佳木斯市地下水资源补给量计算分析及水位预报研究样本.doc

资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。
第 45 卷 第 12 期
年 12 月
甘 肃 水 利 水 电 技 术
Gansu Water Conservancy and Hydropower Technology
Vol．45, No．12
Dec． ,

·水文水资源·

佳木斯市地下水资源补给量计算分析及水位预报研究

王延东 1, 赵忠伟 2, 周彦章 3, 王钢钢 2
( 1.广东省电力设计研究院, 广东 广州 510663; 2.河海大学 水利水电工程学院, 江苏 南京 210098;
3.河海大学 土木工程学院, 江苏 南京 210098)

摘要: 经过地下水补给计算及数值模拟研究, 能够进行地下水位预报, 从而提供水位预警, 避免土壤沼泽化和盐碱化 等灾害性事故的发生。本次研究经过佳木斯市地下水补给计算及数值模拟, 对该地区未来几个月水位变化进行了预 报, 并结合已有水文地质资料对模型进行识别和验证, 具有较好模拟精度, 预测结果较为准确。预测结果显示污水处 理厂厂址处在 50 年一遇江水位情况下, 地下水将溢出地表, 不利于污水处理厂的运行并可能造成较大破坏。 关键词: 地下水补给; 计算分析; 数值模拟; 地下水位预报
中图分类号: P641.2 文献标识码: A

佳木斯城市生产和生活用水主要依靠地下水, 合理开发
和利用地下水资源是当地水利部门的一项重要课题, 而数值 模拟及水文预报技术为该地区地下水资源的合理规划和有
效管理提供了科学方法和依据。本次研究针对佳木斯城东污
水处理厂厂址规划项目, 经过地下水补给计算分析该地区地 下水位变动规律, 并对该地区进行地下水水位预报, 预测在 该地区设立厂址的安全性。
1 研究区概况
研究区内含水系统整个分布于松花江南岸, 海拔 77～85 m, 地势平坦开阔, 为城区和农田所在地。由于人类耕作、 挖 砂、 养鱼等经济活动, 局部出现坑沼。组成岩性上部为全新统 早期冲积层, 表层为薄层亚黏土或亚砂土( 厚 1.0～2.5 m) , 下 部为砂、 砂砾石。根据区内 22 个钻孔资料, 运用 GMS 模拟研 究区地质概况如图 1 所示, 含水层结构剖面图如图 2 所示。 研究区为河岸漫滩区, 总面积约 195 km2, 北部和西部以
河流为界, 南部和东部以丘陵地区分水 岭为相对隔水边界。 该地区多年平均年降水量为 540 mm, 大气降水为该地区地 下水主要补给水源 , 降水量年内分配不均匀, 7、 8、 9 三个月

图 1 研究区地质概况


图 2 含水层结构剖面图
降水量约占年降水量的 59.5%, 是地下水的主要补给期。根 据钻孔资料及野外观测, 按岩层的透水、 储水性能够将该区 域含水层分为 3 层, 上层部分覆盖较薄的黏土覆盖层, 往下 第 2 层为厚度可达 20～40 m 的砂土和亚黏土层, 再往下为 亚黏土层, 坐落在白垩纪砂岩上。研究区的地下水埋深受地 形、 地貌、 气象、 水文因素和人为因素的影响, 埋深介于 2.50～
8.50 m 之间, 年平均埋深 5.50 m。
2 补给计算原理及数学模型
潜水地下水库主要补给方式包括降雨入渗补给、 侧向补 给、 地表水体渗漏补给、 灌溉补给和人工回灌补给, 主要排泄 方式包括蒸腾蒸发、 侧向排泄和地下水开采, 其主要影响因 素包括地形地貌、 地质构造等, 补给效果主要经过补给水量、 补给速率和补给时间等因子来衡量。根据水量平衡原理, 建 立水量平衡方程 SWB 模型如下［1］:
Δs=Pr+Wi+Qi+Qs+R-ET-Qr-W ( 1) 式中: Pr——降雨入渗补给量;
Wi——灌溉补给水量; Qi——侧向补给量; Qs——地表水体渗漏补给量; R——人工回灌水量;

收稿日期: -11-25
基金项目: 教育部博士点基金资助项目( 02940012)
作者简介: 王延东( 1979-) , 男, 硕士, 工程师。

即［2］
ET——蒸发蒸腾总量;
Qr——侧向排泄量;
W——人工开采水量。
降雨入渗补给量能够经过降雨入渗补给系数法确定,

Pr =αpF ( 2)
条件进行了简化。上部边界为潜水面, 是位置不断变化的水
量交换边界, 有降水入渗、 人工开采和农业灌溉回渗等; 下部 边界以第三系亚黏土顶板为界, 概化为隔水边界; 西部和北
部松花江概化为河流边界或一类水头边界; 东部和南部基本
概化为隔水边界, 但在局部存在个别为流量边界。将研究区 地下水流系统概化为非均质、 各向同性、 二维、 潜水非稳定地

式中: α——降雨入渗补给系数;
p——降雨量;
F——降雨入渗面积, 一般以库容表面面积计算。
灌溉补给水量包括田间灌溉沟渠入渗量和田间入渗补 给量两部分。灌溉补给水量分为渠系渗漏水量和田间补给水 量两部分, 即［3］
Wi=η βWu+mWu ( 3)
式中: η——输水渠利用系数;
β——灌溉补给系数;
m——渠系渗漏补给系数; Wu——灌溉用水量。 地下水库侧向补给量［4］:
Qi=KJMLt ( 4) 式中: K——含水层渗透系数;
J——渗透坡降;
M——含水层厚度; L——侧向补给长度; t——补给时间。
地表水体渗漏补给包括水库渗漏、 河流、 湖泊及输水渠 等入渗补给, 河床渗漏补给参考公式［5］:
Qs= KLW ( H-h) t ( 5)
M
式中: K——河床渗透系数; L——河流长度; M——河床覆盖层厚度; W——河流宽度; H——河流水位; h——补给点水位。
潜水蒸发量能够经过潜水蒸发系数计算, 也能够参照柯 夫达公式［6］:
ET=λE( 0 1- H ) nF ( 6)
H0
式中: λ——作物修正系数; E0——水面蒸发强度; H——地下水埋深; H0——潜水蒸发最大埋深; n——土壤参数; F——蒸发计算面积。
侧向排泄量主要包括经过地下坝坝顶溢流、 隔水边界溢 流和河流、 排水沟排泄等方式, 能够参考公式( 4) 和( 5) 进行 计算。
研究采用地下水数值模拟软件 MODFLOW, 进行自动矩
形网格剖分, 共剖分矩形网格单元 6 218 个, 每个单元面积
195.72×158.70 m( 2 图 3) 。在数值模拟过程中, 对研究区边界
下水流系统, 可用如下定解问题来进行描述［7］:

式中: h、 B——含水层水位和底板标高( m) ;
ε( 1 x, y, t) 、 ε( 2 x, y, t) ——含水层的补给强度和排泄强度;
q( x, y, t) ——第二类边界单宽流量;
K——渗透系数;
h( 0 x, y) ——初始水位;
h( 1 x, y, t) ——第一类边界点水位;
μ——储水系数。

图 3 研究区矩形剖分图

3 数值模拟及水位预报
3.1 源汇项处理 降水入渗补给是本区地下水的重要补给源, 其入渗量与
降水量、 潜水水位埋深和包气带岩性有关 。模型中, 根据一
年中一次降雨 大 于 50 mm 所得的累计降水总量, 分区按不 同的降水入渗系数逐月以 RECHARGE 的形式面状补给地 下水 。根据入渗能力的不同, 将 计 算 区 分 为 13 个 子 区 域
( 图4) , 不同区域具有不同的降水入渗系数。

图 4 降雨入渗分区图

由于长期对地下水的大量开采, 地下水位下降, 形成地 下水开采漏斗, 地下水由漏斗周围侧向补给漏斗区。地下水

第 12 期
王 延 东 , 等 : 佳木斯市地下水资源补给量计算分析及水位预报研 究
第 45 卷

侧向径流补给量主要考虑大头山、 三连村南、 四丰山水库、 音
达木河上游断面以及研究区东部边界的侧向流量。依据动态 观测资料确定边界流量随时间段的变化趋势, 根据不同时期
各段的水力梯度和水文地质参数初值, 计算给定随时间变化
的侧向补给( 排泄) 量。
研究区内主要水系有松花江及其支流英格吐河、 音达木 河, 天然条件下, 河流侧向补给量随年份和丰枯季节变化。四 合屯至松江乡地段, 地下水位常年低于松花江水位, 因此, 这
一地段江水常年补给地下水。松江乡至宏力地段地下水在年 内部分时间补给江水, 洪水季节江水回渗补给地下水。研究 区内松花江在枯水期成为地下水的排泄通道, 丰水期又成为 地下水的补给源。在模型处理时将其概化为 RIVER 边界, 水 位根据佳木斯水位观测站观测值确定。
研究区内的主要灌区有大头山灌区 、 长青灌区、 松江灌 区和四丰山灌区, 分布在研究区的东、 西两侧。在作物生长时
期存在灌溉回归水补给地下水, 在模型中按面状补给处理, 采用 RECHARGE 进行处理。
研究区域内潜水蒸发量根据地下水位埋深和水面蒸发 强度等因素确定。MODFLOW 根据输入的不同地下水埋深、 蒸发极限深度、 水面蒸发强度等因素, 自动计算潜水蒸发值, 计算结果经过已有水量平衡计算数据进行校核。
3.2 模型的识别和验证
如图 5 所示, 由于对目的层的水文地质条件有比较清楚 的认识, 各水文地质参数初值也比较客观, 经过细致的调参, 模型识别取得了较好的结果, 计算流场与实测流场也基本相 同, 拟合结果初步说明了所建立的水文地质概念模型和数学 模型是正确的。
所取的各源汇项是正确的。

3.3 地下水位预报
本次研究分别在杏林路、 音达木泵站及污水处理场场址 建立地下水位预报点( 图 7) 进行定点预报。预报期内松花江
水位采用 50 年一遇, 佳木斯市大气降水采用 50 年一遇, 地

N
污水处理厂厂址 松 音达木泵站
下水开采用 年实际开采量。

图 7 水位预报点位置图

花 江 杏林路口

图 6 模型验证结果

图 5 模型识别结果

为进一步验证所建立的数学模型和模型参数的可靠性, 利用 -05-16～ -09-16 丰水时段的地下水位动态观 测资料对数学模型进行验证。模型验证时段的主要补给来源 为降水入渗和侧向径流补给等, 河流边界取多年丰水时段平 均水位; 排泄主要为人工开采。模型验证末刻水位拟合结果 如 图 6 所示 , 水位拟合最大误差绝对值为 1.395 m, 平 均 值 为 0.24 m, 计算流场与实测流场也基本吻合, 说明验证时段


根据研究区地下水动态变化特征, 地下水水位预报的初 始流场采用验证模型, 即初始流场模拟期为 年 1 月 16 日到 年 9 月 16 日, 外推至 年 12 月 16 日流场。3 预报点的水位预报结果如图 8～10 所示。
由图 8～10 可知 ( 图中图示较大的独立点为观测值) , 杏 林路泵站、 音达木泵站及污水处理厂的地下水位在预报期内
逐渐升高, 最高地下水位分别出现在第 639、 638、 632 d, 即 均发生在 9 月末, 水位分别为 78.45 m、 77.14 m 和 77.87 m。

( 下转第 12 页)

40.0
50s
表 2 各代表站典型年降雨量计算

30.0
70s
80s
均值
站名 Cv

Cs
典型年降雨量/mm

20.0

10.0

0.0

-10.0

各年代占多年平均的百分数
-20.0

-30.0

4 结语
90s
s

站名
/mm
金塔 59.6 0.38 鼎新 54.1 0.39 鸳鸯池 57.4 0.41 梧桐沟 74.0 0.40 正义峡 68.6 0.38 酒泉 82.7 0.40 花海子 43.8 0.43 玉门镇 63.0 0.34
Cv

2.5

2.5

2.5

3.0

3.0

3.0

3.0

2.5
20%

76.9

70.1

75.2

95.8

87.9

106.9

57.4

79.6
50%

56.1

50.7

53.5

68.3

63.8

76.2

39.3

60.0
75% 95%

43.1 29.4

38.7 26.1

40.2 26.6

52.3 37.2

49.5 35.6

58.4 41.6

30.0 21.0

47.4 33.6

( 1) 金塔县降水量稀少, 年内分配不均、 年际变化较大、
面上分布极不均匀, 年际丰枯变化过程有较长的持续性, 自
马鬃山 74.5 0.40
2.5
97.1
69.6
52.7 35.3

1997 年以来降水量年际变化过程呈持续减少趋势。
( 2) 年降雨量随着海拔高度的升高而增大, 增幅为海拔 高度每上升 100 m 年降雨量增加 6.6 mm; 年降雨量随纬度
的增加而减少, 纬度每增加 1 度年降雨量减少 9.2 mm; 年降 雨量随经度的增大而增大, 经度每增大 1 度, 年降雨量减少
2.5 mm。

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

( 上接第 3 页)

针对以上预报结果, 结合地表高程能够预测该地区地下 水位变动过程, 预测地表淹没风险, 及时采取措施防止土壤 盐碱化等灾害性事故的发生。鉴于杏林路、 音达木泵站及污 水处理场的地表高程分别为 80.4 m、 80.6 m、 77.5 m 左 右 , 因此能够看出污水处理厂厂址 处 在 50 年一遇江水位情况 下, 地下水将溢出地表, 这将极不利于污水处理厂的运行并 可能造成较大破坏。
4 结论及建议
( 1) 经过地下水补给计算及数值模拟研究, 能够为研究 区域提供地下水水位预报, 从而提供预警, 避免土壤盐碱化 及沼泽化等灾害性事件的发生。
( 2) 地下水补给计算能够经过建立地下水平衡模型来 实现, 而各补给项的计算需要充分考虑其影响因素, 并结合 各地区水文地质资料经过相关分析加以修正。
( 3) 地下水数值模拟与水位预报对预防灾害性事故具 有重要的意义, 但由于监测资料、 水文地质参数及模型本身
的不确定性, 所预测结果存在一定的风险, 因此需要对模型 进行校核, 以保证预报的准确性。
鉴于于地下水补给计算过程中参数的不确定性以及地 下水数值模拟过程的随机性, 建议对地下水随机场及参数进 行不确定性分析和风险评估, 以便结合水位预报提出风险应 对措施。
参考文献:
［1］ ZHAO Jian, ZHAO Zhongwei, CHEN Xiaobing. Fuzzy Risk Analysis on Recharge of Under ground Reservior ［C］. LIU Jianjun. Flow in Porous Media, Wuhan: ORIENT ACADEMIC FORUM． : 757-762.
［2］ 张志才, 陈 喜 ．降雨入渗补给地下水研 究［D］. 南 京 : 河 海 大 学, .
［3］ 朱学愚, 钱孝兵, 刘新仁．地下水资源评价［M］.南京: 南京大学 出版社, 1987.
［4］ 束龙仓, 陶玉飞, 刘佩贵．考虑水文地质参数不确定性的地下水 补给可靠度计算［J］．水利学报, , 39( 3) : 346-350．
［5］ 郑西来．滨海地下水库利用与保护［M］．北京: 地质出版社, ．
［6］ 齐仁贵, 苏跃振．柯夫达潜水蒸发公式中参数的推求［J］．灌溉排 水, 1998, 17( 2) : 47-50．
［7］ 迟宝明, 丁元芳, 易树平, 等．松花江佳木斯市区段江水对地下
水补给程度分析［J］．水资源保护, , 23( 4) : 27-29．