農灌區地下水開采對徑流的影響模擬研究

宋琪峰， 陳 喜， 黃日超， 張志才

(1 河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室， 南京 210098; 2 河海大學水文水資源學院，南京 210098)

在人類活動強烈的平原地區，由于地下水過量開采，地下水位的大幅度下降，引發河道斷流、土壤沙化等生態環境問題。在華北平原地區，地下水開采量從20世紀70年代的156.57億m3/a,增加到211.98億m3/a。山前平原區淺層地下水位普遍下降10～30 m,中東部平原下降5～10 m,濱海平原下降0～5 m。“華北平原環渤海復合大漏斗”覆蓋了河北、北京、天津及山東的廣大平原,占區域的52%[1]。淮河流域平原區20 世紀80 年代后期開采量劇增,地下水位也呈逐年下降趨勢，淮北地區已形成6 961 km2地下水降落漏斗[2]。地下水位的大幅度下降，使得包氣帶加厚且變得干燥，最終出現徑流系數下降、降雨徑流關系發生變化[3]，地下水補給及賦存環境發生了變化，因此，分析地下水開采對區域水文循環影響，成為變化環境下水文循環規律及水資源轉化關系研究的重要內容[4]。

農灌區水文過程涉及降水-土壤水-地表水-地下水“四水”轉化以及考慮植物耗水的“五水”轉化，水文模型是研究“四水”、“五水”轉化定量模擬的重要手段。近年來，以地下水開采為主的農灌區從關注地下水位動態及其補排關系數值模擬，發展到地表水與地下水耦合模擬，如SWAT與MODFLOW耦合[5]、PRMS與MODFLOW耦合[6]。近年來發展到考慮人為過程水的輸送，如賈仰文等構建的模擬水分在地表、土壤、地下、河道以及人工水循環系統中運動過程的“二元”分布式水文模型[7]，這些模型適用于不同研究對象和資料條件。由于開采機井分布面廣量大，地下水開采量統計資料時空分布精度難以滿足分布式模型要求。因此，考慮平原區水循環和水資源利用特點，改進和發展概念性水文模型，也是平原灌區水文過程模擬的重要手段，如胡和平等針對干旱區平原綠洲水土資源利用特點,建立了以農區土壤水為中心的平原綠洲散耗型水文模型，重點考慮人類活動如引水灌溉、地下水的開采等對水平衡的影響[8]。

傳統概念概念性水文模型-新安江模型能較好地模擬流域產匯流過程，但該模型無法計算含水層地下水動態。本文在該模型基礎上加入地下水蓄水庫演算過程，以河川徑流和地下水位作為目標函數，率定模型參數，分析地下水位動態變化及其對河川徑流影響。

1 模型基本原理

1.1 產流計算及水源劃分

非飽和帶水量平衡式為：

Wt+1=Wt+PEt+Egt

(1)

式中：Wt、Wt+1分為t和t+1時刻流域平均蓄水量；Egt為潛水蒸發量；PEt為凈雨量：

PEt=Pt+Wgt-Et

(2)

式中：Pt為時段降雨量；Wgt為時段灌溉開采量。灌溉水量不產流，但部分回歸補給地下水；Et為蒸發量，采用新安江模型三層蒸發模式計算，各量均以深度表示。

基于新安江模型蓄滿產流計算模式，采用指數型蓄水容量曲線，根據凈雨量PEt計算產流量 。在平原農耕區，耕犁層以上滲透性大，耕犁層滲透性小，降雨時耕犁層易形成自由水。因此，將自由水概化為兩個水庫，即耕犁層上部自由水庫和下部地下水蓄水庫(潛水含水層飽和地下水)。上部自由水庫進一步劃分地表徑流、壤中流，地下水蓄水庫出流為河川基流，其蓄量受降雨入滲補給、地下水開采影響，模型結構如圖1所示。

圖1 模型結構圖

1.2 潛水含水層水平衡及補排項計算

潛水含水層概化為地下水蓄水庫，其水量平衡公式為：

Sgt+1=Sgt-Egt+Prt-Wgt-Qgt

(3)

式中：Sgt、Sgt+1分別為t、t+1時刻地下水庫蓄水量；Prt為入滲補給量；Wgt為開采量；Qgt為地下水蓄水庫出流量(基流量)。

各項計算方法如下：

(1)入滲補給量。降雨入滲補給量與土壤蓄水量成正比。若P+Wg-E<0，則某一面積(f/F)內補給量為：

作者在這一部分提出，無論是再現式、表現式還是印象式翻譯，都具有自己的局限，都會對詩歌翻譯形成干擾，唯有將這三種藝術方式進行調和性實施，才能最大限度地保證譯詩的藝術性。有鑒于此，作者提出了詩歌翻譯體現論，并認為其中所包含的心身化結構和物身化結構都可以用此三種觀念進行解說。作者參照中西方繪畫藝術觀念，將翻譯分為“觀譯”和“看譯”兩種路徑，并提出“觀譯”是更為理想的翻譯方式。該書以“感”為核心概念，串聯起詩歌翻譯的不同環節，描述了翻譯不同階段觸發的感應活動，以及作者、譯者、譯詩讀者之間可能產生的感應交流。

(4)

式中：a為考慮土濕影響的入滲補給系數；WMM為流域平均最大蓄水容量。

考慮流域蓄水量非均勻性，采用流域蓄水容量曲線，在流域面上積分得到流域平均入滲補給量：

(5)

(6)

式中：f/F為蓄量W所占流域面積比例， 為單點最大蓄水量；WM為流域平均蓄水容量；b為蓄水容量曲線指數，WMM=WM×(1+b)/(1-IM)。

若P+Wg-E<0，Prt=0

(7)

(2)潛水蒸發量

Eg=η×EP×(1-D/Dmax)n

(8)

式中：η為蒸發折算系數；EP為蒸發皿蒸發量；D、Dmax分別為地下水埋深和極限埋深；n為系數。

(3)地下水開采量。由于研究區地下水開采量Wg主要用于農業灌溉，根據氣象條件和農作物類型計算的農業灌溉需水量WI進行估算：

Wg=βWI

(9)

式中：β為開采折算系數。

Qg=kgSg

(10)

式中：kg為地下水出流系數；SG為地下水庫蓄量。

計算公式為：

Sg=Sy(Dz-D)

(11)

式中：Sy為給水度；Dz為基流接近于0的埋深，根據枯季徑流與地下水埋深關系，Dz的取值范圍2～4 m之間。

(5)考慮地下水埋深空間分布的潛水蒸發和補給量計算。研究區不同地點地下水埋深存在差異，進而影響上述潛水水平衡項，地下水埋深空間分布假設為Gamma分布[9-15]：

(12)

式中：Γ(γ)為Gamma函數；α為形狀參數；γ為尺度參數。

根據Gamma分布參數之間關系，γ=α/E(d)，E[d]為地下水埋深空間分布均值。由此，流域平均潛水蒸發量Eg、出流量Qg為：

(13)

(14)

流域產流量R扣除進入地下水蓄水庫(即入滲補給量Pr)水量，按自由蓄水庫曲線劃分為地表徑流Rs和壤中流Ri，經過線性水庫調蓄進入河道。地下徑流按式(13)排泄至河道，河道匯流采用馬斯京根方法計算。

2 應用實例

2.1 流域概況及資料

選取淮河流域臨渙集子流域作為研究對象，流域面積2 560 km2，流域內有16個雨量站，2個蒸發站，1個水文站和44個地下水觀測站點(圖2)。采用泰森多邊形計算流域面平均降雨量、地下水位埋深。多年平均降雨量為673.93 mm，多年平均蒸發皿蒸發能力997.73 mm，多年平均流量4.78 m3/s。

采用1990-1995年實測逐日降水、蒸發皿蒸發量、流量以及5日地下水位進行模型參數率定，采用1986-1989年資料進行模型驗證。

圖2 臨渙集流域雨量，蒸發，水文和地下水位站點

2.2 模型模擬結果及參數靈敏性分析

采用河川流量模擬的納什效率系數(NSC)、均方誤差(RMSE)以及地下水埋深模擬確定性系數R2和NSC進行模型參數率定與模型驗證，結果見表1和圖3、4。結果表明，模型能較好地模擬研究區徑流及地下水動態變化，具有較好的適用性。

表1 模型模擬與實測統計結果

圖3 模型模擬與實測日徑流

圖4 模型模擬與實測地下水埋深

以日徑流和地下水埋深的NSC為目標函數，當參數變化10%時，日徑流和地下水埋深NSC的變化如圖5所示。結果顯示，對日徑流比較敏感的參數為η、ac、WMM；對地下水埋深比較敏感的參數為η、a、kg、b、β、WMM、n、WUM。

圖5 參數敏感性分析

2.3 地下水開采對河川徑流量影響分析

設定不同開采強度情景，利用模型模擬不同開采強度對多年平均徑流量以及不同量級徑流量的影響(表2、圖6)。結果表明，當開采量增加一倍，多年平均流量減少23.6%。地下水開采對大的雨洪流量影響很小，如當流量大于10 m3/s時，開采量變化對流量頻率影響較小，開采量增加50%和100%，流量分別減小1.9%和3.2%；隨著流量減小，地下水開采對流量影響越趨顯著。當流量在0～10 m3/s范圍，當開采量增加，日流量頻率有明顯的減小趨勢，開采量增加50%和100%時，流量分別減小20.2%和35.0%。因此，開采量增加，將導致枯季徑流量減少顯著(圖6)。

表2 開采量增加引起的流量變化

圖6 開采增加對日流量頻率的影響

3 結 語

本文利用改進的新安江模型，通過模擬計算，分析了農灌區地下水開采對徑流的影響，得到以下主要結論：

(1)改進了新安江模型，建立考慮地下水埋深統計分布特征的降水入滲補給量、潛水蒸發量計算方法以及河川徑流量與地下水埋深的計算方法。

(2)利用臨渙集流域實測氣象、水文資料，對模型進行了參數率定及模型驗證，通過靈敏性分析，蒸發折算系數、入滲補給系數、流域平均最大蓄水容量及對日徑流與地下水埋深較為敏感。

(3)通過對研究區不同開采情景下徑流與地下水位的動態模擬，對比分析了農灌區地下水開采對徑流及地下水的影響，開采量增加導致枯季徑流量減少顯著，當流量在0～10 m3/s范圍，開采量增加50%和100%時，流量分別減小20.2%和35.0%。

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