河南周口龍湖濕地地下水-地表水交互作用模擬及修復(fù)決策研究

楊海瑞，徐永新，2，馬 念，陳 杰，陶 亮，張志敏，劉 戀

(1.林同棪國際工程咨詢(中國)有限公司，重慶 401121； 2.西開普大學(xué) 自然科學(xué)學(xué)院地球科學(xué)系，南非 開普敦 8000)

0 引 言

湖泊濕地是位于陸生生態(tài)系統(tǒng)和水生生態(tài)系統(tǒng)之間的過渡性地帶，濕地通過水文循環(huán)實(shí)現(xiàn)與周邊環(huán)境系統(tǒng)的物質(zhì)和能量交換，水文過程制約著濕地環(huán)境的生物、物理和化學(xué)特征，從而控制著濕地景觀格局、生物生長(zhǎng)及其他生態(tài)功能的形成與演化[1]。

湖泊與地下水的交互作用對(duì)湖泊水文循環(huán)起重要作用，這種交互作用主要通過地表水與地下水之間的水量交換和水質(zhì)演變來體現(xiàn)[2-3]。由于這種交互作用，使得地下水成為很多內(nèi)陸湖泊濕地重要的補(bǔ)給來源。因此，探索地下水與湖泊水量、水質(zhì)轉(zhuǎn)化機(jī)制是理解湖泊濕地水循環(huán)機(jī)制及其物質(zhì)、能量與信息傳遞的關(guān)鍵基礎(chǔ)[4-5]，也是水環(huán)境治理和生態(tài)修復(fù)工程決策的前提。

隨著全球氣候變化和人類活動(dòng)雙重影響的加劇，湖泊濕地地表水-地下水系統(tǒng)的相互作用響應(yīng)敏感，濕地水文過程更加復(fù)雜，濕地生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)出高度脆弱性。在此背景下，地下水對(duì)于維持生態(tài)系統(tǒng)健康、結(jié)構(gòu)與功能穩(wěn)定的重要性日益得到重視，關(guān)于濕地-地下水交互作用的多學(xué)科交叉探討成為當(dāng)前國際濕地研究的熱點(diǎn)與前沿課題[6]。城市湖泊受人類活動(dòng)影響更大，由于城市化對(duì)湖泊產(chǎn)生負(fù)面影響的案例并不罕見，湖泊治理需要對(duì)水文關(guān)系有非常充分的認(rèn)識(shí)，但湖泊和地下水的相互作用卻并不像地表水那樣容易被認(rèn)知，因此，地下水的作用常常被忽視，或者把地下水和地表水分開管理[7-8]。特別是在城市湖泊水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)工程中，往往較少關(guān)注地下水與湖泊水體水量平衡的關(guān)系，而相關(guān)地下水模型在城市水工程中的應(yīng)用更是較為少見。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)

龍湖是位于河南省周口市淮陽區(qū)的城市湖泊，為典型的中原地區(qū)內(nèi)陸湖泊型濕地，也是中原地區(qū)少有的重要城市景觀湖。龍湖濕地地處黃淮平原腹地，湖泊東西寬4.4 km，南北長(zhǎng)2.5 km，圍堤長(zhǎng)14 km，面積11 km2，水域面積5.34 km2，通常水深1.5～2.3 m，最大水深超過3 m。

龍湖濕地屬淮河流域，主要流經(jīng)水系為沙潁河水系。龍湖周邊河流(渠)共有9條，分別是：淮鄭河、七里河、白樓渠、古蔡河、北關(guān)溝、新蔡河、南關(guān)溝、徐老莊溝等(圖1)。其中，淮鄭河在龍湖西北側(cè)與龍湖直接相連，曾是龍湖的補(bǔ)給水源來源；南關(guān)溝在龍湖東南側(cè)，與龍湖相通，作為退水通道。近年來，為防止外源污染負(fù)荷輸入，淮鄭河、南關(guān)溝和龍湖之間的進(jìn)出水閘常年關(guān)閉，龍湖與周邊地表水系現(xiàn)無直接補(bǔ)給關(guān)系。

圖1 龍湖與周邊水系示意

研究區(qū)埋深小于50 m的地層劃為淺層含水層，主要由全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)地層組成，上更新統(tǒng)底板作為淺層含水巖組底板。巖性主要由中細(xì)砂、細(xì)砂、粉砂、粉細(xì)砂、粉土及粉質(zhì)黏土等組成。降水入滲補(bǔ)給系數(shù)一般為0.15～0.25。滲透系數(shù)為1～30 m/d，富水性較好，單井涌水量為1 000～3 000 m3/d。

天然條件下，淺層地下水主要接受降水入滲補(bǔ)給，其次為河流等地表水側(cè)滲、渠道側(cè)滲、灌溉回滲。地下水水位埋深2～6 m，總體流向由西北流向東南，水力坡度0.2‰～0.7‰。排泄方式主要為蒸發(fā)、人工開采、徑流排泄及河流湖泊排泄。

1.2 研究方法

目前，針對(duì)濕地地表水-地下水交互作用的研究大多依賴地表水和地下水模型[9-10]。MODFLOW是由美國地質(zhì)調(diào)查局開發(fā)出的一套專門用于孔隙介質(zhì)中三維有限差分地下水流數(shù)值模擬的軟件[11]。加拿大Waterloo水文地質(zhì)公司在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用現(xiàn)代可視化技術(shù)開發(fā)研制出Visual MODFLOW[12]，該模型具有合理的菜單結(jié)構(gòu)、友好的界面、功能強(qiáng)大的可視化特征[13]，可作為本研究定量分析的軟件支撐。

地表水和地下水的交互作用，不但形成水動(dòng)力梯度，也形成化學(xué)梯度。在龍湖及周邊采集水樣進(jìn)行常規(guī)離子檢測(cè)，在水量平衡分析結(jié)果上，應(yīng)用水文地球化學(xué)交互模型分析龍湖濕地與地下水之間的水化學(xué)聯(lián)系及潛在風(fēng)險(xiǎn)。

本研究通過建立數(shù)值模型對(duì)水量平衡做定量計(jì)算，為水量、水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)分析討論奠定基礎(chǔ)，重點(diǎn)介紹數(shù)值模擬的方法和過程。

1.3 數(shù)值模擬

1.3.1 模型概化

為建立模型，將地下水研究范圍擴(kuò)展到龍湖周邊以新運(yùn)河、周商運(yùn)河、老黑河、狼牙溝、新蔡河和范丹寺溝為邊界包圍的區(qū)域。這是一個(gè)由河流切割的天然地下水系統(tǒng)。模型研究區(qū)坐標(biāo)范圍：大地坐標(biāo)X=20 286 000～20 318 000 m，Y=3 720 000～3 752 000 m，平面面積7.92 km2，底部邊界取在地表以下50 m處，頂部邊界取在地表。地下水含水層主要為第四系全新統(tǒng)沖積砂層，含水層厚度較大，含水介質(zhì)為非均質(zhì)各向同性。研究區(qū)水文地質(zhì)模型概化示意見圖2。

圖2中，龍湖西北側(cè)新運(yùn)河、周商運(yùn)河和老黑河均為季節(jié)性河流，概化為第三類河流邊界(A2)；而東南側(cè)狼牙溝、新蔡河和范丹寺溝所處地勢(shì)較低，對(duì)地下水起排泄作用，故概化為第三類排水溝邊界(A3)；龍湖概化為第三類邊界(A3)；研究區(qū)南側(cè)至新運(yùn)河段概化為側(cè)向徑流邊界(A1)；研究區(qū)頂面為潛水面邊界(A4)；底面為上更新世黏土、亞黏土層，滲透性弱，構(gòu)成區(qū)域隔水底板(A5)。

圖2 研究區(qū)水文地質(zhì)概念模型

1.3.2 數(shù)值模型建立

在建立水文地質(zhì)概念模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)有限差分原理，利用Visual MODFLOW建立地下水流數(shù)值模型。有限差分原理的基礎(chǔ)是時(shí)間和空間的離散化。其中，在水平面上采用間距為200 m等間距正交網(wǎng)格將研究區(qū)剖分為160行、160列，共剖分出了25 600個(gè)單元。從垂向上將研究區(qū)劃分為1個(gè)含水層，為第四系沖洪積砂礫卵石孔隙含水層。

計(jì)算采用穩(wěn)定流建模。根據(jù)計(jì)算流場(chǎng)形態(tài)、水位，并結(jié)合地下水監(jiān)測(cè)井所測(cè)得的地下水位，對(duì)模型進(jìn)行校正，使模型計(jì)算流場(chǎng)與區(qū)域地下水運(yùn)動(dòng)特征基本一致。

1.3.3 數(shù)據(jù)來源

本研究收集到的數(shù)據(jù)包括淮陽縣降水序列(1999～2016年)、蒸發(fā)序列(1971～2013年)、地下水水位序列(《河南省地下水資料<周口市>》<1995～2016年>，周口市水文水資源局)、淮陽區(qū)淺層地下水供水量(《周口市水資源公報(bào)》<2008>，周口市水務(wù)局)。

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)包括：① 龍湖周邊約8 km2范圍地下水水位統(tǒng)測(cè)(2018年5～6月)；② 龍湖西北側(cè)和東南側(cè)分別選取1眼水井進(jìn)行了抽水試驗(yàn)，用來校正含水層滲透系數(shù)；③ 2018年5月在龍湖周邊7個(gè)井位采集了水樣，進(jìn)行了地下水常規(guī)離子檢測(cè)分析。各測(cè)井位置見圖3，水質(zhì)采樣點(diǎn)見圖4。

圖3 地下水監(jiān)測(cè)井位分布

圖4 水質(zhì)分析取樣點(diǎn)及礦化度值(單位：mg/L)

1.3.4 模型率定

根據(jù)水文地質(zhì)條件，將潛水含水層劃分為3個(gè)參數(shù)分區(qū)。地下水水流模型中水文地質(zhì)參數(shù)滲透系數(shù)K和給水度μ值主要根據(jù)區(qū)域環(huán)境水文地質(zhì)調(diào)查過程中試驗(yàn)給出的結(jié)果，并結(jié)合巖性特征和經(jīng)驗(yàn)值給定初始值，通過模型率定，獲得最終水文地質(zhì)參數(shù)。

通過穩(wěn)定流模擬計(jì)算，模擬區(qū)地下水穩(wěn)定流場(chǎng)，見圖5。區(qū)內(nèi)地下水流向由西北流向東南，與區(qū)域地下水流向一致，與地下水流動(dòng)特征基本相符。對(duì)比實(shí)測(cè)井孔地下水位與計(jì)算地下水位，兩者基本一致，見圖6，平均誤差小于1 m，基本滿足模型精度要求，證明所建模型基本可靠。經(jīng)模型率定，研究區(qū)滲透系數(shù)取值8～20 m/d，分區(qū)見圖7。

2 結(jié)果與討論

2.1 濕地地表水-地下水交互作用模式

水頭差的存在是水交互作用產(chǎn)生的前提，水力梯度決定了源匯項(xiàng)分布及其作用路徑，進(jìn)而表現(xiàn)為不同的交互作用模式。Jolly等[14]將接觸帶尺度下濕地劃分為4種模式：① 非飽和流-補(bǔ)給型濕地，濕地下墊面與地下水面之間存在不相連的非飽和區(qū)間，濕地地表水垂向滲流補(bǔ)給地下水，多見于季節(jié)性濕地系統(tǒng)；② 飽和流-補(bǔ)給型濕地，濕地下墊面與含水層直接連通且濕地水位高于周邊地下水，濕地水體因而成為周邊地下水的補(bǔ)給來源；③ 飽和流-排泄型濕地，與②水力梯度相反，四周地下水補(bǔ)給濕地；④ 飽和流-貫穿型濕地，地下水流場(chǎng)的水力梯度方向連續(xù)一致，導(dǎo)致濕地在上游接受地下水補(bǔ)給、在下游排泄至地下水，地下水流“貫穿”整個(gè)濕地。

圖5 模擬區(qū)多年平均穩(wěn)定流流場(chǎng)示意

圖6 計(jì)算地下水位與實(shí)測(cè)地下水位對(duì)比

圖7 滲透系數(shù)分區(qū)示意

基于龍湖周邊地下水水位統(tǒng)測(cè)結(jié)果繪制了地下水位剖面圖(圖8)。由圖8可以看出，地下水由西北向東南水位逐漸降低，即由西北流向東南；龍湖西北側(cè)接受地下水補(bǔ)給，東南側(cè)向地下水排泄，屬于典型的“飽和流-貫穿型”濕地。

注：D2,D5,D7,D20,D10,D8表示鉆孔編號(hào)。

2.2 龍湖濕地地表水-地下水交換量

根據(jù)模型地下水均衡計(jì)算結(jié)果，地下水對(duì)龍湖多年平均補(bǔ)給量為617×104m3/a，排泄量為253×104m3/a，凈補(bǔ)給量為364×104m3/a。

對(duì)龍湖水文過程進(jìn)行分析。龍湖主要來水包括降水、降水徑流、地下水補(bǔ)給、污水排放等，主要出水包括蒸發(fā)、向地下水排泄等，年際水量平衡關(guān)系如下式所示：

ΔW=(P-E)+(Roverland-roverland)+

(Runderground-runderground)+(Qin-Qout)

式中：ΔW為龍湖蓄水水量，m3；P為湖面降水量，m3；E為湖面總蒸發(fā)散量，m3；Roverland為湖區(qū)地表流入量，m3；roverland為地表流出量，m3；Runderground為地下徑流補(bǔ)給量，m3；runderground為地下徑流排泄量，m3；Qin為污水溢流入湖量，m3；Qout為地表水取水量，m3。

水量平衡計(jì)算如表1所示。由表1可知，龍湖總水補(bǔ)給量為1 466×104m3，其中地下水補(bǔ)給量6.7×104m3，占龍湖來水總量的42%，是最大補(bǔ)給來源，而降水量是第二大補(bǔ)給來源，占龍湖補(bǔ)給量39%。

表1 龍湖多年平均水量平衡計(jì)算

2.3 龍湖水系現(xiàn)有交互模式下龍湖水量風(fēng)險(xiǎn)分析

從前文可知，龍湖水體水量平衡和水位波動(dòng)很大程度受周邊地下水動(dòng)態(tài)波動(dòng)和降水量的直接影響。由該地區(qū)歷年(1971～2017年)降水量的分析可知，當(dāng)?shù)亟邓看嬖谀觌H變化，但總體相對(duì)穩(wěn)定，沒有明顯減少或增加趨勢(shì)(圖9)。由此可以推斷，地下水水位變化是影響龍湖水位波動(dòng)的主要原因。

圖9 降水量年際變化趨勢(shì)分析

一定區(qū)域的地下水位通常主要隨著降水量或地下水開采量變化。在降水量相對(duì)穩(wěn)定的情況下，淺層地下水開采則是地下水位主要影響因素。資料顯示，2009～2016年龍湖周邊淺層地下水水位總體呈下降趨勢(shì)(圖10)，而從淮陽地區(qū)淺層地下水供水量年際變化看，研究區(qū)歷年淺層地下水開采量均維持在較高水平(圖11)，相關(guān)區(qū)域存在地下水超采問題[15-16]，可見，地下水超采是中原地區(qū)水資源面臨的一大威脅，也間接為龍湖帶來補(bǔ)給水量短缺的風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 水文地球化學(xué)交互概念模式及風(fēng)險(xiǎn)分析

對(duì)7個(gè)取樣點(diǎn)水樣進(jìn)行檢測(cè)分析，主要檢測(cè)結(jié)果分布見圖4。湖水TDS為937～1 143 mg/L，周邊地下水TDS均小于1 000 mg/L。

圖12為龍湖及周邊地下水水樣點(diǎn)Piper三線圖。由圖4、圖12可以看出，龍湖西北側(cè)補(bǔ)給區(qū)，沿徑流方向TDS呈上升趨勢(shì)，地下水化學(xué)類型逐漸由HCO3-Na·Ca·Mg型轉(zhuǎn)變HCO3-Na型；龍湖東南側(cè)排泄區(qū)，沿徑流方向TDS降低，總體呈“低-高-低”的變化，表明濕地地表水與地下水之間存在明顯的水文地球化學(xué)聯(lián)系，并形成獨(dú)特的水文化學(xué)循環(huán)模式。在龍湖水體中，TDS受蒸發(fā)濃縮作用明顯。

圖11 淮陽區(qū)淺層地下水供水量年際變化

注：2009～2016為年份，1～12為月份。

2.5 修復(fù)策略

(1)龍湖周邊地下水與龍湖水量交互作用密切，地下水位較大幅度波動(dòng)會(huì)影響湖泊的水量平衡。2016年之前的數(shù)據(jù)表明龍湖區(qū)域地下水有持續(xù)下降的趨勢(shì)，這將對(duì)龍湖濕地的生態(tài)平衡造成威脅，迫切需要加強(qiáng)對(duì)該地區(qū)及周邊市縣更大范圍地下水開采的管控。

注：2009～2016為年份，1～12為月份。23～25號(hào)，27號(hào)為地下水長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)井編號(hào)。

(2)對(duì)龍湖及周邊水系環(huán)境進(jìn)行全面治理，在達(dá)到一定條件后重新恢復(fù)龍湖與周邊地表水系的聯(lián)系，一方面擴(kuò)大龍湖地表水補(bǔ)給范圍，另一方面通過水系連通改善龍湖水質(zhì)，消除蒸發(fā)濃縮作用帶來的鹽堿化風(fēng)險(xiǎn)。在極端條件下，可通過湖外水系通道調(diào)沙潁河水補(bǔ)給龍湖。

(3)在全球氣候變化大背景下，區(qū)域降水量變化會(huì)加大龍湖濕地水量平衡的不確定性，有必要提前制定相應(yīng)對(duì)策。建立龍湖水系地表水、地下水監(jiān)控體系，通過對(duì)水位、水量、水質(zhì)、礦化度等參數(shù)及其相互響應(yīng)機(jī)制和對(duì)生態(tài)系統(tǒng)影響的分析，制定具有針對(duì)性的管理策略并能適時(shí)調(diào)整。

3 結(jié) 論

本文以河南省周口市龍湖濕地作為研究區(qū)，利用收集的水位監(jiān)測(cè)、統(tǒng)測(cè)資料、水質(zhì)檢測(cè)資料，應(yīng)用Visual MODFLOW構(gòu)建了地下水流數(shù)值模型。對(duì)龍湖地表水-地下水交互作用模式、交換水量及水文地球化學(xué)交互模式進(jìn)行了分析研究。得出如下結(jié)論：

(1) 龍湖周邊地下水由西北流向東南屬于典型的飽和流-貫穿型濕地。

(2) 龍湖濕地與淺層地下水關(guān)系十分密切，地下水補(bǔ)給量占龍湖來水總量的42%，地下水是龍湖濕地最主要的補(bǔ)給來源。地下水位較大幅度波動(dòng)會(huì)影響湖泊的水量平衡，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)該地區(qū)及周邊市縣地下水開采的管控。

(3) 沿龍湖“西北側(cè)-龍湖-東南側(cè)”方向，TDS含量呈現(xiàn)“低-高-低”的變化趨勢(shì)，龍湖濕地地表水與地下水之間存在明顯的水化學(xué)聯(lián)系。同時(shí)由于蒸發(fā)濃縮作用，湖泊也存在鹽堿化風(fēng)險(xiǎn)。

(4) 通過模型計(jì)算量化地下水-湖泊水量交換，明確湖泊濕地水量平衡機(jī)理，為制定風(fēng)險(xiǎn)管控對(duì)策奠定基礎(chǔ)，這種方法可以為同類型湖泊濕地水平衡研究和修復(fù)決策提供參考。