关于三江平原地下水资源计算参数的研究

2019-01-04梁贞堂

水利科学与寒区工程 2018年12期

韩梅，梁贞堂

(1.黑龙江大学水利电力学院，黑龙江哈尔滨 150080； 2.黑龙江省水利水电勘测设计研究院，黑龙江哈尔滨 150080)

三江平原东起乌苏里江、西到汤旺河及牡丹江分水岭、南至兴凯湖及绥芬河分水岭，区域面积10.57×104km2，占黑龙江省总面积的23%；其中，平原区面积5.80×104km2，占三江平原区域面积54.9%[1]。现有耕地439×104hm2，水稻种植面积205×104hm2；分别占黑龙江耕地、水稻种植面积的29.9%和50.9%[2]。

三江平原多年平均降水量550 mm，多年平均蒸发量700 mm；干旱指数1.0～3.0，属半湿润、半干旱地区。

多年来，三江平原以“地下水资源丰富”著称[1-4]。随着三江平原城市化进程的加快及大面积旱田改水田，地下水资源开采量逐年增加，导致局部地带出现了地下水开采漏斗[1]。全省83个评价单元中，三江平原的平原区均属于严重超载区[5]；区内地下水开采率达113%，其中，挠力河流域达162%，七星河流域超过200%[6]。因此，进一步研究确定三江平原地下水资源量的计算参数具有重要意义。

1 三江平原地下水资源量与计算参数存在的问题

1.1 三江平原地下水资源量

三江平原各分区地下水资源量与平原区可开采量的现有成果见表1[1-3]。

表1 三江平原各分区地下水资源量现有成果表

从表1可知：平原区地下水可开采水量最大为171.7 mm(单位面积的水深)，最小仅为51.4 mm，相差3.34倍；且同抚地区的可开采水量>地下水总量；显然，表1 中的数据有待商榷。

1.2 地下水资源量计算的方法

三江平原地下水资源量的计算对象是区域内与大气降水、地表水体有直接水力联系的浅层地下水的总量。地下水补给量是指在天然状态下，单位时间进入含水层的水量，包括：大气降水入渗量、山前地下水径流流入量、地表水体(江河、湖泊、水库)渗入量、农田渠道灌溉渗入量。地下水可开采量是指在经济合理、技术可行的开采条件下，不发生地下水水位下降、水质恶化、地面沉降等问题，可供开采的地下水水量。研究评价中，地下水的可采资源量基本等于补给量，以确保地下水资源的平衡。经分析，在三江平原平原区地下水总补给量中，大气降水的入渗量占76.06%，山前地下径流流入量占2.42%，江河水体渗入量占13.78%，农田渠道灌溉入渗量占7.74%[3]。因此，大气降水入渗系数α、含水层渗透系数k、农田灌溉田间入渗系数β与地下水位年纪变幅h就成为了研究地下水水资源量的主要计算参数。

1.3 主要计算参数的取值

不同文献中对主要参数的取值如表2所示。

表2 不同文献中地下水主要计算参数的取值

从表2可知：主要计算参数因不同作者而有不同的选取，同样对三江平原地下水资源量也会因不同作者的计算，而出现不同的数值。

2 主要计算参数α、β的论证

因大气降水的入渗量占到了地下水总量的76.06%，从表2可知入渗系数α均是经验取值，

因此α是本次论证的重点。随着农田灌溉面积的增加，入渗系数β也是论证的重点。

2.1 α的论证

文献[10]给出了原北京水文地质一大队根据北京西郊廖公庄均衡试验场的资料，得出的几种地下水埋深和5种岩性的年降水入渗系数α，如表3所示。

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表3 各种岩性多年平均降水入渗系数α(以降水的%计)

文献[10]还给出了河南省水文地质大队根据商丘均衡场资料，得出的不同气候条件下降水入渗系数α，如表4所示。

表4 不同气候条件下降水入渗系数α %

以上资料是根据各地均衡试验场地中入渗仪观测数据求得的，在有地形起伏、洼地和沟渠入渗的情况下，表中的数据可能偏小。

文献[11]利用河北省冉庄水资源实验站、安徽省五道沟水文水资源实验站、山西省太谷均衡实验站的地中渗透仪，测得降水入渗资料，对降水入渗补给系数的变化规律进行了综合分析；得出不同岩性、不同年降水量与不同地下水埋深条件下的降水入渗补给系数，如表5所示。

表5 降水入渗补给系数α %

文献[12]研究了降水入渗补给规律，如图1所示。从图1可知：在不同的岩性条件下，降水入渗系数随水位埋深(包气带厚度)的增加而减小，降雨入渗系数在1 m左右达到最大，1 m以下降雨入渗系数逐渐减小，并在大于3 m后趋于稳定。降水入渗时存在一个地下水最佳埋深，此时入渗量与降水入渗补给系数最大，当地下水埋深大于最大埋深稳定点后，降雨入渗补给系数基本趋于稳定。

图1 不同地下水埋深降雨入渗补给系数

文献[13]采用溴示踪法研究华北平原山前冲积平原和中部平原有灌溉和无灌溉区域的地下水补给，得到研究区平均地下水补给量为126.10 mm，平均补给系数为18.5%，有灌溉实验点的补给量和补给系数均大于无灌溉实验点。

文献[14]根据地下水资源系统数值模拟模型，利用历史系列观测资料，反求出了河南省安阳市平原地区的4个县的降水入渗补给系数值；当降水量PN在(500 mm

2.2 β值的论证

由于三江平原地区主要是水田灌溉，形成的灌溉水层必将对地下水形成补给，因此对补给系数β值的取值进行研究很有必要。

文献[10]根据长期观测资料得知，当一次降水在50 mm以上时，对地下水的补给较明显，一般灌溉的灌溉定额在50×15 ～70×15 m3/hm2，相当于降水75～105 mm，这就必然形成对地下水的灌溉入渗补给。在一些井河双水源灌区，引河水灌溉一次(约20 d)，地下水位可由埋深4～5 m变为埋深0.5 m。根据河南省新乡市引黄人民胜利渠忠义灌溉试验站资料，不同灌水量与地下水补给量关系如表6所示。

表6 灌溉水入渗补给量

文献[15] 为准确估计内蒙河套灌区灌溉水入渗补给地下水量，采用试验研究与数值模拟相结合的方法，分别根据灌水前后地下水位变化和土壤含水率变化计算了灌溉水入渗补给地下水系数，得到作物生育期(最大灌水量183.72 mm)灌溉补给地下水系数为15%，秋浇灌溉(灌水量491.00 mm)补给地下水系数为30%。河套灌区地下水位埋深相对较浅，通过灌水前后的土壤含水率变化情况和数值模拟结果显示：灌水2～4 d补给地下水量达到最大，8～10 d后即完成对地下水的入渗补给，不同灌水量灌溉水入渗规律基本一致，入渗补给量和入渗时间与灌溉水量直接相关。

文献[16]在三江平原宝清县三江试验站进行了试验，研究了不同灌溉模式下水稻在生育过程中的需水规律及水稻的水分利用效率。结果表明：控制灌溉水稻生育阶段蒸发蒸腾量293.3 mm时节水效果最好；湿润灌溉生育阶段蒸发蒸腾量373.2 mm时水稻产量最高；淹灌生育阶段蒸发蒸腾量544 mm时灌溉水分利用效率最小。三种灌溉模式的土壤渗漏量均为219 mm，分别占三种灌溉模式水稻需水量的42.7%、37.0%、28.7%。

文献[17]给出了三江平原北部地区8个灌溉试验站的水稻作物灌溉试验数值。现将田间渗漏量、作物需水量、田间耗水量综合分析，可得出渗漏量的比率，如表7所示。

表7 三江平原北部地区灌溉试验站渗漏量比率表

综上，水田的灌溉水入渗量涉及土壤土质、灌溉定额、灌溉方式、水稻品系等，其入渗系数β取为25%。

3 对α、β取值的评价分析

3.1 耕地的综合平均渗透系数k分析

三江平原面积广袤，土壤种类多样，很有必要对耕地土壤的综合渗透系数进行计算，以与α、β对比确定其正确性与合理性。文献[1]给出了三江平原耕地土壤的分类数值和各类土壤的渗透系数，采用加权计算方法，得出综合平均渗透系数，如表8所示。

表8 三江平原土壤综合渗透系数k计算表

从表8可知：如果每年降水中有20 d形成下渗补充地下水，则形成的下渗深度分别为3.26 m和1.56 m；按土壤给水度为0.1计算，则形成的地下水量分别为326 mm和156 mm；均大于多年平均降水量的20%。对于水田而言，去掉渗水严重的暗棕壤和其他土类，平均渗透系数为0.024 m/d，每年有水层的时段(含泡田期)大于80 d，故形成的下渗深度大于1.92 m，形成的地下水量大于192 mm，接近表7中田间平均耗水量的30%。

3.2 从三江平原北部地区的径流深p分析

文献[3]给出了三江平原北部地区的降雨径流深研究成果，见图2。

图2 三江平原北部地区的多年平均径流深(单位：mm)

从图2可知：三江平原北部平原地区的径流深小于100.0 mm(多年平均降水量的17.5%)，大部分地区小于75.0 mm(多年平均降水量的13.2%)。根据表1，安邦河、挠力河、同抚和萝北地区多年平均降水量为574.0 mm,按最小值521.7 mm计算，至少有446.7 mm的降水处于蒸发和渗漏状态。通常降水期间渗漏量是大于蒸发量的；再者图2是根据蓄满产流模型计算的，因此，该地区的入渗降水量应当大于230.0 mm。

3.3 典型试验区研究成果

黑龙江省八五○农场坐落于完达山南麓，穆棱河北畔；始建于1954年，总土地面积527 km2，平原区面积363 km2；1997年开始种植水稻，当年种植面积0.87×104hm2，至2017年，井灌水田面积已达到2.43×104hm2，占平原区面积的67%，是地下水开采强度最大的农场。其平原区是第四纪冲积洪积区，地表覆盖0～4 m的亚砂、亚黏土，下有20～80 m的砂、砾石含水层，是三江平原典型的潜水区。

文献[18]给出了八五○农场1997—2006年地下水开采的观测研究成果，见图3。