三江平原挠力河流域地下水均衡分析

三江平原挠力河流域地下水均衡分析

三江平原是中国重要的商品农产资源基地之一。近年来，由于三江平原农业种植结构的不断调整和灌溉方式的扩大，“官水—水-地”之间的水转化关系变得越来越复杂。对三江平原挠力河流域地下水的均衡进行分析,尤其是“大气水—地表水—地下水”之间的水量转化,分析挠力河流域地下水系统的补给量和排泄量随时间和空间的变化规律。挠力河流域地下水与地表水、大气水及土壤水之间存在着连续的水循环,要系统分析挠力河地下水系统的变化,应该从“四水”转化的角度来对挠力河流域地下水进行地下水水均衡分析。在地下水均衡分析中,地下水系统变化量等于地下水补给量减去地下水排泄量。其中补给量包括大气降水入渗补给量、灌溉农田回渗补给量、河渠渗漏补给量、洪水淹没入渗补给量、相邻含水层间越流补给地下水量和地下含水层侧向补给量;排泄量包括浅层含水层蒸发量、地下水向河流排泄量、地下含水层侧向径流排泄量和人工开采量。以三江平原挠力河流域作为研究对象,对挠力河流域地下水进行水均衡分析。1挠力河流域经济发展现状挠力河流域位于黑龙江省东部地区,为乌苏里江一级支流。地理坐标为东经131°15′20″～134°9′38″,北纬45°43′22″～47°19′24″。流域总面积23219km2,占三江平原总面积近1/4,其中山区面积为8320km2,占总面积的33.5%;丘陵区面积为1197km2,占总面积的4.8%;平原区面积为15346km2,占总面积的61.75%。挠力河流域在行政区上包括宝清县全部,友谊、富锦、集贤、双鸭山、饶河5县市部分和国营农场总局的建三江、红兴隆2个国营农场管理局所属五九七、八五二、八五三、八五九、红旗岭、红卫、大兴、胜利等共17个大型农场。根据地质岩性、水位变动带、地形地貌、行政单元等,将挠力河流域划分为4个区,各区的地理位置如图1所示。2流域地下水充灌量2.1地下水位不高,影响大气降水降水入渗补给是流域的主要补给方式。大气降水补给地下水的数量受到很多因素的影响,与降水的强度、形成、植被、包气带岩性、地下水的埋深等密切相关。一般降水量大、降水过程长、地形平坦、植被茂盛、上部岩层透水性好、地下水埋藏深度不大时,大气降水才能大量的补给地下水。这些影响因素中起主导作用的常常是包气带的岩性。一般认为,当地下水位埋深大于5m,降水入渗补给量为零。根据浅层地下水位观测资料,约有10%左右的降水量对地下水补给不明显,根据这个比例以及水平年各地区的降水量,求得各水平年有效降水量,将有效降水量代入式(1)中,计算大气降水入渗补给量。其各分区降水入渗补给量计算值如表1所示。Q降=ρi·α·F(1)式中:ρi—有效降水量,m;α—降水入渗系数;F—挠力河流域的面积,m2。2.2洪水大土地利用计算挠力河行洪期间,挠力河流域的滩地被淹没,多年平均淹没天数为15d,一般洪水发生在7-8月份,其洪水淹没入渗补给量按式(2)计算,在调研资料搜集过程中,只获得了宝清县洪水的资料,其洪水淹没入渗补给量计算结果如表2所示。Q洪=ΔH·γ·F(2)式中:Q洪—洪水淹没入渗补给量,m3·a-1;ΔH—淹没区地表水深度,m;γ—洪水淹没入渗系数;F—洪水淹没面积,m2。2.3增加量和加加量挠力河流域随着近几年的种植结构的不断调整,灌溉面积的不断加大,开采地下水的灌溉量也不断加大,灌溉回渗量有所增加。灌溉回渗量包括地下水灌溉回渗量和地表水灌溉回渗量。灌溉回渗量的大小受包气带岩性、地下水埋深和灌溉水量大小和气象等因素的影响。灌溉回渗量按式(3)计算,其计算结果如表3所示。Qt=Qg·β(3)式中:Qt—田间灌溉入渗量,m3·a-1;Qg—田间灌溉用水量,m3·a-1;β—田间灌溉入渗系数。2.4流量计算及断面挠力河流域地下水侧向径流补给边界为挠力河流域的东南、南和西南深层地下水边界。根据达西定律得到地下水侧向径流量的计算公式,其式如(4)所示,挠力河流域各断面如图2所示。按式(4)计算各个断面的地下水侧向径流量。Qc=K·I·B·M·△T(4)式中:Qc—地下水侧向径流补给量,m3·a-1;K—各断面含水层渗透系数,m·d-1;I—垂直于断面的水力坡度;B—断面的宽度,m;M—断面含水层平均厚度,m;T—时间,d。3流域内的地下水排放量3.1地下水蒸发量计算蒸发是水由液态变成气态的过程,特别是地下潜水可通过土壤蒸发、植物蒸腾而消耗,成为地下水的一种重要排泄方式。影响地下水蒸发的因素有很多,但主要取决于温度、湿度、风速、潜水位埋深和包气带岩性等因素有关,一般认为水位埋深大于最大极限深度的地区地下水蒸发为零。浅层地下水地下水蒸发量可用式(5)计算。Qe=F·ε(5)式中:Qe—浅层地下水蒸发量,m3·a-1;F—地下水位埋深小于最大极限深度的区域面积,万m2;ε—地下水蒸发强度,mm·a-1。为了研究方便,将挠力河流域按各分区的平均蒸发强度计算,其各分区的蒸发量如表5所示。3.2工业降水量和人肉水资源量挠力河流域农业开采量等于流域内各种作物的实际灌溉面积乘以各种作物灌溉用水定额;工业用水量根据各市县的统计资料查得;人畜用水量根据调查资料,按人均每天用水量0.1m3计算人畜用水量。其工农业及生活用水量如表6所示。3.3河流侧渗补给量挠力河流域内主要河流有挠力河、七星河和乌苏里江,他们与浅层地下水存在着密切的水力关系,当河流的水位高于浅层地下水位时,则河水补给浅层地下水;当河流水位低于浅层地下水位时,则浅层地下水向河流排泄。依据河流和浅层地下水的水力关系和各均衡区,将挠力河两侧补给断面划分为3段;七星河两侧补给断面划分为2段;乌苏里江1段。计算时考虑了河流洪水期间水力坡度的变化。根据达西定律可按式(6)计算河流侧渗补给量Q河补=K·M·I·L(6)式中:K—含水层的渗透系数,m·d-1;M—含水层厚度,m;I—地下水流水力坡度;L—河段长度,m。在不考虑河流弯曲系数的影响下,主要考虑计算端点间平均最短流向长度。所选择的断面位置如图2所示,其计算结果如表7所示。3.4径流排泄量计算在挠力河流域西北、北和东北部边界深层地下水向流域外进行地下水径流排泄,是该流域的主要径流排泄边界,其各边界分区如图2所示,根据达西定律利用式(6)进行各断面径流排泄量的计算,其计算结果如表8所示。4地下水开采量结果将2005年地下水各区的补给量、排泄量、均衡差和水位变幅列于表9中,从表9中可以看出,研究区地下水总补给量为208838万m3,总排泄量为212644万m3,均衡差为-3826.1万m3。挠力河流域内河谷平原区和丘陵地区出现了地下水位下降,丘陵地区地下水位降深较大。2005年属平水年,由于地下水开采量较大,地下水大量补给河流,使河谷平原区地下水位产生降落。丘陵地区由于开采量大,区域地下水补排不平衡,在枯水年水位降深更为严重,2005年丘陵地区地下水降深达0.79m。5地下