沱河地下水库蓄水率定量评价

沱河地下水库蓄水率定量评价

地下水库是继山区水库和水库之后的一项重要节水工程。它具有安全可靠、方便、有效等特点。它可以改善该地区的地下水环境，缓解和抑制地下水开采引起的地下水位下降和地面沉降等环境地质问题，并在石家庄形成以下水位为中心的大规模地下水位下降。2006年，裂缝面积436.5km2，裂缝中心水位埋深52.4m，为沱河地下水库提供了巨大的储水空间。为了缓解中国北方平原日益严重的供水状况，国家实施了南北工程。石家庄是中国中南部最重要的河流之一。通过调蓄水源和当地雨水洪水资源，可实现约5.40.108m3（a）的补充水量，该系统为解决区域资源性缺水问题提供了水量保障。上述研究结果表明，石家庄北部的沱河干渠吞咽能很好地入渗，在动水条件下的入渗能力约为1.5m。d。这是一座大型地下水库，具有良好的建设条件。由于具有占地少、安全性高、不易污染和多年调节等特点,地下水库在发挥外调水源的功能方面具备明显的优势[5~6].但滹沱河地下水库位于滹沱河冲洪积扇熵,超采形成的地下水位降落漏斗为一半封闭式的储水构造,人工补给会改变区域地下水动力场,填满降落漏斗后部分补给水会发生侧向渗流,势必降低了地下水库的有效蓄水率.在分析有效蓄水率概念的基础上,利用GIS技术计算不同丰枯遭遇条件下人工补给后地下水库的有效蓄水率,并与地表水库的有效蓄水率进行对比,分析二者对储水量变化的响应规律,讨论利用地下水库进行水资源调蓄的优势,为滹沱河地下水库的设计和运行管理提供科学指导.1入渗能力分析为更加精确和定量化研究地下水库的储水效率问题,本次研究类似于入渗补给系数提出了有效蓄水率的概念.将地下水库人工补给水中能够有效补给地下水并储存在库区内的那部分水量称为有效需水量,其与入渗补给水量的比值定义为有效蓄水率.计算公式为式中:γ为有效蓄水率(无量纲);ΔQ储为地下水的储变量,L3;Q补补为人工补给水量,L3.有效蓄水率与入渗系数相似,都是反应地表水量能够有效补给地下水库的比例,但二者又有所不同:入渗系数反映的是入渗场或库区地表的入渗能力,即地下水库的补给功能;有效蓄水率反映的是地下水库的截留能力,即地下水库的储蓄功能.一般地下水库的补给水源有:拦蓄雨水(Q雨水)、河流来水(Q河水)、地表水库弃水(Q弃水)、调引外来水(Q调水)、冬季河流闲水(Q闲水)、灌溉用水(Q灌水)、城市废水和污水(Q废污水)等,则地下水库有效蓄水率的计算公式可表达为式中:β有效,地下水库的有效蓄水率;β无效,地下水库的无效蓄水率;Q蓄水,地下水库的有效需水量;Q补给,地下水库的可补给水量.Q蓄水作为地下水库储存效果的重要指标,以孔隙介质为储水空间的地下水库为例,其计算公式为式中:V,地下水库的库容,m3;μ,重力给水度(无量纲);V*,蓄水体的体积,m3;S,地下储水空间面积,m2;H1,补给前地下水位,m;H2,补给后地下水位,m.基于上述计算原理,在具体计算时,充分考虑到研究区含水层介质的非均质性,基于GIS技术,将研究区进行剖分,分别计算每个栅格补给前后的水位差,分别乘以该栅格的给水度和面积,最后加和得出地下水库的有效补给量.2不同丰枯条件下黄壁庄水库的有效蓄积效应以滹沱河地下水库为例,建立地下水库的地下水流数值模型,预报不同丰枯条件下地下水位的恢复效果,对比分析地下水库的有效蓄水率和其上游黄壁庄水库不同入库水量条件下地表水库的有效蓄水率,总结有效蓄水率的变化规律,探讨各因素对有效蓄水率的影响机理.2.1数值模型的建立本次研究模拟范围以滹沱河地下水库范围为依据,如图1所示,总面积913.5km2.(1)虽然中更新统含水层局部具有微承压性,但与上层全新统-上更新统含水层具有密切水力联系,将二者概化为一层潜水含水层;(2)西部边界为山区-平原分界线,定为二类边界,北、东、南三侧由观测孔控制,为一类边界;(3)含水层介质特征概化为非均质各向同性,地下水流概化为平面二维非稳定流.根据建立的水文地质概念模型,构建描述计算域水位分布的数学模型,地下水库库区地下水流的数学模型用如下微分方程的定解问题来描述.其中:K,渗透系数,m/d;H1,水头(高程),m;B,底板标高,m;ε1,补给强度,m/d;ε2,排泄强度,m/d;μ,储水系数(给水度);H0,初始水位,m;D,计算区范围;Γ1,一类边界;Γ2,二类边界;φ,一类边界上的已知水头;q,单位宽度的侧向补给量.上述偏微分方程表示潜水含水层数学模型,与初始条件和一类、二类边界条件共同组成滹沱河地下水库地下水流的定解问题.应用有限差分法将上述数学模型离散为有限差分方程组,利用GMS4.0(GroundwaterModelSystem)软件包中的Modflow求解.由于2003年底黄壁庄水库副坝防渗加固工程完成,依据新的水文地质条件和库区地下水位监测数据情况,选取模型识别时段为2004年6月1日至2005年6月1日,模型验证时段为2005年6月1日至2006年6月1日,均选取一个月为一个应力期.通过模型的识别和验证,进行水均衡、梯度场和降速场的拟合,结果表明所建立的地下水流数值模型能够较好地反应库区的水文地质条件和地下水流特征.由于水源区和受水区分属不同水文区,需要进行降水量的丰枯遭遇分析:利用1956~1998年黄壁庄水库弃水数据可以得到丰水年、平水年和枯水年分别弃水量为3.00×108m3/a,1.00×108m3/a和没有弃水;根据南水北调中线工程分水计划,丰水年、平水年和枯水年南水北调中线工程分别向石家庄市分水5.72×108m3/a、5.64×108m3/a和4.64×108m3/a,因此可得不同丰枯遭遇条件下地下水库的可入渗水量见表1.2.2地下水有效蓄水量计算滹沱河地下水库是开采漏斗型地下水库,即利用多年来地下水超采形成的地下水位降落漏斗作为储水空间,干枯的滹沱河河道作为入渗场,黄壁庄水库弃水和南水北调来水作为入渗水源来建设地下水库,缓解区域水资源供水紧张的局面.结合研究区水资源情况,有效蓄水率的计算公式为人工补给地下水库致使地下水位回升,会改变研究区地下水动力条件,当水位高于边界时,地下水会发生侧向排泄,人工补给量不能够完全补给地下水库,采用前面所述方法,得出不同丰枯遭遇条件下的人工补给的有效蓄水率见表1.从表中可以看出,地下水库库区地下水最大有效蓄水率为90.99%,此时的人工补给量为4.64×108m3/a,有效蓄水量为4.22×108m3/a,侧向流出量为0.42×108m3/a(枯-枯遭遇),地下水库库区最小有效蓄水率为80.54%,有效蓄水量为7.02×108m3/a,侧向流出量为1.70×108m3/a(丰-丰遭遇).2.3黄壁庄水库储水的有效利用率黄壁庄水库是滹沱河上游的一座重要的大型地表水库,承担着防洪、石家庄市和下游灌区的供水任务,是地下水库库区最主要的水利设施.由于水面蒸发、坝基渗漏等原因,地表水库储水的有效利用率往往要比地下水库低.根据研究前任的研究,黄壁庄水库储水的损失量主要包括水面蒸发量和副坝渗漏量:根据黄壁庄水库的水面蒸发量(1200mm/a)和库区水面面积(约65km2)估算出库区水面蒸发量;1999~2003年黄壁庄水库进行了副坝防渗加固,其渗漏量逐年减少,本次研究采用河北水勘院模拟得出的渗漏量;根据入库补给水量和水库损失量计算出地表水库的有效蓄水率结果见表2.从表中可以看出,黄壁庄水库的有效需水率在50%~80%之间.2.4实践结果分析地下水库的有效蓄水量和有效蓄水率跟人工补给水量具有密切的关系,为分析二者之间的相关性,利用最小二乘法得出相关关系图(图2),从图中可以看出,随着人工补给量的增加,地下水库的有效蓄水率呈现减小的趋势.除了补给过程中的蒸发、包气带浸润损失等外,人工补给量与有效蓄水率的负相关关系主要是因为含水层的滞后效应:当补给量增加时,补给区下游的地下水位由于含水层的滞后效应不能瞬间上升,使得补给区的水位增幅大于补给区下游地下水位增幅,当地下水库的储水空间的封闭性不是很好时,侧向流出量会降低地下水库的有效蓄水率,增加了补给量向补给区下游的渗流量,降低了有效蓄水率.地表水库的水量损失较为稳定,有效蓄水率与入库水量的相关关系呈现如图2所示关系,从图中可以看出,随着入库水量的增加有效蓄水率呈现上升的趋势.由于地表水库不存在与地下水库一样的滞后效应,如果排除黄壁庄水库副坝加固过程中对副坝渗漏量的影响,地表水库的损失水量是一个相对稳定的量,对入库水量变化的响应不明显,因此随着入库水量的增加有效蓄水量所占比重增加,即有效蓄水率与地表水库入库水量呈现正相关关系.水库的有效蓄水率研究可以为区域水资源调配和地下水库-地表水库联合调蓄方案的制定提供科学依据.由上面的分析可以看出,由于地表水库和地下水库有效蓄水率的影响因素不同,二者的有效蓄水率具有截然不同的变化规律:随着人工补给量/入库水量的增加,地下水库和地表水库的有效蓄水率分别呈现减小和增大的趋势,且地表水库的最大有效蓄水率与地下水库的最小有效蓄水率相当,因此地下水库在蓄水效率上具有明显的优势.加上地下水库造价低、环境负效应少等特点,在石家庄地下水位降落漏斗区建设滹沱河地下水库对区域水资源调配、改善环境地质和生态环境等具有重要意义.但对于耗费大量人力、物力和财力的南水北调来说,有效蓄水率在80%~90%之间显然满足不了人们对外调水资源的储蓄要求,为提高滹沱河地下水库的有效蓄水率和提高区域地下水的供水能力,建议在滹沱河地下水库的下游出口处修建人工防渗地下坝.3黄壁庄水库的运行效率1)滹沱河地下水库有效蓄水率的计算结果可知,滹沱河地下水库不同丰枯遭遇条件下的有效蓄水率在80%~91%之间,且有效蓄水率与人工补给量呈现负相关关系;主要是因为含水层的滞后效应加大了水力梯度,地下水侧向流出降低了有效蓄水率;黄壁庄水库的有效