南水北調(diào)通水期地下水?dāng)?shù)值模擬與補(bǔ)給分析

朱永廣，朱昶廣，許秀娟

(1.山東省濟(jì)寧市水文局，山東 濟(jì)寧 272000；2.南水北調(diào)東線山東干線有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)寧 272057)

1 水文地質(zhì)概念模型

1.1 模型區(qū)域的劃定

把梁濟(jì)運(yùn)河河道兩側(cè)10km范圍內(nèi)作為模型的研究區(qū)域，以兩端邊界為梁濟(jì)運(yùn)河入湖口為南部邊界、柳長(zhǎng)河八里灣泵站為北部邊界，確定模型研究范圍。模型研究范圍如圖1所示。

圖1 模型區(qū)位置分布圖

1.2 地下水監(jiān)測(cè)資料收集

為開(kāi)展模型研究工作，收集了關(guān)于梁濟(jì)運(yùn)河兩側(cè)25處水位站觀測(cè)資料。區(qū)域內(nèi)地下水位監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的均勻分布，均為潛水觀測(cè)井，水位觀測(cè)資料系列長(zhǎng)度可達(dá)到要求，有效控制模型區(qū)內(nèi)地下水的基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律，能夠滿足模型研究的要求。

1.3 各個(gè)基本數(shù)據(jù)的處理

各個(gè)基本數(shù)據(jù)主要包括降水地下入滲補(bǔ)給量、地表水下滲量、灌溉回歸補(bǔ)給量，針對(duì)河道水位、河底高程、河道寬度、河床地質(zhì)數(shù)據(jù)、滲透系數(shù)等數(shù)據(jù)的每一項(xiàng)要素進(jìn)行數(shù)值輸入，分別確定每一項(xiàng)數(shù)據(jù)其賦值。

2 數(shù)值模型的確立

2.1 參數(shù)的確定

降水地質(zhì)入滲補(bǔ)給系數(shù)的確定，可依據(jù)濟(jì)寧市水文局2006年編制的《濟(jì)寧市水資源調(diào)查評(píng)價(jià)報(bào)告》成果；滲透系數(shù)的賦值范圍在1.65×10-5～2.45×10-3m/d之間，其中含水層的縱向滲透系數(shù)是水平滲透系數(shù)的1/10；給水度取值在0.34～0.47之間；灌溉回歸補(bǔ)給系數(shù)取0.2；潛水蒸發(fā)系數(shù)地下水埋藏深度0～2m采用0.23，地下水埋深2～4m采用0.12。

2.2 建立模型

以收集的動(dòng)態(tài)觀測(cè)井資料建立穩(wěn)定流模型。經(jīng)反復(fù)調(diào)參試驗(yàn)，模型區(qū)內(nèi)觀測(cè)井水位的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值擬合情況。如圖2所示。

圖2 模型區(qū)穩(wěn)定流流場(chǎng)擬合圖

穩(wěn)定流模型的計(jì)算值與觀測(cè)值的校準(zhǔn)程度，從水頭校準(zhǔn)圖可以看出，所建立的模型能夠真實(shí)反映模型區(qū)的地下水流場(chǎng)情況。如圖3所示。

圖3 模型區(qū)穩(wěn)定流校準(zhǔn)程度圖

根據(jù)穩(wěn)定流水位觀測(cè)值和計(jì)算值統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，穩(wěn)定流水位觀測(cè)值和計(jì)算值誤差范圍在-1.07%～1.33%之間，最大誤差為1.33%，相應(yīng)測(cè)井編號(hào)為M126101A，位于梁山縣拳鋪鎮(zhèn)張莊村東500m，由于該測(cè)井距離河道較遠(yuǎn)，且水文地質(zhì)參數(shù)確定誤差影響，穩(wěn)定流水位觀測(cè)值和計(jì)算值誤差產(chǎn)生較大影響。最小誤差0.01%，相應(yīng)測(cè)井編號(hào)為M126047A，位于韓垓鎮(zhèn)李堂村東南50m。各測(cè)井絕對(duì)誤差較小，模型區(qū)內(nèi)觀測(cè)井水位數(shù)的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值擬合較好。

3 數(shù)值模擬與成果

3.1 調(diào)水資料收集

數(shù)值模擬資料選自南水北調(diào)東線試通水以來(lái)，歷時(shí)較長(zhǎng)、調(diào)水量較大的4次通水過(guò)程，將河道沿輸水方向分為3段，分別由南四湖～長(zhǎng)溝段26km、長(zhǎng)溝～鄧樓段32.3km和柳長(zhǎng)河段21km組成。

3.2 模型成果分析

根據(jù)區(qū)域內(nèi)收集的基本資料，建立了符合研究區(qū)域地下水系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型，將南水北調(diào)輸水資料輸入模型，并對(duì)地下水監(jiān)測(cè)水位深入分析擬合，同時(shí)對(duì)區(qū)域內(nèi)河道水量的滲漏情況進(jìn)行研究。

以每次泵站調(diào)水開(kāi)始時(shí)間作為數(shù)據(jù)模型模擬開(kāi)始時(shí)間，將調(diào)水期間地下入滲補(bǔ)給量、潛水蒸發(fā)量及地表水水位等數(shù)據(jù)以日為單位，劃分為不同的應(yīng)力期進(jìn)行數(shù)據(jù)賦值輸入模型。通水期結(jié)束時(shí)間作為數(shù)據(jù)模型模擬結(jié)束時(shí)間，分別求得模型的RMS值、標(biāo)準(zhǔn)化RMS、相關(guān)系數(shù)，檢查其是否達(dá)到了精度的要求，如果模型模擬的RMS值<1m、標(biāo)準(zhǔn)化的RMS值<10%的情況下，說(shuō)明對(duì)精度的要求已經(jīng)達(dá)到了模擬結(jié)果，也能夠反映出模型區(qū)地下水流場(chǎng)的實(shí)際情況。各次調(diào)水模擬賦值及計(jì)算成果見(jiàn)表1。

通過(guò)表1可以看出，4次調(diào)水模型的計(jì)算值與觀測(cè)值的校準(zhǔn)程度較好，在模型模擬結(jié)果收斂情況下，模型的RMS值均<1m，標(biāo)準(zhǔn)化RMS均<10%，相關(guān)系數(shù)均>0.90，達(dá)到了精度的要求。在模型水均衡區(qū)，統(tǒng)計(jì)四次調(diào)水總滲漏量、日均滲漏量及各河段總滲漏量、日平均滲漏量、占用調(diào)水量比例進(jìn)行了計(jì)算統(tǒng)計(jì)分析，具體如下：

2013年6月9日調(diào)水時(shí)段輸水對(duì)區(qū)域地下水補(bǔ)給量較大，補(bǔ)給區(qū)域主要集中在柳長(zhǎng)河段與長(zhǎng)溝泵站至鄧樓泵站段，本次通水時(shí)段處于麥?zhǔn)铡⒉シN季節(jié)，受農(nóng)業(yè)灌溉水量的影響，地下水大量的采集，造成地下水位大幅度下降(水位平均下降到33.6m)。本時(shí)段利用河道輸水對(duì)地下水大量補(bǔ)給，由于水農(nóng)灌對(duì)地下水需求量的增加，區(qū)域內(nèi)地下水位仍持續(xù)下降。

表1 輸水河段數(shù)值模擬成果統(tǒng)計(jì)表

2013年10月23日通水時(shí)段在本次49d的通水過(guò)程中，梁濟(jì)運(yùn)河及柳長(zhǎng)河輸水河道滲漏量總數(shù)為76.6萬(wàn)m3，滲漏量平均值為1.56萬(wàn)m3/d。本時(shí)段河道輸水滲漏量較小，分析其原因，主要是本次調(diào)水處于年末，區(qū)域地下用水量較小，對(duì)地下水開(kāi)采量減小，因此地下水位基本穩(wěn)定，并且處于較高狀態(tài)(此時(shí)段地下水位平均值為34.3m)，同時(shí)河道水位與地下水位之間的水力坡度較小，使地下入滲水量降低。但綜合來(lái)看，該時(shí)段內(nèi)輸水仍然對(duì)地下系統(tǒng)有一定補(bǔ)給。

2014年5月13日調(diào)水時(shí)段，梁濟(jì)運(yùn)河及柳長(zhǎng)河輸水河道總滲漏量為197.1萬(wàn)m3，平均滲漏量為16.43萬(wàn)m3/d。本次通水受農(nóng)業(yè)灌溉影響，地下水的采集量的增大，使得地下水位急劇降低(該時(shí)段地下水位平均值為33.3m)，與第一次通水地下水位僅相差0.3m，相對(duì)差距不大。同時(shí)梁濟(jì)運(yùn)河河槽輸水量較大，加強(qiáng)了河道輸水與地下水位之間的水力坡度，致使汛期幾個(gè)月河道滲漏量的增大。兩次通水過(guò)程中滲漏量的平均值基本相當(dāng)，只是此次通水時(shí)間短于第一次通水時(shí)間，致使總滲漏量小于第一次通水。

2015年4月26日調(diào)水時(shí)段梁濟(jì)運(yùn)河及柳長(zhǎng)河輸水河道累計(jì)滲漏量達(dá)704.0萬(wàn)m3，平均20.11萬(wàn)m3/d，與其他通水時(shí)段相比，河道滲漏量為歷次通水中最大。由于此時(shí)段處于麥?zhǔn)占竟?jié)，對(duì)地下水的開(kāi)采，降低了地下水位，該時(shí)段地下水平均水位為32.9m，使得河水位與地下水位之間的水力坡度增大，兩者之間的水力聯(lián)系加強(qiáng)。在此次通水末期，在嘉祥縣東部靠近輸水河道的區(qū)域地下水位有較為明顯的抬升，升幅約0.5m。在地下水位呈下降趨勢(shì)的五六月份，該區(qū)域地下水位的抬升應(yīng)是由于輸水河道的滲漏補(bǔ)給引起的。

4 結(jié)論

(1)汛期前河道滲漏量

每次通水中，有三次通水時(shí)間處于4、5、6月，分別是2013年6月、2014年5月和2015年4～5月，此段時(shí)間的日平均滲漏量值在15～21萬(wàn)m3/d之間。在本時(shí)段內(nèi)河道輸水對(duì)地下水的補(bǔ)給量較大。

(2)汛后河道滲漏量

在歷年通水過(guò)程中，2013年河道輸水的日平均滲漏量值為1.56萬(wàn)m3/d，本時(shí)段河道輸水滲漏量較小，本次于年末調(diào)水，農(nóng)灌水量的需求較小，地下水采集量降低，河道輸水時(shí)段河道水位與地下水位之間水力坡度變小，從而造成了地下入滲水量的降低，但河道通水對(duì)地下水還是有補(bǔ)給的。

(3)水力坡度是決定河道滲漏量大小的主要因素

在歷年通水中，汛前通水時(shí)段，由于農(nóng)田灌溉，地下水使用量較大，使得地下水位急劇降低，同時(shí)梁濟(jì)運(yùn)河河槽內(nèi)的輸水量較大，河道輸水與地下水位之間的水力坡度增強(qiáng)，造成汛期前幾個(gè)月河道滲漏量的增大。另外，在汛期過(guò)后的2013年10月通水時(shí)段，受汛期降水影響，區(qū)域內(nèi)地下水位處于回升狀態(tài)，同時(shí)水力坡度的減小，通水時(shí)間雖然較長(zhǎng)，但與歷次通水比較，其滲漏量反而是歷次通水以來(lái)最小的。

(4)河道輸水滲漏主要集中在長(zhǎng)溝～鄧樓段

在歷年通水中，長(zhǎng)溝河至鄧樓段河道滲漏量占比最大，其次是柳長(zhǎng)河段，最小的則是南四湖入湖口至長(zhǎng)溝泵站段；在2013～2015年汛期的三次輸水中，各河段滲漏量占比變化并不大，柳長(zhǎng)河段占比約為16%，鄧樓～長(zhǎng)溝河段占比約為74%，南四湖～長(zhǎng)溝河段約為10%。2013年底通水中，各段滲漏量占比有所變化，其中鄧樓～長(zhǎng)溝的滲漏量較大，占比48%；其次是柳長(zhǎng)河占比達(dá)32%；最小的依然是南四湖～長(zhǎng)溝河段占比20%。