南水北调通水期地下水数值模拟与补给分析

朱永广，朱昶广，许秀娟

(1.山东省济宁市水文局，山东 济宁 272000；2.南水北调东线山东干线有限责任公司，山东 济宁 272057)

1 水文地质概念模型

1.1 模型区域的划定

把梁济运河河道两侧10km范围内作为模型的研究区域，以两端边界为梁济运河入湖口为南部边界、柳长河八里湾泵站为北部边界，确定模型研究范围。模型研究范围如图1所示。

图1 模型区位置分布图

1.2 地下水监测资料收集

为开展模型研究工作，收集了关于梁济运河两侧25处水位站观测资料。区域内地下水位监测站点的均匀分布，均为潜水观测井，水位观测资料系列长度可达到要求，有效控制模型区内地下水的基本运动规律，能够满足模型研究的要求。

1.3 各个基本数据的处理

各个基本数据主要包括降水地下入渗补给量、地表水下渗量、灌溉回归补给量，针对河道水位、河底高程、河道宽度、河床地质数据、渗透系数等数据的每一项要素进行数值输入，分别确定每一项数据其赋值。

2 数值模型的确立

2.1 参数的确定

降水地质入渗补给系数的确定，可依据济宁市水文局2006年编制的《济宁市水资源调查评价报告》成果；渗透系数的赋值范围在1.65×10-5～2.45×10-3m/d之间，其中含水层的纵向渗透系数是水平渗透系数的1/10；给水度取值在0.34～0.47之间；灌溉回归补给系数取0.2；潜水蒸发系数地下水埋藏深度0～2m采用0.23，地下水埋深2～4m采用0.12。

2.2 建立模型

以收集的动态观测井资料建立稳定流模型。经反复调参试验，模型区内观测井水位的计算值与实测值拟合情况。如图2所示。

图2 模型区稳定流流场拟合图

稳定流模型的计算值与观测值的校准程度，从水头校准图可以看出，所建立的模型能够真实反映模型区的地下水流场情况。如图3所示。

图3 模型区稳定流校准程度图

根据稳定流水位观测值和计算值统计数据进行分析，稳定流水位观测值和计算值误差范围在-1.07%～1.33%之间，最大误差为1.33%，相应测井编号为M126101A，位于梁山县拳铺镇张庄村东500m，由于该测井距离河道较远，且水文地质参数确定误差影响，稳定流水位观测值和计算值误差产生较大影响。最小误差0.01%，相应测井编号为M126047A，位于韩垓镇李堂村东南50m。各测井绝对误差较小，模型区内观测井水位数的计算值与实测值拟合较好。

3 数值模拟与成果

3.1 调水资料收集

数值模拟资料选自南水北调东线试通水以来，历时较长、调水量较大的4次通水过程，将河道沿输水方向分为3段，分别由南四湖～长沟段26km、长沟～邓楼段32.3km和柳长河段21km组成。

3.2 模型成果分析

根据区域内收集的基本资料，建立了符合研究区域地下水系统的数据模型，将南水北调输水资料输入模型，并对地下水监测水位深入分析拟合，同时对区域内河道水量的渗漏情况进行研究。

以每次泵站调水开始时间作为数据模型模拟开始时间，将调水期间地下入渗补给量、潜水蒸发量及地表水水位等数据以日为单位，划分为不同的应力期进行数据赋值输入模型。通水期结束时间作为数据模型模拟结束时间，分别求得模型的RMS值、标准化RMS、相关系数，检查其是否达到了精度的要求，如果模型模拟的RMS值<1m、标准化的RMS值<10%的情况下，说明对精度的要求已经达到了模拟结果，也能够反映出模型区地下水流场的实际情况。各次调水模拟赋值及计算成果见表1。

通过表1可以看出，4次调水模型的计算值与观测值的校准程度较好，在模型模拟结果收敛情况下，模型的RMS值均<1m，标准化RMS均<10%，相关系数均>0.90，达到了精度的要求。在模型水均衡区，统计四次调水总渗漏量、日均渗漏量及各河段总渗漏量、日平均渗漏量、占用调水量比例进行了计算统计分析，具体如下：

2013年6月9日调水时段输水对区域地下水补给量较大，补给区域主要集中在柳长河段与长沟泵站至邓楼泵站段，本次通水时段处于麦收、播种季节，受农业灌溉水量的影响，地下水大量的采集，造成地下水位大幅度下降(水位平均下降到33.6m)。本时段利用河道输水对地下水大量补给，由于水农灌对地下水需求量的增加，区域内地下水位仍持续下降。

表1 输水河段数值模拟成果统计表

2013年10月23日通水时段在本次49d的通水过程中，梁济运河及柳长河输水河道渗漏量总数为76.6万m3，渗漏量平均值为1.56万m3/d。本时段河道输水渗漏量较小，分析其原因，主要是本次调水处于年末，区域地下用水量较小，对地下水开采量减小，因此地下水位基本稳定，并且处于较高状态(此时段地下水位平均值为34.3m)，同时河道水位与地下水位之间的水力坡度较小，使地下入渗水量降低。但综合来看，该时段内输水仍然对地下系统有一定补给。

2014年5月13日调水时段，梁济运河及柳长河输水河道总渗漏量为197.1万m3，平均渗漏量为16.43万m3/d。本次通水受农业灌溉影响，地下水的采集量的增大，使得地下水位急剧降低(该时段地下水位平均值为33.3m)，与第一次通水地下水位仅相差0.3m，相对差距不大。同时梁济运河河槽输水量较大，加强了河道输水与地下水位之间的水力坡度，致使汛期几个月河道渗漏量的增大。两次通水过程中渗漏量的平均值基本相当，只是此次通水时间短于第一次通水时间，致使总渗漏量小于第一次通水。

2015年4月26日调水时段梁济运河及柳长河输水河道累计渗漏量达704.0万m3，平均20.11万m3/d，与其他通水时段相比，河道渗漏量为历次通水中最大。由于此时段处于麦收季节，对地下水的开采，降低了地下水位，该时段地下水平均水位为32.9m，使得河水位与地下水位之间的水力坡度增大，两者之间的水力联系加强。在此次通水末期，在嘉祥县东部靠近输水河道的区域地下水位有较为明显的抬升，升幅约0.5m。在地下水位呈下降趋势的五六月份，该区域地下水位的抬升应是由于输水河道的渗漏补给引起的。

4 结论

(1)汛期前河道渗漏量

每次通水中，有三次通水时间处于4、5、6月，分别是2013年6月、2014年5月和2015年4～5月，此段时间的日平均渗漏量值在15～21万m3/d之间。在本时段内河道输水对地下水的补给量较大。

(2)汛后河道渗漏量

在历年通水过程中，2013年河道输水的日平均渗漏量值为1.56万m3/d，本时段河道输水渗漏量较小，本次于年末调水，农灌水量的需求较小，地下水采集量降低，河道输水时段河道水位与地下水位之间水力坡度变小，从而造成了地下入渗水量的降低，但河道通水对地下水还是有补给的。

(3)水力坡度是决定河道渗漏量大小的主要因素

在历年通水中，汛前通水时段，由于农田灌溉，地下水使用量较大，使得地下水位急剧降低，同时梁济运河河槽内的输水量较大，河道输水与地下水位之间的水力坡度增强，造成汛期前几个月河道渗漏量的增大。另外，在汛期过后的2013年10月通水时段，受汛期降水影响，区域内地下水位处于回升状态，同时水力坡度的减小，通水时间虽然较长，但与历次通水比较，其渗漏量反而是历次通水以来最小的。

(4)河道输水渗漏主要集中在长沟～邓楼段

在历年通水中，长沟河至邓楼段河道渗漏量占比最大，其次是柳长河段，最小的则是南四湖入湖口至长沟泵站段；在2013～2015年汛期的三次输水中，各河段渗漏量占比变化并不大，柳长河段占比约为16%，邓楼～长沟河段占比约为74%，南四湖～长沟河段约为10%。2013年底通水中，各段渗漏量占比有所变化，其中邓楼～长沟的渗漏量较大，占比48%；其次是柳长河占比达32%；最小的依然是南四湖～长沟河段占比20%。