鄱陽湖地下水時空分布模擬研究

摘 要：本文選取典型洪泛地區作為研究對象，通過建立地下水流的二維數值模型，對地表水轉換及水資源變化進行數值仿真。研究結果表明：洪泛區主湖區與周圍地下水的動力補充格局受季節的影響較大，其中干旱期與退水期是地下水補充最多的時段，而湖泊補給地下水主要發生在漲水和高洪水位時期。總體來說，洪泛區的地下水水位和湖泊水位的年度變動趨勢是相似的，在靠近主湖區的區域，地下水水位變動幅度很大，在多數洪泛區，地下水水位變動幅度很小。在主湖區周邊地區，地下水的流量比洪泛區要大。

關鍵詞：洪泛區；地下水；數值模擬；洪水過程；水流量

中圖分類號：X 17" " 文獻標志碼：A

洪泛濕地是一種重要的濕地類型和流域尺度上重要的生態系統，在全球范圍內約有15%的濕地。從水循環的觀點來看，洪澇濕地是大氣降水與地表徑流、地下水等物質交換的關鍵分界線，在洪澇的作用下，地表-地下水交換往往表現出很強的動態與敏感特征。洪泛濕地中的表層和地下水文過程的季節變異，會對流域內的水流界面、養分交換、泥沙沉降等產生顯著影響，從而驅動著流域內物質、能量和信息轉換與轉移。在世界范圍內，廣泛關注洪泛濕地的表層與地下水文學[1-3]，而表層與地下水文學間的相互轉換關系不僅是對濕地生態系統的基本認識，而且對濕地進行治理與保護具有十分重要的意義[4-6]。

針對我國湖泊水文情勢改變等問題，本文研究流域水文情勢與水文情勢的關系，這對優化配置流域水資源，促進濕地系統的健康發展，都有十分重要的意義。

1 工程概況與研究方法

1.1 工程概況

本研究選取的流域南北長約為173km，東西最大寬度約為74km，北部人江水道最窄處寬度約為2.8km，湖岸線總長達1200km。鄱陽湖流域三面環山，周圍高中間低，地形高程變化為30～2200m。鄱陽湖地處亞熱帶暖濕季風氣候區，年內降水量分布不均，加上流域五河來水變化，導致其具有高度變異的湖泊水位變化特征。湖泊洪、枯季節的水位差可達15m，形成“洪水一片，枯水一線”的獨特洪泛特征。鄱陽湖主湖區位于中心位置，鄱陽湖的周邊地區，分布著諸多小湖泊，這些小型湖泊與主湖區通過水道相連，形成了一個復雜的水系網絡。鄱陽湖主湖區與周邊蝶形湖間存在水文聯系。

1.2 地下水模型構建

本文基于有限元軟件建立地下水有模型，該模型通過非結構化網格來提高模擬精度，特別是在關鍵區域進行網格細化，以適應地下水流動和污染物傳播的復雜情況。該有限元模型主要基于地下水流運動理論如公式（1）所示。

（1）

式中：τ1、τ2為一類邊界、二類邊界；H為地下水位高度；μ為給水度；K為滲透系數；B為底板高度。

洪泛區地形復雜，因此抽取了41124個高程，并利用Kriging內插的方式，得到了該數字模式下的真實地面高度。在此基礎上，本項目擬將該區域內的三角有限元剖分成6329個網格，并將其劃分為8680個網格點，其中三角網格點在20～2000m內，以此為基礎，對該區域內的地形特征進行描述，并對該區域內的地形特征和水文特征進行深入分析。該地區與大規模的洪泛區相比，地質與成因具有較強的一致性，且洪泛區實測數據極為匱乏，部分水文地質指標沒有體現區域特性（例如降水的入滲系數、滲透系數、補給程度等），因此，本項目擬采用多學科交叉的方法研究該地區的生態環境問題。對研究區周圍現場鉆井數據進行分析，發現該地區的湖濱帶以細砂巖為主，其中，細砂巖中黏性顆粒的數量很小，與細砂巖的巖石性質差異很小，并且，通過現場抽水試驗，發現了在地下20m處，有一種黏土層，它的滲透系數比較相近，透水性很弱，埋深比較均勻，可做含水層底板。因此，將其概括為一層，并將其埋藏深度設定在地面20m以下。

2 結果分析

2.1 模型驗證

在本研究中，根據地下水位相關資料，通過手動試錯法對地下水的模型的主要參數進行改動，經過不斷地調整，得到滲透系數為150m/d，給水度為0.01，對野外1個地下水位進行觀測，結果如圖1所示。模擬期內的結果表明，計算結果與實測結果具有很好的一致性，水位擬合的納什效率系數為0.92，確定性系數R2為0.94，模型擬合結果表明數值模擬結果可靠。

2.2 地下水動力場特征

從圖2～圖4的地下水位分布可以看出，洪泛區從南到北，在空間上表現為“南高北低”的分布型，在北部和南部地區，地下水的高度差異可達2～4m，該分布型與洪泛區的地形特征密切相關。而從東西兩個方向看，地下水埋深主要受控于主湖區的水位變動，在漲潮、汛期表現為“東高西低”，各地區地下水埋深相差2～3m，在退潮、枯水期表現為“西高東低”，各地區地下水埋深相差不大，一般不超過2m。從洪泛區地下水水位的變動情況可以看出，洪泛區的地下水水位的變動情況與湖泊的水位變動情況基本相同。總體上看，洪泛區地下水的變化為2～5m。此外，在靠近主湖區處，在距主湖區較遠的西側灘上，潛流大幅波動。對鄱陽湖洪泛區的沼澤來說，洪泛區的地下水分布情況與地表形態關系密切，而湖泊水位變化則是影響其地下水埋深的主要外在因素，地下水對時間和空間上都有不同的反應。

根據結果分析，地下水轉換主要涉及地表與地下水的相互補給，在枯水和退水時期，鄱陽湖主湖區水位較低，洪泛區地下水位相對較高，此時洪泛區的地下水主要補給湖泊，即地下水由洪泛區流向主湖區。在漲水和高洪水位時期，湖泊水位上升，湖泊對周邊地下水的補給強度增加，導致主湖區附近的地下水位上升，此時湖泊補給洪泛區地下水，即水由主湖區流向洪泛區。同時鄱陽湖的季節性水位變化決定了主湖區與周邊地下水間的動態補排模式。這種季節性變化導致地下水位和湖泊水位在年內呈現不同的變化趨勢，從而影響地下水的補給和排泄過程。其地下水轉換可能還與地形地貌導致的地下水力梯度有關。地下水位的年內變化幅度通常小于地表水，說明地下水文過程相對穩定。地下水流速在不同季節有顯著差異，枯水期、退水期和漲水期的地下水流速較大，而豐水期流速較小。

2.3 地下水均衡分析

將整個鄱陽湖洪泛區作為研究對象，對地下水進行均衡分析。地下水變化量ΔS的計算過程如公式（2）所示。

ΔS=DBin -DBout+NBin-NBout+Qp+Q1-Qe （2）

式中：DBin為東方向補給水；DBout為西方向排出水；NBin為西方向補給水；NBout為輸出端有東方向排出水；Qp為輸入端有自然降水；Q1為蝶形湖補給地下水；Qe為自然蒸發水。

分析地下水數值模擬結果，結果匯總見表1。

從表1可見，該區域地下水的總輸入量和總輸出量基本持平。降雨是最主要的水源補給，占總補給量的52%，其次是湖泊對地下水的補給，占39%。碟形湖對地下水的補給相對較小，僅占3%。在水量輸出方面，地下水蒸發占總排泄量的72%，它是最主要的排泄途徑，其次是向湖泊的排泄，占24%。春季和夏季是地下水補給的主要時段，而秋季和冬季則是排泄的主要時段。這表明鄱陽湖主湖區對洪泛區地下水平衡有顯著影響，地形地貌和湖水位變化是影響地下水動態的關鍵因素。

2.4 地下水敏感度分析

同時，本文對給水度（μ）和滲透系數（K）進行敏感性分析，以評估這兩個參數對地下水模型模擬結果的影響。通過改變模型輸入參數的值（±10%，±20%）來觀察模型輸出結果的變化，從而判斷參數對模型結果的敏感程度，結果如圖5、圖6所示。

根據圖5和圖6分析可得，當給水度和滲透系數增加或減少10%和20%時，地下水位發生了顯著變化，說明該洪泛區對給水度和滲透系數的變化非常敏感，小幅度調整也會對地下水位產生較大影響。

3 結論

本項目通過建立地下水流動數值模型，針對鄱陽湖洪泛區的地表水-地下水交互作用和動力學過程進行研究，并結合洪泛區的地質、地質、氣候、水文等因素，建立地下水流動數值模型，準確計算洪泛區地下水流動特性和對外界環境壓強的動力學響應。

洪泛區主湖區與周圍地下水量的動態補充格局受洪泛區水位漲落影響較大，洪泛區主湖區與周圍地下水量的補充格局可大致分為地下水從流域內流入主湖區和從主湖向洪泛區進行補充兩個階段。

鄱陽湖主湖區對洪泛區地下水平衡有顯著影響，地形地貌和湖水位變化是影響地下水動態的關鍵因素。洪泛區對給水度和滲透系數的變化非常敏感，即小幅度調整也會對地下水位產生較大影響。

參考文獻

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