基于地下水數值模擬的寶山農場引江灌溉模式研究

賈艷輝，閻偉，高巍，馬春芽，李金山

基于地下水數值模擬的寶山農場引江灌溉模式研究

賈艷輝1，閻偉2，高巍3，馬春芽1，李金山1*

（1.中國農業科學院 農田灌溉研究所，河南 新鄉 453002；2.河北省水利水電勘測設計研究院，天津 300250；3.河北省水利水電第二勘測設計研究院，石家莊 050021）

【】確定寶山農場合理的農業引江灌溉模式，為區域水資源優化配置提供科學依據。針對松花江流域引江灌溉產生的地表水和地下水的綜合開發利用問題，利用三江平原水文地質資料和寶山農場地下水水位長系列實測資料對MODFLOW-2000模型進行了參數識別、驗證及模型敏感性分析，并模擬分析了4種情景對寶山農場地下水水位的影響。構建的地下水模擬模型能夠反映灌區井群地下水位的實際變化過程。敏感性分析表明，長序列地下水變化過程及地下水位分布情況受初始地下水位影響很小；說明當研究區域內利用地下水灌溉及部分地區（沿江10 km）采用引江水灌溉模式時，地下水資源基本上可以維持供采平衡，在保證地下水合理開采的前提下不會發生內澇；而研究區域內均采用引江灌溉模式則會使地下水位-抬高導致內澇，內澇情況隨著與河道距離的增加而愈發嚴重。引江水灌溉時，需加強對地下水位的觀測，當地下水位過高時，應減少引江灌溉用水，適當增加地下水抽取量進行灌溉，以保障研究區地下水和地表水的高效利用。

寶山；地下水模型；地表水；地下水；灌溉

0 引言

【研究意義】淺層地下水是可利用地下水資源的重要組成部分，也是陸地水資源的重要組成部分[1]，更是農業灌溉用水及工業用水的重要來源[2]。不合理超采地下水或超量引水灌溉均會影響區域水資源的高效利用[3-4]。如何高效可持續開發利用區域地表及地下水資源已成為水文、地質及農田水利等領域的研究熱點問題。

合理地利用地表水和地下水資源，首要問題是要對區域地下水進行符合實際的模擬，進而摸清區域地下水的運動規律。【研究進展】目前針對地下水位動態變化問題的研究方法可分為2類，一類是基于長期觀測資料的分析方法如Mann-Kendall檢驗[5-6]、Yamamoto檢驗[7]、雙向回歸分析方法[8-9]、R/S分析法[10-11]；另一類是基于地下水運動模型的模擬方法如SWAT[12-14]、MODFLOW[15-17]等。前一類方法一般需要大量的長期觀測資料，而且一般只能預測某一點或幾點的地下水位而MODFLOW則可為地表水文過程與地下水系統之間的關系進行耦合定量評價[18]、并可精確計算地下水不給量，為農業灌溉地區的地下水資源合理規劃利用提供科學依據[19]。三江平原在“旱改水”過程中，水稻面積從最初的26.67萬hm2發展到173.33萬hm2，農業灌溉對地下水的開采量和引江灌溉需求與日俱增，致使很多地區出現了地下水位降落漏斗和內澇。【切入點】因此，有必要利用較成熟的地下水運動模擬模型MODFLOW對寶山農場地下水位動態變化過程進行建模，了解該區地下水的水位變動情況【擬解決的關鍵問題】利用MODFLOW軟件建模模擬分析不同情景（不同引江灌溉模式）條件下研究區域地下水位的動態變化，以期促進區域水資源的優化配置和農業可持續發展。

1 研究區概況

研究區位于三江平原上游的寶山農場（130°47'E—130°57'E，46°55'N—47°01'N），研究區屬松花江流域，總面積2 491.7 km2，土壤為草甸土類，黑土層30～50 cm，有機質5.16%。研究區北部以松花江為邊界，東部以安邦河為邊界，南部以山腳線為邊界（圖1）。研究區屬大陸性季風氣候。年日照時間2 300～2 700 d，無霜期130～150 d。年降水量500～650 mm。夏季受東南亞季風影響，雨量充沛且集中，冬季干燥而少雨。

第四系含水層厚度一般100～150 m，靠近山前臺地區50～100 m。低平原大部分地區單井涌水量1 000～5 000 m3/d，局部地區大于5 000 m3/d。水文地質條件分布情況如圖2所示。

圖1 研究區位置

圖2 三江平原水文地質

2 研究區地下水動態模型構建

2.1 概念模型

三江平原屬于一個大型地下水匯水盆地，區域地下水流場主要受控于當地地形、水文和氣候等因素[26]。重力勢是驅動盆地地下水運動的主要動力，當降水或地表水轉變為地下水時，便將相應的重力勢能加諸地下水。在地形較高的山前地帶，地下水接受補給水位持續抬升，重力勢能積累，構成勢源，為流場的高勢能區。地形低洼的河谷區，通常是流場的低勢區。地下水在重力勢能驅動下，由山前地帶高勢能區向河谷的低勢能區運動，進而形成三江平原上游區域地下水流動系統。

研究區北部以松花江為界，東部以安邦河為界，南部以完達山山腳線為界。這樣北部和東部可以處理為第一類邊界（水頭邊界）；南部山區的降水匯流后，一部分形成地表徑流，一部分形成地下徑流，徑流流量通過查閱當地的水文地質資料并帶入模型進行率定后確定，所以南部山區處理成第二類邊界條件（流量邊界），水文地質概念模型如圖3所示。根據地質調查資料得知，含水層由南向北逐漸增厚。研究區的系統輸入可概化為4項：降水入滲、河流入滲、灌溉回補和上游地下水側向徑流補給；系統輸出也可以概化為4項：潛水蒸發、向河流排泄、人工開采和向下游地下水側向徑流。

圖3 研究區水文地質概念模型

2.2 數學模型

MODFLOW模型，又稱模塊化三維有限差分地下水流動模型，廣泛應用于水利學、農業、生態環境以及城鄉發展規劃等領域。其數學模型為：

式中：K、K和K為滲透系數在、、方向上的分量；為水頭；為源匯項；s貯水率；為時間。

本文主要研究第四系潛水的動態情況，建立研究區潛水運動方程：

式中：為滲透系數（m/d）；為地下水位（m）；為源匯項，地下水抽水量（d-1）；為給水度（m-1）；為時間（d）。

上邊界條件為灌溉、降水補給，計算式為：

式中：為縱坐標（m）；(,)為地表；為補給系數；為降水及灌溉水量（m）。

研究區北部和東部邊界為第一類邊界條件其數學表達式為：

式中：1、2分別為松花江及安邦河；1(,,)、2(,,)分別為松花江及安邦河水位函數。

式中：為垂直于邊界方向；3為南部山腳；(,,)為補給流量。

分別選用1999—2002年和2003—2007年較為完整的地下水位數據做模型的率定和驗證，因此，使用1999年1月初地下水位作為初始條件：

式中：0(,)為初始地下水位分布。

2.3 模型離散

為了使用數值方法準確求解研究區地下水位動態變化過程，需對構建的數學模型進行空間和時間上的離散，首先對研究區進行空間離散（圖4），把研究區剖分成1 km×1 km，黑色網格為活動網格，綠色網格為非活動網格。

圖4 研究區網格剖分

對研究區域64 a（1951—2014年）歷史氣象數據在時間上進行離散，每年分為3個應力期（5—8月為第1應力期，應力期內有降水、灌溉提水；9—10月為第2應力期，應力期內有降水；11月—次年4月為第3應力期，應力期內有降水）共192個應力期。

2.4 研究區水田分布

通過調查得知，2011年黑龍江省水稻種植分布[20]如圖5所示，對研究區的水田和旱田進行概化處理后，約2/3的耕地面積是水田，其他為旱田，三江平原上游水田灌溉定額為716 mm，旱田灌溉定額為150 mm[21]。分布情況如圖6所示。

圖5 黑龍江省水稻種植分布

圖6 研究區水田旱田分布

2.5 參數率定及驗證

把調查得到的水文地質參數輸入模型中，采用1999—2002年寶山農場地下水位監測數據進行模型參數率定，結果見圖7。

圖7 地下水位模擬值與實測值相關關系（1999—2003年）

將率定好的參數輸入模型，與2003—2007年的地下水位監測數據進行模型參數驗證。模擬值與實測值分析結果（圖8）表明，模擬值與觀測值不同時段地下水位的變化趨勢基本一致，模擬值與觀測值擬合2=0.696 4，說明構建的地下水模擬模型能夠反映研究區地下水位的實際變化趨勢。

2.6 模型對初始地下水位的敏感性分析

地下水動力學模型的定解條件包括邊界條件和初始條件，但是由于監測點較少，初始條件中的地下水位分布信息與實際地下水位分布會有差別Δ0(,)，這樣的差別會對模擬的地下水位變化過程產生影響。因此，需分析0(,)對(,,)的影響。其他條件不變，只變化初始地下水位分布（全部初始水位+1 m和-1 m）后運行程序，得到變化地下水位初始值后的水位分布（第64年末），模擬結果如圖9所示。

從圖9可以看出，初始地下水位+1 m和-1 m后，水位分布（第64年末）模擬結果與原始結果差別不大。另外，針對其中的1個觀測點（3號觀測點）模擬全過程的地下水位變化進行對比，結果如圖10所示，同一觀測位置，變化初始地下水位后，前6年的地下水位有差別，1957—2015年地下水位變化基本一致。從觀測點地下水位及最終地下水位分布的比較可以看出，初始水位對長期的地下水變化過程及地下水位分布情況影響很小。

圖8 地下水位模擬值與實測值相關關系（2003—2007年）

圖10 變化初始水位后觀測點地下水位變化對比

3 地下水位動態模擬結果及討論

3.1 模擬結果

目前，研究區的水田及旱田均為井灌，引江水干支等骨干渠道都已建成，引松花江水灌溉正逐步推進，所以，本文以三江平原地下水與地表水聯合利用為背景，設置3種聯合調度情景，與目前的全部使用地下水灌溉情況對比討論：情景1，旱田與水田都是井灌，與目前的水資源利用情況相同；情景2，沿松花江10 km的范圍是引江水灌溉，其余使用井灌；情景3，全部水田使用引江水灌溉，旱田使用井水灌溉；情景4，水田和旱田均為引江水灌溉。

分別對以上4種情景進行了模擬，得到各時段地下水位和固定觀測點的地下水位過程。首先列出模擬期末（64年末）的地下水分布情況如圖11所示，從圖11中可以看出，從灌溉水利用情景1—情景4，隨著引江水量及引水灌溉范圍的增加，各級地下水位等值線都有向北移動的趨勢；70 m地下水位等值線的形狀有向北凹變為向北凸，位置變化不明顯。75 m地下水位等值線的形狀和位置都有較大變化。100 m地下水位等值線的變化不大；地下水位對引江灌溉水量的響應程度與地下水補給邊界和排泄邊界的距離有關，與補給排泄邊界距離越近響應程度就越低，距離越遠響應程度越高。

圖11 研究區4種灌溉情景地下水分布情況

對上面4種情景的地下水位分布在圖中位置做剖面，可得到4條地下水位剖面線，如圖12所示。

圖12 研究區4種情景模擬期末地下水剖面線

從圖12中4條剖面線和地表線的比較可以看出，同一位置，隨著引江水量及引水灌溉范圍的增加，地下水位會升高，河邊的升高值較小；情景1、情景2、情景3，基本上實現了地下水資源的可持續開采利用，不出現地下水超采（地下水位持續下降）或內澇（地下水位上升至作物根區范圍）；情景4會使地下水排泄不及，從而導致內澇。離河道越遠，內澇越嚴重。

對研究區內4個觀測點（圖6）的地下水位變化過程進行比較，如圖13所示，從選擇的4個觀測點64 a模擬地下水位變化過程可以看出：隨著與松花江距離的增加，年內及年際地下水位變化幅度都會增加。并且比較同一觀測點的4種情景還可看出，隨著引江水量及引水灌溉范圍的增加，各觀測點的地下水位都有所增加，情景4的地下水位增加較多，說明全部使用引江水灌溉水田有可能破壞地下水資源的采補平衡（灌溉對地下水補給量過多，存在地下水水位持續升高引起農田漬害風險）。

圖13 研究區4種情景地下水位變化過程

3.2 討論

隨著三江平原水田灌溉模式和范圍不斷擴大，對水資源的需求量也越來越大，使得水資源供需矛盾不斷加劇，淺層地下水位有逐年下降的趨勢。而充分利用江水資源，補充本區的不足水量，開發流域農業資源，通過地表水、地下水的聯合運用，可從根本上解決研究區域內水資源供需矛盾。牛松濤等[20]研究表明區域地下水動態與農業發展密切相關，水位與農業灌溉需水量變化趨勢相反，主要原因是引灌水量過大，且有灌無排，地下水位大幅度上升會導致一系列的農業生態環境問題，其中最為突出的是漬澇鹽堿災害[22]。本研究表明，研究區內在目前開采地下水灌溉的模式下，小范圍的使用引江水灌溉，不會造成區域地下水水位持續下降或持續上升。主要是因為降水和灌溉是影響寶山農場地下水位動態變化的主要因子，但是提水灌溉不會導致地下水位持續下降[3]。李偉業等[23]在三江平原1997—2005年地下水的補水量和排泄量的比較中，虧損量累計達 6.89×108 m3，說明該區域的補水能力在現有的開采條件下在不斷地下降，地下水資源有超采的趨勢；另有研究表明，在1997—2017年，三江平原區域內水稻田種植面積由 14.67萬hm2增加到65.66萬hm2，灌溉用水對地下水的需求量不斷增加，地下水位呈持續下降趨勢，下降幅度為1.60～9.29 m[24]。劉偉坡等[25]認為三江平原地下水過量開采引起的地下水流場變化，激發了河水入滲補給地下水能力，增加了地下水側向徑流補給量，改善了地下水徑流條件。而本文采用的引水灌溉模式，是灌區地下水埋深呈穩步增大趨勢的主要影響因子，而在農業灌溉對地下水的開采量需求與日俱增的情況下，引江灌溉也是研究區維持地下水采補平衡的有效措施。

4 結論

1）MODFLOW模型可以較好模擬研究區地下水位時空動態變化過程。

2）當研究區域采用現有引江灌溉模式時，可維持當地地下水采補平衡；小范圍（沿江10 km范圍內）使用引江水灌溉，不會造成區域地下水水位持續下降或持續上升；而大范圍（全部水田范圍）采用引江水灌溉時，導致研究區域內部分排水不暢地區地下水水位持續上升，誘發農田澇漬災害。

3）引江水灌溉時，需加強對地下水位的觀測，如地下水位過高應及時減少引江灌溉用水，適當增加地下水抽取量進行灌溉，以保障研究區水資源的平衡利用。

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Using Numerical Simulation to Aid Surface and Subsurface Water Irrigation in Baoshan of Heilongjiang Province

JIA Yanhui1, YAN Wei2, GAO Wei3, MA Chunya1, LI Jinshan1*

(1.Farmland Irrigation Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Xinxiang 453002, China;2.Investigation Design and Research Institute of Water Conservancy and Hydropower of Hebei Province, Tianjin 300250, China; 3.The Second Design and Research Institute of Water Conservancy and Hydropower of Hebei Province, Shijiazhuang 050021, China)

【】The project of transforming drylands to paddy fields in Sanjiang Plain in the northeast China has increased its rice cultivation areas from 266 700 hm2prior to the project to 1 733 300 hm2after implementing the project. As a result, its demand for water also increased. Baoshan Farm is in the upper reach of Sanjiang plain on a piedmont, and its agricultural production had relied on groundwater since its establishment. Since 1992, it has gradually converted drylands to paddy field, and such a land conversion has resulted in a conflict between increased demand for water and limited water availability.【】The purpose of this paper is to analyze how to optimize the use of surface water and groundwater to resolve the conflict between limited water supply and the increased demand for water due to the land use change, so as to avoid waterlogging while in the meantime alleviating continued groundwater table dropping.【】The calculation was based on groundwater flow with the groundwater dynamics under different managements simulated using the software Modflow-2000. The aquifer parameters, model validation and sensitivity analysis of the parameters were carried out using long-term hydrogeological data measured from the area. We then compared groundwater dynamics under irrigations using different combinations of surface water and groundwater.【】The calibrated groundwater dynamics model correctly reproduced the measured changes in groundwater level in the studied area; sensitivity analysis revealed that the initial groundwater level did not have a noticeable influence on long-term groundwater variation. Using the river water to irrigate areas 10 km in the proximity of the river while irrigating other areas using the groundwater can keep groundwater resource balance while in the meantime alleviating waterlogging. In contrast, irrigating too many areas using transferred river water could raise the groundwater table and result in waterlogging in a wide range of areas.【】Rational use of groundwater and surface water in irrigation can maintain groundwater balance and avoid waterlogging in the farmlands of Baoshai; a monitoring system should be in place to timely measure the change in groundwater table.

Baoshai; groundwater model; surface water; groundwater; irrigation

賈艷輝, 閻偉, 高巍, 等. 基于地下水數值模擬的寶山農場引江灌溉模式研究[J]. 灌溉排水學報, 2021, 40(9): 111-117.

JIA Yanhui, YAN Wei, GAO Wei, et al. Using Numerical Simulation to Aid Surface and Subsurface Water Irrigation in Baoshan of Heilongjiang Province[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(9): 111-117.

S24

A

10.13522/j.cnki.ggps.2020528

1672 – 3317（2021）09 - 0111 - 07

2020-09-20

中國農業科學院農田灌溉研究所基本科研業務費項目（FIRI20210203）；中國農業科學院創新工程黃淮海冬小麥-夏玉米集約高效用水技術創新與應用

賈艷輝（1982-），男。副研究員，博士，主要從事灌區水資源研究。E-mail: jyh_5151@126.com

李金山（1972-），男。研究員，主要從事節水灌溉研究。E-mail: lijinshan72@126.com

責任編輯：趙宇龍