地表水与地下水水循环要素模拟模型初步研究——以松嫩平原为例

周光涛

科技成果

(黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080)



地表水与地下水水循环要素模拟模型初步研究
——以松嫩平原为例

周光涛

科技成果

(黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080)

摘要：松嫩平原是黑龙江省的重要粮食产地，是水资源的重要利用区，文章通过建立松嫩平原地区地表水和地下水水循环要素模型，对水资源配置后地表水和地下水开发利用的合理性进行分析论证。

关键词：松嫩平原；供需平衡；模型；水资源配置

松嫩平原位于黑龙江省西部，以完整的水资源分区确定的松嫩平原(下同)地理坐标E44°4′～51°38′、N122°28′～128°43′，北及东北起自大、小兴安岭山脊，南至松花江干流和吉林省边界，西与内蒙自治区的呼伦贝尔盟及吉林省接壤，东以呼兰河庆安县和岔林河、枷板河、阿什河、拉林河及蚂蚁河流域分水岭为界。全区土地总面积16.24 万 km2，占全省面积的35.7%，其中平原区面积为11.88 万 km2，占全区总面积的73.1%；山区及丘陵区面积为4.36 万 km2，占全区总面积的26.9%。区内河流主要为嫩江流域及松花江干流上游段，主要河流有嫩江干流及其支流卧都河、固固河、门鲁河、科洛河、讷谟尔河、乌裕尔河、双阳河、诺敏河、阿伦河、音河、雅鲁河、绰尔河；松花江干流及其支流阿什河、拉林河、呼兰河等共计17条主要河流。

松嫩平原盐碱化土地面积较大，是世界上三大片苏打盐碱地集中分布地区之一，而且重度盐碱化土地面积仍以每年1.4%的速度扩展；于此同时，松嫩平原地区为黑龙江省的重要粮食产地，是水资源的重要利用区，研究掌握其地表水、地下水转化规律，建立这个地区的水循环要素模型有重要的意义。

1基本原理

地表水、地下水转化及水资源配置模型是个复杂的二元结构模型系统, 文章针对由河网、湖泊、水库、沼泽等地表水和地下水构成的复杂而完整的水循环系统, 研究影响水资源利用保护的主要因素, 建立地表水、地下水联合水资源配置的多目标模型, 在不同的工程条件下, 对不同的需水方案进行供需平衡分析, 提出不同水平年的水资源合理配置方案。供需平衡模拟应体现区域内地表水、地下水频繁转化的特点, 并能概化反映河道渗漏、泉水出溢、潜水蒸发、渠系入渗、田间入渗、人工开采等平衡要素[1]。

模型系统主要包括： ①地下水均衡模型；②地下水有限元计算模型；③供需平衡及水资源配置模型等。其中地下水均衡模型用于不同水资源配置方案地下水的补给、排泄平衡计算；地下水有限元计算模型主要用于分析地下水流场的变化规律；供需平衡及水资源配置模型用于灌区水资源供需分析及地表水、地下水联合配置方案计算。单元地表水、地下水二元结构模型概化见图1。

图1　区域地表水、地下水二元结构模型概化图

2数学模型的建立

2.1建模依据

建模的主要依据为“水量平衡 ”这一基本原理， 在较大范围的区域性平原区地下水资源评价中，由于水文地质条件和影响因素复杂，因此多采用水量均衡法。对于某独立的水文地质单元来说, 在补给量和排泄量不平衡的发展过程中, 任一时段的补给量和排泄量之差, 等于其内部水体的变化量。基本方程为：

±μFΔH/ΔT=(Q入-Q出)+(W补-W排)

(1)

式中：μ为区内含水层的平均给水度;F为均衡区含水层的面积;ΔT为时段(或均衡期);ΔH为在ΔT时段内水位的平均变幅;Q入、Q出分别为地下水侧向流入、流出量；W补、W排分别为垂直补给量、排泄量。

以为计算分区, 进行均衡区地下水补给项、排泄项的计算。建立数学模型：

(q山前侧入+ q河+ q侧入+ q降凝+ q渠+ q田+ q回补)

-( q蒸+ q侧出+ q泉+ q开采)=Δw

(2)

式中：q山前侧入为山前侧向入渗量；q河为河道入渗量；q侧入为断面侧向入流量；q降凝为降水及凝结水入渗量；q渠为渠系水入渗量；q田为田间水入渗量；q回补为工业、生活用水回补入渗量；q蒸为潜水蒸发及植物蒸腾量；q侧出为断面侧向出流量；q泉为泉水出溢量；q开采为人工开采量；Δw为地下水均衡差。水量单位均为亿m3。

2.2计算均衡要素

2.2计算均衡要素

1)降水凝结水入渗量q降凝。q降凝受次降水量、地下水埋深、土壤性质、雨强及前期土壤含水量的影响。采用公式q降凝=Fα计算。其中F为有效降雨入渗面积，按不同地下水埋深计算；α为降雨入渗系数，与地下水埋深有关，不同埋深采用不同系数。

2)潜水蒸发蒸腾量q蒸。潜水蒸发蒸腾是指地下水通过毛细作用上升到地表面蒸发损失的水量，其大小与地下水埋深、土壤土质结构及植被情况有关。采用公式q蒸=Fαβ计算。其中：F为有效蒸发面积，按不同地下水埋深计算；α为蒸发系数，与地下水埋深有关，不同埋深采用不同系数；β为裸区与灌区蒸发强度折算系数。

3)河道入渗量q河。一般情况下，按单元渗漏率或输水量的百分数计算。

4)渠系水入渗量q渠。渠系水入渗指灌区引水在渠道输水过程中，因渠系渗漏而入渗补给地下水。计算模型为：q渠=q引(1-α)(1-β)

式中：q引为灌区渠首引水量；α为渠系水利用系数，包括干、支、斗渠综合系数；β为包气带消耗系数。

5)田间水入渗量q田。q田按下式计算：q田= q灌(1-α)(1-β)

式中：q灌为进入田间的供水量；α为田间水的利用系数；β为包气带消耗系数。

6)断面侧向入流及出流量q侧。山前侧渗补给、断面侧入和侧出均按达西定律计算，即q侧=TBIsinα

式中：T为导水系数；B为断面宽度；I为水力坡度；α为地下水流向与断面夹角，根据等水位线量算。

7)泉水出溢量q泉。区域内泉水出溢主要分布在洪积扇缘的泉沟和河流的河道，对其线、点状量模拟非常困难，故模型开发中按面状考虑。即：q泉=Fα。其中F为泉水出溢面积，根据当地水文地质部门调查资料确定泉水出溢区，假定地下水埋深3m以内均为泉水出溢面积；α为单位面积泉水出溢强度。

8)人工开采量q开采及工业、生活用水回补渗量q回补。人工开采量考虑开采能力和允许可开采量限制；工业、生活用水主要为人工开采地下水，按排水量回补入渗系数计算入渗量，与人工开采量综合考虑。

2.3地下水数值计算模型

1)水文地质条件概化：模型区地下水的主要补给来源是河水、渠系水、田间水的垂直入渗，而泉水溢出、蒸发和人工开采是主要排泄方式。模型区周边皆为二类流量边界。山区边界沿山前大断裂分布，流入量主要为基岩裂隙水侧向流入和河谷潜流。

2)数学模型的概化：模型区南半部地下水为潜水、北半部存在承压水，宜采用潜水—承压水数学模型。鉴于区域内均有不同程度的地下水开采，特别是嫩左低平原区，地下水已经超采近120%。地下水模型概化为非均质各向同性二维流潜水模型。

(3)

式中：h为含水层水位标高，m；b为含水层底板标高，m；k为含水层渗透系数，m/d；μ为含水层给水度；Wb为各补给项强度之和，m3/(km2·d)；Wp为各排泄项强度之和，m3/(km2·d)；q为流量边界单宽流量，m3/(m·d)；г2为流量边界代号；n为边界上的内法线方向。

2.4定解条件

1)有限元剖分：采用三角剖分法将模型计算区剖分为三角形单元，进行单元编号和节点编号，区分内节点、边界节点。模型区供剖分为1194个单元、其中内节点629个、边界节点565个。

2)参数分区：模型区涉及到的水文地质参数主要为渗透系数k、给水度等。根据区域地质条件及前期研究成果进行参数分区，模型区参数取值范围：k值为0.1～150m/d，μ值为0.1～0.35。为便于计算，参数分区边界大体以水系轮廓为基础，按不同埋深划分为30个参数区。

3)初始流场：以2012年水位统测结果为基础，结合地下水动态长期观测资料，绘制1月份等水位线图为初始流场。

4)源汇项处理：计算区地下水主要靠河水、渠系水、灌溉水、降水凝结水入渗及便捷流入补给。消耗于蒸腾蒸发、泉水溢出和人工开采。有关参数的选取主要依据多年来区域内有关研究报告和水利部门研究成果，地下水补、排量由均衡计算求得。

模型区属区域性模拟计算区，范围巨大，区内农业发达，干支渠密布，区内河流干流因水库众多，因此将河水入渗、渠系水入渗、灌溉水入渗、降凝水入渗、蒸腾蒸发和人工开采量均处理为面状量，按各小区域不同埋深均衡计算结果，以单位面状量表示。

2.5供需平衡及水资源配置模型

基于上述地下水均衡模型、地下水数值计算模型、以满足最严格三条红线确定的区域用水为基本约束，以小流域为单元，对地表水来水、泉水出溢、地下水开采量进行联合配置，分析各区的供需状况、耗水状况，对松嫩平原各重要控制断面进行水量平衡。

2.6率定参数

根据松嫩平原各区现状供用水情况，并结合地下水2012年各观测点实测水位成果，松嫩平原各区地表水及地下水模拟结果，见表1。

通过对各区建立模型，可以看出各区供水量计算中地下水和地表水供水量与实际比较符合，与区内实测地下水观测点资料对比，潜水水位拟合差均在0.5m以内，且初始流场与计算流场一致。

从检验结果可以看出，模拟计算共15次，误差在10%以内，符合《水文情报预报规范》定的计算标准，模型较好的反应了地下水变化的实际情况和各区的供用水情况，可用于松嫩地区地下水位变化的预测和地表水、地下水联合水资源配置。

3模型应用

根据上述构建的模型参数，以及松嫩平原规划水平年需水成果,根据本次推荐水资源配置方案，模拟河道渗漏、泉水出溢、潜水蒸发、渠系入渗、田间入渗、人工开采等平衡要素变化情况，模拟成果见表2。

松嫩平原的水资源总量为226.2 亿 m3，其中多年平均地表径流量155.5 亿 m3，地下水可开采量81.7 亿 m3。由表3～6可知，本次资源配置后，总供水量159.35 亿 m3，其中地表水供水量111.68 亿 m3，地下水供水量46.68 亿 m3，扣除引提过境水供水量，内河流域水资源开发利用程度为38.06%，平原区地下水开发利用程度57.14%。地表水和地下水的开发利用程度较为合理，且将观测点潜水埋深与现状对比可以看出，潜水层深度也达到较适宜深度。

表1　松嫩平原供水水源模拟成果表　亿m3

表2　水资源配置模拟成果表　亿m3

4结语

1)松嫩平原地区的地表水和地下水之间有规律、大数量、反复的转化过程反映了水循环系统的复杂性，也反映了地表水与地下水之间不可分割的内在联系，松嫩平原地区是黑龙江省西部的重要粮食产地，是水资源的主要利用区，研究掌握其地表水地下水的转换规律，可成为本地区水资源开发利用和保护的基础。

2)文章中建立的地表水和地下水循环模型，可以对不同水资源配置方案情况下的地表水开发利用程度和地下水开采进行预测，从而分析方案配置的合理性，对松嫩平原地区的水利工程开发建设具有一定的指导意义。

参考文献：

[1]李福生，侯红雨.黑河中游地表水、地下水转化及水资源配置模型[J].人民黄河，2008，30(08)：64-66.

Preliminary Research of Water Circle Elements of Surface-water and Groundwater in Songnen Plain

ZHOU Guang-tao

(Heilongjiang Provincial Water Conservancy & Hydroelectric Power Investigation,Design and Research Institute, Harbin 150080, China)

Abstract：The Songnen plain is an important grain production origin and the important use area in Heilongjiang Province. By building the surface-water and groundwater circle model in the Songnen plain, this paper is to analyze and discuss the reasonability of surface-water and groundwater development and use after the allocation of water resources.

Key words：Songnen plain;balance of supply and demand;model;allocation of water resources

中图分类号：P641.8；TV213.4

文献标识码：B

[作者简介]周光涛(1979-)，男，山东蓬莱人，高级工程师。

[收稿日期]2015-10-28

文章编号：1007-7596(2016)01-0001-04