鄱阳湖地下水时空分布模拟研究

摘 要：本文选取典型洪泛地区作为研究对象，通过建立地下水流的二维数值模型，对地表水转换及水资源变化进行数值仿真。研究结果表明：洪泛区主湖区与周围地下水的动力补充格局受季节的影响较大，其中干旱期与退水期是地下水补充最多的时段，而湖泊补给地下水主要发生在涨水和高洪水位时期。总体来说，洪泛区的地下水水位和湖泊水位的年度变动趋势是相似的，在靠近主湖区的区域，地下水水位变动幅度很大，在多数洪泛区，地下水水位变动幅度很小。在主湖区周边地区，地下水的流量比洪泛区要大。

关键词：洪泛区；地下水；数值模拟；洪水过程；水流量

中图分类号：X 17" " 文献标志码：A

洪泛湿地是一种重要的湿地类型和流域尺度上重要的生态系统，在全球范围内约有15%的湿地。从水循环的观点来看，洪涝湿地是大气降水与地表径流、地下水等物质交换的关键分界线，在洪涝的作用下，地表-地下水交换往往表现出很强的动态与敏感特征。洪泛湿地中的表层和地下水文过程的季节变异，会对流域内的水流界面、养分交换、泥沙沉降等产生显著影响，从而驱动着流域内物质、能量和信息转换与转移。在世界范围内，广泛关注洪泛湿地的表层与地下水文学[1-3]，而表层与地下水文学间的相互转换关系不仅是对湿地生态系统的基本认识，而且对湿地进行治理与保护具有十分重要的意义[4-6]。

针对我国湖泊水文情势改变等问题，本文研究流域水文情势与水文情势的关系，这对优化配置流域水资源，促进湿地系统的健康发展，都有十分重要的意义。

1 工程概况与研究方法

1.1 工程概况

本研究选取的流域南北长约为173km，东西最大宽度约为74km，北部人江水道最窄处宽度约为2.8km，湖岸线总长达1200km。鄱阳湖流域三面环山，周围高中间低，地形高程变化为30～2200m。鄱阳湖地处亚热带暖湿季风气候区，年内降水量分布不均，加上流域五河来水变化，导致其具有高度变异的湖泊水位变化特征。湖泊洪、枯季节的水位差可达15m，形成“洪水一片，枯水一线”的独特洪泛特征。鄱阳湖主湖区位于中心位置，鄱阳湖的周边地区，分布着诸多小湖泊，这些小型湖泊与主湖区通过水道相连，形成了一个复杂的水系网络。鄱阳湖主湖区与周边蝶形湖间存在水文联系。

1.2 地下水模型构建

本文基于有限元软件建立地下水有模型，该模型通过非结构化网格来提高模拟精度，特别是在关键区域进行网格细化，以适应地下水流动和污染物传播的复杂情况。该有限元模型主要基于地下水流运动理论如公式（1）所示。

（1）

式中：τ1、τ2为一类边界、二类边界；H为地下水位高度；μ为给水度；K为渗透系数；B为底板高度。

洪泛区地形复杂，因此抽取了41124个高程，并利用Kriging内插的方式，得到了该数字模式下的真实地面高度。在此基础上，本项目拟将该区域内的三角有限元剖分成6329个网格，并将其划分为8680个网格点，其中三角网格点在20～2000m内，以此为基础，对该区域内的地形特征进行描述，并对该区域内的地形特征和水文特征进行深入分析。该地区与大规模的洪泛区相比，地质与成因具有较强的一致性，且洪泛区实测数据极为匮乏，部分水文地质指标没有体现区域特性（例如降水的入渗系数、渗透系数、补给程度等），因此，本项目拟采用多学科交叉的方法研究该地区的生态环境问题。对研究区周围现场钻井数据进行分析，发现该地区的湖滨带以细砂岩为主，其中，细砂岩中黏性颗粒的数量很小，与细砂岩的岩石性质差异很小，并且，通过现场抽水试验，发现了在地下20m处，有一种黏土层，它的渗透系数比较相近，透水性很弱，埋深比较均匀，可做含水层底板。因此，将其概括为一层，并将其埋藏深度设定在地面20m以下。

2 结果分析

2.1 模型验证

在本研究中，根据地下水位相关资料，通过手动试错法对地下水的模型的主要参数进行改动，经过不断地调整，得到渗透系数为150m/d，给水度为0.01，对野外1个地下水位进行观测，结果如图1所示。模拟期内的结果表明，计算结果与实测结果具有很好的一致性，水位拟合的纳什效率系数为0.92，确定性系数R2为0.94，模型拟合结果表明数值模拟结果可靠。

2.2 地下水动力场特征

从图2～图4的地下水位分布可以看出，洪泛区从南到北，在空间上表现为“南高北低”的分布型，在北部和南部地区，地下水的高度差异可达2～4m，该分布型与洪泛区的地形特征密切相关。而从东西两个方向看，地下水埋深主要受控于主湖区的水位变动，在涨潮、汛期表现为“东高西低”，各地区地下水埋深相差2～3m，在退潮、枯水期表现为“西高东低”，各地区地下水埋深相差不大，一般不超过2m。从洪泛区地下水水位的变动情况可以看出，洪泛区的地下水水位的变动情况与湖泊的水位变动情况基本相同。总体上看，洪泛区地下水的变化为2～5m。此外，在靠近主湖区处，在距主湖区较远的西侧滩上，潜流大幅波动。对鄱阳湖洪泛区的沼泽来说，洪泛区的地下水分布情况与地表形态关系密切，而湖泊水位变化则是影响其地下水埋深的主要外在因素，地下水对时间和空间上都有不同的反应。

根据结果分析，地下水转换主要涉及地表与地下水的相互补给，在枯水和退水时期，鄱阳湖主湖区水位较低，洪泛区地下水位相对较高，此时洪泛区的地下水主要补给湖泊，即地下水由洪泛区流向主湖区。在涨水和高洪水位时期，湖泊水位上升，湖泊对周边地下水的补给强度增加，导致主湖区附近的地下水位上升，此时湖泊补给洪泛区地下水，即水由主湖区流向洪泛区。同时鄱阳湖的季节性水位变化决定了主湖区与周边地下水间的动态补排模式。这种季节性变化导致地下水位和湖泊水位在年内呈现不同的变化趋势，从而影响地下水的补给和排泄过程。其地下水转换可能还与地形地貌导致的地下水力梯度有关。地下水位的年内变化幅度通常小于地表水，说明地下水文过程相对稳定。地下水流速在不同季节有显著差异，枯水期、退水期和涨水期的地下水流速较大，而丰水期流速较小。

2.3 地下水均衡分析

将整个鄱阳湖洪泛区作为研究对象，对地下水进行均衡分析。地下水变化量ΔS的计算过程如公式（2）所示。

ΔS=DBin -DBout+NBin-NBout+Qp+Q1-Qe （2）

式中：DBin为东方向补给水；DBout为西方向排出水；NBin为西方向补给水；NBout为输出端有东方向排出水；Qp为输入端有自然降水；Q1为蝶形湖补给地下水；Qe为自然蒸发水。

分析地下水数值模拟结果，结果汇总见表1。

从表1可见，该区域地下水的总输入量和总输出量基本持平。降雨是最主要的水源补给，占总补给量的52%，其次是湖泊对地下水的补给，占39%。碟形湖对地下水的补给相对较小，仅占3%。在水量输出方面，地下水蒸发占总排泄量的72%，它是最主要的排泄途径，其次是向湖泊的排泄，占24%。春季和夏季是地下水补给的主要时段，而秋季和冬季则是排泄的主要时段。这表明鄱阳湖主湖区对洪泛区地下水平衡有显著影响，地形地貌和湖水位变化是影响地下水动态的关键因素。

2.4 地下水敏感度分析

同时，本文对给水度（μ）和渗透系数（K）进行敏感性分析，以评估这两个参数对地下水模型模拟结果的影响。通过改变模型输入参数的值（±10%，±20%）来观察模型输出结果的变化，从而判断参数对模型结果的敏感程度，结果如图5、图6所示。

根据图5和图6分析可得，当给水度和渗透系数增加或减少10%和20%时，地下水位发生了显著变化，说明该洪泛区对给水度和渗透系数的变化非常敏感，小幅度调整也会对地下水位产生较大影响。

3 结论

本项目通过建立地下水流动数值模型，针对鄱阳湖洪泛区的地表水-地下水交互作用和动力学过程进行研究，并结合洪泛区的地质、地质、气候、水文等因素，建立地下水流动数值模型，准确计算洪泛区地下水流动特性和对外界环境压强的动力学响应。

洪泛区主湖区与周围地下水量的动态补充格局受洪泛区水位涨落影响较大，洪泛区主湖区与周围地下水量的补充格局可大致分为地下水从流域内流入主湖区和从主湖向洪泛区进行补充两个阶段。

鄱阳湖主湖区对洪泛区地下水平衡有显著影响，地形地貌和湖水位变化是影响地下水动态的关键因素。洪泛区对给水度和渗透系数的变化非常敏感，即小幅度调整也会对地下水位产生较大影响。

参考文献

[1]刘春篁，董一慧，李佳乐，等.湖泊湿地系统地表水-地下水相互作用及“三氮”迁移转化[J].江西科学，2022，40（3）：484-491.

[2]雷琨.围湖造田驱动的湖水—地下水相互作用下氮的迁移转化[D].北京：中国地质大学，2022.

[3]吴玲.地表水与地下水交互作用下简易垃圾填埋场地下水污染特征及监测方法[D].吉林：吉林大学，2022.

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