基于GM的滄縣地區淺層地下水控制性管理水位研究

李迎龍+李海明+謝新民+董旺泉+葛亞超+王燁

摘要：由于地下水的超采，已在滄縣地區引發一系列環境地質問題。通過確定地下水控制性管理水位，來控制地下水的開采量，實現滄縣地區淺層地下水資源的可持續利用。根據滄縣地區淺層水位觀測井的觀測資料，分析了滄縣地區淺層地下水位動態特征，發現地下水位呈周期性變化。在充分了解滄縣地區水文地質條件的基礎上，利用GMS軟件建立滄縣地區地下水水流模型。在現有的開采基礎上，預測不同頻率降水量情景下滄縣地區淺層地下水控制性管理水位，并確定其閾值。四種情景下滄縣地區淺層地下水控制性管理水位閾值分別為：-640～700 m、-430～730 m、-470～710 m、-450～700 m。最終確定滄縣地區淺層地下水控制性管理水位閾值為-640～730 m。

關鍵詞：水位動態；數值模擬；控制性管理水位；閾值；滄縣地區

中圖分類號：P641文獻標識碼：A文章編號：

16721683（2017）06010807

Abstract：Due to the overexploitation of groundwater，a series of environmental and geological problems have been triggered in Cangxian areaThis paper was intended to determine the controlled management level of groundwater as a way to control the exploitation quantity of groundwater and to realize sustainable utilization of the shallow groundwater resources in Cangxian areaBased on the observation data from the shallow water level observation wells in Cangxian area，we analyzed the dynamic characteristics of shallow groundwater level in Cangxian area，and found a periodical change of the groundwater levelBased on a substantial understanding of the hydrogeological conditions in Cangxian area，we developed a groundwater flow model of Cangxian area with the GMS softwareOn the basis of the current exploitation situation，we predicted the controlled management level of shallow groundwater in Cangxian area under 4 different precipitation frequency scenarios，and determined the threshold valueThe threshold values under the 4 scenarios were -640～700 m，-430～730 m，-470～710 m，-450-700 m respectivelyThe controlled management water level threshold of the shallow groundwater in Cangxian area was finalized to be -640～730 m

Key words：dynamics of water level；numerical simulation；controlled management water level；threshold；Cangxian area

地下水是中國北方地區的重要飲用水源。隨著經濟的不斷發展，對于地下水的開采也逐年加劇。地下水的超采不僅導致了地下水位的下降，而且引發了一系列的環境地質問題[1]。針對地下水嚴重超采的現狀，國家實行最嚴格的水資源管理制度[2]，明確提出要“嚴格地下水管理和保護。加強地下水動態監測，實行地下水取水總量控制和水位控制”。2015年開始實施的《河北省地下水管理條例》在全國地方性法規中首次確立了地下水水量水位“雙控”制度。另一方面，各學者也積極探討水量和水位控制管理的實施途徑與方法[34]，特別是閆學軍等[5]提出并開發了基于GMS的地下水水位水量 “二元”指標管理新模式。第15卷 總第93期·南水北調與水利科技·2017年12月

李迎龍等·基于GMS的滄縣地區淺層地下水控制性管理水位研究

地下水位的變化是地下水資源量變化的直觀反映，將其與地下水取水總量同時作為地下水的控制指標相對于僅把取水總量作為地下水的管理控制指標更加合理。近幾年國外多用建模的思路來對地下水資源管理進行研究[6]。Yeh W W G[7]綜述了地下水建模與管理的優化方法，Theodossiou N P等[8]研究了非線性模擬和優化模型在地下水含水層管理中的應用。Gabor Bekesi等[9]根據地下水位對開采的響應，限制性的分配利用地下水資源。Mohamed EI Alfy [10]利用地下水數值模擬探究地下水開采的最優方案。Gaur S等[11]研究了人工神經網絡和粒子群算法在地下水管理中的應用。國內對于地下水資源管理的研究集中于地下水控制性管理水位及管理模型的實用性。謝新民等[12]對地下水控制性關鍵水位進行了研究，提出不同類型地下水紅藍線水位的分析成果。方樟等[13]以河南省安陽市為例，利用地下水流數值模擬的方法研究了平原區地下水控制性管理水位。吳鳴等[14]、李平等[15]、周念清等[16]分別探索了遺傳算法在地下水管理中的應用。endprint

本文基于GMS軟件建立滄縣地區地下水水流模型，研究不同水平年情景下，滄縣地區淺層地下水控制性管理水位及其閾值，以便為滄縣地區淺層地下水的合理開采提供監管依據。

1滄縣地區水文地質條件

11研究區概況

滄縣位于華北平原東部，屬海河流域南系下游[17]，全境介于北緯38°05′至38°33′，東經116°27′至117°09′之間。滄縣地勢低平，由西南向東北緩緩傾斜。該地區屬溫帶半濕潤大陸性季風氣候，滄縣多年平均（1981-2005）蒸發量1 02890 mm，多年平均降雨量55330 mm，降水量年際變化較大，年內分配不均勻，水資源先天不足[1819]。滄縣地下水主要賦存于第四系松散巖層的砂土和亞沙土空隙中，其水文地質剖面圖見圖1，多年平均（1980-2005）地下水資源量為192億m3，地下水資源嚴重短缺。滄州市地勢自西南向東北略傾斜，全區屬沖積、湖積、海積地形地貌，該區基底構造地處華北斷陷，地質構造較復雜。由于連續超采已形成一系列環境地質問題，如形成地下水降落漏斗、地面沉降等[2021]。

12研究區范圍及行政分區

整個研究區（即滄縣地區）包括滄縣及滄州市區。為了方便研究，且根據河北省滄州地區地下水管理的需求，在縣級行政分區與水文地質分區的基礎上，劃分縣級行政區地下水管理亞區或單元，并以此作為縣級行政區地下水管理的最小基本單元。共分為4個區：運西Ⅰ區、運西Ⅱ區、運東Ⅲ區、運東Ⅳ區，其分區見圖2。

13含水層空間分布

研究區地下水為第四系孔隙水，分為四個含水組。第一含水組為淺層地下水，底板埋深約為4000 m。運西地區大部分為淡水，運東地區大部分為咸水；運西全區及運東Ⅲ區含水層巖性主要以粉砂為主，運東Ⅳ區主要以黏砂為主。第二含水組為弱承壓水，運西上部為咸水，下部為淡水，到運東逐漸變成全咸水；含水層巖性以粉細砂為主，見有細砂。第三含水組為深層承壓水，底板埋深22000～42000 m；含水層巖性以細砂為主，見有中細砂和粉砂。第四含水組系湖積形成，含水層巖性主要以細砂為主，見有粉細砂。

14淺層地下水補、徑、排條件

滄縣地區淺層地下水以孔隙水為主。地下水的補給以降水入滲和地表入滲為主，其次為地下水回灌及側向徑流補給；主要排泄方式為潛水蒸發和人工開采，天然狀態下地下水的流向與地形傾斜相一致，即由西南流向東北，由于開采影響，地下水流向開采區。

15地下水位動態特征

151地下水位年際動態分析

滄縣地區的淺層觀測井共有11眼，其分布見圖3。滄縣地區地下水位年際變化有一定的周期性，可以分為兩個階段。一是前一年的6月到9月，地下水位有一個短暫的上升期；二是從9月到下一年的6月，地下水位處于下降期。2012年淺層地下水年平均水位為421 m，比2011年上升136 m；2012年末平均水位467 m，比2011年同期上升了056 m。2013年淺層地下水年平均水位為478 m，比2012年上升了057 m；2013年末平均水位483 m，比2012年同期上升了016 m，淺層地下水位動態變化曲線見圖4。

152地下水位年內動態分析

滄縣地區地下水位年內變化均有一定的周期性，可以分為三個階段。一是水位下降期，從1月到6月水位逐漸下降，6月水位最低。二是水位上升期，從6月到9月水位逐漸升高，9月水位最高。三是水位下降期，從9月到12月水位再次下降。水位上升的幅度大于水位下降的幅度，水位逐步恢復。

153地下水位變化與降水量關系

根據資料的完整性，選取東關、張韓店和捷地三個觀測孔來研究地下水位變化與降水量的關系，其水位及降水資料從2011年6月-2013年12月。地下水位的變化與降水有關，降水量越大，水位變化幅度也越大，但具有一定的滯后性，滯后期約為1個月。其關系見圖5。

2地下水數值模型的建立

根據滄縣地區水文地質條件，結合地下水長期觀測資料及地下水實際開采情況等，利用三維地下水流數值模擬軟件GMS，將滄縣地區潛水層概化為一個具有統一水力聯系的地下水系統，將該系統概化為參數隨空間變化、非均質的非穩定流地下水系統。

21水文地質概念模型

211模型范圍及邊界條件

整個研究區包括滄縣全境及整個滄州市區，邊界條件具體如下：（1） 研究區AG、BC、EF段有河流經過，因此將其概化為定水頭邊界；（2）AB、CD、FG段，從2012年地下水位等值線分析，該邊界與地下水位等值線基本垂直，可視為隔水邊界；（3）DE段與研究區外有水量交換，因此將其概化為流量邊界。模型范圍及地下水位等值線見圖6。

212水文地質參數分區及初值的確定

本次用于地下水流模型的水文地質參數主要分為兩類：（1）用于計算地下水的源匯項參數，如降水入滲補給系數、灌溉田間入滲補給系數、潛水蒸發系數等；（2）含水層的水文地質參數，主要包括潛水含水層的滲透系數（k）、給水度（μ），滲透系數的參數分區如圖7、圖8所示。根據滄縣地下水資源評價確定水文地質參數初值。

22地下水流數值模型

221數學模型

根據研究區水文地質條件，將研究區內水文地質概念模型概化為水平占主導，垂向運動較弱、參數隨空間變化，非均質、非穩定地下水流系統。

222地下水流數值模型的建立

（1） 空間剖分。

研究區面積為1 46950 km2，長為5589 km，寬4480 km。，進行網格剖分，共剖分為10 000個網格（100行×100列），其中活動單元格5 017個，見圖9。

（2） 定解條件。

初始水位：以2012年1月地下水位資料為基礎，采用反距離加權插值法獲取含水層初始水位。endprint

（3） 源匯項處理。

主要的補給項有：降水入滲補給、側向補給、灌溉補給等；主要的排泄項有：人工開采、蒸發及側向排泄等。采用達西定律確定邊界側向補給、排泄量；根據降水量乘以降水入滲補給系數，得到降水入滲補給量；灌溉入滲補給量、蒸發排泄量的確定方法與降水入滲補給量確定方法相同；開采量以井的形式輸入模型。

223模型的識別和驗證

本次模擬采用2012年1月1日至2012年12月31日的實測地下水位數據對模型進行識別，采用2013年1月1日至2013年12月31日實測地下水位數據對模型進行驗證。在研究區內選取11個觀測孔，對模型進行識別及驗證，發現計算值與觀測值在Y=X直線附近，說明計算值與觀測值相當，觀測孔擬合結果見圖10。

根據觀測孔計算值與觀測值的擬合結果可知，有超過80%的觀測孔誤差范圍在05 m之內，說明該模型的精度較高，可以用來預測。

3各分區控制性管理水位及閾值

31不同降水典型水平年的確定

利用滄縣地區1987-2013年共34年資料進行頻率分析，采用經驗頻率線求得不同典型年的降水量頻率。在降水保證率為20%時視為豐水年，代表年份為2010年；在降水保證率為50%時視為平水年，代表年份為1998年；在降水保證率為75%時視為枯水年，代表年份為2007年。

32壓采

為減緩滄縣地區地下水的過度開采，滄縣采取逐步壓采地下水的措施。要求2015年地下水的開采量控制在077億m3，2020年地下水的開采量控制在062億m3，2030年地下水的開采量減少到042億m3。由于僅有壓采總量的資料，本次預測根據2013年各鄉鎮開采量，按比例將壓采后開采量分配到各鄉鎮，最終分配到各開采井。

33不同情景設計

利用已建立的地下水流模型，以2014年1月地下水流場作為初始流場，預測期為2015年1月1日到2030年1月1日。通過對不同情景下的地下水流場的預測，得到不同情景下代表性監測點的地下水位，作為該情景下地下水控制性管理水位。

情景一：選取對供水最不利的降水量連續特枯水年組33240 mm，把對應的2002年降水量逐月資料帶入輸入模型計算。地下水在2015-2030年按照滄縣壓采方案逐步減少開采量。在各開采量的基礎上預測2015-2030年地下水位的變化情況。

情景二：選取降水量連續枯水年組44820 mm，把對應的2007年降水量逐月資料帶入模型計算。地下水在2015-2030年按照滄縣壓采方案逐步減少開采量。在各開采量的基礎上預測2015-2030年地下水位的變化情況。

情景三：考慮地下水以豐補歉的調節功能，降水量取多年平均值53090 mm（平水年），把對應的1998年降水量逐月資料帶入模型計算。地下水在2015-2030年按照滄縣壓采方案逐步減少開采量。在各開采量的基礎上預測2015-2030年地下水位的變化情況。

情景四：連續豐水年組63940 mm，把對應的2010年降水量逐月資料帶入模型計算。地下水在2015-2030年按照滄縣壓采方案逐步減少開采量。在各開采量的基礎上預測2015-2030年地下水位的變化情況。

34各分區地下水位閾值確定

（1）情景一。

研究區淺層地下水控制性管理水位整體上從西向東呈現出先降后升再降的趨勢。淺層地下水控制性管理水位的最大值與最小值均出現在運東Ⅳ區，其值分別為700 m和-640 m。在黃遞鋪鎮形成了局部的降落漏斗，見圖11。從地下水控制性管理水位閾值區間來看，情景一下滄縣地區淺層地下水位閾值區間范圍在-640～700 m之間。

（2）情景二。

研究區淺層地下水控制性管理水位整體上從西向東呈現出先降后升再降的趨勢。淺層地下水控制性管理水位的最大值為730 m，出現在運東Ⅳ區。最小值為-430 m，出現在運西Ⅱ區。從地下水控制性管理水位閾值區間來看，情景二下滄縣地區淺層地下水位閾值區間范圍在-430～730 m之間。

（3）情景三。

研究區淺層地下水控制性管理水位整體上從西向東呈現出先降后升再降的趨勢。 淺層地下水控制性管理水位的最大值為710 m，出現在運東Ⅳ區。最小值為-470 m，出現在研究區運西Ⅱ區。從地下水控制性管理水位閾值區間來看，情景三下滄縣地區淺層地下水位閾值區間范圍在-470～710 m之間。

（4）情景四。

研究區淺層地下水控制性管理水位整體上從西向東呈現出先降后升再降的趨勢。淺層地下水控制性管理水位的最大值為700 m，出現在運東Ⅳ區。最小值為-450 m，出現在研究區運東Ⅲ區。從地下水控制性管理水位閾值區間來看，情景四下滄縣地區淺層地下水位閾值區間范圍在-450～700 m之間。

4結果與討論

不同情景可以確定各自的地下水控制性管理水位，將所有情景整合在一起構成一個由最小值到最大值的區間即為地下水位閾值。滄縣地區地下水控制性管理水位閾值為-640～730 m，各行政分區淺層地下水位閾值及水位埋深閾值見表1。

研究區淺層地下水控制性管理水位整體上自西向東呈現出先降后升再降的趨勢。相對來說運西Ⅱ區與運東Ⅳ區的水位比運西Ⅰ區和運東Ⅲ區低。運西Ⅱ區水位較低，主要原因是淺層地下水的開采主要集中在該區域。

在壓采總量確定的情況下，最終確定各行政分區地下水位管理閾值，該閾值可以用來監督管理滄縣地區地下水開采情況。如果地下水位超出該閾值說明地下水超采，需采取相應措施嚴格限制地下水的開采。

5結論

地下水位的變化具有周期性，其周期與降水的周期一致，且具有滯后性，滯后期月為1個月。滄縣地區淺層地下水控制性管理水位閾值為-470～730 m。對于地下水位的監測不足，缺乏長期的水位觀測資料，建議增加地下水位監測點，對地下水進行長期的監測，尤其是降落漏斗區。未來研究的方向集中于地下水控制性管理體系的進一步完善。endprint

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