衛寧灌區迎水橋水源地地下水均衡變化研究

張宇正，張維江

(寧夏大學土木與水利工程學院，銀川 750021)

我國西北內陸灌區由于不夠完善的水資源開發和管理，產生了諸多不良生態環境問題，生態環境脆弱和水資源匱乏是制約當地經濟發展的重要因素。地下水是水資源的重要組成部分，在保障城鄉居民生活、支持經濟社會發展和維護生態平衡等方面發揮著十分重要的作用，隨著西北地區經濟社會快速發展，水資源不僅是量的需求增加，供水保證率以及均衡性的需求都在增加。天然水源地在人工開采后，排泄項發生變化，進而改變整體的地下水均衡態，應用地下水均衡計算對天然與人工開采條件下地下水的補給、排泄規律進行量化研究，可直觀地評價地下水開采利用情況，從而實現地下水對社會經濟和生態環境的最優支持，是干旱內陸灌區水資源優化管理與調控的基礎工作[1-4]。水均衡法與數值模擬法都是應用地下水系統的水資源平衡性，評價地下水的補給與排泄情況，是目前應用最為廣泛的地下水資源評價方法，兩種方法相輔相成，可以為區域地下水可持續開發提供更加科學的評價[5,6]。本文充分利用前人研究成果及已有水文地質資料，應用這兩種方法定量分析了水源地集中開采前后(以2014年為時間分界線)各均衡要素變化情況，為水資源的合理開發提供數據支撐，促進區域經濟和生態的可持續發展，保障地區供水安全。

1 研究區概況

研究區位于中衛市以西的迎水橋鎮，面積約18.14 km2，屬衛寧沖積平原黃河北岸，是中衛市為滿足城市發展需求于2013年開辟的新的城市集中供水水源地(圖1)。研究區為單一的沖積平原地貌，第四系厚度較大，地勢西北向東南黃河平緩下傾，地形平坦開闊相對高差約10 m左右，屬大陸性季風氣候區，年均降水量165.9 mm，集中在6-9月份，多年平均蒸發量1 399.5 mm。研究區屬同一水文地質單元，含水層巖性、水文地質條件均無太大變化。區內地下水為全新統早期(Qhlal)黃河沖積層潛水，主要補給來源是渠系、田間灌溉入滲，其次為大氣降水和側向徑流。地下水徑流與地形基本一致。

圖1 研究區位置圖Fig.1 Location map of the study area

2 研究方法

2.1 水均衡法

水均衡法是目前評估地下水的主要方法之一，其以質量和能量守恒定律為基本原理，將與地下水有聯系的四水轉化關系均反映在地下水的補給和消耗上。具有概念明確、方法簡便等優點，是集計算與論證于一體的方法[4]。

根據水均衡法原理，可建立如下水均衡方程式:

Q補-Q耗=ΔW

(1)

式中:Q補為地下水補給量；Q耗為地下水排泄消耗量；ΔW為地下水的蓄變量[6]。

通過該地區多年觀測資料分析，地下水動態特征主要受農田灌溉、渠系引水影響較大，枯水期水位有短期的下降，灌溉期和豐水季節水位迅速回升，并且水位變化不大，能基本說明補給量等于排泄量，因此，上述公式可近似表示為：Q補≈Q耗。

2.2 數值模擬法

數值模擬采用Visual MODFLOW(VMOD)軟件，該模型是目前世界上最著名、應用最廣泛的模擬三維地下水流和溶質運移的標準可視化專業模型軟件。VMOD用三維有限差分法概化地下水系統，由水量平衡原理通過連續性方程進行地下水系統動態求解：

(2)

式中：K為滲透系數，m/d；h為含水層厚度，m；W為均衡期內垂向流入或流出含水層的水量，表示地下水系統的源、匯項構成，mm/a；Ss表示含水層儲水系數，1/m[7]。

3 水均衡法地下水均衡計算

本文以2013年為現狀年，在此之前研究區內無集中式地下水開采，地下水開發情景為自然條件，2014年水源地開始運行，人工開采激增，為開采條件。

3.1 自然條件下水均衡計算

3.1.1 補給量計算

(1)田間灌溉滲入補給量。田間灌溉水滲入田間后，經包氣帶滲漏補給地下水的水量，計算公式為：

Q田滲=αQ田間

(3)

式中：Q田滲為灌溉滲入補給量，萬m3/d；α為灌溉滲入補給系數(無因次)；Q田間為灌溉水量，采用灌溉面積與灌溉定額的乘積，萬m3/d[8]。

研究區灌溉面積根據調查統計，水作物實灌面積1 140 hm2，旱作物水澆地實灌面積353 hm2。灌溉定額與灌溉入滲系數根據已有研究資料，水作物灌溉定額為2.925 萬m3/(hm2·a)，旱作物水澆地灌溉定額為1.2 萬m3/(hm2·a)，合計農作物用水量1 887.7 萬m3/a，灌溉入滲系數確定為旱作物水澆地0.21、水作物0.16[9]。經計算可得Q田滲為622.69 萬m3/a。

(2)側向徑流補給量。采用達西公式計算：

Q側補=KHBI

(4)

式中：Q側補為鄰區地下水徑流補給量，萬m3/d；H為含水層厚度，m；B為計算斷面長度，m；I為水力坡度(無量綱)。

根據調查資料補給斷面長度取值12 307 m，水力坡度取值0.002 3，根據研究區水文地質資料滲透系數取9.69 m/d，含水層厚度為66.35 m。算得Q側補為664.3 萬m3/a。

(3)降雨滲入補給量。利用下列公式計算降水滲入量。

Q降水=10-1FAατ

(5)

式中：Q降水為降水滲入補給量，萬m3/a；F為計算區面積，km2；A為年降水量，mm；α為降水入滲系數；τ為有效降雨量百分數[10]。

年降水量取中衛市氣象站多年降水量的平均值165.87 mm。有效降雨量百分數及降水入滲系數分別取50%與0.23。經計算可得Q降水為33.95 m3/a。

3.1.2 排泄量計算

(1)蒸發排泄量。蒸發量采用以下公式計算：

Q蒸發=10-1CE0F

(6)

式中：Q蒸發為潛水蒸發量，萬m3/a；F為潛水蒸發計算面積，km2；C為蒸發系數；E0為平均水面蒸發量，mm/a。

根據研究區地下水埋深現狀(平均1.5 m以內)及地質條件，蒸發系數取0.394[11]。計算可得Q蒸發為348.58 萬m3/a。

(2)排水溝排泄量。排水溝主要排泄灌溉回歸水、地下水、工業廢水及城市生活污水。研究區沒有特大排水溝，僅有太平渠視作排水溝及其他兩條較小的排水溝。根據調查，該排水溝總長36.85 km，2013年排水溝排泄量為2 387.1 萬m3，流經均衡區長為8.5 km。得出研究區內排水溝排泄量為551.15 萬m3/a。

(3)人工開采量。現狀條件下研究區地下水開采為分散式開采：主要是以當地居民生活飲用水為主，經調查統計均衡區現狀開采量251.49 萬m3/a。

(4)向黃河排泄量。計算方法與側向補給計算方法相同，經計算得向黃河排泄量為160.24 萬m3/a。

通過上述地下水補給量與排泄量的計算，可以得出研究區現狀條件下地下水的補給量為1 320.94 萬m3/a，排泄量為1 311.45 萬m3/a，呈微弱的正均衡(見表1)。

表1 自然條件水均衡計算結果表Tab.1 Natural condition water balance calculation result table

3.2 開采條件下水均衡計算

根據《中衛市城市總體規劃(2003-2025年)》，為滿足城市發展需要，將研究區規劃為新的集中供水水源地，計劃開采量為4.2 萬m3/d。開采條件下，研究區地下水由于開采量的增加造成了其他項的量發生變化。

(1)補給項中側向補給量計算，開采條件下，研究區水位下降，水力坡度取值0.002 7；根據開采井抽水試驗資料，開采產生降落漏斗，其南部邊界達到黃河岸邊，形成較強的河流激化補給，因此將漏斗范圍波及黃河邊界的長度，概化成一條定水頭補給邊界，確定黃河定水頭補給邊界長度9 185 m，采用達西公式進行計算，由于漏斗靠黃河較近，因此該水力坡度值較側向補給的大，取值0.004；滲透系數、含水層厚度由河岸相關地勘資料確定。

(2)排泄項中蒸發量計算，重新取潛水蒸發系數值為0.12[11]；排水溝排泄量計算中，排水溝水量取2014、2015、2016資料均值計算，計算可得研究區排水溝排泄量1.08 m3/d。開采排泄中加入集中開采量4.2 萬m3/d。

經計算，可以得出研究區開采條件下地下水的補給量為2 261.18 萬m3/a，排泄量為2 267.75 萬m3/a，呈負均衡，詳見表2。

4 數值模擬法水均衡計算

4.1 模擬區初始條件及邊界性質的概化

將2013年5月研究區鉆井水位空間插值，得到模型初始水位條件。

表2 開采條件水均衡計算結果表Tab.2 Results table of water balance calculation for mining conditions

模擬區范圍參考地下水流場，以研究區為主稍作外延，將黃河作為模型南部邊界，概化為水頭邊界(第一類邊界)。其他都概化為通用水頭邊界(GHB，混合邊界)，如圖2所示。

模型上邊界為地表，下邊界為第四系含水層地質邊界，概化為隔水邊界。

圖2 模擬區邊界概化Fig.2 Simulation area boundary generalization

4.2 參數分區及匯源項處理

模型初始參數分區由地勘資料綜合第四系沉積環境得出(圖3)。

圖3 初值參數分區圖Fig.3 Partition diagram of initial value parameter

降水及灌溉屬垂向補給，用Recharge模塊處理，先為整個模擬區面賦值年平均降雨量165.87 mm，然后結合遙感影像圈劃出水作物與旱作物分區，分別面賦值補給強度468與252 mm/a；根據實際資料，用Drain模塊模擬研究區內排水溝，排泄高程為1 210 m，單位面積水力傳導系數為14.9 m2/d；潛水蒸發由ET模塊處理，蒸發量為研究區多年平均值1 399.5 mm，地下水蒸發極限埋深設為5 m；人工開采井根據調查所得，用Well模塊進行賦值計算。

4.3 模型識別及驗證

對2013年12月實測地下水位等值線和模型模擬水位線擬合(圖4)，模擬流場與實際流場基本吻合，且識別后的水文地質參數也在合理范圍內(圖5)。表明所建立的數學模型較為真實地刻畫了研究區地下水系統，可利用此模型進行地下水模擬與預測。

圖4 模擬區地下水流場擬合圖Fig.4 Simulation area underground flow field fitting diagram

圖5 調整參數分區圖Fig.5 Adjust the parameter partition diagram

4.4 數值模擬計算結果

根據校正后的模型，計算出自然條件下的均衡情況(表3)。

表3 自然條件模擬區地下水均衡表Tab.3 Groundwater balance table in natural condition simulation area

在模型中加入集中開采井相關數據，從2014年6月開始開采，模擬期為10年(2013年6月至2023年6月)，計算得到開采條件下(2023年)的地下水均衡情況(表4)。

5 水均衡計算結果分析

通過水均衡法與數值模擬法計算結果可以看出，兩種方法均較好的評價了研究區不同狀態下的地下水均衡。兩種方法計算結果基本接近，加和平均得到自然與開采條件下各補給、排泄項水量對比表(表5)，分析可知，補給項中，開采條件下側向徑流增加，并且集中開采形成降落漏斗激發了黃河反補研究區地下水；排泄項中蒸發量與排水溝排泄量占比分別由25.74%、45.58%下降到3.59%、17.39%。表明研究區地下水補給方式與排泄途徑發生改變，地下水流場也有較大的變化，人類活動(開采條件)對區域地下水環境影響巨大。

表4 開采條件模擬區地下水均衡表Tab.4 Groundwater balance table in simulated area of mining conditions

表5 然與開采條件補給、排泄對比表Tab.5 Comparison of natural and mining condition recharge and excretion

6 結 語

本文同時應用水均衡法與數值模擬法對水源地地下水人工開采前后地下水均衡態進行了計算分析，兩種方法互為論證，取得了較好質量的地下水均衡計算結果。

明晰水源地在兩種條件下各均衡要素量，有助于決策者更好地了解研究區水資源，為地下水資源的可持續開發利用提供數據支撐。分析了研究區水均衡態的變化情況，為研究區相關部門改進現有水資源配置方案、平衡地下水采補等方面提供一定的參考依據。