關于三江平原地下水資源計算參數的研究

2019-01-04 02:35:26梁貞堂

水利科學與寒區工程 2018年12期

韓梅，梁貞堂

(1.黑龍江大學水利電力學院，黑龍江哈爾濱 150080； 2.黑龍江省水利水電勘測設計研究院，黑龍江哈爾濱 150080)

三江平原東起烏蘇里江、西到湯旺河及牡丹江分水嶺、南至興凱湖及綏芬河分水嶺，區域面積10.57×104km2，占黑龍江省總面積的23%；其中，平原區面積5.80×104km2，占三江平原區域面積54.9%[1]?，F有耕地439×104hm2，水稻種植面積205×104hm2；分別占黑龍江耕地、水稻種植面積的29.9%和50.9%[2]。

三江平原多年平均降水量550 mm，多年平均蒸發量700 mm；干旱指數1.0～3.0，屬半濕潤、半干旱地區。

多年來，三江平原以“地下水資源豐富”著稱[1-4]。隨著三江平原城市化進程的加快及大面積旱田改水田，地下水資源開采量逐年增加，導致局部地帶出現了地下水開采漏斗[1]。全省83個評價單元中，三江平原的平原區均屬于嚴重超載區[5]；區內地下水開采率達113%，其中，撓力河流域達162%，七星河流域超過200%[6]。因此，進一步研究確定三江平原地下水資源量的計算參數具有重要意義。

1 三江平原地下水資源量與計算參數存在的問題

1.1 三江平原地下水資源量

三江平原各分區地下水資源量與平原區可開采量的現有成果見表1[1-3]。

表1 三江平原各分區地下水資源量現有成果表

從表1可知：平原區地下水可開采水量最大為171.7 mm(單位面積的水深)，最小僅為51.4 mm，相差3.34倍；且同撫地區的可開采水量>地下水總量；顯然，表1 中的數據有待商榷。

1.2 地下水資源量計算的方法

三江平原地下水資源量的計算對象是區域內與大氣降水、地表水體有直接水力聯系的淺層地下水的總量。地下水補給量是指在天然狀態下，單位時間進入含水層的水量，包括：大氣降水入滲量、山前地下水徑流流入量、地表水體(江河、湖泊、水庫)滲入量、農田渠道灌溉滲入量。地下水可開采量是指在經濟合理、技術可行的開采條件下，不發生地下水水位下降、水質惡化、地面沉降等問題，可供開采的地下水水量。研究評價中，地下水的可采資源量基本等于補給量，以確保地下水資源的平衡。經分析，在三江平原平原區地下水總補給量中，大氣降水的入滲量占76.06%，山前地下徑流流入量占2.42%，江河水體滲入量占13.78%，農田渠道灌溉入滲量占7.74%[3]。因此，大氣降水入滲系數α、含水層滲透系數k、農田灌溉田間入滲系數β與地下水位年紀變幅h就成為了研究地下水水資源量的主要計算參數。

1.3 主要計算參數的取值

不同文獻中對主要參數的取值如表2所示。

表2 不同文獻中地下水主要計算參數的取值

從表2可知：主要計算參數因不同作者而有不同的選取，同樣對三江平原地下水資源量也會因不同作者的計算，而出現不同的數值。

2 主要計算參數α、β的論證

因大氣降水的入滲量占到了地下水總量的76.06%，從表2可知入滲系數α均是經驗取值，

因此α是本次論證的重點。隨著農田灌溉面積的增加，入滲系數β也是論證的重點。

2.1 α的論證

文獻[10]給出了原北京水文地質一大隊根據北京西郊廖公莊均衡試驗場的資料，得出的幾種地下水埋深和5種巖性的年降水入滲系數α，如表3所示。

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表3 各種巖性多年平均降水入滲系數α(以降水的%計)

文獻[10]還給出了河南省水文地質大隊根據商丘均衡場資料，得出的不同氣候條件下降水入滲系數α，如表4所示。

表4 不同氣候條件下降水入滲系數α %

以上資料是根據各地均衡試驗場地中入滲儀觀測數據求得的，在有地形起伏、洼地和溝渠入滲的情況下，表中的數據可能偏小。

文獻[11]利用河北省冉莊水資源實驗站、安徽省五道溝水文水資源實驗站、山西省太谷均衡實驗站的地中滲透儀，測得降水入滲資料，對降水入滲補給系數的變化規律進行了綜合分析；得出不同巖性、不同年降水量與不同地下水埋深條件下的降水入滲補給系數，如表5所示。

表5 降水入滲補給系數α %

文獻[12]研究了降水入滲補給規律，如圖1所示。從圖1可知：在不同的巖性條件下，降水入滲系數隨水位埋深(包氣帶厚度)的增加而減小，降雨入滲系數在1 m左右達到最大，1 m以下降雨入滲系數逐漸減小，并在大于3 m后趨于穩定。降水入滲時存在一個地下水最佳埋深，此時入滲量與降水入滲補給系數最大，當地下水埋深大于最大埋深穩定點后，降雨入滲補給系數基本趨于穩定。

圖1 不同地下水埋深降雨入滲補給系數

文獻[13]采用溴示蹤法研究華北平原山前沖積平原和中部平原有灌溉和無灌溉區域的地下水補給，得到研究區平均地下水補給量為126.10 mm，平均補給系數為18.5%，有灌溉實驗點的補給量和補給系數均大于無灌溉實驗點。

文獻[14]根據地下水資源系統數值模擬模型，利用歷史系列觀測資料，反求出了河南省安陽市平原地區的4個縣的降水入滲補給系數值；當降水量PN在(500 mm

2.2 β值的論證

由于三江平原地區主要是水田灌溉，形成的灌溉水層必將對地下水形成補給，因此對補給系數β值的取值進行研究很有必要。

文獻[10]根據長期觀測資料得知，當一次降水在50 mm以上時，對地下水的補給較明顯，一般灌溉的灌溉定額在50×15 ～70×15 m3/hm2，相當于降水75～105 mm，這就必然形成對地下水的灌溉入滲補給。在一些井河雙水源灌區，引河水灌溉一次(約20 d)，地下水位可由埋深4～5 m變為埋深0.5 m。根據河南省新鄉市引黃人民勝利渠忠義灌溉試驗站資料，不同灌水量與地下水補給量關系如表6所示。

表6 灌溉水入滲補給量

文獻[15] 為準確估計內蒙河套灌區灌溉水入滲補給地下水量，采用試驗研究與數值模擬相結合的方法，分別根據灌水前后地下水位變化和土壤含水率變化計算了灌溉水入滲補給地下水系數，得到作物生育期(最大灌水量183.72 mm)灌溉補給地下水系數為15%，秋澆灌溉(灌水量491.00 mm)補給地下水系數為30%。河套灌區地下水位埋深相對較淺，通過灌水前后的土壤含水率變化情況和數值模擬結果顯示：灌水2～4 d補給地下水量達到最大，8～10 d后即完成對地下水的入滲補給，不同灌水量灌溉水入滲規律基本一致，入滲補給量和入滲時間與灌溉水量直接相關。

文獻[16]在三江平原寶清縣三江試驗站進行了試驗，研究了不同灌溉模式下水稻在生育過程中的需水規律及水稻的水分利用效率。結果表明：控制灌溉水稻生育階段蒸發蒸騰量293.3 mm時節水效果最好；濕潤灌溉生育階段蒸發蒸騰量373.2 mm時水稻產量最高；淹灌生育階段蒸發蒸騰量544 mm時灌溉水分利用效率最小。三種灌溉模式的土壤滲漏量均為219 mm，分別占三種灌溉模式水稻需水量的42.7%、37.0%、28.7%。

文獻[17]給出了三江平原北部地區8個灌溉試驗站的水稻作物灌溉試驗數值?，F將田間滲漏量、作物需水量、田間耗水量綜合分析，可得出滲漏量的比率，如表7所示。

表7 三江平原北部地區灌溉試驗站滲漏量比率表

綜上，水田的灌溉水入滲量涉及土壤土質、灌溉定額、灌溉方式、水稻品系等，其入滲系數β取為25%。

3 對α、β取值的評價分析

3.1 耕地的綜合平均滲透系數k分析

三江平原面積廣袤，土壤種類多樣，很有必要對耕地土壤的綜合滲透系數進行計算，以與α、β對比確定其正確性與合理性。文獻[1]給出了三江平原耕地土壤的分類數值和各類土壤的滲透系數，采用加權計算方法，得出綜合平均滲透系數，如表8所示。

表8 三江平原土壤綜合滲透系數k計算表

從表8可知：如果每年降水中有20 d形成下滲補充地下水，則形成的下滲深度分別為3.26 m和1.56 m；按土壤給水度為0.1計算，則形成的地下水量分別為326 mm和156 mm；均大于多年平均降水量的20%。對于水田而言，去掉滲水嚴重的暗棕壤和其他土類，平均滲透系數為0.024 m/d，每年有水層的時段(含泡田期)大于80 d，故形成的下滲深度大于1.92 m，形成的地下水量大于192 mm，接近表7中田間平均耗水量的30%。

3.2 從三江平原北部地區的徑流深p分析

文獻[3]給出了三江平原北部地區的降雨徑流深研究成果，見圖2。

圖2 三江平原北部地區的多年平均徑流深(單位：mm)

從圖2可知：三江平原北部平原地區的徑流深小于100.0 mm(多年平均降水量的17.5%)，大部分地區小于75.0 mm(多年平均降水量的13.2%)。根據表1，安邦河、撓力河、同撫和蘿北地區多年平均降水量為574.0 mm,按最小值521.7 mm計算，至少有446.7 mm的降水處于蒸發和滲漏狀態。通常降水期間滲漏量是大于蒸發量的；再者圖2是根據蓄滿產流模型計算的，因此，該地區的入滲降水量應當大于230.0 mm。

3.3 典型試驗區研究成果

黑龍江省八五○農場坐落于完達山南麓，穆棱河北畔；始建于1954年，總土地面積527 km2，平原區面積363 km2；1997年開始種植水稻，當年種植面積0.87×104hm2，至2017年，井灌水田面積已達到2.43×104hm2，占平原區面積的67%，是地下水開采強度最大的農場。其平原區是第四紀沖積洪積區，地表覆蓋0～4 m的亞砂、亞黏土，下有20～80 m的砂、礫石含水層，是三江平原典型的潛水區。

文獻[18]給出了八五○農場1997—2006年地下水開采的觀測研究成果，見圖3。