大沽河攔河閘壩影響下平原區地下水資源評價

劉貫群， 王 婷， 黃修東， 周書玉， 徐 棟， 岳彩東

(1.中國海洋大學海洋環境與生態教育部重點實驗室 山東 青島 266100；2.中國海洋大學環境科學與工程學院 山東 青島 266100；3.中國海洋大學山東省海洋環境地質工程重點實驗室，山東 青島 266100；4.青島水文局，山東 青島 266071)

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大沽河攔河閘壩影響下平原區地下水資源評價

劉貫群1,2,3， 王 婷2， 黃修東4， 周書玉2， 徐 棟2， 岳彩東2

(1.中國海洋大學海洋環境與生態教育部重點實驗室 山東 青島 266100；2.中國海洋大學環境科學與工程學院 山東 青島 266100；3.中國海洋大學山東省海洋環境地質工程重點實驗室，山東 青島 266100；4.青島水文局，山東 青島 266071)

近年來大沽河干流上新建和加固攔河閘壩，對河道進行疏浚挖泥挖沙，河床下弱透水層變薄，甚至有的河段無弱透水層，河流直接補給地下水，這都會使大沽河地表水對地下水的補給量發生變化。本文根據大沽河調水實測資料，建立了大沽河平原區地下水數值模型，利用模型計算了大沽河對地下水的補給量，并預測了連續豐、平、枯水年的地下水資源量。研究結果表明：河床下存在弱透水層的河段，入滲補給初期河流補給量較大，隨著地下水位上升，入滲補給量逐漸減小；直接補給地下水的河段河流迅速補給地下水，補給量很大，之后河流水位與地下水位相差很小，河流補給量很小。在現狀開采條件下，改增建攔河閘壩后，豐、平和枯水年河流對地下水的補給量比之前分別增加了135%、123%和100%，地下水可開采量分別為11722×104、9338×104和8219×104m3/a。

大沽河平原區；地表水與地下水相互作用；數值模擬；地下水資源

隨著用水量的增加，地下水成為工農業和城市用水的重要來源。地下水作為水循環的一部分，與地表水相互聯系[1-2]。從1960年代開始，人們開始重視對地下水與地表水相互作用的研究[3-4]，該研究對于水資源評價和合理開發利用，水污染防治與預警具有重要的意義[5]。

地下水與地表水相互作用研究方法較多，包括水文測量法、水均衡法、水化學和環境同位素法、溫度示蹤法和數值法。水文測量法和水均衡法[3,6]計算簡單，能反映兩者的交換總量，對地下水和地表水相互作用的過程無法刻畫；水化學和環境同位素方法利用主要離子和同位素來定量分析地下水和地表水的交換量[7-11]；溫度示蹤法是根據地下水接受補給地區和排泄地表水地區的河床溫度不同來分析地下水和地表水相互作用的[12-13]；數值模型法可以準確地描述地下水和地表水相互作用的過程及動態變化，常用軟件包括Visual MODFLOW[14-15]、FEEFLOW[16-17]和GMS[18-19]等。

大沽河是山東半島最大的河流，為了農業灌溉和城市供水，1958—1960年在上游修建了產芝水庫和尹府水庫，河流徑流量銳減，1997—2002年為農業灌溉和涵養地下水修建了沙灣莊、袁家莊、移風、崖頭、岔河、賈疃橡膠壩，2013年在研究區內增加了莊頭、程家小里、孫洲莊、大壩和引黃閘5座攔河閘壩，拆除重建了移風和引黃濟青閘，在修建的過程中對河道進行了疏浚挖泥挖沙，程家小里、孫洲莊、沙灣莊、袁家莊、移風、岔河和引黃閘河段河床下弱透水層厚度變薄，莊頭、崖頭、大壩和賈疃河段河床下無弱透水層，直接與含水層相連。因此需要重新對大沽河地表水與地下水相互作用等進行研究。

關于大沽河地表水與地下水關系，許多學者進行過研究，如在1986年，在已知地下水儲存量變化量、降水入滲量、蒸發量和工農業開采量的基礎上，用水均衡法估算了河流對地下水的補給量[20]；焦超穎等根據大沽河水文地質條件利用MODFLOW建立了大沽河水源地的數值模型[21]；林國慶等利用數學模型分析橡膠壩補給地下水的動態變化規律, 并探討了增加地下水開采時橡膠壩對地下水補給量的增加量[22]。但這些研究均缺乏河流的觀測資料，本文利用2014年4月的河流調水實測資料，建立模型，探究大沽河河水與地下水的補排關系，以此為基礎對地下水資源量進行計算。

1 研究區概況

大沽河平原區位于青島大沽河的中下游(見圖1)，面積為466km2，地理坐標為120°04′48″E～120°21′00″E，36°16′00″N～36°45′45″N，海拔高程為0～40m。

研究區主要為溫帶季風性氣候，受海洋影響較為明顯。多年平均氣溫12℃，多年平均降水量為660.36mm，多年平均蒸發量為960.35mm。

根據南村站觀測資料，1951—1980年大沽河多年平均斷面徑流量6.618億m3，基本常年有水；由于大規模開采地下水，1981—1989年間，除1985年外大部分時間斷流，多年平均斷面徑流量0.714億m3；1990—2002年多年平均斷面徑流量為1.313億m3，1997年修建橡膠壩后河道基本保持全年有水；2003—2013年多年平均斷面徑流量為2.746億m3。

研究區地下水主要賦存于第四系沖積～沖洪積層中，含水層主要為砂、砂礫石層，沿古河道呈條帶狀分布，東西寬6～8 km，最大厚度為15m，平均厚度為5.19m。含水層中間厚向兩側變薄，富水性和導水性中間好，向兩側變差。含水層屬蓋層較薄的潛水含水層，上覆弱透水的黏質砂土或砂質黏土，有利于地表補給地下水；下部為泥巖隔水層。

地下水的主要補給來源是大氣降水入滲補給，另外還有側向地下徑流補給、河流和橡膠壩入滲補給等。地下水徑流主要方向是由北向南，經下游排入膠州灣，麻灣莊截滲墻建成后，地下水不會越過截滲墻向下游及膠州灣排泄[23]；其主要排泄方式為人工開采和蒸發排泄。

圖1 研究區地理位置及水利工程圖

2 材料和方法

2.1 水文地質概念模型

研究區含水層是單層含水介質，在橫向上和縱向上非均一。地下水運動規律遵循達西定律，從上游到下游水力坡度變化不大，可忽略垂向運動，視為二維非穩定流；地下水為潛水，基本處于無壓狀態。

含水層在東西邊界處尖滅，南部由于建立了截滲墻，按隔水邊界處理(見圖1)；北部邊界為大小沽河出山口，視為第二類邊界；含水層下伏地層膠結性好，巖性透水性差，無越流補給，構成區域隔水底板；河流和橡膠壩及降水和開采構成上部邊界。

2.2 地下水運動數學模型

根據研究區的水文地質概念模型可概化出如下數學模型[24]。

(1)

H(x,y,0)=H0(x,y) (x,y)∈D；t=0，

(2)

(3)

(4)

式中：D為地下水計算區域；H(x,y,t)為研究區內任意一點的水頭標高，m；H0為初始水位；K為滲透系數；B為含水層底板標高，m；W為源匯項；μ為給水度；q為側向補給量；Г2-1為側向補給邊界；Г2-2為隔水邊界。

3 結果和討論

3.1 研究區數值模型的建立

3.1.1 計算區剖分與時段劃分 將研究區剖分成49行19列1 km×1 km的正方形網格，共931個單元，其中有效單元466個，取35個觀測井(見圖2)。模型識別段從2014年4月10—30日；驗證段自2014年5月1—15日。

3.1.2 水文地質參數的確定 水文地質參數根據研究區前人工作成果確定[25-28]。滲透系數和給水度從古河道向兩側逐漸減小，滲透系數變化范圍為25～180m/d，大部分地區為130m/d；給水度的變化范圍為0.1～0.19，大部分地區為0.17。降水入滲系數根據包氣帶的巖性確定，大部分地區在0.23～0.25之間。

3.1.3 源匯項的處理

(1)地下水側向徑流為大小沽河出山口的側向徑流，根據觀測孔長期動態觀測資料，地下水的水力梯度在豐、平和枯水期變化很小，可以不區分時段，總量為258.99×104m3/a[24]。

(2)降水入滲補給量在模擬期內，有效降水一共3次，4月17日平均降水量10mm，4月26日平均降水量16mm，4月27日平均降水量17.5mm。根據不同地區降水入滲系數計算降水入滲補給量。

(3)蒸發量潛水蒸發量根據阿維楊諾夫公式計算，潛水極限蒸發深度為3m。

(4)地下水開采量包括農業和工業開采量。研究區農作物種植比例與地下水密切相關，蔬菜種植比例越高，農業灌溉用水量越大[23]。農業開采量是根據統計的作物種植面積和各地區的灌溉定額來確定的，工業水源地主要有6個。

(5)河流攔河閘壩補給量在調水之前，河流是干涸的，其補給地下水量忽略不計。

2014年4月16—30日，根據監測資料，在調水過程中各個攔河閘壩的損失量(Q損失)根據上斷面來水量(Q上)、向下段面輸水量(Q下)和閘壩蓄水量(Q蓄水)進行計算(見公式5)，主要包括河流對地下水的補給量(Q入滲補給地下水)、水面蒸發量(Q水面蒸發)和沿程引水量(Q沿程損失)，河流對地下水的補給量根據公式(6)進行計算。

Q損失=Q上-Q下-Q蓄水，

(5)

Q入滲補給地下水=Q損失-Q水面蒸發-Q沿程引水。

(6)

圖2 觀測井的位置和初始水位圖

大沽河水面蒸發量為28.91×104m3，袁家莊、移風以及岔河沿程引水量約為300×104m3，河流對地下水的補給總量為2055×104m3，各攔河閘壩對地下水的補給量如表1所示。表中大沽河水面蒸發量根據南村站蒸發資料、水面面積和時間計算得出。

從5月1—15日，根據觀測資料，河流對地下水補給較小，如表2所示，總量為156×104m3。

表1 2014年4月17—30日各攔河閘壩的損失量及地下水補給量

Note:①Rubber dam or sluices；②River level；③Storage Capacity；④Upper section runoff；⑤Down section runoff；⑥Loss water；⑦Evoparation；⑧Feching wawter；⑨Recharge to the groundwater

表2 2014年5月1—15日觀測的各攔河閘壩對地下水的補給量

3.2 模型的識別和驗證

在模型識別階段，采用4月10日的實際水位作為初始水位(見圖2)，根據閘壩的地質條件、水利工程和調蓄過程概化模型，利用35個觀測井的水位擬合調水過程，調節參數，使得攔河閘壩的入滲量與觀測值一致、計算水位與觀測水位相近。

在模型驗證階段，利用2014年5月1—15日間的河流的觀測水位和流量對模型進行驗證，保持水文地質參數等不變，源匯項等依據氣象等調查資料確定。

根據模型計算的識別階段和驗證階段各攔河閘壩入滲量與觀測值關系分別如圖3(a)和(b)所示，計算值與觀測值相差不大。地下水動態變化過程見圖4，基本上反映了閘壩蓄水的補給過程，從擬合情況看，模擬結果滿足要求[29]，擬合效果較理想。這表明模型所選參數合適，可以利用該模型對地下水資源量進行預測。

圖3 識別階段(a)和驗證階段(b)各攔河閘壩入滲量計算值與觀測值關系圖

圖4 大沽河地下水位觀測井水位擬合過程線

3.3 模擬階段水均衡分析

識別和驗證階段的水均衡計算結果如表3所示。在模擬期間，攔河閘壩入滲補給是地下水補給的主要來源，4—5月屬于枯水期，降水入滲補給量比較小，側向徑流所占比例也很小；工農業開采是地下水主要的排泄方式，地下水向河流的排泄量和蒸發量僅占總排泄量的10.7%。

在識別階段，調水前期由于開采使得地下水位偏低，河流水位與地下水位差別較大，閘壩入滲補給量大，無河流排泄，總補給量遠大于總排泄量，地下水位大幅升高。

在驗證階段，地下水位較調水之前有明顯提升，河流入滲補給量減少，由于地下水開采，總排泄量大于總補給量，地下水位略有降低，但比調水之前的地下水位高。

表3 大沽河平原區地下水均衡表

3.4 攔河閘壩對地下水補給規律

3.4.1 河床下存在弱透水層的河段 河床下存在弱透水層的河段(程家小里、孫洲莊、沙灣莊、袁家莊、移風、岔河和引黃閘)，河流通過弱透水層對地下水進行補給。河流補給初期由于地下水與地表水位差大，河流對地下水補給量較大，第一天攔河閘壩入滲量為0.08～0.43m3/(m2·d)，占其總入滲補給量的20%～39%(見圖5中的引黃閘)。

(水頭到達大壩時間是4月21日，到達引黃閘時間是4月23日。 The river recharge initial dates of the Daba and Yinhuangzha were April 21, 2014 and April 23, 2014 respectively.)

圖5 大壩橡膠壩和引黃閘補給地下水量圖

Fig.5 The recharge to the groundwater of the Daba and Yinhuangzha

隨著地下水位逐漸升高(見圖4中的138#觀測井)，地下水和地表水位差變小，攔河閘壩每天入滲補給量逐漸減小。后期由于調水結束上斷面無水量輸入，攔河閘壩水位基本保持不變，與地下水位相差很小，其入滲補給量也變得很小，不足0.008m3/(m2·d)。3.4.2 河流直接補給地下水的河段 在河流直接補給地下水的河段(莊頭、崖頭、大壩和賈疃)，河流直接與含水層相聯系，河床滲透系數與含水層一致。河流迅速補給地下水，地下水位快速上升(見圖4中的40#觀測井)，第一天河流補給量為0.94～3.61 m3/(m2·d)，占該河段河流補給總量的84%～94%(見圖5中的大壩)，遠大于河床下存在弱透水層河段第一天入滲量所占的比例，這可能是由于模型中單元格剖分較大造成的，與實際情況有些許差別。之后河水水位與地下水位相差不大，河流每天補給量變得很小，不足0.017 m3/(m2·d)。

3.5 地下水資源量預測

3.5.1 預測方案的設定 根據降水資料，1998、1984和1982年分別為典型的豐水年、平水年和枯水年，利用已識別的模型預測連續豐水年、平水年或者枯水年條件下河流攔河閘壩蓄水后對地下水的補給情況。以2014年4月10日水位作為初始水位，模型預測期為5年，每年分3個時段，4月10日—5月31日作為第一個時段，6月1日—9月30日作為第二個時段，降水主要集中在第二時段，10月1日—次年4月9日作為第三個時段。

根據典型豐平枯水年氣象和徑流資料確定降水量、蒸發量和徑流天數，河流徑流一般在8月中旬到9月底，徑流天數豐平枯水年分別為35、25和5d[24]。各橡膠壩在汛期(6—9月)塌壩運行，在汛期末時，壩袋充水，攔蓄河水；攔河閘在汛期時開閘泄洪，汛期末關閉閘門抬高上游水位。其他參數和邊界量與模擬時相同。

根據《青島市地下水水位警戒線劃定成果報告》[30]，大沽河基準水位埋深為5.56m，在未達到基準埋深時，地下水仍具有可開采的潛力。

3.5.2 現狀開采下地下水位埋深 將上述數據輸入到模型中運行，預報出在現狀開采下連續豐水年、平水年和枯水年的地下水埋深。

在現狀開采條件下，研究區北部地區，豐水年地下水位埋深在3～5m范圍內，均小于基準埋深，可對地下水增加開采；平水年地下水位埋深范圍為4～6m，一部分地區尚有可開采的潛力；枯水年地下水位埋深在5～7m范圍內，大部分地區超過基準埋深，無法再增加開采。

中南部地區在不同特征年條件下地下水埋深范圍都為3～5m，未達到基準水位埋深，仍具有很大開采的潛力。

現狀開采條件下，地下水均衡如表4所示，豐平枯水年，降水入滲是地下水的主要補給來源，工農業開采是主要的排泄方式。

連續豐水年由于降水入滲補給量大，地下水位升高，河流入滲補給量較小，僅占總入滲補給量的15%，平水年和枯水年占總入滲補給量的22%和25%；豐水年蒸發和河流排泄量較大，占總排泄量的42%，平水年和枯水年占總排泄量的33%和28%。

與改增建攔河閘壩之前相比，豐平枯水年河流對地下水的補給增加量分別為1 013×104、1186×104和1202×104m3/a，分別增加了135%、123%和100%[24]。

3.5.3 地下水可開采量 在現狀開采的基礎上，調整增加的開采量，利用模型計算地下水位埋深，直至地下水位埋深接近地下水基準埋深，增加開采條件下地下水均衡見表4。

從表4中可以看出，由于開采量的增加，河流的入滲補給量也增加，豐平枯水年河流入滲量分別占總補給量的25%、29.6%和32.3%；地下水向河流的排泄量和蒸發量都大幅減小，豐平枯水年分別占總排泄量的12.2%、13.8%和14.0%。

豐平枯水年研究區地下水的可開采量分別為11 722×104、9 338×104和8 156×104m3/a，比現狀開采條件下增加了5 584×104、3 200×104和2 081×104m3/a。

表4 現狀開采和增加開采條件下地下水均衡表

注：表中各量為五年的平均值。The numbers in the table are average value of five years.

4 結論

(1)本文利用實測調水資料，建立了改增建攔河閘壩后的大沽河地下水流模型，并對其進行驗證，所建模型比以前更加準確，反映今后相當長時間的大沽河的狀況。

(2)大沽河攔河閘壩對地下水補給規律如下：

在河床下存在弱透水層的河段，入滲補給初期入滲補給量較大，第一天的入滲補給量占該河段河流補給總量的20%～39%，之后每天的入滲補給量逐漸減小。

在河流直接補給地下水的河段，河流快速補給地下水，第一天補給量很大，占該河段河流補給總量的84%～94%，遠高于河床下存在弱透水層河段所占的比例，之后每天補給量變得很小。

(3)攔河閘壩補給地下水量比改增建前均有大幅提高，現狀開采條件下，豐平枯水年增加量分別為1 013×104、1 186×104和1 202×104m3/a，分別增加了135%、123%和100%。

(4)改增建攔河閘壩后，豐、平、枯水年地下水年可開采量分別為11722×104、9338×104和8219×104m3/a，比現狀開采增加了5584×104、3200×104和2 081×104m3/a。

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[28] 青島海洋大學、青島地質環境監測站.青島市地下水模型專題研究[R].青島： 青島海洋大學, 青島地質環境監測站， 1993. Ocean University of Qingdao and Environmental Geological Observation Station of Qingdao. The Study on the Groundwater Simulation of Qingdao [R]. Qingdao: Ocean University of Qingdao, Environmental Geological Observation Station of Qingdao, 1993.

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責任編輯 龐 旻

The Effect of Rubber Dams and Sluices on the Groundwater Resources Estimation of Dagu River Plain

LIU Guan-Qun1, 2, 3, WANG Ting2, HUANG Xiu-Dong4, ZHOU Shu-Yu2, XU Dong2, YUE Cai-Dong2

(1.The Key Laboratory of Marine Environmental Science and Ecology, Ministry of Education, Ocean University of China; Qingdao 266100,China; 2.College of Environmental Science and Engineering, Ocean University of China,Qingdao 266100,China; 3.Shandong Provincial Key Laboratory of Marine Environment and Geological Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 4.Qingdao Hydrology Bureau, Qingdao 266071, China)

Many rubber dams and sluices were built on the main channel of the Dagu River recently. In the construction, there became the thinner aquitard, or even no aquitardunderneath the riverbed where the river recharged the groundwater directly, which made the river recharge change. In this study, the groundwater flow model of the Dagu River Plain was developed by the use of the observed data from a water diversion. The model calculated the river recharge and estimated the groundwater resource in 5 years under higher, normal or lower flow year conditions respectively. Simulated results showed that the river recharge declined gradually with the groundwater level increasing, when the aquitardexisted underneath the riverbed. The river recharge decreased sharply from a large magnitude when the river recharged the groundwater directly，then it became small because of the little gap between the river and groundwater level.The river recharge to the groundwater increased by 135%, 123%, 100% in higher,normal and lower flow years, respectively.The allowable groundwater exploitations were 11722×104m3/a, 9338×104m3/a and 8219×104m3/a in higher, normal and lower flow years, respectively.

Dagu River Plain; the relation between the groundwater and surface water; numerical simulation; groundwater resource

水利部科技推廣計劃項目“平度市地下水漏斗區回灌技術項目(TG 1519)”資助 Supported by Science and Technology Promotion Projects of Ministry of Water Resources, “The Recirculation Technology Application of Groundwater Funnel Area in Pingdu (TG 1519)”

2016-03-28；

2016-05-12

劉貫群(1966-)，男，博士，教授。E-mail:lguanqun@ouc.edu.cn

X143

A

1672-5174(2016)12-087-09

10.16441/j.cnki.hdxb.20160094

劉貫群， 王婷， 黃修東， 等. 大沽河攔河閘壩影響下平原區地下水資源評價[J]. 中國海洋大學學報(自然科學版)， 2016, 46(12)： 87-95.

LIU Guan-Qun, WANG Ting, HUANG Xiu-Dong, et al. The effect of rubber dams and sluices on the groundwater resources estimation of dagu River Plain[J]. Periodical of Ocean University of China, 2016, 46(12)： 87-95.