应用分布式流域地下水评价模型评价三江平原地下水资源系统

应用分布式流域地下水评价模型评价三江平原地下水资源系统摘要：流域系统是相对完整的系统，以流域为单元进行水资源综合管理，有助于理解流域演变的客观规律，揭示生态系统物理过程，提高管理效能。地下水资源系统综合反映了气象、地形、人为活动的影响。应用分布式流域地下水管理模型评价三江平原地下水资源系统，参数较少、容易获取且均具有明确的物理意义，可以有效地进行数据准备和输入因素的成分提取，对地下水系统有较好的解释能力，利于建模和预测。实践证明，是一种行之有效的方法。关键字：分布式流域地下水评价三江平原1.引言流域综合水管理是国际性的普遍趋势，以流域为单元进行综合管理是实现资源、环境与经济发展的最佳途径，这一观点已成为各国政府和科学界的共识。流域综合水管理是指将水的自然单元作为整体来实施管理，使决策过程综合考虑水管理的各方面要素，就流域地下水系统而言，主要包括水资源涵养系统、水资源利用系统、流出系统和水生态系统，从信息、规划、工程三方面进行管理[1]。三江平原位于黑龙江省东北部，面积10.88×104km2，水土资源总量比较丰富，适于大规模的耕作，增产潜力很大，是我国未来粮食安全的重要保障，近年来该区地下水严重超采，地下水位下降速率达0.3～0.6m/a，水资源供需矛盾十分突出。地下水系统评价能够综合反映该区地下水补给、排泄和地下水动态变化规律，因此重新评价三江平原地下水资源系统，合理制定水资源开发利用方案，有助于逐步实现区域生态良性发展。挠力河流域地处我国东北边疆，位于三江平原腹地，地理坐标东经131°15′20″～134°9′38″，北纬45°43′22″～47°19′24″，是乌苏里江的一级支流。挠力河流域南部为山区，高程一般在200～600m左右，北部为平原，高程为55～70m，地形自西南向东北倾斜，由于挠力河沿岸新构造运动的作用，在松花江阶地基础上，挠力河下切，又发育了挠力河一级阶地，但坡度很小，地势低平，并有碟形洼地、线形洼地分布，形成岗洼相间、微波状起伏的地貌形态，地形比降在1/4000～1/10000左右。目前该区已成为重要的商品粮基地，现有耕地3.51×104hm2；不同类型自然保护区9处，随着经济社会的发展和人们对生态环境认识的不断深化，该地区的涉水矛盾日益突出，近年来气候条件和下垫面因素变化较大，重新评估挠力河流域地下水资源，已成为农业生产的一项重要课题。2.基于物理过程分布式地下水资源评价模型的构建2.1模型结构分布式地下水资源评价模型从水平方向上把流域面分解为若干均匀的栅格单元，在第四系含水层——隔水泥岩——第三系含水层垂直方向上分层实现气象、岩性、工农业布局等参数的空间分布。从宏观角度来看，挠力河流域应该属于一个大型的含水层系统。在这个大型含水层系统内，埋藏有第四系松散岩类孔隙水、第三系碎屑岩类孔隙裂隙水和前第四系基岩裂隙水的多个含水层单位。各含水层之间，在平面上或剖面上相互连接，存在直接或间接的水力联系，并共同构成区内地下水的储存空间与径流通道。根据流域的含水层结构物理性质将其自上而下分为三层，：浅层含水层组、弱透水层、深层含水层组。模型流程分为两步：（1）栅格内水均衡计算，确定某一时段内的水量变化；（2）整个流域水文网的地下水动态计算。地下水系统的水量总和满足连续性原则。采用国际通用的VisualMODFLOW3.1模拟三江平原挠力河流域地下水系统，MODFLOW采用有限差分法对地下水流进行数值模拟。为防止有限单元法在解决非稳定的地下水流运动问题时，时间步长Δt较小的情况，某些单元可能出现的质量不守恒，我们采用有限差分法求解，这样可以避免有限单元法引起的个别点的水头反常[3]。实际情况中这些水头异常点往往出现在变化较为剧烈的源汇项附近，而这些地方又经常是我们重点关心的地带。从空间上看，流域地下水流整体上以水平运动为主、垂向运动为辅，为了准确模拟挠力河对浅层地下水的补给量和浅、深层之间的越流量，较真实地再现挠力河流域地下水动力场演变，将研究区的地下水流作为三维非稳定流处理，挠力河流域地下水系统包括孔隙介质和裂隙介质，为了更好地解决地下水在不同介质中的流动问题，对研究区地下水系统按输入模块进行如下概化：（1）基本模块考虑研究区范围和精度的要求，全区按照5km×5km正方形网格剖分，40行、45列，共48685个计算单元。由于很难获得研究区2001年流场分布的资料，考虑5月份为地下水动态变化转折点[2]，选择2000年11月1日～2001年4月30日时段先进行稳定流计算，确定枯水期流域地下水流场，结果作为非稳定流计算的初始条件。模拟时期为2000年11月到2001年10月，共分为七个时段模拟，考虑北方冻土期无蒸发、入渗，选定2000年11月～2001年4月为第一个计算时段，以后各月以一个月为一个时间段，每个时间段内包括若干时间步长，时间步长为模型自动控制，严格控制每次迭代的误差。一类边界的水位资料与地下水动态观测资料同步选取。（2）计算单元间渗流模块第四系含水层选择含水层类型1（LAYCON=1）：这种类型仅用于单层结构或多层结构的最上层，并且该含水层具有潜水含水层的特征；弱透水层既具有承压含水层性质又具有非承压含水层的性质，故选择含水层类型2（LAYCON=2）处理弱透水层；含水层类型0（LAYCON=0）多用于模拟承压含水层，与第三系含水层性质一致。（3）井流模块计算区域的城镇开采量、工业开采量、农村生活开采量，按行政分区和所属含水层类型分配给指定计算单元，抽水量不超过该区的单井最大出水量。胡点（拔4湾）边界模袍块对于浅偶层含水层咏：研究区模东南、南中、西南部狡是完达山介山麓，与导外界第四梁系水没有载交换，可齿视为隔水属边界；东芝北、北部话及西北均析为流域分妥水岭，可握概化为定吃水头边界稼考虑。对民于深层含左水层：研伴究区深层碎地下水与励外界存在筑一定水力体联系，东脂南、南部卸、西南接劝受外界径跟流补给，答为径流补维给边界；独东北、北谨部、西北累为地下水角排泄边界们。利用达趴西定律计壁算出边界旷流热量壮,束然后根据搂边界附近居的观测井通的水位动鸦态堵,郊按时段调遭整边界流回量，以井岔流形式分杜配给边界阔计算单元盖。适敞（医5桌）补给模吃块补给项路包括降水塑、灌溉回块渗、农业母灌溉开采拴等，各项感均换算成过相应分区旷的开采强波度，然后袜分配到相散应的单元忧格。补给歉方式选择释第三雀种渡“闷假若计算牵单元上方汇没有定水薪头计算单辟元，补给米指定到位禁于最上层戒的有效计匀算单缠元塘”删。鸡膝（擦6腐）蒸发模面块研究区臂蒸发非常光强烈，为违地下水的尺重要排泄酒途径。蒸丑发量主要依与潜水位森埋深、包恢气带岩性扯、地表植防被和气候芬因素有关恭，一般认白为水位埋欺深大请于行5懒m酿的地区潜牧水蒸发很妹小。潜水泼蒸发量由皇下式计算萍：（1）抚式中：谊—遵—荡地下水蒸嘱发排泄量退（醋）；难—胀—袜埋深小蝇于钟5神m糠的平均水谢位埋深悄（昌m洒）；掘—先—饲地下水蒸额发极限埋冶深镇4斤m眠（赤m裂）；颂—筐—潮地下水位好埋深小胡于条5芝m广的区域面认积珍（辟10把4郑m福2鹊）；也—辣—经地下水蒸篇发强度详（易mm/咳a经）（自然至水体水面刘蒸发强度抗即实际水贩面蒸发强杰度，为蒸掉发皿测得艺蒸发强度愈的赖60搅%尚）；晋—旷—堆与岩性有蒜关的指数颗（粉土、脉粉质粘土沸取妈1.尘5辈，粉砂弱取碎1.凭0隆）。匪摇臭2.朵2膨模型校正搭与结果分仪析躲庸蹄2.2.兔1帜水文地质红参数句根据闯前述水文惠地质条件饮，将潜水喉含水层分痕为咐4患个区，主股要的水文张地质参数隐有：浅层秤含水层的翼渗透系数唇和包气带资的给水度课（溉图樱1孟），水文陆地质分区状底图利毅用脖Arci死nfo8企.净3叶制作，便凭于最大精洲度控制各邮分区面积狡。版图桐1.么悬挠力河流血域第四系保水文地质疑参数分区增图尸Figu馋re1.墓Hyd违rolo过gica执lpa壁rame蛛ter得suba洋rea馅ofN谨aoli阵heb雷asin雪Qua跌tern岭ary右grou信ndwa载ter栗深层由于漂研究程度培低，本研民究只粗略肃分区，主抓要的水文心地质参数流有：渗透西系数、释惑水系数（管图例2择）。各区龄的水文地冠质参数初些值主要参痰考有关的毙水文地质欧报告。要图吩2.语煤深层含水浑层水文地牲质参数分亿区错Figu眠re2.幼Hyd肝rolo竿gica使lpa鼻rame街ter偏suba钳rea嘴ofN不aoli捕heb汗asin粥Ter瞎tiar乖ygr锈ound膛wate社r洒挣沈2.2.怀2拍模型校正倾由于研究踪区面积大胳，有些地秒方的研究怒程度较低巧，故模型颂不可能准驱确刻画出爸研究区的奇地下水流呀系统，模肌型的识别颠和检验主挡要遵循以包下原则蛇：团①饿模拟的地堤下水流场墨要与实际蒸地下水流沈场基本一凑致，即要炉求地下水遭模拟等值宪线与实测前地下水位衣等值线形铅状相似网；蚁②盆模拟地下边水的动态备过程要与冰实测的动泼态过程基武本相似，沃即要求模崭拟与实际膀地下水过亿程线形状肾相似鹿；倡③估从均衡的系角度出发扮，模拟的父地下水均乖衡变化与换实际要基授本相符锻；晶④炕识别的水银文地质参量数要符合刮实际水文慧地质条件落。采用试希估－校正壤法间接反座演参数，宴识别后的丝水文地质德参数见待表按1安。钥表点1灿道研究区模垒拟模型识珠别后水文罗地质参哲数只Tabl市e1.S软imul副ated智mod阁elr堡ecog肝nize龟dhy括drol夕ogic络alp桂aram扇eter登浅层含水贤层裕深层含水拆层伐分区犁渗透系飘数欠k腹x喂、扇k评y智（专m/餐d虽）脉给水度喂分区棉渗透系生数戴k柴x全、亮k迁y宇（喜m/伯d劈）锐弹性释水据系数惧1吉35喷0.25响1蜻15渡0.00睬046这2裹20殊0.21决2茅10旅0.00甚031抚3喜10筹0.14润3鸟5蜻0.00锹027付4充7遗0.07血弱透水层菠0.01娘0.00铸1纸注：圆垂向渗透毕系旧数伤k欠z牲=0.1挖×傻水平渗透塌系易数能k迹x宇/k毅y谈计算举与观测水谊头图提供握根据模型握结果得出孟的观测数霞据与计算威数据之间除拟合程度尾的图形描揭述，表明而模型模拟佣研究区水翠文地质条诞件的程度痕。锹图摧3.断秘观测水位汤与计算水品位拟合图云Figu虏re3.界Cal福cula挨ted傅head旗vs.柄obs狗erve筑dhe诉ad摸模型跳平均残荡差拘16.9疾53惠m朽，标准误悼差右2.74胖5架m嘴，观测值咳与计算值渴误差绣在雹±9过5老％置信区毯间占总观刻测井概的叛89.5遥5描％，相关彼系樱数惹0.96召2旦，模型识膏别和检验著结果证明心所建立的准数学模型被、边界条绳件、水文纸地质参数不和源汇项垄的确定都溜是符合实辞际情况的粉。错3钻.碗流域地下饭水系统分平析扫从全裂区均衡计弱算结果来义看芹，户200驴1翼年上游地藏区为枯水取年向湿润幕年的过渡衣，中下游信地区为枯窄水年向平闯水年过渡僚，整个地饿下水系统乓是负均衡赤，为敬。流域地平下水位比吨常年下延降装0.4索m块，具体流阶场分布详酬见伍图矿4纺。裳图英4.2欺00倒1能年林1勇0串月挠力河饺流域第四谱系流场图4.结语幸本文研究陶所建立的骡流域基于梢物理过程邪的分布式较地下水管恭理模型参婶数较少、投容易获取仔且均具有顷明确的物枝理意义。恋利用该模打型较好地胖解决了孔篮隙、裂隙都水并存地芬区的地下四水模拟问逝题，能模狡拟降雨、满地形、蒸婆发、人类揪活动对地敲下水系统鞋水文过程茫的影响，应综合考虑汇研究区第盖四系和第秩三系地下何水资源，兆通过改变简模型中降艳雨补给、吼蒸发强度灵及开采量鸭可以探讨糊未来流域皂水文过程厌对降雨、托蒸发和人和类活动的先响应。基捐于物理过躁程分布式师参数的流险域地下水全模型侧重易于对地下懒水水文过王程本身的妹物理描述制，进而可秧以用来模腹拟和预测锻水资源利吴用发展变初化对水文写过程的影幕响，为实崇现流域可锣持续管理翅提供有力呀的依据。参考文献盛[1]奔疫余新音晓嘉,湿程根吼伟促,添赵玉涛者等支.盖庄森林流域盈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