壩內蓄水對地下水補給和潛水蒸發影響模擬分析

魏向博

（新疆阿克蘇水文勘測局，新疆 阿克蘇 832000）

我國汛期河川徑流占年徑流比例較大，其中以洪水形式居多，且年際豐枯變化大，易形成非澇即旱、旱澇交替的局面。合理調控洪水，可以補充地下水、地表水資源，改善河流水生態環境。本文主要利用數值模擬方法對地下水補給和潛水蒸發受壩內蓄水的影響進行分析研究。

1 研究區概況

某河流橡膠壩工程位于我國北方，地處北亞亞熱帶季風氣候區，屬于典型的北方半干旱性、半濕潤性氣候，雨水較為充沛，但降水十分集中，6 月～9 月降水量占全年降水量的80%以上。研究河流在區內共有5 條支流，年平均流量為15.37 m3/s，其中七、八、九月三個月為豐水期，產生的徑流量占到全年徑流量的45%左右；枯水期為每年的3 月～6 月，徑流量占到全年徑流量的19%左右。研究河流左右兩岸主要位于沖洪積平原區的一級和二級階地以及河漫灘之上，河漫灘區和河床階地區下伏砂礫石層和砂礫亂石之間連接成一個整體，有助于地下水的補給。目前該河傍河地下水為該城市的主要用水，占到總供水的一半左右，隨著城市人口的不斷增加，該城市的用水量也在不斷增加，亟需提升傍河地下水儲量。

2 數值模型建立

2.1 工程建模分析

某河流橡膠壩工程東西跨度為10.26 km，南北跨度為12.1 km，總面積達到123 km2。研究區所在城市目前以埋深60 m 左右的淺層地下水作為主要供水，因此本研究選擇70 m 埋深內的潛水水層作為研究對象。所研究河流河道寬在700 m～100 m 之間，是典型的平原寬淺河道，和外部水量交換很小，下部邊界位于單一的含水層分布區，和粘土之間接觸，因此可以視作隔水邊界。將整個研究區劃分為一個單元格，每個單元格的大小為121 m×103 m。垂直方向上劃分5 個層次，為避免第一層出現疏干的情況，厚度加大設定為20 m，其余四層分別為10 m、10 m、15 m 和15 m。在經過以上劃分后，整個研究區共劃分為50000個網格單元。

2.2 地下水數字模型

進行地下水運動形式數模建模時，可將其視作一個各向同性、非均值、非穩定以及準三維的地下水模型，具體計算模型如下所示：

在以上模型中，Γ1、Γ2分別表示第一類流量邊界和第二類流量邊界，Ω 表示研究區范圍，t 表示時間，H0表示初始水位，S表示儲水率，H1表示計算期間邊界處地下水位情況，W 表示源匯項，H 表示潛水水位，K 表示滲透系數[1]。

2.3 河道蓄水過程水位變化

研究河道地區附近設有一水文觀測站，通過該觀測站進行水壩建設前后的河流水位變化觀測，基于觀測數據本文通過以下公式對河道蓄水過程水位演變情況進行計算：

式中：Z1、Z2表示主河道上下斷面上的河底高程，Y1、Y2表示斷面上下斷面處水深，V1、V2表示上下斷面處斷面平均流速，α1、α2表示上下斷面處斷面處動力修正系數，he表示能量水頭損失，g 表示重力加速度[2]。

采用美國HEC-RAS 河道水力學軟件進行模擬分析。該計算軟件作為一個適用于河道非穩定以及穩定的一維水力計算工具，具有十分強大的計算功能，可以進行各種涉水建筑的線、面的分析計算工作[3]。基于HEC-RAS 軟件內既定的關于砂礫石、順直類型河道的曼寧系數值，對研究河流進行計算，結果顯示在研究河流中的左右漫灘、河道處的曼寧系數值分別為0.045 和0.032，邊界條件處的摩擦阻力比降低為0.00016[4]。

使用2015 年1 月～2017 年12 月的觀測數據作為基本流量資料，使用一維恒定流對河流建壩前后的河流水位情況進行模擬。在2015 年1 月～2017 年12 月期間，隨著一壩、二壩、三壩、四壩的相繼建設，河流的水位依次上升，分別上升2.5 m～3 m，其中二壩建設的水位上升最為明顯，平均水位升高達到3 m 左右。

3 模擬結果及分析

基于上文建構的地下水流數字模型，結合入滲補給系數計算地下水開采量、降水入滲補給量、邊界條件以及初始水頭值，對2015 年1 月～2017 年12 月期間研究河道建設各級橡膠壩前后的地下水滲透補給量進行計算，具體計算結果見圖1。

圖1 橡膠壩建設前后河道側滲補給量

從圖1 可以發現，在研究河道建設橡膠壩后傍河區地下水提蓄水補給量明顯增加。河道原始水位1.45 億m3/a，三壩建成后補給量增加到2.1 億m3/a，二三壩建成后補給量增加到4.05 億m3/a，一二三壩建成補給量增加到4.5 億m3/a，一二三四壩建成后補給量增加到4.75 億m3/a。較之未建設橡膠壩前的補給量增加了3.3 億m3/a。

隨著地下水位的不斷抬升，相應的潛水蒸發損失也不斷增加，如表1 所示為2015 年1 月～2017 年12 月期間研究河道建設各級橡膠壩前后潛水蒸發量的變化情況。從表1 發現，隨著越來越多的橡膠壩建成，潛水蒸發量顯著增加。河道未建壩的潛水蒸發量為1658700 m3/a，三壩建成后潛水蒸發量為2095300 m3/a，二三壩建成后潛水蒸發量為2713700 m3/a，一二三壩建成潛水蒸發量為3980100 m3/a，一二三四壩建成后潛水蒸發量為5019900 m3/a。較之未建設橡膠壩前的補給量增加了3361200 m3/a。

表1 橡膠壩建設前后潛水蒸發量變化情況

4 結論

模擬研究顯示加大壩內蓄水量可有效提高傍河地區的地下水補給和潛水蒸發量，即通過建設橡膠壩，實現壩內蓄水，對于提升傍河區地下水補給和潛水蒸發量具有十分明顯的效果，可有效緩解周邊的水資源缺乏狀況，值得推廣使用。