（水利工程专业论文）安徽淮北地区地下水动态预测及水资源优化配置研究.pdf

摘要 本论文针对淮北地区水资源开发利用现状及存在问题，以安徽亳州涡河以北地区、 阜阳姜堂乡和重点城市区为研究对象，运用系统工程观点，采用数学模型方法，对该区 水资源问题进行了综合研究，主要内容为： ( 1 ) 地下水资源及开发利用现状；( 2 ) 地下水计算参数测定和计算方法；( 3 ) 灌 区经济参数；( 4 ) 采用有限单元法、面状井系法，水均衡法，建立亳州涡河以北地下水 位预测模型；( 5 ) 建立阜阳姜堂及茨淮新河北部的农灌区水资源优化配置模型，应用系 统分析的方法，研究地表水与地下水联合运用，农业最优种植模式及各种水源的最佳分 配比例；( 6 ) 淮北地区水资源开发利用存在问题及建议。 关键词：地下水窃预测水资瀛7 优化葩f 安徽藩五 7 ( a b s t r a c t t h e p r e s e n tu t i l i z a t i o na n de x i s t i n gp r o b l e m s i nw a t e rr e s o u r c eo ft h en o r t h o fh u a i h er i v e ri na n h u ia r ei n t r o d u c e d b a s e do ns u c hr e s e a r c ho b j e c t sa s n o r t h e r ng u or i v e ro fb o z h o u ，j i a n g t a n go ff u y a n ga n dk e yc i t yz o n e s ，a m a t h e m a t i c a lm o d e lw i t hs y s t e m se n g i n e e r i n gv i e w p o i n ti se s t a b l i s h e da n d u s e dt oi n v e s t i g a t ei nw a t e rr e s o u r c ep r o b l e m si nt h ea r e a t h em a i nc o n t e n t s a r ea sf o l l o w i n g ： ( 1 ) g r o u n d w a t e r r e s o u r c ea n dp r e s e n tu t i l i z a t i o n ； ( 2 ) m e n s u r a t i o no fc a l c u l a t i o n a lp a r a m e t e r so fg r o u n d w a t e ra n dc a l c u l a t i o n a l m e t h o d s ； ( 3 ) e c o n o m i cp a r a m e t e r so fi r r i g a t i o na r e a s ； ( 4 ) e s t a b l i s h i n gn o r t h e r nw o r i v e rf o r e c a s tm o d e lw i t hf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ， a r e a lw e l l g r o u pm e t h o da n dw a t e rb a l a n c em e t h o d ； ( 5 ) e s t a b l i s h i n go p t i m a l w a t e rr e s o u r c e a l l o c a t i n g m o d e lf o rn o r t h e r n j i a n g t a n ga n d n e wc i h u a i x i nr i v e ri r r i g a t i o na r e aa n di n v e s t i g a t i n gi nt h e c o m b i n a t i o no fs u r f a c ew a t e ra n d g r o u n d w a t e r ，o p t i m a la g r i c u l t u r a l p l a n t i n g - m o d e a n d o p t i m a l d i s t r i b u t i o n p r o p o r t i o n o fv a r i o u sw a t e r s o u r c e s ； ( 6 ) s o m ee x i s t i n ge x p l o i t a t i o np r o b l e m sa n da d v i c c sa b o u tw a t e rr e s o u r c ei n t h ea r e a k e y w o r d s ：g r o u n d w a t e rd y n a m i c s ；f o r e c a s t ；w a t e r r e s o u r c e ； o p t i m a la l l o c a t i n g ；t h en o r t ho fh u a i h er i v e ri na n h u i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金胆兰些盔堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名 文 磷冱f 岔l n 签字日期：s 年；月；o e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒壁王些去堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。允许论文被查阅和 借阅。本人授权金照王些态堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 文：蓦荔以 撇名 绦暂 签字日期：夕印步；月；稠签字日期：伽，年) 月) 口日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 摘要 本论文针对淮北地区水资源开发利用现状及存在问题，以安徽亳州涡河以北地区、 阜阳姜堂乡和重点城市区为研究对象，运用系统工程观点，采用数学模型方法，对该区 水资源问题进行了综合研究，主要内容为： ( 1 ) 地下水资源及开发利用现状；( 2 ) 地下水计算参数测定和计算方法；( 3 ) 灌 区经济参数；( 4 ) 采用有限单元法、面状井系法，水均衡法，建立亳州涡河以北地下水 位预测模型；( 5 ) 建立阜阳姜堂及茨淮新河北部的农灌区水资源优化配置模型，应用系 统分析的方法，研究地表水与地下水联合运用，农业最优种植模式及各种水源的最佳分 配比例；( 6 ) 淮北地区水资源开发利用存在问题及建议。 关键词：地下水窃预测水资瀛7 优化葩f 安徽藩五 7 ( 日i j吾 安徽省淮北地区总面积3 7 4 4 1 1 k m 2 ，辖2 7 县( 市) 区。该区地势平坦， 雨量丰沛，气候温和湿润，是全国重要的粮油棉生产基地之一。 近十几年来，淮北地区农业生产发展较快，灌溉事业有了较大发展，用 于农灌的浅层地下水的开发利用规模也在不断扩大，地下水的开发利用对 工农业生产和城乡供水产生巨大作用。但浅层地下水开发利用程度仍较低。 由于受降雨年际分布的影响，用于农灌的浅层地下水开发利用量年际间差 异较大，如1 9 9 3 年为2 2 9 亿m 3 ，而1 9 9 4 年为1 3 8 0 亿n a 3 ，1 9 8 6 1 9 9 4 年 平均为6 5 4 亿m 3 ，1 9 9 9 年为1 2 4 1 亿m 3 。 该区经济发展较快，工业需水量不断增加，水污染也逐年加剧。目前， 部分淮河干流和淮北各支流污染已非常严重，地表水体一般年份为i v v 级级，丰水期为i i i i v 级，枯水期( 季) 水质更差，其中颍河、泉河、洪 河、涡河为超v 类水。由于水资源时空分布不均，地表水体污染严重，且 在短期内又得不到根本控制和治理，有些河段枯水污染还在加剧，可以开 发利用的地表水资源越来越少，在枯水年或枯水季则更少。致使该区城镇 供水形成了单一开采中、深层地下水的局面，在地下水开发利用中又因缺 乏科学规划和管理，已出现一系列的环境地质问题。 在这些背景下，我们以亳州涡河以西地区、阜阳姜堂乡和重点城市区 为研究对象。采用宏观调查和微观研究相结合的技术思路，对该区的水资 源问题进行了综合研究，其主要内容为： ( 1 ) 地下水资源开发利用现状分析；( 2 ) 地下水计算参数的测定和计 算方法，提出适合当地较为完整的参数体系；( 3 ) 灌区经济参数的确定； ( 4 ) 建立地下水动态预测模型，采用有限单元法、面状井系法、水均衡法 对亳州涡河以北地区地下水位进行预测；( 5 ) 对阜阳姜堂及茨淮新河北部 的农灌区建立水资源优化配置模型，应用系统分析的方法，研究地表水与 地下水联合运用，农业最优种植模式及各种水源的最佳分配比例，使年效 益为最大；( 6 ) 分析淮北地区水资源开发利用存在的问题，提出水资源开 l 发利用的建议，为有关部门提供决策依据。 本文具有以下三个特点： ( 1 ) 系统工程的观点。地下水资源系统是一个庞大的复杂系统。系统 的各组成部分相互联系又相互制约，影响因素很多待定的决策变量和可行 的决策方案也很多。我们将地下水系统及其周围环境视为一个整体分析研 究，采用系统分析方法，寻求系统的最优化，使研究成果具有系统性和完 整性。 ( 2 ) 遵循动态分析的指导思想和水量均衡原理。地下水作为水循环的 组成部分，自然也是一个动态变化过程。地下水水文要素及它们之间的相 互关系，不仅随时间而变化，而且依不同的空间( 地域) 与其它水循环要 素相互影响和转化，以达到水量补给与消耗的均衡形态。我们在研究中， 遵循水循环与水均衡原理，使建立的数学模型符合客观实际情况。 ( 3 ) 数学模型的方法。该项研究通过数学模型来研究实体系统的特性 和变化规律，便于模型的修正和完善，使模型具有实用性和通用性。 第一章基本情况 1 1 自然地理 1 1 1 地形地貌 淮北平原的地势由西北向东南方向倾斜，坡度甚缓，自然坡降为 1 7 5 0 0 1 1 0 0 0 0 ，海拔1 5 - 5 0 m ，东北部有零散残丘低山，海拔5 0 3 0 0 m 。 由于古河流的交互沉积以及历次黄河南泛的侵蚀、沉积影响，局部地面并 不平整，故有大平小不平的特点。 淮北的地貌按形态和成因类型，可分为剥蚀构造地貌、剥蚀堆积地貌 和堆积地貌。各类地貌又可划分若干次一级或次二级地貌单元。现分述如 下。 剥蚀构造地貌：分布于肖县、濉溪一线以东的剥蚀低山( 海拔 1 0 0 3 0 0 m ) 和泗县、灵壁、怀远、蒙城和涡阳等地零星分布的剥蚀残丘( 相 对高度一般2 0 3 0 m o 剥蚀堆积地貌：主要表现为剥蚀堆积平原，广泛分布于淮北中南部， 地势平坦，海拔1 0 - 4 0 m ，一般为河间平原，易积涝。 堆积地貌：主要分布在淮北北部，主要河流沿岸的泛滥带和淮河干流 中游及其支流下游的河漫滩，为近代黄河泛滥沉积区域，由黄泛冲积物所 覆盖，地势平坦，海拔3 0 4 0 m 。 1 1 2 水文气象 淮北平原位于暖温带的南部，属暖温带半湿润气候区，季风盛行，冬 从大陆吹向海洋，气候寒冷而干燥；夏季风从海洋吹向大陆，气候温暖而 湿润。 ( 1 ) 降雨与蒸发 本区多年平均降雨量为7 7 0 9 5 0 m m ，自南向北递减，年际变化很大， 丰水年可达1 2 0 0 - 1 8 0 0 m m ，枯水年不足5 0 0 m m ，年际差达3 - 4 倍。降雨量 的年内分配极不均衡，6 - 9 月的降雨量平均占全年总量的6 0 7 0 ，而汛期 又主要集中在7 月份，占全年降雨量的2 0 3 0 。降雨集中的趋势，越偏北 1 越明显。 本区多年平均水面蒸发量( e 6 0 1 型的实测值或折算值) 为 9 0 0 1 1 0 0 m m ，干旱系数为1 0 - 1 3 ，均表现为由南向北逐渐增大。一年之 内水面蒸发量以6 月份为最大，1 月份最小。多年平均陆面蒸发约为多年平 均降雨量的6 0 7 0 。由此可见，降雨量大部分消耗于蒸发，这是本地区气 候的重要特征，反映出水资源不足的气候条件。 ( 2 ) 湿度与气温 本区年平均相对湿度一般在7 3 v x 下，由南向北逐渐减少，砀山、亳 州一带只有7 0 左右。相对湿度年变化的特点是一年中有明显的低点和高 点，最低点在6 5 左右，最高点可达8 0 。 本区年平均气温在1 4 1 5 之间，由南向北递减。年际变化不大。一 年内最冷在1 月份，平均气温o 7 1 3 ，最高在7 月份，平均气温在 2 7 0 2 8 3 。冬季寒冷，夏季酷热。极端最高气温达4 2 1 ( 亳州1 9 6 6 年 7 月1 8 日) ，极端最低气温为2 3 7 。c ( 泗县1 9 6 9 年2 月5 日) ，日平均气 温在0 。c 以下的时间不长，一般不到1 5 天。 ( 3 ) 水系与径流 境内河流均属淮河水系，从西北向东南流入淮河及洪泽湖。主要自然 河道有洪河、谷河、润河、颍河、西淝河、芡河、涡河、北淝河、潞河、 浍河、沱河、濉河等。解放后开挖了不少人工河道，大型的有新汴河、茨 淮新河和怀洪新河。河道流量均为降雨径流。径流变化的特点是空间变化 梯度小，而年际变化幅度大，年内分配程度集中，汛期水量可占全年水量 的7 5 8 5 ，主要集中在6 9 月。年最低值一般出现在1 2 月份，最大值出 现在7 月份，次大值在8 月份。多年平均径流量7 7 7 2 亿m 3 ，约合径流深 2 0 8 m m ，平均年径流系数0 2 4 。 1 2 区域地质构造及水文地质概况 1 2 1 区域地质构造 淮北的区域地质构造主要受纬向与新华夏构造体系控制。北部自肖县、 淮北市至符离集、栏杆、渔沟一带，为一东西向隆起带，主要由若干n n e 4 向向北斜组成的n n e 向低山残丘与彼此平行的闸河、支河等山间盆地地貌 单元，分布有基岩裂隙及碳酸岩类溶隙孔洞类型地下水。中部、临泉至五 河这一广阔地区，为一坳陷带，其中有西部阜阳、太和、界首、临泉一带 为较大的坳陷盆地，第四系厚度达2 0 - 2 0 0 m ，包括第三系半胶结岩层在内， 厚度达5 0 0 7 0 0 m 。至砀山、毫州为较小的坳陷盆地，第四系厚度达 1 0 0 1 5 0 m ，包括第三系半胶结岩层在内，厚度达5 0 0 8 0 0 m 。利辛至蚌埠 一线，基底为近东西向的隆起带，第四系厚度自西向东由1 2 0 余米减薄至 十几米不等。 1 2 2 区域水文地质 地貌、地层、构造是影响地下水赋存和运移的重要地质因素。淮北平 原的地下水主要为孔隙水和岩溶水，因其具有埋芷浅、补给充足、资源丰 富、易于开采等特点，目前已成为城镇供水、农灌和人畜用水的主要水源。 裂隙含水岩组多隐伏于松散层之下，因埋芷深、补给微弱、开采难度大， 一般无供水价值。 岩溶水主要集中分布在淮北平原的东北部，含水岩组为古生代震旦系 一奥陶系的碳酸盐岩夹碎屑岩。裸露区地表岩溶发育但贮存能力差，单井 涌水量一般小于1 0 0 m 3 d ；覆盖区岩溶十分发育，贮水、；r - 水、导水能力强， 单井涌水量一般大于1 0 0 m 3 d ；构造裂隙发育部位单井涌水量可达 3 0 0 0 5 0 0 0 m 3 d 。因上覆松散层，厚度一般小于5 0 m ，故岩溶水与大气降水 联系密切，补给充足，资源丰富。由于该区碳酸盐岩遭受了多期构造动的 破坏，褶皱与断裂发育，致使该区难以形成庞大的岩溶水系统，所以该区 岩溶水系统的特点是小而多，而且系统内部又因岩性的差异、断裂的切割、 岩浆的侵入而被分成多个贮水单元。 根据该区地下水贮存，分布、埋芷条件的差异，将该区进一步划分为 北部裂隙岩溶水、中部孔隙水、南部孔隙一岩溶水三个水文地质水区。 孔隙水广泛分布于平原区，具有供水意义的含水岩组主要为第三系 ( n 2 ) 全新统( q 4 ) 及湖相松散岩类孔隙含水岩组，底板埋深由东向西为 1 0 0 - 4 0 0 m ，下伏地层含水微弱。该区松散岩类孔隙含水岩组的水文地质结 s 构可以概化为浅层含水层组、中部弱透组和深层含水层组三层结构。浅层 含水层组主要为上更新统( q ，) 的亚粘土层，亚砂土层及粉细砂层，分布 稳定，厚3 0 5 0 m ，地下水与大气降水、地表水联系密切，重向交替强烈， 补给充足，资源丰富。古河道重叠地带是地下水富集地带，单井涌水量一 般大于1 0 0 0 m 3 d ，其它地区单井涌水量多在1 0 0 1 0 0 0 m 3 d 之间。 第二章地下水资源及开发利用现状 2 1 地下水资源分布概况 淮北地下水资源绝大部分赋存于第四系孔隙型介质中。依埋藏条件， 可划分为：浅层，埋深在4 0 5 0 m 以浅；中深层，埋深在4 0 5 0 m 至1 5 0 m 左右；深层，埋深在1 5 0 m 以深。富水区主要分布于古河道、古河口三角 洲、古洪冲积扇裙及现代河流沿岸低级阶地一带。 ( 1 ) 浅层地下水资源分布 淮北浅层地下水分布较为广泛和丰富，地下水位相对静止埋深：北部 4 6 m ，中部2 4 m ，南部1 2 m 。在富水区，含水层厚度为1 0 1 8 m ，岩性 为粉细砂层。包气带岩性，淮北中南部主要为砂礓黑土，具棱柱状结构， 垂直节理发育，垂向透水性好；淮北北部及沿河岸带主要为黄泛砂土夹薄 层亚粘土。浅层地下水易于接受大气降水、地表水等水体的垂向入渗补给， 其水文动态特征属入渗一蒸发一开采型。 按开采条件可划分为三个区：淮北西北部( 多年平均降水量p 8 0 0 m m ) ，包括砀山、肖县、亳州、界首及太和、临泉的西北部，浅层地下 水静水位埋深z = 3 。5 7 ，0 m ，一般井深3 0 4 0 m ，配套潜水电泵或深井泵， 抽水动水位埋深z w = 9 1 4 m 。淮北南部( p 8 5 0 m m ) ，主要包括阜南、颍 上、凤台及淮南市、蚌埠市的淮河以北地区( 固镇北部地区除外) ，地下水 埋深z o = 1 2 m ，一般机井深度 2 5 m ，配套离心泵，z w = 6 7 m 。其余各地 属中部地区，8 0 0 m m p 8 5 0 m m ，z o = 2 3 5 m ，一般机井深度 r 2 说明对口g 影响最大的是时段内的降雨，6 - 量， 其次是地下水埋深，但它们关联度值较接近，说明在该区，p 和z 对口。的 影响程度均较大。 ( 3 ) 计算结果分析 土壤含水量( 0 ) 、地下水埋深对口。影响的定性分析 本次计算中，由于包气带土壤含水量资料残缺不齐，未作定量计算，现 作一定性分析。根据包气带毛细管强烈上升高度和降雨前、后不同条件下 的土壤含水事实测资料分析表明土壤水分，即土壤干湿变化最大的土层是 在0 - 0 5 m 范围内，其中0 - 0 3 m 土层变化最为剧烈，0 5 m 以下包气带的土 壤水主要为粗潜水蒸发的补给，其土壤含水量较为稳定，尤其在靠近潜水 面的土层土壤水接近田间持水量。 该区包气带土壤水接受大气降水、农田灌溉和地下水补给，消耗于作物 蒸晦和土壤蒸发。0 - 0 3 m 表层土壤水消退规律表明，在没有补给的情况下， - 3 地下水位由o 3 m 下降到o 5 m 时，0 - 0 3 m 表层土壤含水量由3 1 下降到 2 7 ，地下水位继续下降到o 8 m 时，土壤含水量为2 1 ，地下水位下降到 1 2 m ，土壤含水量为1 3 ，可见，表层土壤含水量变化相当剧烈。包气带 土壤滞蓄降雨量f 口，可按下列计算。 f a - - o 1 r h ( o 一国班) ( 3 - 8 ) 式中：r 为土壤容重，h 为包气带厚度，n l 田为田间持水量，凄为土壤实 1r 测含水量。 由( 3 - 8 ) 式可知，f 口的大小受h 和。的影响，是两个因子综合作用的 结果，即f a - - f ( h ，) 。当一场降雨产生地表径流( r s ) ，满足f 口之后， 便入渗补给地下水，f a 的大小间接地影响着口。地下水埋深较浅时( 本区 内一般为1 2 m 左右) ，潜水蒸发较强烈，可以补充包气带土壤水，除表层 土外，包气带土壤含水量仍相对较高，a 。主要受地下库容大小控制，表现 在地下水埋深上，这时包气带土壤含水量的影响相对弱一些，但口。仍受这 两个因素的影响，此外，随着地下水埋深由零逐渐增大，地下水有了蓄水 库容，入渗补给地下水的量增大，a 。也相应地增大。随着地下水埋深的继 续增大，包气带土壤水得到补给变小，整个包气带土壤含水量均有较大幅 度下降，土壤含水量较小的变化也会对f 瑾产生较大影响，这时土壤含水量 的影响作用变得灵敏了，由于包气带土壤含水量是随地下水埋深的增大而 减小，使得降雨损失到包气带内的水量增大，口。随之变小。 淮北砂姜黑土区，这两个因素交替影响着口。，作者分析计算了1 1 0 场 次地下水埋深与a 。的数据，这1 1 0 组数据并没有较好地体现口。随埋深增大 而变小这一规律，由此可见，在该地区，口。同样也较大地受包气带土壤含 水量的影响，特别是水埋深较大时。从这1 l o 组点据分布来看，8 0 多的口。 值分布在0 2 0 4 之间，对应的埋深值在1 0 1 3 m 处，这反映了口。的平均 的分布规律，有实际应用意义，所以，不加任何条件地认为口。随埋深增 大而减小是片面的。 降雨对口。的影响分析 降雨入渗补给系数与降雨关系密切。但不加条件地说口。随降雨量增大 而增大，显然也是片面的。由公式口。= p 卯可知，口。取决于p r 和p ，而p r 又与p 密切相关， - 3p 增大时，p r 由于还受水埋深和包气带土壤含水量的 影响，p r 并不一定增大，这时a 。也就不变大，即使p r 增大，但其增加幅 度比p 小，口，仍不增大。 据现有资料分析表明，在砂姜黑土区，当地下水埋深较小( 一般为1 o r e 左右) ，在埋深一定时，口。随降雨量增大而减小；当埋深大( 一般大于1 5 m ) ， l o 在埋深一定时，口。随降雨量增大而增大。其原因为：前者是由于埋深小时， 地下水盛水库容小，当在某一埋深时，不同降雨量的入渗补给量可能是相 同的，相应地转化为地表径流量要大些。因此，降雨量大时的口。要比雨量 小时的口。要小；对于后者，由于有了足够的盛水库容，随着埋深的增加， 包气带土壤含水量相对较大，降雨在包气带的损失量也会相对减小，因此， 入渗补给量随降雨量增大而增大，故形成口。随p 的增大而增大。 在淮北砂姜黑土区确定存在的口。与p 不是单一变化关系的现象，有相 当多的次降丙量大的口。比次雨量小的还要小，通过以上的解释，这一现象 存在是合理的。有的文献中，不加限制地说口。随p 增大而增大，是没有理 论依据的。 土壤蒸散发对a 。的影响分析 土壤蒸散发是包气带土壤水份重要的消耗项，土壤蒸散发有土壤蒸发和 植物蒸腾散发等形式，呈明显的季节性。五道沟试站资料表明，潜水蒸发 年内分配是不均匀的，4 1 0 月潜水蒸发量大，1 2 月次年3 月潜水蒸发量 小，在相同埋深时有作物的潜水蒸发明显比无作物的要大5 8 倍，土壤蒸 发消耗的土壤水要多。丰水期土壤蒸发强度大，消耗土壤水多，但降雨量 大，补给土壤水要多些；枯水期虽然土壤蒸发弱些，消耗土壤水少，但降 雨相对小，补给土壤水比丰水季少。在实际中，丰水季和枯水季的土壤水 份状况总体较为接近，也就是说，枯水期( 1 0 5 月) 与丰水期( 6 - 9 月) 补 给条件也较近，尽管6 - 9 月的总雨量比1 0 5 月的大，但1 0 5 月的雨型与6 - 9 月的不同，1 0 5 月的雨型更有利于地下水的补给。由此分析可知，枯水期 的a 。应与丰水期较为接近，略偏小。 3 3 灌溉入渗补给系数 灌溉入渗补给系数是灌溉入渗补给地下水量i r 与进入田间的灌溉水 量i 之比，即 = 生1 ( 3 9 ) 如果用当地的井水灌溉，亦称为井灌回归系数。 2 0 3 3 1 粘性土的灌溉入渗补给系数 淮北地区，曾进行过数次灌溉水入渗补给地下水的试验，土质属亚粘、 亚砂类。对这些试验资料进行配线分析，得经验公式如下： p = o 0 8 0 0 0 6 0 z + 0 0 0 3 3 3 1 ( 3 - 1 0 ) 式中：z 为埋深( m ) ，i 为次灌溉定额( m 3 亩) 。上式的适用范围为：i = 3 0 m 3 亩时z 3 m ，i = 6 0 9 0 m 3 亩时z 4 m ，一律采用= o 1 。 3 3 2 砂性土的灌溉入渗补给系数 该地区缺少对砂性土进行试验的资料，现参照邻省( 河南省兰考和淮阳 县、江苏省睢宁县) 的资料，发现在平均情况下的灌溉入渗补给系数o 近 似有 卢0 = 2 2 卢 ( 3 1 1 ) 式中，声。按式( 3 1 0 ) 计算，说明砂性土的灌溉入渗补给系数要比粘 性土的大。 3 4 渗透系数与导水系数 3 4 1 渗透系数 渗透系数k 又称水力传导度，表示水在土层中渗透能力的指标，其值 等于水力坡度i = 1 时渗透速度。它是水文地质计算中的一个重要参数。 ( 1 ) 垂向渗透系数 降水和灌溉水通过包气带土体入渗补给地下水，包气带的垂向渗透系数 反映了降水或灌溉水对土体的渗流速度，在一定程度上也反映了对地下水 的补给速度。 1 9 9 3 1 9 9 5 年间，在利辛县纪王场、亳州城北乡各做了9 组和1 5 组同 心环渗水试验，其结果为： 纪王场( 砂礓黑土，属亚粘土类) ：k = 0 4 5 一1 0 2 m d 。 城北乡( 黄泛砂土) ：k = 0 8 3 3 1 l m d 。 ( 2 ) 水平向渗透系数 常用抽水试验法来测定水平向渗透系数。同给水度一样，渗透系数的结 果亦因孔而异。 2 l 3 4 2 导水系数 导水系数t 是渗透系数k 和含水层厚度m 乘积，表示含水层导水能力 的一种指标。当k 和m 已知时，可以计算导水系数t 。导水系数亦可用抽 水试验法测定。同样，其值亦因孔而异。 据淮北地区用抽水试验法所得的结果，按抽水影响层的主要岩性，将t 值综合如下：亚粘土、粉细砂：t = 7 0 8 0 m 2 d ；亚粘土、亚砂土、粉细砂： 1 - - 1 2 0 1 7 0 m 2 d ；亚砂土、粉细砂：t = 1 5 0 2 3 0 m e d ；有较厚的粉细砂层： t = 2 0 0 210 m 2 d 3 5 作物对降雨的有效利用系数和对地下水的利用量 3 5 1 作物对降雨的有效利用系数 作物对降雨的有效利用系数口。是作物对降雨的有效利用量与相应降雨 量之比，是水资源分配模型中要用到的参数。据五道沟试验站等试验区的 资料，砂礓黑土区旬的a 。值，见表3 - 3 。 3 5 2 作物对地下水的利用系数 作物对地下水的利用量，实际上是作物生育期内潜水蒸发量的一个分 量，作物对地下水的利用系数c ，可用下式计算： c i = c 有一ci ( 3 1 2 ) 式中：c 有和c 。分剐表示有作物和无作物时的潜水蒸发系数。 旬雨量( m m ) 旱地水田 0 ，回灌0 ( 5 - 1 1 ) 1 ，1r 对于均质、等厚，无限延伸的承压含水层的地下水非稳定流可用如下的 数学模型模拟： 塑+ 垡：u e a h( 5 1 2 ) 订+ 萨2 扮 1 纠 其降深表达式，可用t h e i s 模型表示： s = 笔j ：丢e - u 幽 ( 5 - 1 3 ) 式中s 一一以定流量q 抽水时，与抽水井距离为r 处任一时间t 的水位 降深( m ) ； t - - 一含水层的导水系数( n 1 2 d ) ； u - - - - t h e i s 井函数自变量； a 一导压系数( m 2 d ) ； 卜_ 观测孔离抽水主井的距离( m ) ； 将“：代入( 5 1 3 ) 式，并对指数积分函数进行换元，变为： s = 旦4 , r t 肚( 8 一蔷嘭 将。：二代入( 5 - 1 3 ) 式，有 s = 嚣兵三e - “d u ( 5 - 1 4 ) 现对指数积分函数仁土e “d u 进行换元，使其变成该指数积分函数的另 一种彤式： 令一4 r g d l 考，则出= 石f 2 一“警 故( 5 - 1 3 ) 式中的指数积分函数可写成 星幽= 一f 知一岳了1 母皓去嘴 从而( 5 。1 3 ) 式变为： s = 篆f 专e 面蟛 ( 5 _ 1 5 ) 在x o y 平面上以任意点( x 7 ，y 7 ) 为中心取一微分面积d f = d x 7 d y 7 ，该 微分面积的流量为础咖。点m ( x ，y ) 在微分面积d x 7 d y 7 作用下，其微分 降深d s 可按上式写出，即： 出= 型4 。r tf 知( 一虹掣) 嘶 整个面积对m ( x ，y ) 的作用，可在整个开采面积内积分得到，即： s = 寿j 忑1 f 1 1 万1 e x ”1 ( x - 万x ) 2 删忑1f 、 - e x p ( - 叫w 卜5 - 1 6 ) 对( 5 - 1 6 ) 式进行两次挟元( 具体推导过程从略) ，则在矩形面状井系 条件下任意点( x ，y ) 的降深方程可写为： s = c 等，等m c 等，等，+ 州面l x - x ，错m ( 锗，错) 】 ( 5 - 上式若写成简化形式，有 s ：旦i( 5 - 2 0 ) “ - l e e 爵= 扣杀，错c 等，岽，+ 州面t x - x ，错m ( 等，等) 】 ( 5 - 2 1 ) 由于试验区被概化成两个矩形开采区，即i 区和i i 区。那么，各区的平 均井函数用一s 1 , 并i l 西表示的话，其 s 2 ，= 在式 ? 毒露簿霉；i 兰 区的井函数( 参见( ( 水文地质手册) 。 使用( 5 2 0 ) 式时，开采强度占的取值，我们采用综合有效开采强度占， 这是考虑到本区在开采过程中，还同时存在潜在蒸发、降雨入渗、地表引 水灌溉入渗及河道入渗等过程。为此，s 应以下式表示： d = e + e s p 一s 一m t 5 2 4 ) 式中s 一一综合有效开采强度； s 。一一开采强度； 占，一一潜水蒸发强度； s 。一一降雨补给强度； s 。一一地表水引水灌溉入渗强度； s 。，一一河道入渗强度。 5 2 2 参数选取和计算结果 5 2 2 1 参数选取 按面积等效原则，将具有非规则形状的亳州城北乡灌区，用两个概化矩 形区i 和i i 的叠加来代替，选1 4 2 号井点作为m 点来考虑，两个矩形开采 区的分区面积和坐标尺寸如表5 。1 0 和图3 。 通过大降深抽水试验，得水文地质参数如下： t = 1 7 9 o m 2 d ，“= 0 0 5 3 ，口：三：3 3 7 7 4 埘2 d “ 5 2 2 2 综合开采强度计算 本区垂向补给主要是降雨入渗，垂向消耗主要为抽水井的开采，因区内 地下水埋深达5 0 m 左右，潜水蒸发可不予考虑。另外，因地下水埋深较大， 灌溉入渗回归甚微，区内的小河流多为季节性河流，河渠入渗量也可不予 考虑。因此，综合开采强度为占= 占。一占，式中占一综合开采强度，占。一开采 强度，占。一降雨补给强度。 表5 - 10毫州城北乡两个矩形灌区坐标数值表 开采区i开采工区i i l x l y xyl x l y xy 坐标( m ) 5 7 0 0】2 0 0 08 0 01 0 0 04 6 0 07 3 0 04 3 0 01 0 2 0 分区面积( k m 2 ) 6 8 43 3 6 总面积( k m 2 ) 1 0 2 o 按井灌经济模型优化的结果，本区农作物最优种植比例为：冬小麦0 8 5 、 玉米0 6 5 、棉花0 1 5 、大豆0 1 、药材及其它0 1 5 。根据此比例，按各种作 物需水量进行按月迭加计算，并考虑降水的有效利用及节水灌溉，年开采 时间按2 0 0 天计，可求出不同时段的农业开采强度。由于未来的降雨量未 知，而目前主要根据长系列的降雨量资料，利用时序模型、g m ( 1 ，1 ) 模型或 方差分析方法进行预测；另外，还可利用高空气象因子与降水量建立逐步 回归预测方程，预测未来的降雨量，但这些方法预测降水的准确性较差， 难以实际应用。故计算中采用亳州站1 9 5 3 1 9 9 6 年4 4 年的雨量资料进行排 频，选出5 0 、7 5 、9 5 三个典型年的雨量资料分别进行计算。不同作物 预测的产量见表5 - 1 1 。 i作物小麦玉米 棉花( 籽棉)大豆 2 0 1 0 年 4 1 06 5 08 9 1 6 0 各种作物产量y 与需水量e t c 的关系见4 6 。 不同年型的降雨量，5 0 、7 5 、9 5 的年型分别为7 9 7 7 m m 、6 2 0 8 m m 、 5 2 4 7 m m 。 根据上述基本资料，每年按开采2 0 0 天计，可求出不同年型2 0 1 0 年农 业开采强度如表5 1 2 。 年型 5 0 7 5 9 5 2 0 1 0 年3 7 9x1 0 4 7 7 1 x1 0 - 4 1 0 2 1 0 4 根据研究区内人口和大小牲畜数的增长，以及人畜每天用水量，预测 2 0 1 0 年人畜用水开采强度为o 4 9 7 8 1 0 m d 。 模型的计算包括综合面状井系矩形开采区井函数计算和水位降深计算 两部分，通过上机计算得2 0 1 0 年不同水平年地下水位降深如表5 - 1 3 。 1年型5 0 7 5 9 5 l2 0 1 0 年+ 0 5 1 51 2 8 12 7 1 6 5 3 水均衡模型预测 为了验证有限单元法和面状井系法预测该区地下水位的准确性，再采用 水均衡模型进行预测。 根据地下水均衡原则，对于计算区任一时段，反映地下含水层系统的水 量变化的水均衡方程为： i t f a h = 露( f ) 一d ( f ) ( 5 - 2 5 ) 式中：一一计算区地下水变幅带含水层的平均给水度； f 一一计算区的面积( m 2 ) ； h 一一计算时段内地下水位的平均变幅( m ) ； r ( t ) 一一单位时间内进入系统的各项补给量之和：降雨入渗补给 量、灌溉回归补给量、地下水侧向补给量、河渠水入渗补给量等。； d ( t ) 一一单位时间内脱离系统的各项消耗量之和，包括：人工开 采量，潜水蒸发量，地下水侧向流出量等。 考虑到计算区内侧向径流、越流、灌溉回归补给、潜水蒸发量均较小， 予以忽略。由于本区河流多为雨源型河流，河渠入渗补给也可忽略，故式 f 5 - 2 5 ) 式可改写为： u f a h = a p f w ( 5 2 6 ) 式中：口一一降雨入渗补给系数；p 一一计算时段内的降雨量( m ) ；w 一 地下水人工开采量( m 3 ) 。 当式( 5 2 6 ) 中的水量以单位面积上深度表示时，则有： 肚h = a p w f 或, u a h = a p 一 ( 5 2 7 ) 根据预测的开采量，对计算区内2 0 1 0 水平年各种不同年型的区域平均 水位变化进行预测，计算成果如表5 一1 4 。 表5 14水均衡模型预测成果表 n岛r占p 一占奸h ( m ) 水平年 v ( m m ) 年型 ( 1 0 。4 m d )( 1 0 4 m d )0 0 4 m d ) ( + )( ) 7 9 7 75 0 3 0 62 0 7 80 9 8 20 5 9 7 2 0 1 0 点6 2 0 87 5 2 2 14 2 2 52 0 1 51 2 2 5 5 2 4 79 5 1 2 45 6 0 74 3 6 72 6 5 6 从三个模型预测成果比较来看，结果较为接近，说明用面状井系模型 模拟该灌区地下水动态是可行的，其预测成果可在实际中应用。面状井系 模型预测的是区内任一井点的降深，用水均衡模型预测的是灌区内平均降 深情况，两者还有一定差异。 5 4 几点认识 ( 1 ) 本文以亳州涡河以北地区和利辛纪王场典型研究区进行了地下水位 预溺，l 。对毫州涡河以北地区采用三种方法预测。对利辛纪王场采用二种方 法预测。对同一地区采用多种方法预测，防止单一模型预测成果的不可靠 性。这一研究思想对水资源研究项目，有较好借鉴意义。 ( 2 ) 运用有限单元法，对亳州涡河以北地区2 0 1 0 水平年工农业、人畜需 水量和开采量以及地下水动态进行了预测。 在计算调试中发现产生误差的主要原因是面积坐标函数，其次是综合开 采强度和线性插值函数。用有限单元法求解偏微分方程时，计算区域的剖 分相当重要，必须有足够多的有限单元且使其剖分成锐角三角形，内结点 的分布尽* - r 自g 均匀。为了满足地下水位预测方程组的需要，计算区内降雨、 蒸发、地下水位、地下水开采量均应有一致性、代表性好的实测资料。 计算中，由于实测的地下水位资料及开采量资料较为缺乏，在实际应用 中利用已有实测水位资料，绘制全区的等水位线图进行线性内插。由于全 区内的不均匀开采，所以水位内插存在一定的误差。另外，全区内实测开 采量资料较少，计算中利用具有代表性的城北乡研究区的实测资料及全区 实地调查资料进行了合理的概化。 在计算中发现，紧邻第一类边界的内结点的预报绝对误差较大，这与第 一类边界水位误差有关。所以，如果扩大计算范围，建立“缓冲带”，即把 现在的第一类边界结点作为内结点进行计算，把求得水位作为第一类边界 水位，再重新计算，会减小误差。 ( 3 ) 采用有限单元法进行地下水资源计算或水位预测时，在很多情况下 边界未来时段的数据及其可靠程度也将极大地影响计算的精度。由于本地 区地下水开采量受气候因素影响很大，开采区地下水主要靠大气降水及地 表水入渗补给，而未来的降水量又未知，目前主要根据长系列的降雨量资 料，利用时序模型或方差分析方法进行预测，另外还可利用高空气象因子 与降水量建立逐步回归预测方程，预测未来的降水量。但这些方法预测降 水量的准确性均较差，没有实际应用意义。本次计算中作了如下处理：根 据预测的2 0 l o 年需水量，按2 0 、5 0 、7 5 、9 5 配j 典型年降水量，计 算成不同年型下的开采强度，以1 9 9 5 年l o 月1 日的地下水位为初始基准 水位，预测不同年型时2 0 0 0 、2 0 l o 年末地下水位年变化值。 由预测结果可知：2 0 l o 年：2 0 年型，一般农灌区，地下水位上升 2 0 3 o m ；工业开采区地下水位上升1 0 - 2 o r e ；5 0 年型，一般农灌区，地 下水位略有下降，工业开采区地下水位下降0 7 1 5 m ；7 5 年型，一般农灌 区，地下水位下降1 5 - 2 o m ，工业开采区地下水位下降2 0 3 o m ；9 5 年型， 一般农灌区，地下水位下降3 0 3 5 m ，工业开采区地下水位下降4 0 5 5 m 。 淮北地区，尤其是其北部，连续的偏枯年及枯水年份时有发生。按本模 型预测成果，地下水位将大面积大幅度下降，即使遇到丰水年，也难以补 4 8 充，将严重破坏地下水资源系统的多年平衡，地下水位呈持续下降趋势， 同时也破坏整个水资源系统的良性循环。 根据计算区内实际用水情况，本次计算中没有考虑地表水的利用，但农 业需水量乘了0 8 的折减系数，以考虑节水灌溉。综合以上分析，在淮北北 部，随着工农业用水量的增大，仅靠地下水单一水源，其量是不够的，且 其供水保证率较低。另外，根据井灌经济模型输出结果表明，地表水与地 下水的联合开发利用，可以获得最大的经济效益。因此，在本区内的季节 性河流，以及大沟上建立各种形式的节制闸、滚水坝，拦蓄地表径流，以 增加地表水的利用量和促进本区内的水资源系统良性循环，势在必行。同 时，本区内应采取节水措施，才能保证地下水资源的持续利用。 ( 4 ) 淮北地区含水层具有典型二元或多元结构，再加上分布的非均质性， 都导致了地下水研究的复杂性和用数学模型模拟地下水资源系统而引起的 误差。显然，任何一个具体地区的地下水资源模拟，都必须采取多种方法 综合评价才能获得较好的结果，评价的结果才实用可靠。本文对亳州涡河 以北地区采用三种方法进行预测，三种预测成果都可以相互印证，收到了 较好的效果。 第六章淮北农灌区水资源优化配置研究 6 1 研究区概况 阜阳市姜堂及茨淮新河北岸农灌区，地处颍河流域中游、淮北平原中部， 总面积1 5 2 0 k m 2 ，耕地1 6 5 万亩。农作物主要是小麦、玉米、大豆、棉花、 水稻、少量杂粮和经济作物。 研究区属暖温带半湿润气候区，季风盛行。多年平均降雨量8 9 0 m m ， 年际变化很大，年际差达3 3 8 倍。降雨量的年内分配极不平衡，6 ，9 月的 降雨量平均占全年总量的6 4 ，而汛期又主要集中在7 月份，占全年降雨 量的2 0 3 0 。本区全年蒸发量的多年平均值，约为1 0 0 0 一1 1 0 0 m m 。多年平 均陆地蒸发为6 0 5 m m ，占多年平均降雨量的6 7 。 颍河是区内最大的河流。颍河阜阳闸实测地表径流量，据1 9 5 9 1 9 8 8 年 资料分析，多年平均径流量4 5 9 亿m 3 ，最大年径流量1 4 6 0 亿m 3 ( 1 9 6 4 年) ，最小年径流量6 5 亿r n 3 ( 1 9 7 8 年) 。保证率p = 5 0 的年份为3 6 5 亿 m ，p = 7 5 的年份为1 8 3 亿m 3 ，p = 9 5 的年份为6 7 亿r n 3 。颍河发源于河 南省，全长6 1 0 k m ，其中河南省境内3 1 5 k m ，沿程接纳郑州、许昌、周口、 沈丘等大中城市和1 0 多个县城的工业、居民生活的超标污水。据1 9