基于GMS的哈爾濱市地下水資源量評價

鄧國立，石瑾斌

（黑龍江省水利水電勘測設計研究院,黑龍江 哈爾濱 150080）

基于GMS的哈爾濱市地下水資源量評價

鄧國立，石瑾斌

（黑龍江省水利水電勘測設計研究院,黑龍江 哈爾濱 150080）

文中對哈爾濱地區淺層地下水水文地質條件（包括含水系統結構、邊界、動態、補排特征）進行分析的基礎上，通過對含水系統結構、水動力條件、邊界條件及源匯項進行概化后，利用GMS建立了水文地質概念模型并轉化為數值模擬模型，得出了在不同頻率的降水條件下的哈爾濱市淺層地下水總的可更新資源量。

地下水資源量；評價；數值模擬；GMS；哈爾濱

1 研究背景

水資源是城市發展的核心支柱與安全保障[1,2]。隨著城市建設的迅猛發展，城市水資源的需求不斷增加，供需平衡及采補平衡的矛盾尤顯突出[3]。由于地下水無論從水質、供水能力、工程造價等方面來看看，都遠優于地表水，因此地下水已成為許多城市的主要水源。盡管近幾年來哈爾濱市水資源管理部門和水文地質勘察單位對全市地下水資源進行了較多的勘察、管理、規劃工作，但這些工作多集中于哈爾濱市城區范圍內，對水文地質條件相似的呼蘭新區、阿城新區及所轄雙城市開展的地下水資源管理與研究工作很少；同時，以往開展的地下水資源量評價多采用傳統的統計學法、開采抽水試驗法等，較難滿足在復雜、極端氣候條件下、人類活動干預下的精度較高的地下水資源量的評價要求，從而使得地下水盲目開采問題缺乏有效的規劃整治方案而形勢更加嚴峻，一度形成了380 km2的地下水降落漏斗。因此，利用計算機數值模擬技術[4,5]的具有較高精度的哈爾濱市區（包括呼蘭、阿城、雙城）地下水資源量綜合評價勢在必行。

2 研究區概況

研究區范圍包括哈爾濱市八區（含呼蘭、阿城）及雙城市，除去阿城區東南部丘低山裂隙水帶，總面積為8 734.96 km2。研究區是由泥河、少陵河、蜚克圖河拉林河及丘陵低山所圈成的高平原及河谷平原，中部被松花江、呼蘭河、阿什河切割成四大河間地塊。四河間地塊恰符合行政區區劃，分別為哈爾濱市區、呼蘭區、阿城區與雙城市。其中，哈爾濱市區被松花江干流切割成江南、江北兩部分。地形總趨勢為東南高，南、西及北西略高，中間較低并向東傾斜，海拔114～638 m。地貌主要包括河谷平原、高平原和丘陵三級。氣候冬長夏短，全年平均氣溫為3.4℃，1月最冷平均氣溫-19.6℃，7月氣溫最高平均為23.1℃。全年平均降水量512.6 mm，且多集中在6—8月份，約占全年總降水量的60%以上。年蒸發量900～1 669.89 mm，陸地蒸發量變化在250～500 mm之間，水面蒸發量在500～800 mm之間。

3 地下水系統特征

3.1 地下水系統結構特征

研究區淺層地下水系統是指區內潛水含水層，立體結構共分為15層，分別描述如下：第一層為滲水性差、厚約1 m的腐殖土與耕土，西北部呼蘭河一帶缺失；第二層為粉質或淤泥質粉質粘土；第三層為細砂、粉細砂；第四層為中砂及中粗砂含礫；第五層為較薄的粉質粘土；第六層為較厚的粉砂、細砂；第七層為中粗砂；第八層為在北部呈塊狀缺失的較薄的粉質粘土或淤泥質粉質粘土；第九層為粗砂含礫或卵石；第十層為很薄的粉質粘土層；第十一層為中粗砂含礫；第十二層為北部及西南部整體片狀缺失的粉質粘土層；第十三層為厚度平均的中粗砂、中粗砂含礫，北部、東南部條帶狀缺失；第十四層為在松花江南部漫灘、階地整體缺失的礫砂含卵石層；第十五層為透水性極差的泥巖層，為潛水含水層底面。受沉積環境控制，含水砂層厚度較大，約40～80 m，因此，哈爾濱地區淺層地下水具有實際開發利用意義的對象為潛水含水層。

3.2 地下水系統邊界特征

研究區水文地質邊界較清晰：西北、西南、東部三面環水，分別為泥河、松花江及拉林河、蜚克圖河，地下水多數時間向地表水排泄，僅在洪水期河水短期補給地下水，故確定該邊界為透水邊界；東南為低山山前平原，大氣降水通過山前風化層，進入平原區與山前風化帶的接觸部位，并且很快滲入地下，最終成為側向徑流常年補給平原區含水層；東北部以外為高階地，區外地下水常年側向徑流補給區內漫灘區含水層，故為地下水補給邊界；自西向東貫穿研究區的松花江原是區內地下水主要排泄通道之一，但由于哈爾濱市區地下水目前仍存在約200 km2的降落漏斗，地下水位常年低于松花江水位，形成了自二水源至老江橋江段的江水常年補給地下水的態勢，故確定松花江為透水邊界。

3.3 地下水系統動態特征

從地下水動態規律來看，也可證明該系統地下水與降水及河水的密切關系。監測資料顯示，研究區潛水最低水位出現在3月下旬或4月份中下旬，4月份后由于冰雪融化滲入地下，水位開始緩慢上升，5月中旬出現小的峰值，此后地下水位又呈現小幅度下降趨勢，6月中旬至7月初隨著雨季的到來，地下水位開始迅速上升，并很快達到最高值形成豐水期；進入9月份水位開始以較緩的速度下降，表現出以年為周期的季節性變化特征，年變化幅度0.02～1.95 m。由于2008年屬于枯水年分，江河水兩岸漫灘較少出現淹沒現象[6,7]。另外在人類活動集中地帶（哈爾濱、松北開發區、阿城、呼蘭、雙城市區范圍內）受到地下水開采量較大的影響，水位變化出現異常，地下水位沒有出現隨季節的變化而升高和降低的規律，兩年來潛水位始終處于緩慢下降階段。

以2008年地下水統測數據均值為數據基礎，通過繪制等水位線,可知地下水水位在100～260 m之間，其中地下水位大部分波動于110～150 m之間。水位在空間分布上呈由河流階地到漫灘到河谷逐漸遞減的態勢，最低水位出現在研究區中部松花江漫灘附近。區內地下水大多朝著河谷方向流動。

同樣，根據研究區統測地下水位，繪制埋深等水位線圖。研究區內地下水位埋藏在2～58 m間，其中哈爾濱市區、江北松北開發區，可見地下水漏斗。

3.4 地下水系統補排特征

該系統主要分布于河谷平原區及部分高平原上部，地下水是以垂向流動為主的，短距離水平流動補給江河，屬于三級地下水流動系統。在河谷平原區由于表層粘性土很薄，局部砂層裸露，地下水直接接受大氣降水的補給，形成潛水；在高平原區表層黃土狀粉質粘土具有孔隙裂隙發育的特點，有利于大氣降水的滲入，形成孔隙裂隙潛水或上層滯水，孔隙潛水總體水流方向是流向江河（除洪水期外）。在分水嶺南部向拉林河方向流動，分水嶺北向松花江、阿什河方向流動。由同位素分析結果也可看出，第四系潛水含氚量一般多大于50 TV，地下水在含水層中儲留時間約3～5年，說明潛水接受了現代降水及河水的補給。

4 淺層地下水資源量評價

4.1 水文地質概念模型的建立

1）含水系統結構的概化[8]。含水層巖性相對復雜，以粉細砂、細砂、中粗砂、礫石夾雜粘土為主，故可將含水系統概化為非均質各向異性。

2）水動力條件的概化。研究區含水層厚度大且遍布全區，地下水流場較為平緩，滲流基本符合達西定律，因此地下水運移可視為二維非穩定流。

3）邊界條件的概化。①垂向邊界：上部邊界為潛水面，是位置不斷變化的水量交換邊界；下部邊界以泥巖為界，概化為隔水邊界。②側向邊界：西北、西南、東部河流邊界因水位資料不足概化為二類流量邊界；東南、東北地下水位資料充足概化為一類水位邊界。

4）源匯項的概化。①補給項：降水入滲、側向徑流、高水位期地表水補給地下水、渠道入滲、地表水灌溉田間入滲、水庫、魚塘水入滲量；②排泄項：潛水蒸發、低水位期地下水補給地表水、人工開采（分為農業用水、生活用水、工業用水三個途徑，其中工業用水地下水開采集中于各城區中）。

4.2 數值模擬模型的建立、識別與驗證

利用GMS軟件將建好的水文地質概念模型轉化為數值模擬模型[9]，以2008年枯水期1月水位數據插值后作為初始流場，以2008年5月—12月的2組長觀孔水位動態數據為模型識別的依據，利用正演方法調試水文地質參數，檢驗邊界性質等，得到一套模型參數。然后以識別結果水位作為初始流場，以2009年1月—12月的水位對模型進行驗證。從驗證結果來看，各時段地下水流場的整體擬合形態良好，各觀測孔水位擬合形態趨勢合理，具體觀測點的水位擬合誤差基本小于0.5 m，絕大多數小于0.3 m，說明所建模型中的各參數能較好的刻畫研究區實際的水文地質條件，水文地質參數基本可靠，故該模型可用來進行地下水位預報及水資源量評價。

4.3 模擬預測結果

所建數學模型經識別、檢驗后，對模擬計算區進行了不同頻率降水量（25%，50%，75%）條件下的淺層地下水資源量預測。預測方案均以驗證流場作為初始流場，降雨輸入為以1952—2006年降水量系列數據位為基礎，利用皮爾遜Ⅲ型曲線進行頻率分析，得出保證率為25%，50%，75%的降水量，并保持模擬區計算邊界上的其他補給、排泄量不變，預測在該頻率降水量條件下一年后的地下水流場與淺層地下水資源量。模擬結果顯示：在頻率為25%，50%，75%的降水輸入下，哈爾濱市淺層地下水總的可更新資源量分別為78 283×104，68 851×104，60 259×104m3/a。

5 結論與建議

采用數值模擬方法，對以哈爾濱市區、呼蘭區、阿城區及雙城市為研究區的淺層地下水系統進行水資源量評價。經分析指出，淺層地下水系統是指區內潛水含水層，按照不同巖性可劃分為15層結構，研究區外邊界均為透水邊界；呈現顯著季節特征的地下水動態規律，反應了該區地下水與降水及河水變化的密切關系，但人類活動對地下水位干擾程度較大；區內地下水補給來源主要有六：降水入滲、側向徑流、高水位期地表水補給地下水、渠道入滲、地表水灌溉田間入滲、水庫、魚塘水入滲量。排泄途徑主要有：潛水蒸發、低水位期地下水補給地表水、人工開采。

通過對含水系統結構、水動力條件、邊界條件及源匯項進行概化后，建立了水文地質概念模型并轉化為數值模擬模型。數值模擬結果表明，在頻率為25%、50%、75%的降水條件下，哈爾濱市淺層地下水總的可更新資源量分別為7.83，6.89，6.03億m3，淺層地下水具有一定的開發利用潛力。

淺層地下水的開采利用長期以來未引起廣泛的注意，其監測資料和研究程度相對有限，有必要建立更密集的全區淺層地下水監測網進行長期監測，加強具有較高精度的水量評價研究，治理已有漏斗、預防局部超采，在開發利用的同時要注重監測水質變化狀況，保護好這一重要的水源。

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