第二松花江干流傍河開采潛力評價

崔瑞娟,冶雪艷,2，杜新強,2，王麗雪,3，陸向勤

(1.吉林大學新能源與環(huán)境學院，吉林 長春 130026；2.吉林大學地下水資源與環(huán)境教育部重點實驗室，吉林 長春 130026；3.濟南市環(huán)境研究院，山東 濟南 250102)

傍河水源地以其富水性強、埋藏淺、水量穩(wěn)定、水質優(yōu)良、易集中開采和便于管理等優(yōu)點在許多國家普遍應用并成為重要的取水方式之一，國內外有大量的大、中型城市建立了傍河水源地，且傍河開采獲得的水資源占總飲用水的比例逐漸增大。例如，瑞士約80%的飲用水來自傍河取水[1]，法國、芬蘭、匈牙利、荷蘭、斯洛伐克傍河取水占日常生活飲用水的比例分別達50%、48%、40%、7%和45%[2]，德國柏林有75%的飲用水來自傍河取水[3]。此外，印度[4-5]、埃及[6]和韓國[7]等國家傍河取水工程的應用也非常普遍。中國東北的一些城市在1930年就建立了一批傍河取水工程[8]，目前中國大型傍河水源地已有300多個[9]，僅沿黃河及其支流分布的省會城市和一些工業(yè)基地內就有約50個傍河水源地[10-11]。傍河取水主要通過激發(fā)并增大河水對含水層的入滲補給[10]，以實現(xiàn)地表水與地下水資源的聯(lián)合利用，通常情況下，傍河水源地所開采出的地下水資源量大部分來自于襲奪地表水資源量[11]。

第二松花江流域(豐滿以下)是吉林省經(jīng)濟最繁榮、發(fā)展最強勁的地區(qū)，是東北地區(qū)主要的工業(yè)集中地和商品糧生產(chǎn)基地。吉林市、松原市等大、中城市工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活用水均以開發(fā)利用地下水為主，地下水供水占城市供水總量的60%左右[12]。由于區(qū)域整體上地下水資源并不十分豐富，研究如何通過傍河取水實現(xiàn)地下水與地表水的聯(lián)合調度具有十分重要的意義。本次研究基于課題前期研究成果[12-13]，在已篩選出的傍河取水適宜區(qū)內，設計合理的地下水開采方案，采用地下水數(shù)值模擬技術評價各傍河取水適宜區(qū)的地下水開采潛力。

1 傍河取水適宜性

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為第二松花江干流平原區(qū)，總面積約6 331.65 km2，河流全長約330 km。降水時空分布不均勻(圖1)，自東南向西北由約700 mm遞減到約440 mm。降水量年內分布不均，主要集中在7—8月，降水量占全年降水量的70%～80%。多年平均蒸發(fā)強度自東部、東南部由1 200～1 500 mm 向西部、西北部增大為1 500～2 000 mm。

圖1 研究區(qū)位置與降水量分布圖Fig.1 Location of the study area and precipitation distribution

1.2 傍河取水適宜區(qū)域

王麗雪等[12-13]從水量、水質、地表水與地下水交互作用強度以及地下水資源開發(fā)利用條件4方面，建立傍河取水適宜性評價指標體系(表1)，依據(jù)專家打分方法，制定各評價指標的權重及評分標準。根據(jù)建立的評價指標體系，通過相應指標的分數(shù)與相應指標權重的乘積加權求和得到傍河取水的適宜性指數(shù)(式1)，根據(jù)傍河取水適宜性指數(shù)值，將評價區(qū)域傍河取水適宜性劃分Ⅰ～Ⅴ共五個等級(圖2)。其中，傍河取水適宜性等級為I～II級的區(qū)域，水質良好，滿足生活飲用水要求，水量補給充足，地表水與地下水之間水力聯(lián)系密切，傍河取水在水量和水質方面可靠保證，地下水資源開發(fā)利用條件適宜，為傍河取水的最優(yōu)適宜區(qū)。

表1 傍河取水適宜性評價指標體系

A=XKWK+XMWM+XQWQ+XGWG+XSWS+

XIWI+XLWL+XRWR+XDWD

(1)

式中：A——傍河取水適宜性指數(shù)；

X——相應指標的分數(shù)；

W——相應指標的權重。

圖2 傍河取水適宜性分區(qū)圖(引用自文獻 [12]，有修改)Fig.2 Suitablity distribution of RBF

由圖2可見，研究區(qū)內最優(yōu)傍河取水適宜區(qū)共分為5部分，地理位置分布如下：吉林市龍?zhí)秴^(qū)附近，吉林市下游段烏拉街附近，陶賴昭附近，黃魚圈附近，靠近松原市。上述傍河取水適宜區(qū)普遍具有以下特征：含水層厚度較大、滲透性強；地下水位埋深相對較淺，接受大氣降水入滲及地表水入滲補給的能力強；河床滲透性較好，有利于河水與地下水的水量交換。

2 傍河取水適宜區(qū)地下水流數(shù)值模擬模型

2.1 水文地質概念模型

2.1.1 邊界條件概化

研究區(qū)外部邊界全部概化為流量邊界。其中，研究區(qū)西部邊界AB、東北部邊界BC為流域地表水資源二級分區(qū)界線，即分水嶺，概化為零流量邊界；西南部邊界AC為山區(qū)與平原區(qū)的分界線，平原區(qū)地下水接受山區(qū)地下水的側向徑流補給概化為通用水頭邊界。研究區(qū)內部主要發(fā)育的第二松花江干流概化為河流邊界(第三類邊界條件)(圖3)。

圖3 水文地質概念模型圖Fig.3 Conceptual hydrogeological model

2.1.2 含水層與水力特征概化

主要含水層為第四系松散巖類孔隙介質，主要由全新統(tǒng)沉積物組成，主要含水巖性為中粗砂及砂礫石，各地段富水性及水文地質差異較大，概化為非均質各向同性含水介質。第四系松散層厚度一般在10～50 m，其中第二松花江上游、中下游沿岸地段厚約50 m，伊通河及飲馬河沿岸地段厚度約30 m。地下水天然水力坡度較小(約為0.4‰)，地下水流可概化為符合達西定律的二維潛水非穩(wěn)定層流。

2.2 數(shù)學模型

(2)

式中：K——潛水含水層滲透系數(shù)/(m·d-1)；

μ——潛水含水層給水度；

H——地下水位高程/m；

B——含水層底板標高/m；

ε——源匯項/(m·d-1)；

H0——初始地下水位/m；

q——邊界上單位寬度的地下水補給(或排泄)量/(m·d-1)；

K1——河床弱透水層滲透系數(shù)/(m·d-1)；

m1——河床弱透水層厚度/m；

HR——河水位/m；

W——河流寬度/m；

x,y——坐標/m；

D——研究區(qū)范圍；

t——時間；

n——法線方向；

Γ2、Γ3——二類及三類邊界。

2.3 模型的識別與驗證

基于適宜區(qū)內的觀測井數(shù)據(jù)，分別選擇時段2011年和2012年進行模型的識別與驗證，研究區(qū)空間離散為11 014個計算單元格，單元格長為780 m，寬為737 m，每個單元格面積為0.574 km2。時間離散以5 d為1個時段，每個模擬期有69個時段。將模擬得到的觀測井地下水位值及地下水位動態(tài)變化趨勢與實際觀測結果的一致性作為識別與驗證的標準，得到識別與驗證結果見圖4、圖5。

圖4 識別期觀測孔地下水水位擬合圖Fig.4 Fitting curves of groundwater levels at the observation wells in the calibration period

圖5 驗證期觀測孔地下水水位擬合圖Fig.5 Fitting curves of groundwater levels at the observation wells in the verification period

由于模擬區(qū)域較大，識別和驗證所用觀測孔數(shù)量有限，為了進一步驗證模型的可靠性，通過計算地下水存儲變化量及地下水水量均衡對模型識別期與驗證期的水量均衡狀態(tài)進行驗證[14]：

(1)利用Visual MODFLOW中的Zone budget模塊統(tǒng)計地下水數(shù)值模型中的源匯項并計算水量均衡結果(表2)；

(2)根據(jù)模擬期實測的地下水位動態(tài)變幅，計算地下水儲存量的變化量：

(3)

式中：Qi——每個給水度分區(qū)在均衡期內含水層儲存變化量/(104m3·d-1)；

μi——給水度；

Fi——每個給水度分區(qū)的面積/m2；

ΔHi——每個給水度分區(qū)均衡期初、末刻的水頭差/m；

Δt——均衡的時間周期。

表2 基于數(shù)值模型的識別期(2011年)和驗證期(2012年)水量均衡

表3 基于觀測數(shù)據(jù)的識別期(2011年)和驗證期(2012年)地下水存儲變化量

(3)根據(jù)研究區(qū)內地下水的補給項及排泄項計算得到模擬期內研究區(qū)的地下水均衡狀態(tài)(表4)。研究區(qū)內的地下水補給項包括大氣降水入滲補給量、灌溉回滲補給量、側向徑流補給量及河流滲漏補給量等，地下水排泄項包括地下水蒸發(fā)量、人工開采量、側向徑流排泄量及河流滲漏排泄量等。通過源匯項計算和統(tǒng)計，得到研究區(qū)在識別期與驗證期的水量均衡表(表4)。

表4 基于源匯項計算的識別期(2011年)和驗證期(2012年)地下水均衡量

采用基于地下水位動態(tài)觀測數(shù)據(jù)計算得地下水存儲變化量(表3)及基于源匯項計算得到地下水均衡結果(表4)與數(shù)值模型統(tǒng)計結果(表2)對比，驗證所建模型的可靠性。由表2～4可知，在識別期內，基于數(shù)值模型的水量均衡差為62.08×104m3/d，基于實測地下位動態(tài)的含水層存儲變化量為63.97×104m3/d，基于源匯項計算的水量均衡差為68.05×104m3/d，兩種水量均衡方法與基于數(shù)值模型的水量均衡相比，均衡狀態(tài)一致，均為正均衡，且均衡差量的相對誤差較小，驗證期也體現(xiàn)了相同的情況，可以證明建立的地下水數(shù)值模型在水量均衡的計算方面是合理、可靠的。

綜合地下水位動態(tài)擬合以及水量均衡狀態(tài)的驗證，可進一步說明：本文所建立的地下水流數(shù)值模型對含水層結構、邊界條件的概化、源匯項的處理及水文地質參數(shù)的選取較為合理，能夠真實反映含水層的特征，可用于預測研究區(qū)地下水動態(tài)變化規(guī)律。

3 傍河開采潛力評價及影響分析

3.1 地下水允許開采量評價

圖6 傍河取水各適宜區(qū)流場圖Fig.6 Groundwater flow field in the suitable areas of RBF

在沒有特別明確的生態(tài)水位指標情況下，通常將含水砂層厚度的1/3作為潛水地下水位降深的約束條件[15]。以往研究中通常將平均含水層厚度作為計算基礎，得到一個統(tǒng)一的水位降深值，這顯然與真實地下水流場有出入，據(jù)此評價的地下水允許開采量也顯得粗略。因此，本次研究以現(xiàn)狀地下水流場為基礎，按計算單元減去1/3的含水砂層厚度值，得到傍河取水適宜區(qū)允許降深下的曲面流場(圖6)；本次研究中考慮到實際生產(chǎn)實踐中在5個適宜區(qū)同時建立傍河水源地的可能性較小，因此對5個傍河取水適宜區(qū)段分別進行單獨模擬，通過在適宜區(qū)域內均勻布設抽水井，盡量使各開采井橫向、縱向間距相等，井間距約為1.5 km，根據(jù)研究區(qū)水文地質條件及地下水利用強度采用試算法調整開采井位和單井開采量，使預測流場與現(xiàn)狀年允許降深條件下的流場盡量接近(圖6f)。由于各適宜區(qū)面積不同，因此開采井數(shù)有所差別，最終在適宜區(qū)1～5內分別布設開采井數(shù)46、239、316、51和273眼，并得到各傍河取水適宜區(qū)的地下水允許開采量(表5)。需要說明的是，本次設計的井間距和井數(shù)量僅為能夠得到預期流場分布形態(tài)的一種模擬方案，實際布井時需要結合抽水試驗等資料進行調整。

3.2 開采潛力評價

地下水開采潛力可依據(jù)地下水開采潛力指數(shù)p及可增開采資源模數(shù)q進行評價[16]，p>1.2表示開采潛力較大，0.820表示開采潛力較大，10

表5 各傍河取水適宜區(qū)地下水允許開采量

(4)

(5)

式中：p——地下水開采潛力指數(shù)；

q——地下水可增允許開采模數(shù)(×104m3· km-2·a-1)；

Q可采——地下水可開采資源量/(×104m3·a-1)；

Q開采——地下水已開采資源量/(×104m3·a-1)；

F——評價區(qū)面積/km2。

表6 適宜區(qū)開采潛力評價

由表6可見，5個傍河取水適宜區(qū)的地下水開采潛力指數(shù)p最小為3.70，大于1.2，表明適宜區(qū)均為有開采潛力區(qū)，且5個適宜區(qū)中4個開采潛力較大，1個開采潛力中等。說明各傍河取水適宜區(qū)開采潛力較大，可作為區(qū)域未來的供水水源地。

3.3 傍河開采對地表與地下水資源轉化關系的影響

傍河開采條件下，適宜區(qū)1、2地表水與地下水的補排方向未發(fā)生改變，為地表水補給地下水，但補給強度較現(xiàn)狀條件明顯增大；適宜區(qū)3、4，現(xiàn)狀條件下以地下水補給地表水為主，傍河開采條件下變?yōu)榫植拷拥囟蔚乇硭a給地下水，但總體上的補給強度已超過地下水向地表水的補給強度；適宜區(qū)5總體補排方向未發(fā)生改變，為地表水補給地下水，但補給強度明顯增大。

表7 傍河開采條件下河道側滲量計算

一般認為多年平均徑流量的10%是河道生態(tài)流量的最低下限，低于該值，河流生態(tài)系統(tǒng)健康得不到保障，河流生態(tài)環(huán)境功能將遭到破壞[17-18]。由表7可知，傍河開采條件下，各適宜區(qū)河流側滲量占多年平均徑流量的比值最大僅為4.20%，因此，在本區(qū)內按上述允許開采量進行傍河取水，對河流生態(tài)環(huán)境功能不會產(chǎn)生不利影響。

4 結論

(1)本文采用地下水流數(shù)值模擬方法，以地下水水位降深不大于含水砂層厚度的1/3為約束條件，基于平均布井的試算法調整預測流場并使其與允許降深下的流場相擬合，確定了多年平均條件下各適宜區(qū)的地下水允許開采量。

(2)基于地下水流數(shù)值模擬模型的分析，傍河開采對地表水與地下水轉化方向和轉化強度有不同程度的影響，襲奪水量占河道多年平均徑流量的0.21%～4.2%，不會對河道生態(tài)功能產(chǎn)生不利影響。