巴音河河床硬质化对地下水循环模式的影响研究

2020-07-24韩启霞宋润峰顾小凡犹香智屠子倩

中国农村水利水电 2020年7期

韩启霞，宋润峰，顾小凡，常亮，犹香智，屠子倩

(1.青海省水文水资源勘测局德令哈分局，青海德令哈 8100072；2.中国地质调查局西安地质调查中心，西安 710054；3. 中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司，西安 710075.)

中国西北干旱区具有高寒和干旱的气候特征，山系与山间盆地相间分布的地表结构[1]。地表水和地下水构成典型的河流-含水层系统，二者频繁转化，相互依存、相互制约、是一个不可分割的整体[2]。其中河流作为连接上下游地区的纽带，对盆地内的水资源量的空间分配起到决定性作用，同时也是盆地地下水循环模式的重要控制因素。而人类活动通过人工开采、农业灌溉、修建水利工程等方式对河流水资源量进行重新分配，影响地表径流和地下水的补给机制，进而影响地下水循环模式的特征[3]。目前，针对人类活动对水循环的影响作用，许多学者从不同的角度和方面进行了探究。山前平原区水库的修建对下游地区人工取水[4]、盐渍化的空间格局[5]、下游地下水位[6]、流域径流量[7]都将产生不良的影响。引水灌溉人为地改变了地下水的补给机制，从而引起了区域地下水的动态特征[8]和地下水时空特征[9]发生改变。对于水源地开采的地下水流系统和生态环境影响研究更是热点领域，已经积累了许多研究成果。在综合研究方面，在黑河流域[10]、格尔木和流域[11]、那棱格勒河流域[12]都开展了不同程度的研究，并取得了较多子成果。而有关河床硬质化对地下水循环模式的报道目前还比较少，以往的研究多数采取的是水文统计和区域数值模拟的方法，而利用剖面二维流数值模拟的手段来进行分析和研究也并不多见。因此，本文基于研究区的地质与水文地质资料，采用数值模拟方法，划分地下水流系统，通过对比河床硬质化前后地下水循环模式，分析和探讨河床硬质化的影响作用，以期为流域水资源合理开发利用提供参考。

1 研究区概况

研究区位于柴达木盆地东北部的德令哈盆地，北面以宗务隆山为界，南抵德南丘陵，东至黑石山水库—布赫特山—尕海湖一线，西接可鲁克湖。地形总体由东北向西南倾斜，近山麓带坡降较大，山前平原开阔平坦。中部由于德令哈隆起的阻拦，将山前平原分割成两个扭曲钳形地块。

研究区属于典型的干旱大陆气候，降水量小，蒸发量大。区内地下水的主要补给包括：巴音河水渗漏补给、灌溉水回归补给、山前平原地下水侧向径流补给和埋深小于5m区域的降雨入渗补给。研究区内地下水主要排泄方式包括：以泉水形式溢出地表形成泉集河、地面蒸发和植物的蒸腾、以地下水径流方式补给尕海湖和可鲁克湖以及人工开采。

巴音河向南流出德令哈市区以后，河水大量渗漏补给地下水，径流至一棵树附近时，由于岩性变细和德南丘陵的阻拦作用，地下水大量溢出汇集成泉集河后重新注入巴音河，并转向西北方向，最终以河水和地下径流的方式流入可鲁克湖。在地下水径流过程中，受到岩性和地形地貌的影响，地下水由单一的大厚度潜水转变成为承压(自流)水，含水层也由单层结构孔隙潜水含水层系统转化为多层结构地下水承压(自流)水含水层系统。

2 剖面地下水流数值模拟

2.1 水文地质概念模型

本次模拟选取自黑石山水库至可鲁克湖的沿河剖面(见图1)，模拟区总长度56 604 m，单宽1 m，厚度取整个第四系厚度。模拟区北部AF边界(见图2)，存在来自北部山区的侧向补给和水库的地下渗流，将其概化为流量边界；顶部AC边界概化为河流边界，对于河床硬质化段，设置入渗系数为零；顶部CD边界，取可鲁克湖平均水面高程，概化为定水头边界；其他边界均概化为隔水边界，与外界不存在水力联系。模拟区上游含水层为单层潜水层，下游地区含水层呈潜水-承压水多层结构分布，潜水和承压水力联系密切，由于模拟区内承压含水层资料很少，且分布过于密集，本次模拟时也将其概化为单层潜水含水层结构。含水层岩性受到水动力条件和沉积环境影响，从上游至入湖口含水层颗粒逐渐变细，具有不均匀性，但不同方向上渗透系数变化较小，因此将其概化为非均质各向同性二维稳定流模型。

图1 研究区地貌及剖面位置

图2 模拟区概化剖面图

2.2 地下水流数学模型

(1)

式中：H为地下水水头，m；K为渗透系数，m/d；W为垂向水量交换强度，m3/(d·m2)；q为第二类边界上的单宽渗流，m2/d；n为边界外法线方向；Ω为模拟区范围。

2.3 模型求解与验证

本次采用MODFLOW软件进行地下水流数值模拟。首先对模型在空间上进行离散，河流方向上采用200 m等间隔剖分为284列，垂向上采用不等距剖分为9层。再利用剖面上的钻孔资料，结合水文地质条件对模拟区进行渗透系数分区，得到分区17个。最后将区域上的源汇项数值，折算为单宽流量代入模型，进行稳定流模拟。本次模拟选取的源汇项数据是2016年6月到2017年6月的实测数据，其中在巴音河出山口、河床硬质化结束段，溢出带一棵树处以及入湖口处分别设有4个河水位及河水流量断面监测点(如图1所示)，河床渗透系数采用水头下降竖管法及双环入渗仪进行测定，本次实验共测定53组河床渗透系数，具体实验过程及数据见参考文献[13]，底部各岩层渗透系数均根据附近钻孔抽水试验数据求取。

将模型模拟结果与地下水动态观测资料、氚和碳14同位素测年结果对比，对模型参数进行修正，通过反复调整，得到能客观反映实际情况的地下水流数值模型。

3 剖面地下水循环模式

3.1 地下水流系统特征

基于上述地下水流数值模型，获得了地下水水头分布、流线和水量均衡关系，运用Toth创建的重力驱动的地下水流系统理论[14,15]，将模拟产生的地下水流系统划分为局部、中间和区域三级地下水流系统，见图3。

图3 地下水流系统分布

局部地下水流系统：主要分布在山前冲洪积扇的大厚度潜水区域，最大发育深度150 m。地下水主要接受河水渗漏补给，经浅层径流后，在下游溢出带开始排泄补给河水，经沿途蒸发后全部排入湖泊。在该区域，地势高，地形坡降大，岩层透水性能好，地下水径流强烈，流速基本大于0.4 m/d，属于地下水积极循环带，平均滞留时间小于200 a。

中间地下水流系统：随着局部水流系统的消失，中间地下水流系统开始发育。地下水来源主要是来自北部的河谷潜流补给，发育深度可达400 m，在细土平原带上排泄于河水，最终消失在可鲁克湖附近。该区域自上游向下游地势变缓，岩层颗粒变细，透水性变差，且地下水流动路径增加，地下水流速介于0.04～0.4 m/d，属于中等循环带，平局滞留时间小于5 000 a。

区域地下水流系统：发育于整个盆地的底部，地下水来源主要是来自北部的侧向补给转化而成的河谷潜流，经过深部径流后以顶托的形式排入可鲁克湖，属于深层承压水。该区域岩层呈胶结和半胶结状，渗透性能差，地下水流速缓慢，小于0.04 m/d。属于弱循环带，地下水交替缓慢，更新能力差，平均滞留时间大于5 000 a。

利用布置在溢出带下方的水均衡单元，可以得出通过局部、中间和区域水流系统的水量比值为4.29∶1.27∶0.15。即参与局部地下水流系统循环的水量占总补给资源量的75.1%，参与中间地下水流系统循环的水量占总补给资源量的22.3%，参与区域地下水流系统循环的水量占总补给资源量的2.6%。

3.2 补排分布特征

将模型单元网格第一层全部计算单元的高程、河流数据和地下水位输出，通过计算得出地下水补给和排泄分布情况。本次计算采用的方式是利用MODFLIW内置河流模块的计算公式进行河流与地下水交换量计算，即：

(2)

式中：Qn为进出编号为n的计算单元的流量，其中正值表示河流补给地下水，负值表示地下水排泄河流；Cn表示编号为n的计算单元的河床水力导系数；Hr表示编号为n的计算单元上河流水位；Hn表示编号为n的计算单元内的地下水位；Hnrb表示编号为n的计算单元上河流的底板高程。计算结果见图4。

图4 沿程补排强度分布

由图4可以看出，沿程的补排量变化与研究区的补径排特征具有一致性：冲洪积平原上地下水接受河流的入渗补给是区内地下水的主要来源，上游河床渗透系数值较大且相差不大，故建模时取平均值代入模型，可以看出河流与地下水脱节后，入渗补给量与河流水位呈线性关系，随河流水位的下降而减少；在一棵树附近时地下水受阻开始溢出，在前缘地区河床渗透系数较大且河水位较低，排泄量明显大于下游；随着渗透系数的减小和河水位的上涨，排泄量明显减小，在下游地区还出现补排交替的情况，这说明河水与地下水转换关系在宏观上和微观上存在差异性，下游河床内存在着不同程度的交互作用，并伴随着水分、物质和能量的交换，控制着下游地区河床潜流带的生境特征。

4 河床硬质化前后对比分析

利用上述已经完成的具备良好仿真性的模型，对其上边界河流条件进行修改，利用2016.06-2017.06的实测数据结合历史资料进行反算，得出硬质化前同等径流量情况下的河流水位数据，以达到消除硬质化的效果，使之恢复到天然河床的入渗性能。再次运行模型后，将两种情况下的水循环模式进行对比，见图5。

图5 河床硬质化前后地下水流系统对比

在现状年(2016.6-2017.6)条件下，据巴音河水文站资料出山口处年径流量为4.337 亿m3，根据模拟结果，河床硬质化使得市区内的补给段消失，同时造成补给范围和补给量减小，16%左右的补给量直接排向下游湖泊。在地层岩性结构及补给条件不变的条件下，局部水流系统的发育宽度减小且发育深度相对减小；由于局部水流系统的范围减小，中间水流系统的范围相对变大，排泄区向上游方向偏移；而区域水流系统基本无变化，仅排湖量随着补给量的减少也相应减少。

本文利用二维地下水流数值模型对巴音河地下水循环系统进行了模拟，结合实测数据对模型进行了识别验证，评价了模型的可靠性。根据对模型上游河流边界的入渗边界条件进行改变，即有河床硬质化和无河床硬质化2种模式，根据图5中的模拟结果，通过模型的横坐标对比两者之间地下水溢出点的相对位置，可以得出在河床硬质化后，地下水溢出点向下游移动了800 m。

在河床无硬质化时，在一棵树处地下水溢出是由于在该处含水层岩性变细，含水层内的储水空间相对减少，过水能力减弱，导致地下水位上涨，在该处溢出地表。在河床硬质化后，导致上游的河流入渗量减小，因此下游接收的来水量减小，地下水位下降，地下水溢出带向下游移动。

河床硬质化改变了下游地区的补排特征，研究区地下水位下降，因为河床硬质化后地下水补给量减少，但上下游之间地形落差较大，在德令哈市区北部海拔约3 100 m，但到了入湖口处海拔仅为2 800 m左右，落差达300 m，水力梯度较大；且在下游一棵树附近由于岩性变细，含水层中沉积物之间的孔隙相对变小，大量的地下水在该区域填充孔隙，上游入渗的来水量越大，地下水溢出带位置越向上游移动，反之向下游移动，但河床硬质化后，上游的河水入渗补给量减小，上游入渗的来水量首先填充满整个下游的含水层，地下水流动受阻，在上游来水量尚未减小到某一临界值时，地下水仍会溢出地表；同时由于个别区域地形起伏及岩性介质变细，使得下游地区河流与地下水的交互作用变得更加频繁。

图6 河床硬质化前后沿程补排分布对比

在以往的研究中多认为上游河流的来水量会影响流域地下水循环。德令哈盆地作为典型的干旱内陆盆地，80%的水资源受河流补给[16]。因此上游的来水量的多少也会影响着流域的地下水的水位和水量。在旱区随着工农业的发展，农业引水力度不断增大，傍河水源地逐渐增多，也会导致流域的地下水循环条件发生改变[17,18]。但在本次研究中充分突出了河床硬质化对流域地下水循环的影响，长期以来，人们主要考虑的是河道的排洪冲淤等功能，大多采用硬质化的手段对河道进行防护，从而隔绝了河道生态系统与陆地生态系统的联系，阻碍了二者之间的物质和能量交换，导致地表水与地下水间的相互补给能力下降，尤其是在干旱半干旱地区，河川硬质化在一定程度上能起到美化城市容貌，净化市区环境的效果，但应该综合考虑对下游地下水位的影响，防治下游生态环境的退化。