巴音河河床硬質(zhì)化對地下水循環(huán)模式的影響研究

韓啟霞，宋潤峰，顧小凡，常 亮，猶香智，屠子倩

(1.青海省水文水資源勘測局德令哈分局，青海 德令哈 8100072；2.中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心，西安 710054；3. 中國電力工程顧問集團(tuán)西北電力設(shè)計(jì)院有限公司，西安 710075.)

中國西北干旱區(qū)具有高寒和干旱的氣候特征，山系與山間盆地相間分布的地表結(jié)構(gòu)[1]。地表水和地下水構(gòu)成典型的河流-含水層系統(tǒng)，二者頻繁轉(zhuǎn)化，相互依存、相互制約、是一個(gè)不可分割的整體[2]。其中河流作為連接上下游地區(qū)的紐帶，對盆地內(nèi)的水資源量的空間分配起到?jīng)Q定性作用，同時(shí)也是盆地地下水循環(huán)模式的重要控制因素。而人類活動(dòng)通過人工開采、農(nóng)業(yè)灌溉、修建水利工程等方式對河流水資源量進(jìn)行重新分配，影響地表徑流和地下水的補(bǔ)給機(jī)制，進(jìn)而影響地下水循環(huán)模式的特征[3]。目前，針對人類活動(dòng)對水循環(huán)的影響作用，許多學(xué)者從不同的角度和方面進(jìn)行了探究。山前平原區(qū)水庫的修建對下游地區(qū)人工取水[4]、鹽漬化的空間格局[5]、下游地下水位[6]、流域徑流量[7]都將產(chǎn)生不良的影響。引水灌溉人為地改變了地下水的補(bǔ)給機(jī)制，從而引起了區(qū)域地下水的動(dòng)態(tài)特征[8]和地下水時(shí)空特征[9]發(fā)生改變。對于水源地開采的地下水流系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境影響研究更是熱點(diǎn)領(lǐng)域，已經(jīng)積累了許多研究成果。在綜合研究方面，在黑河流域[10]、格爾木和流域[11]、那棱格勒河流域[12]都開展了不同程度的研究，并取得了較多子成果。而有關(guān)河床硬質(zhì)化對地下水循環(huán)模式的報(bào)道目前還比較少，以往的研究多數(shù)采取的是水文統(tǒng)計(jì)和區(qū)域數(shù)值模擬的方法，而利用剖面二維流數(shù)值模擬的手段來進(jìn)行分析和研究也并不多見。因此，本文基于研究區(qū)的地質(zhì)與水文地質(zhì)資料，采用數(shù)值模擬方法，劃分地下水流系統(tǒng)，通過對比河床硬質(zhì)化前后地下水循環(huán)模式，分析和探討河床硬質(zhì)化的影響作用，以期為流域水資源合理開發(fā)利用提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于柴達(dá)木盆地東北部的德令哈盆地，北面以宗務(wù)隆山為界，南抵德南丘陵，東至黑石山水庫—布赫特山—尕海湖一線，西接可魯克湖。地形總體由東北向西南傾斜，近山麓帶坡降較大，山前平原開闊平坦。中部由于德令哈隆起的阻攔，將山前平原分割成兩個(gè)扭曲鉗形地塊。

研究區(qū)屬于典型的干旱大陸氣候，降水量小，蒸發(fā)量大。區(qū)內(nèi)地下水的主要補(bǔ)給包括：巴音河水滲漏補(bǔ)給、灌溉水回歸補(bǔ)給、山前平原地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給和埋深小于5m區(qū)域的降雨入滲補(bǔ)給。研究區(qū)內(nèi)地下水主要排泄方式包括：以泉水形式溢出地表形成泉集河、地面蒸發(fā)和植物的蒸騰、以地下水徑流方式補(bǔ)給尕海湖和可魯克湖以及人工開采。

巴音河向南流出德令哈市區(qū)以后，河水大量滲漏補(bǔ)給地下水，徑流至一棵樹附近時(shí)，由于巖性變細(xì)和德南丘陵的阻攔作用，地下水大量溢出匯集成泉集河后重新注入巴音河，并轉(zhuǎn)向西北方向，最終以河水和地下徑流的方式流入可魯克湖。在地下水徑流過程中，受到巖性和地形地貌的影響，地下水由單一的大厚度潛水轉(zhuǎn)變成為承壓(自流)水，含水層也由單層結(jié)構(gòu)孔隙潛水含水層系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為多層結(jié)構(gòu)地下水承壓(自流)水含水層系統(tǒng)。

2 剖面地下水流數(shù)值模擬

2.1 水文地質(zhì)概念模型

本次模擬選取自黑石山水庫至可魯克湖的沿河剖面(見圖1)，模擬區(qū)總長度56 604 m，單寬1 m，厚度取整個(gè)第四系厚度。模擬區(qū)北部AF邊界(見圖2)，存在來自北部山區(qū)的側(cè)向補(bǔ)給和水庫的地下滲流，將其概化為流量邊界；頂部AC邊界概化為河流邊界，對于河床硬質(zhì)化段，設(shè)置入滲系數(shù)為零；頂部CD邊界，取可魯克湖平均水面高程，概化為定水頭邊界；其他邊界均概化為隔水邊界，與外界不存在水力聯(lián)系。模擬區(qū)上游含水層為單層潛水層，下游地區(qū)含水層呈潛水-承壓水多層結(jié)構(gòu)分布，潛水和承壓水力聯(lián)系密切，由于模擬區(qū)內(nèi)承壓含水層資料很少，且分布過于密集，本次模擬時(shí)也將其概化為單層潛水含水層結(jié)構(gòu)。含水層巖性受到水動(dòng)力條件和沉積環(huán)境影響，從上游至入湖口含水層顆粒逐漸變細(xì)，具有不均勻性，但不同方向上滲透系數(shù)變化較小，因此將其概化為非均質(zhì)各向同性二維穩(wěn)定流模型。

圖1 研究區(qū)地貌及剖面位置

圖2 模擬區(qū)概化剖面圖

2.2 地下水流數(shù)學(xué)模型

(1)

式中：H為地下水水頭，m；K為滲透系數(shù)，m/d；W為垂向水量交換強(qiáng)度，m3/(d·m2)；q為第二類邊界上的單寬滲流，m2/d；n為邊界外法線方向；Ω為模擬區(qū)范圍。

2.3 模型求解與驗(yàn)證

本次采用MODFLOW軟件進(jìn)行地下水流數(shù)值模擬。首先對模型在空間上進(jìn)行離散，河流方向上采用200 m等間隔剖分為284列，垂向上采用不等距剖分為9層。再利用剖面上的鉆孔資料，結(jié)合水文地質(zhì)條件對模擬區(qū)進(jìn)行滲透系數(shù)分區(qū)，得到分區(qū)17個(gè)。最后將區(qū)域上的源匯項(xiàng)數(shù)值，折算為單寬流量代入模型，進(jìn)行穩(wěn)定流模擬。本次模擬選取的源匯項(xiàng)數(shù)據(jù)是2016年6月到2017年6月的實(shí)測數(shù)據(jù)，其中在巴音河出山口、河床硬質(zhì)化結(jié)束段，溢出帶一棵樹處以及入湖口處分別設(shè)有4個(gè)河水位及河水流量斷面監(jiān)測點(diǎn)(如圖1所示)，河床滲透系數(shù)采用水頭下降豎管法及雙環(huán)入滲儀進(jìn)行測定，本次實(shí)驗(yàn)共測定53組河床滲透系數(shù)，具體實(shí)驗(yàn)過程及數(shù)據(jù)見參考文獻(xiàn)[13]，底部各巖層滲透系數(shù)均根據(jù)附近鉆孔抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)求取。

將模型模擬結(jié)果與地下水動(dòng)態(tài)觀測資料、氚和碳14同位素測年結(jié)果對比，對模型參數(shù)進(jìn)行修正，通過反復(fù)調(diào)整，得到能客觀反映實(shí)際情況的地下水流數(shù)值模型。

3 剖面地下水循環(huán)模式

3.1 地下水流系統(tǒng)特征

基于上述地下水流數(shù)值模型，獲得了地下水水頭分布、流線和水量均衡關(guān)系，運(yùn)用Toth創(chuàng)建的重力驅(qū)動(dòng)的地下水流系統(tǒng)理論[14,15]，將模擬產(chǎn)生的地下水流系統(tǒng)劃分為局部、中間和區(qū)域三級地下水流系統(tǒng)，見圖3。

圖3 地下水流系統(tǒng)分布

局部地下水流系統(tǒng)：主要分布在山前沖洪積扇的大厚度潛水區(qū)域，最大發(fā)育深度150 m。地下水主要接受河水滲漏補(bǔ)給，經(jīng)淺層徑流后，在下游溢出帶開始排泄補(bǔ)給河水，經(jīng)沿途蒸發(fā)后全部排入湖泊。在該區(qū)域，地勢高，地形坡降大，巖層透水性能好，地下水徑流強(qiáng)烈，流速基本大于0.4 m/d，屬于地下水積極循環(huán)帶，平均滯留時(shí)間小于200 a。

中間地下水流系統(tǒng)：隨著局部水流系統(tǒng)的消失，中間地下水流系統(tǒng)開始發(fā)育。地下水來源主要是來自北部的河谷潛流補(bǔ)給，發(fā)育深度可達(dá)400 m，在細(xì)土平原帶上排泄于河水，最終消失在可魯克湖附近。該區(qū)域自上游向下游地勢變緩，巖層顆粒變細(xì)，透水性變差，且地下水流動(dòng)路徑增加，地下水流速介于0.04～0.4 m/d，屬于中等循環(huán)帶，平局滯留時(shí)間小于5 000 a。

區(qū)域地下水流系統(tǒng)：發(fā)育于整個(gè)盆地的底部，地下水來源主要是來自北部的側(cè)向補(bǔ)給轉(zhuǎn)化而成的河谷潛流，經(jīng)過深部徑流后以頂托的形式排入可魯克湖，屬于深層承壓水。該區(qū)域巖層呈膠結(jié)和半膠結(jié)狀，滲透性能差，地下水流速緩慢，小于0.04 m/d。屬于弱循環(huán)帶，地下水交替緩慢，更新能力差，平均滯留時(shí)間大于5 000 a。

利用布置在溢出帶下方的水均衡單元，可以得出通過局部、中間和區(qū)域水流系統(tǒng)的水量比值為4.29∶1.27∶0.15。即參與局部地下水流系統(tǒng)循環(huán)的水量占總補(bǔ)給資源量的75.1%，參與中間地下水流系統(tǒng)循環(huán)的水量占總補(bǔ)給資源量的22.3%，參與區(qū)域地下水流系統(tǒng)循環(huán)的水量占總補(bǔ)給資源量的2.6%。

3.2 補(bǔ)排分布特征

將模型單元網(wǎng)格第一層全部計(jì)算單元的高程、河流數(shù)據(jù)和地下水位輸出，通過計(jì)算得出地下水補(bǔ)給和排泄分布情況。本次計(jì)算采用的方式是利用MODFLIW內(nèi)置河流模塊的計(jì)算公式進(jìn)行河流與地下水交換量計(jì)算，即：

(2)

式中：Qn為進(jìn)出編號為n的計(jì)算單元的流量，其中正值表示河流補(bǔ)給地下水，負(fù)值表示地下水排泄河流；Cn表示編號為n的計(jì)算單元的河床水力導(dǎo)系數(shù)；Hr表示編號為n的計(jì)算單元上河流水位；Hn表示編號為n的計(jì)算單元內(nèi)的地下水位；Hnrb表示編號為n的計(jì)算單元上河流的底板高程。計(jì)算結(jié)果見圖4。

圖4 沿程補(bǔ)排強(qiáng)度分布

由圖4可以看出，沿程的補(bǔ)排量變化與研究區(qū)的補(bǔ)徑排特征具有一致性：沖洪積平原上地下水接受河流的入滲補(bǔ)給是區(qū)內(nèi)地下水的主要來源，上游河床滲透系數(shù)值較大且相差不大，故建模時(shí)取平均值代入模型，可以看出河流與地下水脫節(jié)后，入滲補(bǔ)給量與河流水位呈線性關(guān)系，隨河流水位的下降而減少；在一棵樹附近時(shí)地下水受阻開始溢出，在前緣地區(qū)河床滲透系數(shù)較大且河水位較低，排泄量明顯大于下游；隨著滲透系數(shù)的減小和河水位的上漲，排泄量明顯減小，在下游地區(qū)還出現(xiàn)補(bǔ)排交替的情況，這說明河水與地下水轉(zhuǎn)換關(guān)系在宏觀上和微觀上存在差異性，下游河床內(nèi)存在著不同程度的交互作用，并伴隨著水分、物質(zhì)和能量的交換，控制著下游地區(qū)河床潛流帶的生境特征。

4 河床硬質(zhì)化前后對比分析

利用上述已經(jīng)完成的具備良好仿真性的模型，對其上邊界河流條件進(jìn)行修改，利用2016.06-2017.06的實(shí)測數(shù)據(jù)結(jié)合歷史資料進(jìn)行反算，得出硬質(zhì)化前同等徑流量情況下的河流水位數(shù)據(jù)，以達(dá)到消除硬質(zhì)化的效果，使之恢復(fù)到天然河床的入滲性能。再次運(yùn)行模型后，將兩種情況下的水循環(huán)模式進(jìn)行對比，見圖5。

圖5 河床硬質(zhì)化前后地下水流系統(tǒng)對比

在現(xiàn)狀年(2016.6-2017.6)條件下，據(jù)巴音河水文站資料出山口處年徑流量為4.337 億m3， 根據(jù)模擬結(jié)果，河床硬質(zhì)化使得市區(qū)內(nèi)的補(bǔ)給段消失，同時(shí)造成補(bǔ)給范圍和補(bǔ)給量減小，16%左右的補(bǔ)給量直接排向下游湖泊。在地層巖性結(jié)構(gòu)及補(bǔ)給條件不變的條件下，局部水流系統(tǒng)的發(fā)育寬度減小且發(fā)育深度相對減小；由于局部水流系統(tǒng)的范圍減小，中間水流系統(tǒng)的范圍相對變大，排泄區(qū)向上游方向偏移；而區(qū)域水流系統(tǒng)基本無變化，僅排湖量隨著補(bǔ)給量的減少也相應(yīng)減少。

本文利用二維地下水流數(shù)值模型對巴音河地下水循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行了模擬，結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行了識別驗(yàn)證，評價(jià)了模型的可靠性。根據(jù)對模型上游河流邊界的入滲邊界條件進(jìn)行改變，即有河床硬質(zhì)化和無河床硬質(zhì)化2種模式，根據(jù)圖5中的模擬結(jié)果，通過模型的橫坐標(biāo)對比兩者之間地下水溢出點(diǎn)的相對位置，可以得出在河床硬質(zhì)化后，地下水溢出點(diǎn)向下游移動(dòng)了800 m。

在河床無硬質(zhì)化時(shí)，在一棵樹處地下水溢出是由于在該處含水層巖性變細(xì)，含水層內(nèi)的儲(chǔ)水空間相對減少，過水能力減弱，導(dǎo)致地下水位上漲，在該處溢出地表。在河床硬質(zhì)化后，導(dǎo)致上游的河流入滲量減小，因此下游接收的來水量減小，地下水位下降，地下水溢出帶向下游移動(dòng)。

河床硬質(zhì)化改變了下游地區(qū)的補(bǔ)排特征，研究區(qū)地下水位下降，因?yàn)楹哟灿操|(zhì)化后地下水補(bǔ)給量減少，但上下游之間地形落差較大，在德令哈市區(qū)北部海拔約3 100 m，但到了入湖口處海拔僅為2 800 m左右，落差達(dá)300 m，水力梯度較大；且在下游一棵樹附近由于巖性變細(xì)，含水層中沉積物之間的孔隙相對變小，大量的地下水在該區(qū)域填充孔隙，上游入滲的來水量越大，地下水溢出帶位置越向上游移動(dòng)，反之向下游移動(dòng)，但河床硬質(zhì)化后，上游的河水入滲補(bǔ)給量減小，上游入滲的來水量首先填充滿整個(gè)下游的含水層，地下水流動(dòng)受阻，在上游來水量尚未減小到某一臨界值時(shí)，地下水仍會(huì)溢出地表；同時(shí)由于個(gè)別區(qū)域地形起伏及巖性介質(zhì)變細(xì)，使得下游地區(qū)河流與地下水的交互作用變得更加頻繁。

圖6 河床硬質(zhì)化前后沿程補(bǔ)排分布對比

在以往的研究中多認(rèn)為上游河流的來水量會(huì)影響流域地下水循環(huán)。德令哈盆地作為典型的干旱內(nèi)陸盆地，80%的水資源受河流補(bǔ)給[16]。因此上游的來水量的多少也會(huì)影響著流域的地下水的水位和水量。在旱區(qū)隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)引水力度不斷增大，傍河水源地逐漸增多，也會(huì)導(dǎo)致流域的地下水循環(huán)條件發(fā)生改變[17,18]。但在本次研究中充分突出了河床硬質(zhì)化對流域地下水循環(huán)的影響，長期以來，人們主要考慮的是河道的排洪沖淤等功能，大多采用硬質(zhì)化的手段對河道進(jìn)行防護(hù)，從而隔絕了河道生態(tài)系統(tǒng)與陸地生態(tài)系統(tǒng)的聯(lián)系，阻礙了二者之間的物質(zhì)和能量交換，導(dǎo)致地表水與地下水間的相互補(bǔ)給能力下降，尤其是在干旱半干旱地區(qū)，河川硬質(zhì)化在一定程度上能起到美化城市容貌，凈化市區(qū)環(huán)境的效果，但應(yīng)該綜合考慮對下游地下水位的影響，防治下游生態(tài)環(huán)境的退化。

5 結(jié) 語

(1)河床硬質(zhì)化影響了河流與地下水之間原有的補(bǔ)徑排特征，河床的硬質(zhì)化改變了河流補(bǔ)給地下水的機(jī)制，使得上游補(bǔ)給量減小，地下水溢出帶下移約800 m。

(2)河床硬質(zhì)化極大地改變了局部水流系統(tǒng)，部分改變了中間水流系統(tǒng)，而對區(qū)域水流系統(tǒng)基本沒有改變。

(3)區(qū)域內(nèi)的地下水儲(chǔ)存量減少，無效蒸發(fā)量變大，將會(huì)加速區(qū)域內(nèi)的水文循環(huán)過程，尤其德令哈盆地屬于內(nèi)流盆地，水汽來源主要依靠區(qū)內(nèi)蒸發(fā)。此外，地下水位的下降，勢必影響下游生態(tài)環(huán)境，往往將產(chǎn)生不可預(yù)估的次生環(huán)境問題。