石川河地下水庫建庫條件分析及地下水位動態預測

李 璇,束龍倉,魯程鵬,石文凱

(河海大學水文水資源學院,江蘇南京 210098)

石川河地下水庫建庫條件分析及地下水位動態預測

李 璇,束龍倉,魯程鵬,石文凱

(河海大學水文水資源學院,江蘇南京 210098)

通過分析富平縣石川河河谷階地區的自然地理、氣象、水文、地質等條件以及地下水資源開發利用情況,建立了水文地質結構三維模型,論證了建立石川河地下水庫的可行性,初步計算了地下水庫庫容約為4.95億m3。利用Visual MODFLOW軟件建立了地下水庫庫區的地下水數值模型,預測了不同降水和開采條件下,進行人工回灌0.52億m3/a、10年后地下水庫庫區的地下水位變化情況。結果表明,庫區內的地下水位將大范圍的抬升,大部分地區與1959年的水位相近,可基本滿足當地的用水需求。

地下水庫;建庫條件;數值模擬;地下水位動態;石川河

地下水庫是以巖土體空隙為儲水空間,在人工干預作用下形成的具有一定調蓄能力的水資源開發利用工程[1]。19世紀末,歐美國家開始研究利用含水層儲存和回采地下水,1936年美國加州已開始使用地下水庫[2-4]。我國在1975年興建了第一個地下水庫—南宮地下水庫,此后,為了解決北方地區的干旱和海水入侵問題,陸續興建了山東王河等地下水庫[5]。相比于地表水庫,地下水庫具有蒸發量少、不易受污染等特點。與具有天然調蓄能力的含水層相比,在人工干預下,地下水庫的調蓄規模與強度均有質的提升。利用地下水庫進行人工調蓄,可以增加地下水補給,實現地下水資源的可持續利用,同時也可以改善水質、保護生態環境,避免引發環境地質問題[6-9]。

陜西省富平縣石川河河谷階地區的地表水資源嚴重匱乏,地下水成為主要的供水水源。從20世紀60年代開始,大量開發地下水以滿足工農業的用水需求,導致區域內的潛水水位大幅度下降,制約了當地社會和經濟的發展。修建地下水庫對保障石川河河谷階地區的社會、經濟和生態環境的協調發展具有重大意義。筆者通過分析石川河河谷階地區的水文地質條件,建立水文地質結構三維模型,論證建立石川河地下水庫的可行性,并對地下水庫的庫容進行初步計算。利用Visual MODFLOW軟件構建地下水庫庫區的地下水數值模型,對不同降水和開采條件下進行人工回灌后的地下水位變化情況進行預測,以期為水資源的合理開發利用提供理論依據。

1 研究區概況

1.1 自然地理、氣象及水文條件

富平縣石川河河谷階地區位于陜西省關中盆地中部,地理位置為東經108°57'~109°19',北緯34° 41'~34°55',地處內陸,屬暖溫帶大陸性半干旱半濕潤季風氣候區,多年平均降水量533.2 mm。富平縣石川河流域屬黃河流域渭河水系,境內主要有石川河、溫泉河、順陽河、趙氏河4條季節性河流,近年來4條河均已無常流量。石川河是區內最大的河流,屬渭河一級支流,河谷階地區面積為132.31 km2,近年來,岔口以下地區石川河已無常流量,基本斷流。石川河河谷階地區,中間低洼,且比較開闊,最寬處約6.5 km;河谷平原出口小,位于黃村一帶,河谷平原兩側多為黃土臺塬所封閉,高差20~50 m,導水性差異較大,形成相對隔水的邊界,具有較好的封閉構造。石川河階地為堆積階地,階地堆積物為砂質黏土、黏質砂土和沙礫卵石層。石川河地下水庫位置及庫區范圍見圖1。

圖1 石川河地下水庫位置及庫區范圍

1.2 地下水資源開發利用情況

由于石川河河谷階地區的地表水資源短缺,地下水被大量開采,以潛水為主,導致地下水位不斷下降。1978—2013年區域內的地下水開采量及地下水位埋深變化見圖2,由圖2可見其地下水開采量具有年際變化大的特點。其中,1987年地下水開采量最大,為7.22×107m3,2004年開采量最小,為2.43×107m3。1978—2002年為地下水集中開采期,地下水年均開采量約為5.07×107m3/a,在此期間,地下水位急劇下降,根據41眼觀測井中的地下水位埋深資料,全區地下水位下降5.70~44.93 m,平均下降約21.95 m。2003—2013年,地下水開采量及地下水位埋深基本維持平穩的狀態。由此可見,在石川河河谷階地區,人工開采對其地下水位動態變化具有強烈的影響,由于過量地開采地下水,區域內的地下水量長期處于負均衡的狀態。區域內的水資源開發利用問題,除了供給水源較單一之外,還有水資源利用效率較低、調蓄設施不足等問題,修建地下水庫進行水資源的人工調蓄是解決以上問題的有效途徑。

圖2 1978—2013年石川河河谷階地區地下水開采量及地下水位埋深變化

2 地下水庫建庫條件分析

2.1 水文地質條件

石川河地下水庫庫區的地層主要為第四系,上部廣泛分布有中更新世晚期、上更新世及全新世的厚層沙礫卵石層,兩側塬區與河谷區底部為中更新世洪積的厚層黏土、砂質黏土夾薄砂層或風積的黃土層,下游出口處與渭河沖積平原接觸地帶為含泥量大的石川河沖洪積層與渭河細粒相的沖湖積層交互沉積。研究區含水層主要由第四紀全新世沖積的沙礫卵石層及中更新世晚期洪積沙礫卵石層組成,沖、洪積層間無穩定隔水層分布,可視為統一的潛水含水巖組,A—A'(圖1)水文地質剖面見圖3。由于近幾十年來,過度開發利用地下水導致潛水水位不斷下降,部分地區甚至接近含水層底板,已經疏干的沙礫卵石層是實施人工補給的良好目的層,為地下水庫的建設提供了良好的儲水空間。

石川河下游至出口處渭河一級階地附近的潛水含水層為全新世早期沖積層和下伏中更新世沖湖積或洪積層。沖積層主要巖性為粉砂、黏質砂土,滲透

圖3 石川河地下水庫庫區水文地質剖面

性及富水性較差。沖積層以下為中更新世湖積含水層,巖性為細粉砂、黏砂土,呈薄層狀,滲透性微弱。石川河出口處的地質結構十分有利于河谷區地下水的貯存。因此,可以考慮修建無壩地下水庫。

2.2 儲水空間及庫容

根據研究區的地質鉆孔資料,利用GMS軟件建立了石川河河谷階地區的水文地質結構三維可視化模型,研究區水文地質結構三維模型剖面示意圖見圖4。本區調蓄含水層為潛水含水層,一般以孔隙介質為儲水空間且地下水類型為潛水的地下水庫庫容的計算公式為

式中:V為地下水庫庫容;μ為潛水含水層給水度; V*為庫區含水層體積。

圖4 研究區水文地質結構三維模型剖面示意圖

在研究區范圍內,構成含水層的地層巖性主要為沙礫卵石。由于石川河河道內采砂等人類活動,破壞了分布在河道與漫灘的第四系含水層的連續性以及全新世的砂卵礫石層原有的入滲條件和調蓄功能,這部分含水層已無法作為地下水庫的有效儲水空間加以利用。通過計算,研究區有效含水層體積為4.50×109m3,μ取值0.11,得到石川河地下水庫庫容約為4.95億m3。由以上分析可知,區域內的庫容條件、水量交換條件、可利用條件、封閉條件基本滿足了修建地下水庫所需天然儲水空間的條件[10]。分析水文地質剖面圖、水文地質結構三維模型以及抽水試驗的結果可知,莊里鎮和南社鄉地區的含水層較厚,連續性相對較好,富水性較強,單井涌水量約為20~40 m3/h,可以將這兩個地區附近的河道共同作為地下水庫人工調蓄的補給區。外調水源可根據實際情況,由桃曲坡水庫、東莊水庫、引漢濟渭工程等處引水。

3 地下水數值模擬

3.1 水文地質概念模型

地下水數值模擬的計算區以規劃建設的地下水庫庫區為依據,整個數值模擬區域總面積為132.31 km2。研究區地下水開發利用的主要對象是潛水,且石川河地下水庫的目的層為潛水含水層,因此本研究只針對潛水進行概化模擬。根據水文地質調查結果和地質鉆孔資料分析,地下水流的方向與地表水基本一致,局部受到地形地貌及水文地質結構的控制。研究區潛水接受兩側黃土塬及洪積扇的側向徑流補給,可以刻畫為流量邊界,趙氏河谷及順陽洼地附近為隔水邊界。

3.2 數學模型

根據對研究區實際水文地質條件的詳細分析,在不考慮水的密度變化的條件下,將研究區的潛水概化為服從滲流的連續性方程和達西定律的非均質各向同性的二維非穩定地下水流,其數學模型為

式中:K為含水層滲透系數;H為潛水水位;B為含水層底板高程;W為單位時間單位面積內在垂向上流入或流出的水量;t為時間;D為滲流區域;Γ2為第二類邊界;n為邊界Γ2的外法線方向;q為邊界Γ2上單位寬度的側向補給量。

3.3 參數確定

利用Visual MODFLOW軟件對所建模型進行求解[11-13]。根據研究區域大小及計算精度要求,在平面上將研究區分為100行×100列,每個網格的大小為347.27 m×245.56 m,有效單元格共計1548個。在垂向上,將含水層概化為一層,根據地質鉆孔資料確定含水層的底板高程。本次模擬中,在抽水試驗、雙環滲水試驗以及水文地質鉆探資料的基礎上,對研究區的滲透系數和給水度進行分區(圖5),具體賦值見表1。研究區的潛水主要補給項有大氣降水入滲補給、田間灌溉回歸水入滲補給、研究區外流入研究區的地下水側向徑流補給、河渠滲漏補給、水庫滲漏補給、越流補給。潛水的主要排泄方式為人工開采、越流排泄。

圖5 水文地質參數分區

表1 水文地質參數賦值

3.4 模型的校正與驗證

模型的校正期為2012年1月1日—12月31日,驗證期為2013年1月1日—12月31日。模型的校正期被劃分為12個應力期,驗證期也劃分為12個應力期,一個應力期的時間為一個自然月。其中,富平縣2012年和2013年的降水量分別403.5 mm和398.2 mm,根據2012年的地下水位統測資料確定初始流場。在模型的校正期,不斷調整各個分區的參數,得到較為符合實際的流場后,再進行模型驗證。圖6為2012年12月實測與模擬的地下水位等值線對比,從圖6中可以看出地下水位模擬結果與實測情況基本吻合,地下水模擬流場與實測流場形態一致,擬合程度較好。

選取G117、G189、G61、G157 4個具有代表性的觀測井進行模型的驗證。各個觀測井中,校正期的地下水位埋深觀測值與模擬值的對比結果見圖7,驗證期的擬合誤差見表2。由圖7和表2可見,各觀測井中的模擬水位變化過程與觀測的結果較為吻合,觀測值和模擬值的絕對誤差小于0.5 m。水均衡計算結果見表3,其中,大氣降水入滲補給是最主要的補給項,人工開采是主要的排泄項。根據模擬結果的分析,與實際情況基本相符,因此,可以認為所建立的模型能夠真實反映研究區地下水實際的運動規律,可應用于研究區地下水位的預測。

圖6 2012年12月實測與模擬地下水位等值線對比

圖7 校正期各觀測井地下水位埋深觀測值與模擬值對比

表2 驗證期各觀測井地下水位埋深觀測值與模擬值擬合誤差m

表3 計算區模擬期水均衡計算萬m3/a

4 地下水位動態預測

研究區潛水的主要補給項是降水補給,主要的排泄項是人工開采,降水量和開采量的變化對于地下水動態的影響較大。根據研究區的實際情況,預測地下水庫實施人工回灌10年后,不同降水條件以及不同開采條件的方案下地下水位的變化情況。

根據現狀的騰空庫容及水均衡計算結果估算,在地下水庫開始運行的10年內,所需的回灌補給量大約為5.20億m3。根據富平縣1960—2013年的降水資料繪制降水頻率曲線見圖8,進而確定豐水年、平水年和枯水年的降水量。通過分析,得到降水保證率為25%、50%、75%對應的降水量分別為596.65 mm、503.93 mm、425.73 mm,并以此來計算不同情景下的大氣降水入滲補給量。研究區的工農業十分發達,地下水開采量較大,2009—2013年的平均開采量為3.48×107m3/a。由于地下水是研究區的主要供水水源,保護地下水資源和保障工農業用水需求之間存在矛盾。在未來開采地下水的過程中,可能會維持現狀開采,可能為了保護生態環境而減少開采量,也可能為了經濟發展而增加開采。為了預測不同開采條件下的地下水位變化情況,模型中設定了維持現狀開采、減少20%現狀開采量、增加20%現狀開采量的情景。具體方案及回灌10年后各觀測井中地下水位埋深的預測結果見表4。

圖8 降水頻率曲線

由表4可見,觀測井G117位于上游的梅家坪鎮白馬村,相對于其他位置而言,恢復效果一般;觀測井G189和G61分別位于覓子鄉東尚村和莊里鎮西關村,沙礫卵石層較厚,含水層的滲透性較好,且距離回灌位置莊里較近,因而地下水位的恢復效果非常明顯;觀測井G157位于東上官鄉余灣,上覆黃土層相對較厚,沙礫卵石層較薄,恢復效果較差。根據研究區較早的地下水位埋深統計資料,1959年G117、G189、G61、G157的地下水位埋深分別為15.25 m、22.64 m、20.00 m、18.15 m。與之相比,在大部分情景中,恢復后的地下水位埋深與1959年的基本接近,除了下游東上官鄉之外,這與其距離回灌區較遠且含水層的滲透性較弱有關。在不同降水條件下,地下水位埋深的恢復效果基本相近。開采條件相同時進行人工回灌,豐、枯兩季的地下水位埋深差值為0.73~3.04 m;降水條件相同時,在不同開采條件下進行人工回灌,在減少20%開采量與增加20%開采量時,地下水位埋深相差1.19~4.95 m,對于回灌效果來說,差異并不是十分明顯。因此,在地下水庫運行后,可以根據用水需求,在合理范圍內適當增加開采量。整體來講,利用地下水庫進行人工調蓄能夠使石川河河谷階地的地下水位恢復到較為理想的結果,基本可以滿足日常的生活和生產需求。

5 結 論

石川河河谷階地區地下水的邊界近似封閉,地下水徑流條件較好,沙礫卵石層較厚,地下水位埋深較大,提供了充足的儲水空間,在下游河流出口處,含水層較薄,滲透性較差,適宜修建無壩地下水庫。通過建立水文地質結構三維模型,進一步了解儲水空間的分布特征,初步計算地下水庫的庫容約為4.95億m3。在莊里和南社地區,沙礫卵石層相對較厚且較為連續,適宜作為地下水庫人工調蓄的補給區。

在分析水文地質條件及水均衡計算的基礎上,建立了石川河地下水庫的地下水數值模型,利用模

型模擬了不同降水及開采的條件下,地下水庫以0.52億m3/a回灌10年的情景。結果表明,除了下游東上官鄉,全區大部分地區的地下水位埋深與1959年的較為相近,地下水位的恢復效果顯著,基本滿足了當地的用水需求。這將對合理有效地開發利用水資源、治理地下水的超采現狀、保護地下水資源及生態環境、推進社會和經濟的和諧發展起到了重要作用。地下水庫具體的調蓄方案還需進行大型入滲試驗并確定回灌水源后進行深入研究。

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Analysis of groundwater reservoir construction conditions and prediction of groundwater level variation in Shichuan River groundwater reservoir

LI Xuan,SHU Longcang,LU Chengpeng,SHI Wenkai
(College of Hydrology and Water Resources,Hohai University,Nanjing 210098,China)

Based on analyses of physiographic,meteorological,hydrological,and geological conditions,as well as groundwater resources development and utilization in the valley terrace of the Shichuan River,in Fuping County,a three-dimensional hydrogeological structure model was built,and the feasibility of the establishment of the Shichuan River groundwater reservoir was demonstrated.The storage capability of the groundwater reservoir was about 4.95×108m3.The variation of groundwater level ten years after the implementation of artificial recharge with the amount of 0.52×108m3per year under different precipitation and pumping conditions was predicted through groundwater numerical simulation with the Visual MODFLOW software.The results show that the groundwater level of the reservoir would rise considerably,with the water levels in most parts of the reservoir area approximating the level in 1959, indicating that the local water demand could be basically satisfied.

groundwater reservoir;reservoir construction conditions;numerical simulation;groundwater level variation;Shichuan River

P641.8;TV62+3

A

1004-6933(2017)03- 0013- 06

2016 08-30 編輯:王 芳)

10.3880/ji.ssn.1004-6933.2017.03.004

國家自然科學基金(41572210)

李璇(1992—),女,碩士研究生,研究方向為地下水數值模擬。E-mail:michelle--00@163.com

束龍倉,教授。E-mail:lcshu@hhu.edu.cn