黄河三角洲刁口河生态补水对地下水影响的模拟分析

黄河三角洲刁口河生态补水对地下水影响的模拟分析

彭勃1,葛雷1,王瑞玲1,刘波2,娄广艳1,黄文海1

(1.黄河水资源保护科学研究院,河南 郑州450004; 2.河海大学水文水资源学院,江苏 南京210098)

摘要：针对2010年以来实施的黄河三角洲刁口河流路恢复过水及湿地生态补水措施,建立黄河三角洲刁口河流路及尾闾湿地地下水数值模型,模拟黄河三角洲刁口河流路及湿地补水前后地下水变化情况,评估刁口河恢复过流及尾闾湿地补水对区域地下水的影响。结果表明,刁口河恢复过水及尾闾湿地补水对地下水具有积极补给作用,在2010年、2011年、2013年生态补水期间,刁口河沿岸地下水渗漏量分别为10.2万m`3/d、10.6万m`3/d、9.2万m`3/d,刁口河尾闾湿地周边地下水渗漏量分别为1.4万m`3/d、2.7万m`3/d、1.03万m`3/d;随着地下水资源的补给,补水区及周边地下水水位抬升明显,刁口河沿岸及尾闾湿地周边地下水抬升范围分别为950～1100m和800～1100m,地下水位最大抬升幅度分别为60～80cm和35～46cm。

关键词：尾闾湿地;生态补水;地下水水位;地下水数值模型;刁口河;黄河三角洲

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2015.05.001 10.3880/j.issn.1004-6933.2015.05.002

作者简介:彭勃(1974—),男,高级工程师,主要从事水资源和水生态保护规划研究。E-mail:pengbo@szybhj.yrcc.gov.cn

中图分类号：X3

文献标志码：A

文章编号：1004-6933(2015)05-0001-06

Abstract：Based on the flow recovery of Diaokou River in Yellow River Delta and the ecological water supplement of wetland carried out since 2010,groundwater numerical models of Diaokou River and the tail wetland in Yellow River Delta are established,the phreatic fluctuation before and after water diversion period are simulated,and impacts of the flow recovery of Diaokou River and the ecological water supplement of wetland are evaluated. The result shows that the flow recovery of Diaokou River and ecological water supplement of tail wetland furnished the groundwater nearby. The infiltration of groundwater along the bank of Diaokou River was 10.2×10`4、10.6×10`4、9.2×10`4m`3/d and the infiltration of groundwater around the wetland was 1.4×10`4、2.7×10`4、1.03×10`4m`3/d in 2010,2011 and 2013,respectively. With the supplement of groundwater,the groundwater level raise occurred obviously in the supplied area and the areas around,the capture zone scope of groundwater ranged from 950 to 1100m and 800 to 1100m and the max uplift ranged from 60 to 80cm and 35 to 46cm along Diaokou River bank and in the adjacent tail wetland,respectively.

收稿日期：(2014-12-20编辑：彭桃英)

基金项目:江苏省普通高校研究生科研创新计划(KYZZ_0141)

Simulation analysis on effect of ecological water supplement on

groundwater in Diaokou River of Yellow River Delta

PENG Bo1,GE Lei1,WANG Ruiling1,LIU Bo2,LOU Guangyan1,HUANG Wenhai1

(1.YellowRiverWaterResourcesProtectionInstitute,Zhengzhou450004,China;

2.CollegeofHydrologyandWaterResources,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Key words： tail wetland; ecological water supplement; groundwater level; groundwater numerical model; Diaokou River; Yellow River Delta

刁口河故道是国家确定的黄河近期备用流路之一,其尾闾部分为黄河三角洲国家级自然保护区的重要生态保护区域,同时也是黄河三角洲高效生态经济区的组成区域。然而自1972年断流以来,由于水沙条件变化、海洋动力作用及人类活动的影响,刁口河地形地貌、自然形态和生态环境发生较大改变,出现了河口海岸蚀退、河槽萎缩、地下水含盐量增加、湿地萎缩等一系列严重的生态问题,对黄河三角洲生态系统的稳定及区域社会经济的可持续发展构成威胁。

为改善刁口河流路生态环境、高效管理和保护黄河入海备用流路,2009年7月,水利部黄河水利委员会做出了“启用刁口河流路,实施生态调水”的决策。2010年6月,黄河水利委员会在黄河“调水调沙”期间开展了黄河三角洲生态调水及刁口河流路恢复过水试验,至今已连续5年实施刁口河流路及尾闾湿地生态补水,取得了较为显著的生态效果。2008年,范晓梅等[1]利用竖管法对黄河三角洲沉积物的渗透系数进行现场实验测定;2010年黄翀等[2]利用水文模型SOBEK和地下水模型Visual Modflow对不同补水预案下湿地水文过程进行了模拟;2011年王新功等[3]采用调水前后实时监测遥感解译及地下水模型模拟等方法,对2010年刁口河生态调水前后的植被、湿地、土壤含盐量、地下水等因子进行了跟踪评估分析。开展刁口河生态调水对地下水影响的评估研究,分析黄河三角洲刁口河流路及湿地补水前后地下水变化状况及规律,评估刁口河恢复过流及尾闾湿地补水对区域地下水的影响,将为深化黄河三角洲生态调度,维持黄河三角洲生态系统良性循环,促进黄河三角洲高效生态经济区可持续发展具有重要意义。

1研究方法及研究范围

1.1研究方法

本研究使用Visual Modflow模型来模拟刁口河流路及尾闾区域周边地下水的变化过程。收集、整理研究区有关资料,建立符合黄河三角洲实际的概念模型,在此基础上建立相应的数学模型,再利用Visual Modflow软件进行模拟,分析生态调水前后刁口河故道周边地下水的变化及其尾闾湿地补水对周边地下水影响程度,跟踪评估黄河三角洲刁口河恢复过水及尾闾湿地生态补水对地下水的影响及其生态效应。

1.2研究范围

选定现代黄河三角洲,即为以渔洼为顶点向东展开的扇状三角洲,该洲陆上面积约为3000km2,包括黄河故道刁口河流路和现行清水沟流路。重点研究区是刁口河流路及尾闾湿地,即黄河三角洲刁口河沿岸2km、刁口河湿地恢复区及影响区2km范围内。研究范围及模拟重点区域详见图1。

图1　研究模拟范围及重点研究区范围示意图

研究区处在华北地台新生坳陷的东南部,主要受新华夏构造体系和北西向构造的控制。自新生代以来,研究区地表以沉降运动为主,区内广为第三系和第四系沉积物覆盖,地貌上主要分为山前平原区和黄泛平原区。研究区属小清河以北黄泛平原区,受地貌沉积物和构造条件制约,浅层地下水主要赋存于第四系上部的冲积海积层中的松散沉积物孔隙含水层中,粉砂和黏土质粉砂是地下水的赋存介质[4-5]。

2研究区生态调水期间地下水动态变化规律

研究区内地下水普遍埋藏较浅,约为0～5m。为掌握黄河三角洲地下水状况及变化规律,中国科学院地理科学与资源研究所在黄河三角洲范围内布设了20眼地下观测井,进行水位及盐度观测。观测井分布位置见图2。

图2　黄河三角洲地下水监测井分布示意图

2.1生态调水情况

从2010年起,黄河水利委员会在黄河“调水调沙”期间开展了黄河刁口河流路恢复过水试验,2010年、2011年、2013年刁口河共实施生态补水9847.19万m3,每年补水时间及水量见表1。

表1　2010年、2011年、2013年刁口河生态

注：2013年刁口河总的生态补水量是2620万m3。

2.2生态调水前后地下水动态变化分析

选取刁口河附近地下水观测井(编号DZ11)监测数据对刁口河生态调水前后地下水动态变化进行分析。图3描述的是2010年、2011年和2013年该观测井在生态调水前、生态调水措施实施过程中和生态调水后的地下水水位随时间的变化过程。分析时段选取为每年6月5日至8月31日。

图3　刁口河生态补水前后地下水动态变化过程

分析生态调水前后刁口河周边地下水动态变化规律,可知2010年、2011年和2013年3年的地下水水位随时间的变化趋势基本一致,且分析时段内水位总体呈现先下降后上升、整体下降的趋势。调水结束后地下水水位基本都小于或等于调水前地下水水位。相比之下,2010年地下水水位波动较大,在补水结束后,地下水水位迅速下降;2011年地下水水位呈现明显的波动性;2013年地下水水位具有明显的突变点,大致在7月中旬——补水中期,地下水水位有明显的下降趋势。

补水前地下水水位的变化主要受降水、蒸发因素影响,2010年、2011年和2013年地下水水位的变化没有明显的一致性,主要受当年气象条件的影响;补水期间,在补水和自然条件的共同作用下,2010年、2011年和2013年地下水水位呈现先上升后下降的趋势,说明生态补水在一定程度上改变了研究区内地下水水流情况;补水结束后,研究区内地下水水位动态主要受气象条件的影响,2010年、2011年和2013年地下水水位下降。

以上地下水动态变化过程是研究区内地下水均衡各要素发生变化的综合反映,在分析时段内,该区域地下水为负均衡,含水层总排泄量大于总补给量,地下水水位在补水时缓慢上升保持在高水位,补水结束后地下水水位迅速下降。

同时,2011年、2013年与2010年相比,研究区各位置的地下水水位并没有统一上升,说明该研究区的地下水水位主要受垂向作用较大,即受降水入渗和潜水蒸发的影响。而生态调水时间、调水规模以及补水范围等有限,上年度生态调水渗漏补给影响区外的地下水,效果较小。

3黄河三角洲地下水模型构建及率定

3.1水文地质概念模型

表2　渗透系数和给水度分区

根据研究区现有的地质勘查成果,将土壤岩性由粉砂土突变成亚黏土的深度作为含水层的厚度(即所研究的含水层)。将研究区概化为潜水含水层,根据研究区的水文地质图、综合水文地质剖面图等相关图件,将渗透系数和给水度划分为9个类型(表2)[6]。由于研究区地下水水位埋深较浅,刁口河过流一段时间后即与周边地下水形成直接水力联系;现行流路清水沟常年过流,河流与周边地下水存在直接水力联系,因此将河流对地下水的补给均概化为直接补给。将清水沟流路河床底渗透系数设为0.00167m/d,河床底沉积物厚度设为0.5m;刁口河流路河床底渗透系数设为0.0023m/d,河床底沉积物厚度设为0.3m。模拟区内地下水水流呈非稳定流状态,将其概化成二维非稳定流,含水层为非均质各向同性,同一参数分区内视为均质,水流符合达西定律。根据研究区边界的实际情况,将水流模型的边界概化为二类边界。研究区内地下水补给项主要包括降水入渗、地表水体入渗、侧向补给,以及补水后湿地下渗补给;排泄项主要包括蒸散发、侧向排泄以及部分河段地下水泄流量。

3.2地下水数值模型

根据上述地下水文地质概念模型,建立相应的地下水数值模型[7],利用Visual Modflow求解建立的数值模型。根据研究需要,黄河三角洲地下水模型剖分为100行×100列的矩形单元,在模型的重点模拟区,即刁口河尾闾湿地及现行流路南岸湿地处,将网格细分,经加密后,研究区网格分为152行×188列(图4)。根据地下水水位观测资料,运用SURFER软件对研究区地下水的水位分布进行插值计算,得出模拟初始时刻的地下水流场,见图5。

黄河三角洲地下水模型平面网格剖分

图5　黄河三角洲地下水初始流场

3.3模型校正

根据黄河三角洲地下水动态监测数据,经过反复参数调整,对模型参数进行了率定,得到了较为理想的模型识别结果。选定2010年6月23日至2010年8月31日为模型的模拟校正时段,以2010年7月27日及8月31日(即模拟期第35天与第70天)为例,对各观测点的计算值与实测值进行比较,见图6。从模型结果来看,在第35天,各拟合点的绝对误差为0.124m；第70天,各拟合点的绝对误差为0.12m，由此计算第35天、第70天的标准化均方根分别为3.625%,8.225%,可以满足模型的使用精度要求。

图6　Visual Modflow模型计算值与实测值对比

同期,对2010年补水过程中地下水水位数据进行模拟,分别选取刁口河尾闾湿地保护区附近观测点DZ11、现行流路南岸观测点DZ06的水位拟合过程线见图7。可见,在整个模拟期间,模拟的地下水位动态及水均衡特征与实际观测情况较为一致,数值模型能够较为真实地还原地下水水位的动态变化过程。

图7　DZ11、DZ06水位观测值和计算值拟合过程线

4研究区生态调水对地下水影响的模拟分析

应用地下水数值模型,针对2010年、2011年、2013年的补水过程,对黄河三角洲刁口河流路及尾闾湿地恢复区生态补水过程进行了全过程模拟。根据地下水数值模拟结果,在3年补水过程中,刁口河生态补水对地下水的日均河道渗漏量分别为10.2万m3、10.6m3万和9.2万m3,刁口河尾闾湿地生态补水对地下水的日渗漏量分别为1.4万m3/d、2.7万m3/d和1.03万m3/d，可见,黄河三角洲刁口河流路及尾闾湿地恢复区的生态补水对刁口河及尾闾湿地周边地下水具有积极补给作用。

4.1刁口河生态调水对周边地下水水位的影响

刁口河沿岸地下水在补水期间受河流渗漏补给,地下水水位随之提升。根据地下水模型模拟结果(图8)可知,补水对刁口河沿岸的地下水水位抬升效果显著,且距离河道越近水位抬升越明显。其中2011年刁口河补水对地下水水位的抬升影响最明显,最大抬升幅度为80cm;2010年为首次补水,河流日渗漏量相对2011年要小,地下水水位的抬升幅度次之,最大抬升幅度为75cm;2013年无论补水量和补水时间均居最末,相应的地下水水位抬升作用最小,但最大抬升幅度也达到了60cm。

图8　刁口河生态补水后地下水水位变化

由于三角洲地区沉积物颗粒较细、含水层渗透系数较小,河流过流对沿岸地下水的影响是有一定范围的。模型分析结果表明,2013年刁口河生态补水期间,在距刁口河300m范围以内地下水水位抬升比较明显,水位增幅超过20cm,但其后水位的抬升作用迅速减弱;在距刁口河950m处,过水前后地下水水位差已小于5cm,地下水水位的抬升作用已不明显,所以,2010年刁口河过流对沿岸地下水的影响范围约为950m。同理推算2010年、2011年刁口河过流对沿岸地下水的影响范围约为1000m、1100m,历年生态调水对沿岸地下水水位的影响范围基本一致,差别在200m范围以内。由于2013年调水量为历年中最小,历时最短,影响范围相应最小;2010年为刁口河多年断流后首次过水,且历时较长,地下水水位响应较为显著;2011年为刁口河断流后第二次全线过流,调水量大,历时较长,且有2010年的调水基础,因此地下水水位的响应最为显著,影响范围最大。

4.2刁口河尾闾湿地生态补水对周边地下水水位的影响

根据地下水模型模拟结果及 2010年、2011年和2013年地下水水位响应图(图9)可知,2011年刁口河尾闾湿地生态补水对地下水水位的抬升影响最明显,最大抬升幅度为46cm;2010年是首次开展刁口河恢复过水及尾闾湿地生态补水,为试验性生态调水,调水量及补水量较小,湿地日渗漏量相对2011年较小,对周边地下水水位的抬升作用相对较弱,最大抬升幅度为40cm;2013年刁口河生态调水量及尾闾湿地补水量最小,相应地对周边地下水水位的抬升作用相对最小,但最大抬升幅度也达到了35cm。

图9　刁口河尾闾湿地生态补水与 不补水周边地区地下水水位对比

由于生态恢复区沉积物颗粒较细,含水层渗透系数较小,刁口河尾闾湿地补水对周边地下水的影响是有一定范围的。根据模型模拟数据结果,2013年刁口河尾闾湿地补水期间,在距湿地生态补水区300m范围以内地下水水位抬升比较明显,水位增幅超过10cm,但其后水位的抬升作用迅速减弱,在距生态恢复区800m处,恢复过水措施约2个月后,实际过水条件下的地下水水位与不过水条件下差别已不足5cm。 2013年生态恢复区补水对沿岸地下水的影响范围约为800m,2010年、2011年生态恢复区蓄水对沿岸地下水的影响范围分别约为1000m、1100m。3次湿地生态补水对周边地下水水位的影响范围基本一致,差别在300m范围以内。2011年生态调水量最大,湿地日渗透补给量最大,因而调水对地下水的影响范围最大;2010年为首次试验性调水,湿地日渗透补给量较小,因而调水对地下水的影响范围相对较小;2013年湿地日渗透补给量最小,故调水对地下水的影响范围最小。

5结语

黄河三角洲刁口河生态补水是为改善刁口河流路生态环境、逐步恢复刁口河流路输水输沙功能而实施的一项重大治黄实践活动,取得了较为显著的生态环境效果。本研究以2010年以来实施的黄河三角洲刁口河流路恢复过水及湿地生态补水为基础,建立了黄河三角洲刁口河流路及尾闾湿地地下水数值模型,模拟了刁口河及尾闾湿地补水前后地下水变化状况,结果表明:

a. 刁口河及尾闾湿地生态补水对周边地下水具有积极补给作用,在2010年、2011年、2013年生态补水期间,刁口河沿岸地下水渗漏量分别为10.2万m3/d、10.6万m3/d、9.2万m3/d,刁口河尾闾湿地周边地下水渗漏量分别为1.4万m3/d、2.7万m3/d、1.03万m3/d。

b. 随着刁口河及尾闾湿地水资源的补给,一定范围内的地下水水位抬升明显。其中刁口河补水对沿岸地下水的抬升影响范围在950～1100m之间,地下水水位最大抬升幅度在60～80cm之间,与河道距离越远,地下水水位抬升幅度越小;刁口河尾闾湿地生态补水对周边地下水水位抬升影响范围在800～1100m,地下水水位最大抬升幅度在35～46cm之间。

c. 根据模型分析结果可知,影响黄河三角洲地下水的首要因素仍为降雨,但生态补水成为汛期稳定高效补充地下水的有益措施。随着多年持续不断的补水,刁口河尾闾湿地生态环境得到修复,两岸生态恶化趋势得到一定程度的遏制,黄河三角洲尾闾生态状况得到显著改善[8]。

d. 黄河三角洲地下水流数值模型较好地实现了对黄河三角洲地下水动态模拟,所得数据可以满足黄河三角洲地下水研究要求,为开展刁口河补水的生态效益分析提供了有力支撑。

由于研究区内地下水埋深较浅,在补水的作用下地下水水位抬升明显,在夏季蒸发强烈的作用下,有可能在补水结束后引起地下水中盐分上升并在地表聚集,加重研究区内土壤盐渍化,然而受资料限制,暂时未能对其进行研究分析,这将是下一步研究的重点。

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