干旱區(qū)庫(kù)壩工程對(duì)地下水的影響

李景遠(yuǎn)，吳 巍，周孝德，吳 皎，焦露慧

(西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，陜西 西安 710048)

地下水由于自身動(dòng)態(tài)穩(wěn)定、分布廣泛、水量豐富、水質(zhì)優(yōu)良等特點(diǎn)［1］，在維持干旱區(qū)脆弱的生態(tài)環(huán)境中發(fā)揮著不可替代的生態(tài)調(diào)控作用，自20世紀(jì)70年代以后，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)地下水?dāng)?shù)值模擬進(jìn)行了大量研究。目前國(guó)外地下水?dāng)?shù)值模擬領(lǐng)域的研究主要針對(duì)數(shù)值模擬法的薄弱環(huán)節(jié)，提出新的思維方法，采用新的數(shù)學(xué)工具，分析不同尺度下的變化情況，并開(kāi)發(fā)了許多地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬軟件［2］。如A.Mazzia等［3］提出用于求解重鹽地下水運(yùn)移模擬的二維非線性動(dòng)力學(xué)控制過(guò)程的特別的數(shù)值方法;Li Shu-guang等［4］指出數(shù)值模型還不能解決預(yù)報(bào)的不確定性因素問(wèn)題，并開(kāi)創(chuàng)性地提出一種可以解決均值分布和小尺度過(guò)程的不同尺度問(wèn)題的隨機(jī)地下水模型等。國(guó)內(nèi)學(xué)者更傾向于將地下水模型應(yīng)用于實(shí)際工程，解決民生問(wèn)題，在實(shí)際工程中將理論和方法不斷創(chuàng)新。如白利平等［5］應(yīng)用GMS對(duì)臨汾盆地地下水進(jìn)行了數(shù)值模擬;王宏等［6］應(yīng)用GMS對(duì)石家莊地下水系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬;陳喜等［7］應(yīng)用MODFLOW對(duì)美國(guó)Sand Hill地區(qū)地下水進(jìn)行了模擬等。目前，地下水模擬主要針對(duì)溶質(zhì)運(yùn)移、地下水脆弱性以及地下水資源量等進(jìn)行研究分析，而水利樞紐工程建設(shè)對(duì)下游地下水的擾動(dòng)影響及其植被需水量的模擬分析還有待進(jìn)一步提高。

水利樞紐工程在干旱區(qū)極為重要，為國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展服務(wù)的同時(shí)，也對(duì)天然生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的影響［8-9］，對(duì)地下水流場(chǎng)的擾動(dòng)影響也尤為突出。本文利用GMS軟件構(gòu)建研究區(qū)的三維地下水模型［10－12］，通過(guò)模擬預(yù)測(cè)，獲得工程建設(shè)前后地下水流場(chǎng)的變化情況，為且末縣耕地的合理規(guī)劃，下游沿河林草帶的防護(hù)以及入湖口附近的生態(tài)治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

車(chē)爾臣河是塔里木盆地東南緣年徑流量最大的河流，年平均徑流量約7.84億m3，河道全長(zhǎng)813km，上游穿行于崇山峻嶺之中，中游貫穿于山前沖洪積扇礫質(zhì)平原和沖洪積平原，下游為荒漠平原，流域下游入若羌縣境內(nèi)，最終注入臺(tái)特瑪湖。流域總的地勢(shì)是南高北低，下游西高東低，自南向北劃分為基巖山區(qū)、沖積洪積扇礫質(zhì)平原區(qū)、沖洪積細(xì)土平原和風(fēng)積沙漠4個(gè)地貌單元。

大石門(mén)水利樞紐工程位于新疆巴州且末縣境內(nèi)的車(chē)爾臣河干流上，壩址位于車(chē)爾臣河出山口與支流托其里薩依交匯口下游約300m處，工程距且末縣城約98km，距庫(kù)爾勒市約756km，交通較為便利。大石門(mén)水利樞紐工程是車(chē)爾臣河流域規(guī)劃中確定的近期開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)控制性樞紐工程，是一項(xiàng)承擔(dān)防洪、發(fā)電和灌溉任務(wù)的綜合利用水利樞紐工程。

2 地下水?dāng)?shù)值模擬

2.1 水文地質(zhì)概念模型

模擬預(yù)測(cè)范圍為沿車(chē)爾臣河流向的一個(gè)條帶區(qū)域，南部邊界以車(chē)爾臣河南側(cè)約5km為界，條帶區(qū)西南角為大石門(mén)水利樞紐上壩址斷面處，北部以車(chē)爾臣河以北(約5km)與塔克拉瑪干沙漠流域的自然邊界為界的沿線邊界，西至自然流域邊界，東至靠近臺(tái)特瑪湖的入湖區(qū)斷面，整個(gè)模擬區(qū)面積總計(jì)約5821km2(見(jiàn)圖1)。

(1)含水層系統(tǒng)。研究區(qū)為單一結(jié)構(gòu)的潛水含水層，主要分布的是大厚度的砂卵礫石，厚約200m，其中上部為第四系上更新統(tǒng)沖積砂卵礫石，下部為第四系中更新統(tǒng)沖積砂卵礫石。第四系存在一定的非均質(zhì)特征，但不同方向上的滲透性差異較小，因而將第四系松散含水介質(zhì)概化為非均質(zhì)各向同性。

(2)水動(dòng)力條件。模擬區(qū)含水層厚度大，第四系含水層分布較廣，同時(shí)地下水位隨時(shí)間變化而變化，因此將地下水運(yùn)動(dòng)概化為準(zhǔn)三維的非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)［13］。

(3)邊界條件。①側(cè)向邊界:模擬區(qū)上游南側(cè)為山前側(cè)向補(bǔ)給邊界(EF)，大石門(mén)壩址斷面處(AG)設(shè)置為第二類(lèi)流量補(bǔ)給邊界，F(xiàn)G段與區(qū)域地下水等水位線近于垂直，概化為零流量邊界;北側(cè)近于沙漠區(qū)自然邊界，分成兩段，BC段為北側(cè)荒漠區(qū)側(cè)向流出邊界，CD段與區(qū)域地下水等水位線近于垂直，側(cè)向交換微弱，概化為零流量邊界;西側(cè)AB段為流域自然邊界，概化為零流量邊界;DE段為東側(cè)入湖邊界，模型模擬區(qū)內(nèi)的地下水均朝此處徑流排泄，故概化為側(cè)向流出邊界。②垂向邊界:模擬區(qū)上邊界為潛水面，底部邊界為第四系松散巖類(lèi)孔隙水底板，該處地下水徑流滯緩，與下部基巖的基底間水交換微弱，故本次模擬研究對(duì)象為一層潛水含水層。

(4)水均衡計(jì)算。研究區(qū)多年平均降水量為25.43mm，此量級(jí)的降雨很難形成有效的地下水補(bǔ)給，故計(jì)算中忽略降雨入滲補(bǔ)給。地下水的補(bǔ)給項(xiàng)與排泄項(xiàng)及相應(yīng)計(jì)算量值見(jiàn)表1。由表1可知，車(chē)爾臣河流域模擬區(qū)地下水多年均衡量為1170.74×104m3，表現(xiàn)為微弱正均衡，整個(gè)流域范圍內(nèi)多年地下水上升約13mm，而局部地下水水位及流場(chǎng)變化還需要數(shù)值模型定量模擬計(jì)算。

圖1 模擬評(píng)價(jià)區(qū)范圍及邊界性質(zhì)概化Fig.1 Simulated evaluation areas and a general graph of boundary property

表1 模擬區(qū)地下水均衡計(jì)算Tab.1 Equilibrium computation sheet of underground water in simulated areas 104m3

(5)水文地質(zhì)參數(shù)。最大蒸發(fā)速率采用折算后的流域大水面蒸發(fā)速率;蒸發(fā)的極限深度根據(jù)巖性不同有所差異，根據(jù)前人研究成果可知，車(chē)爾臣河流域廣泛分布著兩種主要巖層:砂礫石層和粉細(xì)砂層，砂礫石含水層的極限蒸發(fā)埋深為3m，而粉細(xì)砂的極限蒸發(fā)埋深取值為6m，在模型中分為兩個(gè)區(qū)，分區(qū)給定;地面高程值源自30m的DEM數(shù)據(jù);滲透系數(shù)和給水度在模型中的處理如表2所示。

2.2 地下水?dāng)?shù)學(xué)模型

根據(jù)前述概化的地下水概念模型及其地下水均衡計(jì)算結(jié)果可知，研究區(qū)為非均質(zhì)、各向同性、準(zhǔn)三維的非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)，可用如下微分方程的定解問(wèn)題來(lái)描述［13－14］:

表2 水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)賦值Tab.2 District assignment table of hydrogeologic parameters

其中:D為滲流區(qū)域;h為潛水水位(m);b為潛水含水層底標(biāo)高(m);k為潛水含水層滲透系數(shù)(m/d);kn邊界面法向的滲透系數(shù)(m/d);μ潛水含水層在潛水面上的重力給水度(無(wú)量綱);ε含水層的源匯項(xiàng)(m/d);p潛水面的蒸發(fā)和降水等(m/d);Γ1滲流區(qū)域的水位邊界;Γ2滲流區(qū)域的流量邊界;n邊界面的法線方向;q(x，y，z)定義為二類(lèi)邊界的單寬流量(m2/d/m)，流入為正，流出為負(fù)，隔水邊界為0。

2.3 地下水模型的識(shí)別與驗(yàn)證

將野外實(shí)測(cè)地下水位作為現(xiàn)狀年模型識(shí)別和驗(yàn)證的依據(jù)，因野外主要的工作集中在沿河谷段附近，故而將沿河實(shí)測(cè)的地下水位與河谷區(qū)的現(xiàn)狀年模擬流場(chǎng)進(jìn)行擬合分析。經(jīng)過(guò)多次運(yùn)行模擬、調(diào)參、優(yōu)選，最終使得各觀測(cè)井水位值與實(shí)測(cè)值達(dá)到最佳擬合狀態(tài)。圖2為9月野外實(shí)測(cè)水位與現(xiàn)狀年9月份的模擬水位擬合。由圖可知，在河谷段，模擬水位與實(shí)測(cè)水位擬合情況較好，流場(chǎng)分布特征及趨勢(shì)正確，故構(gòu)建的模型可用于設(shè)計(jì)水平年對(duì)地下水環(huán)境影響的預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)。

圖2 9月野外實(shí)測(cè)水位與現(xiàn)狀年9月份的模擬水位擬合Fig.2 A fitting chart of measured water level in September water levels in September

根據(jù)水均衡法計(jì)算的模擬區(qū)多年平均地下水均衡結(jié)果，對(duì)多年平均狀態(tài)下的穩(wěn)定流模型的水均衡進(jìn)行驗(yàn)證(表3)，對(duì)比可知模型的模擬值相對(duì)誤差較小，模型的構(gòu)建符合后續(xù)模擬要求，故構(gòu)建的模型可用于設(shè)計(jì)水平年對(duì)地下水環(huán)境影響的預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)。

表3 穩(wěn)定流模擬地下水均衡計(jì)算Tab.3 Underground water equilibrium computation sheet of steady flow simulation

3 地下水環(huán)境影響預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)

3.1 研究區(qū)地下水資源量分析

通過(guò)模擬得到每個(gè)應(yīng)力期(月)的現(xiàn)狀年和設(shè)計(jì)年的整個(gè)模擬區(qū)地下水均衡量的主要結(jié)果如表4所示。由表可知，針對(duì)P=50%的設(shè)計(jì)水平年研究區(qū)而言，現(xiàn)狀年全年的總補(bǔ)給、總排泄、河流滲漏補(bǔ)給、潛水蒸發(fā)、儲(chǔ)變量分別為651749 900，－640092 500，263088 400，－598180 100和11657 400m3，設(shè)計(jì)年相對(duì)于現(xiàn)狀年的各項(xiàng)均衡要素的絕對(duì)變化量分別為 －10800 320，－9069 143，－4320 128，－8387 560和－1731 177m3，則相對(duì)變化率對(duì)應(yīng)為－1.7%，－1.4%，－1.6%，－1.4%和－14.8%?？梢?jiàn)，全區(qū)整體而言，水均衡各項(xiàng)要素的年變化量并不大，其變化幅度也較小。

表4 研究區(qū)現(xiàn)狀年和設(shè)計(jì)年(P=50%)地下水均衡對(duì)比Tab.4 Underground water equilibrium comparison of study area between actual year and design year(P=50%) m3

而不同月份由于受大石門(mén)斷面下泄水量不同的控制，其引起的地下水資源量的變化量和變化程度不同，其影響效應(yīng)也不同。整體而言，各項(xiàng)均衡要素呈現(xiàn)出基本一致的“同增同減”變化趨勢(shì)，呈現(xiàn)增加的月份有1月、2月、6月和12月，而呈現(xiàn)減少的月份為3—5月和7—11月，這與工程設(shè)計(jì)時(shí)逐月下泄量的變化情況基本保持一致。具體而言，增加月份1月、2月、6月、12月的總補(bǔ)給量變化量分別為6389 900，6632 994，16889 246和833465m3，相應(yīng)變化率為260.88%，229.86%，20.11%和5.64%，其中以6月份的總補(bǔ)給量增加最多，相應(yīng)增幅為20.11%。而3—5月和7—11月總補(bǔ)給量的變化量依次為－3241 254，－2893 976，－2199 422，－57880，－24182 067，－5799 529，－1609 051和 －1562 747m3，相應(yīng)地變化率對(duì)應(yīng)為 －9.63%，－5.32%，－3.85%，－0.03%，－23.10%，－13.40%，－3.30%和－4.37%，其中以8月份的減水量(絕對(duì)量)最多，其余月份的減幅一般小于－10%，減幅并不大。

3.2 研究區(qū)地下水位及地下水流場(chǎng)變化

研究區(qū)地下水水位和流場(chǎng)變化主要受控于水量變化，根據(jù)大石門(mén)水利樞紐工程建設(shè)前后大石門(mén)斷面不同水平年河流下泄過(guò)程可知，工程建設(shè)前后下泄水量和研究區(qū)地下水儲(chǔ)量的變化量(絕對(duì)量)均呈現(xiàn)為6月增加量最大，8月減少量最大，而12月的變化量較小，故而選擇6月、8月、12月這3個(gè)月分別作為最大增量月、最大減量月、無(wú)明顯變化月的代表，用以說(shuō)明工程建設(shè)前后對(duì)于研究區(qū)地下水水位和流場(chǎng)變化的影響。

繪制3個(gè)代表月份的應(yīng)力期現(xiàn)狀年和設(shè)計(jì)年的模擬地下水流場(chǎng)對(duì)比圖，從圖3可知，從整個(gè)區(qū)域角度而言，地下水流場(chǎng)趨勢(shì)并沒(méi)有出現(xiàn)較大變化，但在局部地區(qū)(區(qū)段)流場(chǎng)變化較明顯，主要是灌區(qū)和下游入湖區(qū)段，南北兩側(cè)(垂直河道方向)可能受到的影響寬度范圍約為1km。

圖3 現(xiàn)狀年與設(shè)計(jì)年(P=50%)地下水流場(chǎng)對(duì)比Fig.3 A comparison diagram of groundwater flow field between actual year and design year(P=50%)

由于入湖段地下水位出現(xiàn)較大變化，同時(shí)該段生態(tài)環(huán)境脆弱易受地下水波動(dòng)影響，故針對(duì)入湖段進(jìn)行詳細(xì)分析，首先在臺(tái)特瑪湖入湖段依次選擇9個(gè)監(jiān)測(cè)井(圖4)，各監(jiān)測(cè)井水位變化情況如表5所示，對(duì)比分析現(xiàn)狀年和設(shè)計(jì)年兩個(gè)時(shí)期該區(qū)段的地下水位變化情況，根據(jù)設(shè)計(jì)年下泄流量的情況統(tǒng)計(jì)可知，P=50%的設(shè)計(jì)年，其下泄水量變幅最大的月份分別是1月和8月，其下泄流量變幅分別為480%和－42.50%，受影響的地下水位變幅一般在0.4～0.8 m。

圖4 臺(tái)特瑪湖入湖斷面地下水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)位分布Fig.4 A distribution map of groundwater level’s monitoring sites at cross section of Taitema Lake

表5 臺(tái)特瑪湖入湖段水位監(jiān)測(cè)單元的水位變化統(tǒng)計(jì)(P=50%，1月)Tab.5 Water level fluctuation of Taitema Lake water level monitoring units(P=50%，January) m

4 結(jié)語(yǔ)

(1)車(chē)爾臣河流域模擬區(qū)地下水多年均衡量為1170.74×104m3，表現(xiàn)為微弱正均衡，整個(gè)流域范圍內(nèi)多年地下水上升約13mm，地下水總體呈現(xiàn)微弱上升趨勢(shì)。

(2)車(chē)爾臣河流域模擬區(qū)范圍內(nèi)總的地下水補(bǔ)給量約49440.58×104m3，主要的地下水補(bǔ)給項(xiàng)(由多到少順序)依次為河道滲漏補(bǔ)給(49.9%)、渠道水滲漏補(bǔ)給(21.7%)、降水入滲補(bǔ)給(12.9%)、渠灌田間入滲補(bǔ)給(11.9%)、山前基巖裂隙側(cè)向補(bǔ)給(3.5%);而地下水的排泄項(xiàng)(由多到少順序)依次為:潛水蒸發(fā)(－53061.84×104m3，占比73%)、人工開(kāi)采(－17113.48×104m3，占比23.5%)、河道排泄、側(cè)向流出。

(3)工程建成后對(duì)于灌區(qū)和沿河林草帶的地下水位和水資源量具有一定影響，但影響程度不大，通過(guò)對(duì)P=50%設(shè)計(jì)水平年兩個(gè)極端月份(1月和8月)的初步分析結(jié)果可知，受影響的地下水位變幅一般在0.4～0.8 m，而南北兩側(cè)(垂直河道方向)可能受到的影響寬度范圍約1km。

(4)入湖段地下水位變化較大，P=50%的設(shè)計(jì)年，其下泄水量變幅最大的月份分別是1月和8月，其下泄流量變幅分別為480%和－42.50%。

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