響，同時也對人們的生活產生了嚴重影響。

因此，對區域地下水開采導致的水位變化進行預測，對預測結果進行分析，必要時采取改善生態環境的措施，具有重要的理論意義和現實意義，為促進區域環境綠色可持續發展作出貢獻[1-2]。

本文以三江平原虎林灌區為背景，在勘測該區域水文地質、工程地質條件的基礎上，根據現階段該區農業灌溉取水工程布置情況，運用Processing Modflow軟件建立地下水三維數值模型，對10 a后的地下水位進行數值計算，預測該區地下水位變化[3]，為今后的農業灌溉開采地下水工程提供理論指導和依據。

1虎林灌區概況及水文地質條件

虎林灌區位于黑龍江省虎林市境內，烏蘇里江上游左岸，隸屬于虎林市和黑龍江省農墾總局牡丹江分局八五四農場。灌區的范圍為：北以阿布沁河為界，南至穆棱河，西與慶豐農場接壤，東至烏蘇里江沿岸的珍寶島濕地自然保護區。全區總土地面積478 km2，區內現有耕地37 340 hm2，其中：水田14 600 hm2(均為井灌)，旱田22 740 hm2。灌區設計水田面積達到34 440 hm2，工程規模大(2)型，為提水灌區，主要水源為烏蘇里江[4-5]。

虎林灌區大地構造屬老爺嶺地塊佳木斯隆起帶虎林新斷陷。構造層屬喜馬拉雅第三構造壓層。本區古、中生代、長期裸露，到新生代始新開始斷塊下陷形成斷陷盆地。新構造運動具有明顯的承性，是在第三紀發展起來的與幼斷盆地內堆積了很厚的新生代沉積，第四紀在邊緣部分轉為上升，幅度較小，其它部分在下降。

地下水位變化較明顯，由北向南逐漸變淺，平原區地下水埋深4～8m。由于地下水埋藏較淺，因此，本區地下水不參與成澇因素，地下水化學類型主要為重碳酸鹽類水，即重碳酸—鈉鈣鎂型水，礦化度在0.03～0.26g/l。屬低礦化淡水，pH值在6.20～7.5，為適宜農業灌溉用水，詳見表1所示。

表1　典型區水文地質特征表

由于灌區內當地徑流無法利用，而過境水又無水源及輸水工程，在水稻利益的驅動下，近年來水田面積迅速發展，不得不開采地下水，致使當地的地下水嚴重超采，超采量為4 154 萬 m3，從而破壞了地下水動態平衡。由于地下水位的下降，灌溉期抽不上水，農業用水得不到保證，致使水稻產量低。從水資源利用可見當地因蓄水條件地表水資源為充分利用，而過境水資源因缺少水源工程、骨干工程及田間配套工程，致使過境水不能充分利用。水資源結構性供需矛盾未能有效緩解[6]。

2數值計算

2.1水文地質概念模型及概化

本文采用Processing Modflow軟件建立模型，模擬區的地質年代屬于前第四系是由太古界的麻山群、黑龍江群、古生界二迭系、中生界侏羅、白堊系和新生界第三系組成。模擬區地下水類型為第四系孔隙潛水或弱承壓水，含水層組成巖性為細砂、中粗砂及砂礫石，厚度>50m；地下水水位埋深4～8m，富水性強，單井涌水量3000m3/d。模擬區地層共分為五層，第一層土層為0～5m灰黃色的亞黏土，土層厚度為5m；第二層土層為5～7.6m灰綠黃色的淤泥質黏土,厚度為2.6m，為不含水土層；第三層土層為7.6～17.4m灰黃色的細砂，細砂夾中粗砂，土層厚度為9.8m，土層含水飽和；第四層土層為17.4～40.2m灰白及灰色的砂礫石，土層厚度為22.8m，土層含水飽和：第五層土層為40.2～51.5m灰綠灰黑色的淤泥質黏土，土層致密，不含水，見圖1所示。

圖1模擬區地層巖性圖

模擬區在垂直方向上，模擬區可以概化為3層，第一層為淺部弱潛水含水層位于承壓含水層頂部，該層厚度為7.6m，是0～7.6m為亞黏土和淤泥質黏土層，不含水，其滲透性差，概化為隔水邊界；第二層為承壓含水層，該層厚度為32.6m，是7.6～40.2m為細砂和砂礫石層，含水飽和；第三層為淤泥質黏土的不透水層分布于承壓含水層底部，該層厚度為11.3m，是40.2～51.5m的淤泥質黏土層，致密不含水，其滲透性差，概化為隔水邊界。

2.2邊界條件

在地表水系上，虎林灌區鄰近及內部河流都屬于烏蘇里江流域，灌區主要水源為烏蘇里江干流，其他主要河流有穆棱河、七虎林河和阿布沁河。灌區北以阿布沁河為界，南至穆棱河，西鄰慶豐農場，東至烏蘇里江沿岸的珍寶島濕地自然保護區。北部、南部均為虎林灌區的分水嶺，可以概化為定水頭邊界；西部為慶豐農場平原區，淺層地下水不與外界進行水流交換，可概化為隔水邊界；東部以烏蘇里江為界，常年地下水位變化不大，可視為定水頭邊界；中部七虎林河河流穿越，通過系統分析表明，七虎林河為模擬區的優勢河流，可視為河流邊界，見圖2所示。

圖2　區邊界條件概化圖

2.3源匯項

灌區地下水補給來源，主要接受大氣降水入滲補給、農田灌溉回滲補給及阿布沁河、穆棱河、七虎林河和烏蘇里江滲漏補給。工農業及生活用水開采、淺層含水層的蒸發，越流排泄及植物蒸騰排泄是本區地下水的主要排泄方式。其中入滲和蒸發通過recharge程序包和蒸發包處理，人工開采在模型中以開采井的形式給入[7]。

2.4時空離散化

模型離散化包括水平方向上的網格離散化和垂向上的網格離散化。研究區域為平原農田灌溉區，平面范圍為3000×4000m2，垂直深度設定為50m，建立地下水流含水層離散化模型；對研究區采用矩形網格劃分，在平面方向上：按照50m×50m進行等距劃分，將研究區剖分成60行，80列，在平面圖上可劃分形成4800個矩形網格單元。在垂直方向上：根據前面設定的概念模型，將研究區在縱向深度剖分成3層[8]。

3數值計算及結果分析

基于數值模擬軟件Processing Modflow，建立了虎林灌區的地下水三維水流運移模型。模擬了2015年到2025年的地下水位變化及水流動態變化趨勢，對研究區地下水位動態趨勢及地下水開采引起的地面沉降進行預測，預測十年后2025年的各含水層水位變化，分10個時段，3600個時間歩長，得到模擬區地下水位線等值線圖與地面沉降量等值線圖[9]。

2026年模擬區第一含水層地下水位與2015年相比下降明顯，中心區水位為47.8m，最低水位為46.4m，水位呈現中間低向四周逐漸升高的趨勢，且水力坡度較大，見圖3示。與初始水位相比較，地下水位下降最大值達到了3.6m。

圖3　2026年模擬區第一含

2026年模擬區第二層承壓水含水層中心區水位較2015年水位有所下降，局部井灌式開采水量減小，最低水位46.8m，且水力坡度減緩，而江河兩側水位最大值為48.8m，與初始水位相比較，地下水位下降最大值達到了3.2m，見圖4示。

2026年模擬區第三層弱透水層中心區水位線為47.6m，較2015年末水位下降明顯，最大降深達到3.3m，而中心區的沉降值變化明顯，江河周邊地帶沉降量相對較小，沉降坡度從北到南逐漸降低，見圖5示。

圖4　2026年模擬區第二含

圖5　2026年模擬區第三含

綜合上述3個含水層水位等值線云圖，可知模擬區經過10年地下水開采，與初始水位相比，水位降深最大值為3.6m，分布不均勻，地下水位等值線中間地帶呈現出多處波谷，局部地下水位降深嚴重，整體上水位變化不大。地下水主要通過河流的入滲補給，且水位呈現北高南低的趨勢。

3結語

本文以三江平原虎林灌區為例，通過調查該區域水文地質條件及現階段該區農業灌溉取水工程布置方案，運用Processing Modflow軟件建立地下水三維數值模型，對未來10 a后的地下水位進行計算，預測該區地下水位變化情況。結果顯示：在現有的工程規模下經過10 a對地下水的開采，承壓水流場的整體形態和地下水流發生了較大改變，導致該區域地下水位下降，形成地下水降落漏斗，在模擬區域中間地帶出現了較大的水位降深，漏斗最深達到3.6m，且呈現北高南低的趨勢，第四系承壓水整體變化不大。由于承壓水的封閉性較好，水資源再生能力較差，因此，建議對承壓水的開采量不應超過承壓水的補給資源量，減小地下水開采量，充分利用地表水資源，做到地表水與地下水的聯合調度。為今后虎林灌區的農業灌溉發展提供一定的理論指導和依據。

參考文獻：

[1]周宇渤.三江平原地下水循環環境演化研究[D].吉林大學,長春：2011.

[2]劉殿偉.過去50年三江平原土地利用/覆被變化的時空特征與環境效應[D].吉林大學,長春：2006.

[3]蔣秋香,付強,王子龍.三江平原水資源承載力評價及區域差異[J].農業工程學報,2011,27(09):184-191.

[4]劉正茂,夏廣亮,呂憲國,陳志科.近50年來三江平原水循環過程對人類活動和氣候變化的響應[J].南水北調與水利科技,2011(01):68-74.

[5]徐夢瑤,梁秀娟,王益良,李強,姜佳浹.三江平原地下水循環演化特征[J].人民黃河,2012(02):63-65.

[6]路瑞利,方樹星,王紅雨.基于Modflow的某水源區地下水開采三維數值模擬 [D].武漢大學,2011(05):618-623.

文章編號：1007-7596(2016)04-0140-04

[收稿日期]2016-03-29

[基金項目]黑龍江省自然科學基金項目(E201462)

[作者簡介]趙子龍(1989-)，男，碩士研究生，助理工程師，從事水文與水資源方面研究；劉正茂(1973-)，男，湖南雙峰人，高級工程師。

中圖分類號：TV213.4

文獻標識碼：B