鄱陽(yáng)湖地下水時(shí)空分布模擬研究

摘 要：本文選取典型洪泛地區(qū)作為研究對(duì)象，通過(guò)建立地下水流的二維數(shù)值模型，對(duì)地表水轉(zhuǎn)換及水資源變化進(jìn)行數(shù)值仿真。研究結(jié)果表明：洪泛區(qū)主湖區(qū)與周圍地下水的動(dòng)力補(bǔ)充格局受季節(jié)的影響較大，其中干旱期與退水期是地下水補(bǔ)充最多的時(shí)段，而湖泊補(bǔ)給地下水主要發(fā)生在漲水和高洪水位時(shí)期?？傮w來(lái)說(shuō)，洪泛區(qū)的地下水水位和湖泊水位的年度變動(dòng)趨勢(shì)是相似的，在靠近主湖區(qū)的區(qū)域，地下水水位變動(dòng)幅度很大，在多數(shù)洪泛區(qū)，地下水水位變動(dòng)幅度很小。在主湖區(qū)周邊地區(qū)，地下水的流量比洪泛區(qū)要大。

關(guān)鍵詞：洪泛區(qū)；地下水；數(shù)值模擬；洪水過(guò)程；水流量

中圖分類號(hào)：X 17" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

洪泛濕地是一種重要的濕地類型和流域尺度上重要的生態(tài)系統(tǒng)，在全球范圍內(nèi)約有15%的濕地。從水循環(huán)的觀點(diǎn)來(lái)看，洪澇濕地是大氣降水與地表徑流、地下水等物質(zhì)交換的關(guān)鍵分界線，在洪澇的作用下，地表-地下水交換往往表現(xiàn)出很強(qiáng)的動(dòng)態(tài)與敏感特征。洪泛濕地中的表層和地下水文過(guò)程的季節(jié)變異，會(huì)對(duì)流域內(nèi)的水流界面、養(yǎng)分交換、泥沙沉降等產(chǎn)生顯著影響，從而驅(qū)動(dòng)著流域內(nèi)物質(zhì)、能量和信息轉(zhuǎn)換與轉(zhuǎn)移。在世界范圍內(nèi)，廣泛關(guān)注洪泛濕地的表層與地下水文學(xué)[1-3]，而表層與地下水文學(xué)間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系不僅是對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)的基本認(rèn)識(shí)，而且對(duì)濕地進(jìn)行治理與保護(hù)具有十分重要的意義[4-6]。

針對(duì)我國(guó)湖泊水文情勢(shì)改變等問(wèn)題，本文研究流域水文情勢(shì)與水文情勢(shì)的關(guān)系，這對(duì)優(yōu)化配置流域水資源，促進(jìn)濕地系統(tǒng)的健康發(fā)展，都有十分重要的意義。

1 工程概況與研究方法

1.1 工程概況

本研究選取的流域南北長(zhǎng)約為173km，東西最大寬度約為74km，北部人江水道最窄處寬度約為2.8km，湖岸線總長(zhǎng)達(dá)1200km。鄱陽(yáng)湖流域三面環(huán)山，周圍高中間低，地形高程變化為30～2200m。鄱陽(yáng)湖地處亞熱帶暖濕季風(fēng)氣候區(qū)，年內(nèi)降水量分布不均，加上流域五河來(lái)水變化，導(dǎo)致其具有高度變異的湖泊水位變化特征。湖泊洪、枯季節(jié)的水位差可達(dá)15m，形成“洪水一片，枯水一線”的獨(dú)特洪泛特征。鄱陽(yáng)湖主湖區(qū)位于中心位置，鄱陽(yáng)湖的周邊地區(qū)，分布著諸多小湖泊，這些小型湖泊與主湖區(qū)通過(guò)水道相連，形成了一個(gè)復(fù)雜的水系網(wǎng)絡(luò)。鄱陽(yáng)湖主湖區(qū)與周邊蝶形湖間存在水文聯(lián)系。

1.2 地下水模型構(gòu)建

本文基于有限元軟件建立地下水有模型，該模型通過(guò)非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格來(lái)提高模擬精度，特別是在關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，以適應(yīng)地下水流動(dòng)和污染物傳播的復(fù)雜情況。該有限元模型主要基于地下水流運(yùn)動(dòng)理論如公式（1）所示。

（1）

式中：τ1、τ2為一類邊界、二類邊界；H為地下水位高度；μ為給水度；K為滲透系數(shù)；B為底板高度。

洪泛區(qū)地形復(fù)雜，因此抽取了41124個(gè)高程，并利用Kriging內(nèi)插的方式，得到了該數(shù)字模式下的真實(shí)地面高度。在此基礎(chǔ)上，本項(xiàng)目擬將該區(qū)域內(nèi)的三角有限元剖分成6329個(gè)網(wǎng)格，并將其劃分為8680個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)，其中三角網(wǎng)格點(diǎn)在20～2000m內(nèi)，以此為基礎(chǔ)，對(duì)該區(qū)域內(nèi)的地形特征進(jìn)行描述，并對(duì)該區(qū)域內(nèi)的地形特征和水文特征進(jìn)行深入分析。該地區(qū)與大規(guī)模的洪泛區(qū)相比，地質(zhì)與成因具有較強(qiáng)的一致性，且洪泛區(qū)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)極為匱乏，部分水文地質(zhì)指標(biāo)沒(méi)有體現(xiàn)區(qū)域特性（例如降水的入滲系數(shù)、滲透系數(shù)、補(bǔ)給程度等），因此，本項(xiàng)目擬采用多學(xué)科交叉的方法研究該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。對(duì)研究區(qū)周圍現(xiàn)場(chǎng)鉆井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)的湖濱帶以細(xì)砂巖為主，其中，細(xì)砂巖中黏性顆粒的數(shù)量很小，與細(xì)砂巖的巖石性質(zhì)差異很小，并且，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了在地下20m處，有一種黏土層，它的滲透系數(shù)比較相近，透水性很弱，埋深比較均勻，可做含水層底板。因此，將其概括為一層，并將其埋藏深度設(shè)定在地面20m以下。

2 結(jié)果分析

2.1 模型驗(yàn)證

在本研究中，根據(jù)地下水位相關(guān)資料，通過(guò)手動(dòng)試錯(cuò)法對(duì)地下水的模型的主要參數(shù)進(jìn)行改動(dòng)，經(jīng)過(guò)不斷地調(diào)整，得到滲透系數(shù)為150m/d，給水度為0.01，對(duì)野外1個(gè)地下水位進(jìn)行觀測(cè)，結(jié)果如圖1所示。模擬期內(nèi)的結(jié)果表明，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果具有很好的一致性，水位擬合的納什效率系數(shù)為0.92，確定性系數(shù)R2為0.94，模型擬合結(jié)果表明數(shù)值模擬結(jié)果可靠。

2.2 地下水動(dòng)力場(chǎng)特征

從圖2～圖4的地下水位分布可以看出，洪泛區(qū)從南到北，在空間上表現(xiàn)為“南高北低”的分布型，在北部和南部地區(qū)，地下水的高度差異可達(dá)2～4m，該分布型與洪泛區(qū)的地形特征密切相關(guān)。而從東西兩個(gè)方向看，地下水埋深主要受控于主湖區(qū)的水位變動(dòng)，在漲潮、汛期表現(xiàn)為“東高西低”，各地區(qū)地下水埋深相差2～3m，在退潮、枯水期表現(xiàn)為“西高東低”，各地區(qū)地下水埋深相差不大，一般不超過(guò)2m。從洪泛區(qū)地下水水位的變動(dòng)情況可以看出，洪泛區(qū)的地下水水位的變動(dòng)情況與湖泊的水位變動(dòng)情況基本相同。總體上看，洪泛區(qū)地下水的變化為2～5m。此外，在靠近主湖區(qū)處，在距主湖區(qū)較遠(yuǎn)的西側(cè)灘上，潛流大幅波動(dòng)。對(duì)鄱陽(yáng)湖洪泛區(qū)的沼澤來(lái)說(shuō)，洪泛區(qū)的地下水分布情況與地表形態(tài)關(guān)系密切，而湖泊水位變化則是影響其地下水埋深的主要外在因素，地下水對(duì)時(shí)間和空間上都有不同的反應(yīng)。

根據(jù)結(jié)果分析，地下水轉(zhuǎn)換主要涉及地表與地下水的相互補(bǔ)給，在枯水和退水時(shí)期，鄱陽(yáng)湖主湖區(qū)水位較低，洪泛區(qū)地下水位相對(duì)較高，此時(shí)洪泛區(qū)的地下水主要補(bǔ)給湖泊，即地下水由洪泛區(qū)流向主湖區(qū)。在漲水和高洪水位時(shí)期，湖泊水位上升，湖泊對(duì)周邊地下水的補(bǔ)給強(qiáng)度增加，導(dǎo)致主湖區(qū)附近的地下水位上升，此時(shí)湖泊補(bǔ)給洪泛區(qū)地下水，即水由主湖區(qū)流向洪泛區(qū)。同時(shí)鄱陽(yáng)湖的季節(jié)性水位變化決定了主湖區(qū)與周邊地下水間的動(dòng)態(tài)補(bǔ)排模式。這種季節(jié)性變化導(dǎo)致地下水位和湖泊水位在年內(nèi)呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)，從而影響地下水的補(bǔ)給和排泄過(guò)程。其地下水轉(zhuǎn)換可能還與地形地貌導(dǎo)致的地下水力梯度有關(guān)。地下水位的年內(nèi)變化幅度通常小于地表水，說(shuō)明地下水文過(guò)程相對(duì)穩(wěn)定。地下水流速在不同季節(jié)有顯著差異，枯水期、退水期和漲水期的地下水流速較大，而豐水期流速較小。

2.3 地下水均衡分析

將整個(gè)鄱陽(yáng)湖洪泛區(qū)作為研究對(duì)象，對(duì)地下水進(jìn)行均衡分析。地下水變化量ΔS的計(jì)算過(guò)程如公式（2）所示。

ΔS=DBin -DBout+NBin-NBout+Qp+Q1-Qe （2）

式中：DBin為東方向補(bǔ)給水；DBout為西方向排出水；NBin為西方向補(bǔ)給水；NBout為輸出端有東方向排出水；Qp為輸入端有自然降水；Q1為蝶形湖補(bǔ)給地下水；Qe為自然蒸發(fā)水。

分析地下水?dāng)?shù)值模擬結(jié)果，結(jié)果匯總見(jiàn)表1。

從表1可見(jiàn)，該區(qū)域地下水的總輸入量和總輸出量基本持平。降雨是最主要的水源補(bǔ)給，占總補(bǔ)給量的52%，其次是湖泊對(duì)地下水的補(bǔ)給，占39%。碟形湖對(duì)地下水的補(bǔ)給相對(duì)較小，僅占3%。在水量輸出方面，地下水蒸發(fā)占總排泄量的72%，它是最主要的排泄途徑，其次是向湖泊的排泄，占24%。春季和夏季是地下水補(bǔ)給的主要時(shí)段，而秋季和冬季則是排泄的主要時(shí)段。這表明鄱陽(yáng)湖主湖區(qū)對(duì)洪泛區(qū)地下水平衡有顯著影響，地形地貌和湖水位變化是影響地下水動(dòng)態(tài)的關(guān)鍵因素。

2.4 地下水敏感度分析

同時(shí)，本文對(duì)給水度（μ）和滲透系數(shù)（K）進(jìn)行敏感性分析，以評(píng)估這兩個(gè)參數(shù)對(duì)地下水模型模擬結(jié)果的影響。通過(guò)改變模型輸入?yún)?shù)的值（±10%，±20%）來(lái)觀察模型輸出結(jié)果的變化，從而判斷參數(shù)對(duì)模型結(jié)果的敏感程度，結(jié)果如圖5、圖6所示。

根據(jù)圖5和圖6分析可得，當(dāng)給水度和滲透系數(shù)增加或減少10%和20%時(shí)，地下水位發(fā)生了顯著變化，說(shuō)明該洪泛區(qū)對(duì)給水度和滲透系數(shù)的變化非常敏感，小幅度調(diào)整也會(huì)對(duì)地下水位產(chǎn)生較大影響。

3 結(jié)論

本項(xiàng)目通過(guò)建立地下水流動(dòng)數(shù)值模型，針對(duì)鄱陽(yáng)湖洪泛區(qū)的地表水-地下水交互作用和動(dòng)力學(xué)過(guò)程進(jìn)行研究，并結(jié)合洪泛區(qū)的地質(zhì)、地質(zhì)、氣候、水文等因素，建立地下水流動(dòng)數(shù)值模型，準(zhǔn)確計(jì)算洪泛區(qū)地下水流動(dòng)特性和對(duì)外界環(huán)境壓強(qiáng)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。

洪泛區(qū)主湖區(qū)與周圍地下水量的動(dòng)態(tài)補(bǔ)充格局受洪泛區(qū)水位漲落影響較大，洪泛區(qū)主湖區(qū)與周圍地下水量的補(bǔ)充格局可大致分為地下水從流域內(nèi)流入主湖區(qū)和從主湖向洪泛區(qū)進(jìn)行補(bǔ)充兩個(gè)階段。

鄱陽(yáng)湖主湖區(qū)對(duì)洪泛區(qū)地下水平衡有顯著影響，地形地貌和湖水位變化是影響地下水動(dòng)態(tài)的關(guān)鍵因素。洪泛區(qū)對(duì)給水度和滲透系數(shù)的變化非常敏感，即小幅度調(diào)整也會(huì)對(duì)地下水位產(chǎn)生較大影響。

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