巴音河河床硬質化對地下水循環模式的影響研究

韓啟霞，宋潤峰，顧小凡，常 亮，猶香智，屠子倩

(1.青海省水文水資源勘測局德令哈分局，青海 德令哈 8100072；2.中國地質調查局西安地質調查中心，西安 710054；3. 中國電力工程顧問集團西北電力設計院有限公司，西安 710075.)

中國西北干旱區具有高寒和干旱的氣候特征，山系與山間盆地相間分布的地表結構[1]。地表水和地下水構成典型的河流-含水層系統，二者頻繁轉化，相互依存、相互制約、是一個不可分割的整體[2]。其中河流作為連接上下游地區的紐帶，對盆地內的水資源量的空間分配起到決定性作用，同時也是盆地地下水循環模式的重要控制因素。而人類活動通過人工開采、農業灌溉、修建水利工程等方式對河流水資源量進行重新分配，影響地表徑流和地下水的補給機制，進而影響地下水循環模式的特征[3]。目前，針對人類活動對水循環的影響作用，許多學者從不同的角度和方面進行了探究。山前平原區水庫的修建對下游地區人工取水[4]、鹽漬化的空間格局[5]、下游地下水位[6]、流域徑流量[7]都將產生不良的影響。引水灌溉人為地改變了地下水的補給機制，從而引起了區域地下水的動態特征[8]和地下水時空特征[9]發生改變。對于水源地開采的地下水流系統和生態環境影響研究更是熱點領域，已經積累了許多研究成果。在綜合研究方面，在黑河流域[10]、格爾木和流域[11]、那棱格勒河流域[12]都開展了不同程度的研究，并取得了較多子成果。而有關河床硬質化對地下水循環模式的報道目前還比較少，以往的研究多數采取的是水文統計和區域數值模擬的方法，而利用剖面二維流數值模擬的手段來進行分析和研究也并不多見。因此，本文基于研究區的地質與水文地質資料，采用數值模擬方法，劃分地下水流系統，通過對比河床硬質化前后地下水循環模式，分析和探討河床硬質化的影響作用，以期為流域水資源合理開發利用提供參考。

1 研究區概況

研究區位于柴達木盆地東北部的德令哈盆地，北面以宗務隆山為界，南抵德南丘陵，東至黑石山水庫—布赫特山—尕海湖一線，西接可魯克湖。地形總體由東北向西南傾斜，近山麓帶坡降較大，山前平原開闊平坦。中部由于德令哈隆起的阻攔，將山前平原分割成兩個扭曲鉗形地塊。

研究區屬于典型的干旱大陸氣候，降水量小，蒸發量大。區內地下水的主要補給包括：巴音河水滲漏補給、灌溉水回歸補給、山前平原地下水側向徑流補給和埋深小于5m區域的降雨入滲補給。研究區內地下水主要排泄方式包括：以泉水形式溢出地表形成泉集河、地面蒸發和植物的蒸騰、以地下水徑流方式補給尕海湖和可魯克湖以及人工開采。

巴音河向南流出德令哈市區以后，河水大量滲漏補給地下水，徑流至一棵樹附近時，由于巖性變細和德南丘陵的阻攔作用，地下水大量溢出匯集成泉集河后重新注入巴音河，并轉向西北方向，最終以河水和地下徑流的方式流入可魯克湖。在地下水徑流過程中，受到巖性和地形地貌的影響，地下水由單一的大厚度潛水轉變成為承壓(自流)水，含水層也由單層結構孔隙潛水含水層系統轉化為多層結構地下水承壓(自流)水含水層系統。

2 剖面地下水流數值模擬

2.1 水文地質概念模型

本次模擬選取自黑石山水庫至可魯克湖的沿河剖面(見圖1)，模擬區總長度56 604 m，單寬1 m，厚度取整個第四系厚度。模擬區北部AF邊界(見圖2)，存在來自北部山區的側向補給和水庫的地下滲流，將其概化為流量邊界；頂部AC邊界概化為河流邊界，對于河床硬質化段，設置入滲系數為零；頂部CD邊界，取可魯克湖平均水面高程，概化為定水頭邊界；其他邊界均概化為隔水邊界，與外界不存在水力聯系。模擬區上游含水層為單層潛水層，下游地區含水層呈潛水-承壓水多層結構分布，潛水和承壓水力聯系密切，由于模擬區內承壓含水層資料很少，且分布過于密集，本次模擬時也將其概化為單層潛水含水層結構。含水層巖性受到水動力條件和沉積環境影響，從上游至入湖口含水層顆粒逐漸變細，具有不均勻性，但不同方向上滲透系數變化較小，因此將其概化為非均質各向同性二維穩定流模型。

圖1 研究區地貌及剖面位置

圖2 模擬區概化剖面圖

2.2 地下水流數學模型

(1)

式中：H為地下水水頭，m；K為滲透系數，m/d；W為垂向水量交換強度，m3/(d·m2)；q為第二類邊界上的單寬滲流，m2/d；n為邊界外法線方向；Ω為模擬區范圍。

2.3 模型求解與驗證

本次采用MODFLOW軟件進行地下水流數值模擬。首先對模型在空間上進行離散，河流方向上采用200 m等間隔剖分為284列，垂向上采用不等距剖分為9層。再利用剖面上的鉆孔資料，結合水文地質條件對模擬區進行滲透系數分區，得到分區17個。最后將區域上的源匯項數值，折算為單寬流量代入模型，進行穩定流模擬。本次模擬選取的源匯項數據是2016年6月到2017年6月的實測數據，其中在巴音河出山口、河床硬質化結束段，溢出帶一棵樹處以及入湖口處分別設有4個河水位及河水流量斷面監測點(如圖1所示)，河床滲透系數采用水頭下降豎管法及雙環入滲儀進行測定，本次實驗共測定53組河床滲透系數，具體實驗過程及數據見參考文獻[13]，底部各巖層滲透系數均根據附近鉆孔抽水試驗數據求取。

將模型模擬結果與地下水動態觀測資料、氚和碳14同位素測年結果對比，對模型參數進行修正，通過反復調整，得到能客觀反映實際情況的地下水流數值模型。

3 剖面地下水循環模式

3.1 地下水流系統特征

基于上述地下水流數值模型，獲得了地下水水頭分布、流線和水量均衡關系，運用Toth創建的重力驅動的地下水流系統理論[14,15]，將模擬產生的地下水流系統劃分為局部、中間和區域三級地下水流系統，見圖3。

圖3 地下水流系統分布

局部地下水流系統：主要分布在山前沖洪積扇的大厚度潛水區域，最大發育深度150 m。地下水主要接受河水滲漏補給，經淺層徑流后，在下游溢出帶開始排泄補給河水，經沿途蒸發后全部排入湖泊。在該區域，地勢高，地形坡降大，巖層透水性能好，地下水徑流強烈，流速基本大于0.4 m/d，屬于地下水積極循環帶，平均滯留時間小于200 a。

中間地下水流系統：隨著局部水流系統的消失，中間地下水流系統開始發育。地下水來源主要是來自北部的河谷潛流補給，發育深度可達400 m，在細土平原帶上排泄于河水，最終消失在可魯克湖附近。該區域自上游向下游地勢變緩，巖層顆粒變細，透水性變差，且地下水流動路徑增加，地下水流速介于0.04～0.4 m/d，屬于中等循環帶，平局滯留時間小于5 000 a。

區域地下水流系統：發育于整個盆地的底部，地下水來源主要是來自北部的側向補給轉化而成的河谷潛流，經過深部徑流后以頂托的形式排入可魯克湖，屬于深層承壓水。該區域巖層呈膠結和半膠結狀，滲透性能差，地下水流速緩慢，小于0.04 m/d。屬于弱循環帶，地下水交替緩慢，更新能力差，平均滯留時間大于5 000 a。

利用布置在溢出帶下方的水均衡單元，可以得出通過局部、中間和區域水流系統的水量比值為4.29∶1.27∶0.15。即參與局部地下水流系統循環的水量占總補給資源量的75.1%，參與中間地下水流系統循環的水量占總補給資源量的22.3%，參與區域地下水流系統循環的水量占總補給資源量的2.6%。

3.2 補排分布特征

將模型單元網格第一層全部計算單元的高程、河流數據和地下水位輸出，通過計算得出地下水補給和排泄分布情況。本次計算采用的方式是利用MODFLIW內置河流模塊的計算公式進行河流與地下水交換量計算，即：

(2)

式中：Qn為進出編號為n的計算單元的流量，其中正值表示河流補給地下水，負值表示地下水排泄河流；Cn表示編號為n的計算單元的河床水力導系數；Hr表示編號為n的計算單元上河流水位；Hn表示編號為n的計算單元內的地下水位；Hnrb表示編號為n的計算單元上河流的底板高程。計算結果見圖4。

圖4 沿程補排強度分布

由圖4可以看出，沿程的補排量變化與研究區的補徑排特征具有一致性：沖洪積平原上地下水接受河流的入滲補給是區內地下水的主要來源，上游河床滲透系數值較大且相差不大，故建模時取平均值代入模型，可以看出河流與地下水脫節后，入滲補給量與河流水位呈線性關系，隨河流水位的下降而減少；在一棵樹附近時地下水受阻開始溢出，在前緣地區河床滲透系數較大且河水位較低，排泄量明顯大于下游；隨著滲透系數的減小和河水位的上漲，排泄量明顯減小，在下游地區還出現補排交替的情況，這說明河水與地下水轉換關系在宏觀上和微觀上存在差異性，下游河床內存在著不同程度的交互作用，并伴隨著水分、物質和能量的交換，控制著下游地區河床潛流帶的生境特征。

4 河床硬質化前后對比分析

利用上述已經完成的具備良好仿真性的模型，對其上邊界河流條件進行修改，利用2016.06-2017.06的實測數據結合歷史資料進行反算，得出硬質化前同等徑流量情況下的河流水位數據，以達到消除硬質化的效果，使之恢復到天然河床的入滲性能。再次運行模型后，將兩種情況下的水循環模式進行對比，見圖5。

圖5 河床硬質化前后地下水流系統對比

在現狀年(2016.6-2017.6)條件下，據巴音河水文站資料出山口處年徑流量為4.337 億m3， 根據模擬結果，河床硬質化使得市區內的補給段消失，同時造成補給范圍和補給量減小，16%左右的補給量直接排向下游湖泊。在地層巖性結構及補給條件不變的條件下，局部水流系統的發育寬度減小且發育深度相對減?。挥捎诰植克飨到y的范圍減小，中間水流系統的范圍相對變大，排泄區向上游方向偏移；而區域水流系統基本無變化，僅排湖量隨著補給量的減少也相應減少。

本文利用二維地下水流數值模型對巴音河地下水循環系統進行了模擬，結合實測數據對模型進行了識別驗證，評價了模型的可靠性。根據對模型上游河流邊界的入滲邊界條件進行改變，即有河床硬質化和無河床硬質化2種模式，根據圖5中的模擬結果，通過模型的橫坐標對比兩者之間地下水溢出點的相對位置，可以得出在河床硬質化后，地下水溢出點向下游移動了800 m。

在河床無硬質化時，在一棵樹處地下水溢出是由于在該處含水層巖性變細，含水層內的儲水空間相對減少，過水能力減弱，導致地下水位上漲，在該處溢出地表。在河床硬質化后，導致上游的河流入滲量減小，因此下游接收的來水量減小，地下水位下降，地下水溢出帶向下游移動。

河床硬質化改變了下游地區的補排特征，研究區地下水位下降，因為河床硬質化后地下水補給量減少，但上下游之間地形落差較大，在德令哈市區北部海拔約3 100 m，但到了入湖口處海拔僅為2 800 m左右，落差達300 m，水力梯度較大；且在下游一棵樹附近由于巖性變細，含水層中沉積物之間的孔隙相對變小，大量的地下水在該區域填充孔隙，上游入滲的來水量越大，地下水溢出帶位置越向上游移動，反之向下游移動，但河床硬質化后，上游的河水入滲補給量減小，上游入滲的來水量首先填充滿整個下游的含水層，地下水流動受阻，在上游來水量尚未減小到某一臨界值時，地下水仍會溢出地表；同時由于個別區域地形起伏及巖性介質變細，使得下游地區河流與地下水的交互作用變得更加頻繁。

圖6 河床硬質化前后沿程補排分布對比

在以往的研究中多認為上游河流的來水量會影響流域地下水循環。德令哈盆地作為典型的干旱內陸盆地，80%的水資源受河流補給[16]。因此上游的來水量的多少也會影響著流域的地下水的水位和水量。在旱區隨著工農業的發展，農業引水力度不斷增大，傍河水源地逐漸增多，也會導致流域的地下水循環條件發生改變[17,18]。但在本次研究中充分突出了河床硬質化對流域地下水循環的影響，長期以來，人們主要考慮的是河道的排洪沖淤等功能，大多采用硬質化的手段對河道進行防護，從而隔絕了河道生態系統與陸地生態系統的聯系，阻礙了二者之間的物質和能量交換，導致地表水與地下水間的相互補給能力下降，尤其是在干旱半干旱地區，河川硬質化在一定程度上能起到美化城市容貌，凈化市區環境的效果，但應該綜合考慮對下游地下水位的影響，防治下游生態環境的退化。

5 結 語

(1)河床硬質化影響了河流與地下水之間原有的補徑排特征，河床的硬質化改變了河流補給地下水的機制，使得上游補給量減小，地下水溢出帶下移約800 m。

(2)河床硬質化極大地改變了局部水流系統，部分改變了中間水流系統，而對區域水流系統基本沒有改變。

(3)區域內的地下水儲存量減少，無效蒸發量變大，將會加速區域內的水文循環過程，尤其德令哈盆地屬于內流盆地，水汽來源主要依靠區內蒸發。此外，地下水位的下降，勢必影響下游生態環境，往往將產生不可預估的次生環境問題。