1、 1 图 2 含 水 层 结 构 剖 面 图第 45 卷 第 12 期2009 年 12 月甘 肃 水 利 水 电 技 术 Gansu Water Conservancy and Hydropower TechnologyVol 45， No 12Dec ， 2009 水 文 水 资 源 佳 木 斯 市 地 下 水 资 源 补 给 量 计 算 分 析 及 水 位 预 报 研 究王 延 东 1， 赵 忠 伟 2， 周 彦 章 3， 王 钢 钢 2（ 1.广 东 省 电 力 设 计 研 究 院 ， 广 东 广 州 510663； 2.河 海 大 学 水 利 水 电 工 程 学 院 ， 江 苏 南
2、京 210098；3.河 海 大 学 土 木 工 程 学 院 ， 江 苏 南 京 210098）摘 要 ： 通 过 地 下 水 补 给 计 算 及 数 值 模 拟 研 究 ， 可 以 进 行 地 下 水 位 预 报 ， 从 而 提 供 水 位 预 警 ， 避 免 土 壤 沼 泽 化 和 盐 碱 化 等 灾 害 性 事 故 的 发 生 。 本 次 研 究 通 过 佳 木 斯 市 地 下 水 补 给 计 算 及 数 值 模 拟 ， 对 该 地 区 未 来 几 个 月 水 位 变 化 进 行 了 预 报 ， 并 结 合 已 有 水 文 地 质 资 料 对 模 型 进 行 识 别 和 验 证 ， 具
3、有 较 好 模 拟 精 度 ， 预 测 结 果 较 为 准 确 。 预 测 结 果 显 示 污 水 处 理 厂 厂 址 处 在 50 年 一 遇 江 水 位 情 况 下 ， 地 下 水 将 溢 出 地 表 ， 不 利 于 污 水 处 理 厂 的 运 行 并 可 能 造 成 较 大 破 坏 。 关 键 词 ：地 下 水 补 给 ； 计 算 分 析 ； 数 值 模 拟 ； 地 下 水 位 预 报中 图 分 类 号 ： P641.2 文 献 标 识 码 ： A佳 木 斯 城 市 生 产 和 生 活 用 水 主 要 依 靠 地 下 水 ， 合 理 开 发和 利 用 地 下 水 资 源 是 当 地 水
4、利 部 门 的 一 项 重 要 课 题 ， 而 数 值 模 拟 及 水 文 预 报 技 术 为 该 地 区 地 下 水 资 源 的 合 理 规 划 和 有效 管 理 提 供 了 科 学 方 法 和 依 据 。 本 次 研 究 针 对 佳 木 斯 城 东 污水 处 理 厂 厂 址 规 划 项 目 ， 通 过 地 下 水 补 给 计 算 分 析 该 地 区 地 下 水 位 变 动 规 律 ， 并 对 该 地 区 进 行 地 下 水 水 位 预 报 ， 预 测 在 该 地 区 设 立 厂 址 的 安 全 性 。1 研 究 区 概 况研 究 区 内 含 水 系 统 整 个 分 布 于 松 花 江 南
5、岸 ， 海 拔 77 85 m， 地 势 平 坦 开 阔 ， 为 城 区 和 农 田 所 在 地 。 由 于 人 类 耕 作 、 挖 砂 、 养 鱼 等 经 济 活 动 ， 局 部 出 现 坑 沼 。 组 成 岩 性 上 部 为 全 新 统 早 期 冲 积 层 ， 表 层 为 薄 层 亚 黏 土 或 亚 砂 土 （ 厚 1.0 2.5 m） ， 下 部 为 砂 、 砂 砾 石 。 根 据 区 内 22 个 钻 孔 资 料 ， 运 用 GMS 模 拟 研 究 区 地 质 概 况 如 图 1 所 示 ， 含 水 层 结 构 剖 面 图 如 图 2 所 示 。 研 究 区 为 河 岸 漫 滩 区 ，
6、 总 面 积 约 195 km2， 北 部 和 西 部 以河 流 为 界 ， 南 部 和 东 部 以 丘 陵 地 区 分 水 岭 为 相 对 隔 水 边 界 。 该 地 区 多 年 平 均 年 降 水 量 为 540 mm， 大 气 降 水 为 该 地 区 地 下 水 主 要 补 给 水 源 ， 降 水 量 年 内 分 配 不 均 匀 ， 7、 8、 9 三 个 月图 1 研 究 区 地 质 概 况降 水 量 约 占 年 降 水 量 的 59.5%， 是 地 下 水 的 主 要 补 给 期 。 根 据 钻 孔 资 料 及 野 外 观 测 ， 按 岩 层 的 透 水 、 储 水 性 可 以 将
7、该 区 域 含 水 层 分 为 3 层 ， 上 层 部 分 覆 盖 较 薄 的 黏 土 覆 盖 层 ， 往 下 第 2 层 为 厚 度 可 达 20 40 m 的 砂 土 和 亚 黏 土 层 ， 再 往 下 为 亚 黏 土 层 ， 坐 落 在 白 垩 纪 砂 岩 上 。 研 究 区 的 地 下 水 埋 深 受 地 形 、 地 貌 、 气 象 、 水 文 因 素 和 人 为 因 素 的 影 响 ， 埋 深 介 于 2.508.50 m 之 间 ， 年 平 均 埋 深 5.50 m。2 补 给 计 算 原 理 及 数 学 模 型潜 水 地 下 水 库 主 要 补 给 方 式 包 括 降 雨 入 渗
8、 补 给 、 侧 向 补 给 、 地 表 水 体 渗 漏 补 给 、 灌 溉 补 给 和 人 工 回 灌 补 给 ， 主 要 排 泄 方 式 包 括 蒸 腾 蒸 发 、 侧 向 排 泄 和 地 下 水 开 采 ， 其 主 要 影 响 因 素 包 括 地 形 地 貌 、 地 质 构 造 等 ， 补 给 效 果 主 要 通 过 补 给 水 量 、 补 给 速 率 和 补 给 时 间 等 因 子 来 衡 量 。 根 据 水 量 平 衡 原 理 ， 建 立 水 量 平 衡 方 程 SWB 模 型 如 下 1 ：s=Pr+Wi+Qi+Qs+R- ET- Qr- W （ 1） 式 中 ： Pr 降 雨 入
9、 渗 补 给 量 ；Wi 灌 溉 补 给 水 量 ； Qi 侧 向 补 给 量 ； Qs 地 表 水 体渗 漏 补 给 量 ； R 人 工 回 灌水 量 ；收 稿 日 期 ： 2009- 11- 25基 金 项 目 ： 2008 教 育 部 博 士 点 基 金 资 助 项 目 （ 200802940012）作 者 简 介 ： 王 延 东 （ 1979- ） ， 男 ， 硕 士 ， 工 程 师 。 2 2009 年 第 12 期 甘 肃 水 利 水 电 技 术 第 45 卷即 2ET 蒸 发 蒸 腾 总 量 ；Qr 侧 向 排 泄 量 ；W 人 工 开 采 水 量 。降 雨 入 渗 补 给 量
10、可 以 通 过 降 雨 入 渗 补 给 系 数 法 确 定 ，Pr =pF （ 2）条 件 进 行 了 简 化 。 上 部 边 界 为 潜 水 面 ， 是 位 置 不 断 变 化 的 水量 交 换 边 界 ， 有 降 水 入 渗 、 人 工 开 采 和 农 业 灌 溉 回 渗 等 ； 下 部 边 界 以 第 三 系 亚 黏 土 顶 板 为 界 ， 概 化 为 隔 水 边 界 ； 西 部 和 北部 松 花 江 概 化 为 河 流 边 界 或 一 类 水 头 边 界 ； 东 部 和 南 部 基 本概 化 为 隔 水 边 界 ， 但 在 局 部 存 在 个 别 为 流 量 边 界 。 将 研 究 区
11、 地 下 水 流 系 统 概 化 为 非 均 质 、 各 向 同 性 、 二 维 、 潜 水 非 稳 定 地式 中 ： 降 雨 入 渗 补 给 系 数 ；p 降 雨 量 ；F 降 雨 入 渗 面 积 ， 一 般 以 库 容 表 面 面 积 计 算 。灌 溉 补 给 水 量 包 括 田 间 灌 溉 沟 渠 入 渗 量 和 田 间 入 渗 补 给 量 两 部 分 。 灌 溉 补 给 水 量 分 为 渠 系 渗 漏 水 量 和 田 间 补 给 水 量 两 部 分 ， 即 3Wi= Wu+mWu （ 3）式 中 ： 输 水 渠 利 用 系 数 ； 灌 溉 补 给 系 数 ；m 渠 系 渗 漏 补 给
12、系 数 ； Wu 灌 溉 用 水 量 。 地 下 水库 侧 向 补 给 量 4 ：Qi=KJMLt （ 4） 式 中 ： K 含 水 层 渗 透 系 数 ；J 渗 透 坡 降 ；M 含 水 层 厚 度 ； L 侧 向 补 给 长 度 ； t 补 给 时 间 。地 表 水 体 渗 漏 补 给 包 括 水 库 渗 漏 、 河 流 、 湖 泊 及 输 水 渠 等 入 渗 补 给 ， 河 床 渗 漏 补 给 参 考 公 式 5 ：Qs= KLW （ H-h） t （ 5）M式 中 ： K 河 床 渗 透 系 数 ； L 河 流 长 度 ； M 河床 覆 盖 层 厚 度 ； W 河 流 宽 度 ； H
13、河 流 水位 ； h 补 给 点 水 位 。潜 水 蒸 发 量 可 以 通 过 潜 水 蒸 发 系 数 计 算 ， 也 可 以 参 照 柯 夫 达 公 式 6 ：ET=E（ 0 1- H ） nF （ 6）H0式 中 ： 作 物 修 正 系 数 ； E0水 面 蒸 发 强 度 ； H 地下 水 埋 深 ； H0 潜 水 蒸 发最 大 埋 深 ； n 土 壤 参 数 ；F 蒸 发 计 算 面 积 。侧 向 排 泄 量 主 要 包 括 通 过 地 下 坝 坝 顶 溢 流 、 隔 水 边 界 溢 流 和 河 流 、 排 水 沟 排 泄 等 方 式 ， 可 以 参 考 公 式 （ 4） 和 （ 5）
14、进 行 计 算 。研 究 采 用 地 下 水 数 值 模 拟 软 件 MODFLOW， 进 行 自 动 矩形 网 格 剖 分 ， 共 剖 分 矩 形 网 格 单 元 6 218 个 ， 每 个 单 元 面 积195.72158.70 m（ 2 图 3） 。 在 数 值 模 拟 过 程 中 ， 对 研 究 区 边 界下 水 流 系 统 ， 可 用 如 下 定 解 问 题 来 进 行 描 述 7 ：式 中 ： h、 B 含 水 层 水 位 和 底 板 标 高 （ m） ；（ 1 x， y， t） 、 （ 2 x， y， t） 含 水 层 的 补 给 强 度 和 排 泄 强 度 ；q（ x， y，
15、t） 第 二 类 边 界 单 宽 流 量 ；K 渗 透 系 数 ；h（ 0 x， y） 初 始 水 位 ；h（ 1 x， y， t） 第 一 类 边 界 点 水 位 ； 储 水 系 数 。图 3 研 究 区 矩 形 剖 分 图3 数 值 模 拟 及 水 位 预 报3.1 源 汇 项 处 理 降 水 入 渗 补 给 是 本 区 地 下 水 的 重 要 补 给 源 ，其 入 渗 量 与降 水 量 、 潜 水 水 位 埋 深 和 包 气 带 岩 性 有 关 。 模 型 中 ， 根 据 一年 中 一 次 降 雨 大 于 50 mm 所 得 的 累 计 降 水 总 量 ， 分 区 按 不 同 的 降 水
16、 入 渗 系 数 逐 月 以 RECHARGE 的 形 式 面 状 补 给 地 下 水 。 根 据 入 渗 能 力 的 不 同 ， 将 计 算 区 分 为 13 个 子 区 域（ 图 4） ， 不 同 区 域 具 有 不 同 的 降 水 入 渗 系 数 。图 4 降 雨 入 渗 分 区 图由 于 长 期 对 地 下 水 的 大 量 开 采 ， 地 下 水 位 下 降 ， 形 成 地 下 水 开 采 漏 斗 ， 地 下 水 由 漏 斗 周 围 侧 向 补 给 漏 斗 区 。 地 下 水 3 下 水 开 采 用 2003 年 实 际 开 采 量 。图 7 水 位 预 报 点 位 置 图图 5 模
17、型 识 别 结 果图 6 模 型 验 证 结 果第 12 期 王 延 东 ， 等 ： 佳 木 斯 市 地 下 水 资 源 补 给 量 计 算 分 析 及 水 位 预 报 研 究 第 45 卷侧 向 径 流 补 给 量 主 要 考 虑 大 头 山 、 三 连 村 南 、 四 丰 山 水 库 、 音达 木 河 上 游 断 面 以 及 研 究 区 东 部 边 界 的 侧 向 流 量 。 依 据 动 态 观 测 资 料 确 定 边 界 流 量 随 时 间 段 的 变 化 趋 势 ， 根 据 不 同 时 期各 段 的 水 力 梯 度 和 水 文 地 质 参 数 初 值 ， 计 算 给 定 随 时 间 变
18、 化的 侧 向 补 给 （ 排 泄 ） 量 。研 究 区 内 主 要 水 系 有 松 花 江 及 其 支 流 英 格 吐 河 、 音 达 木 河 ， 天 然 条 件 下 ， 河 流 侧 向 补 给 量 随 年 份 和 丰 枯 季 节 变 化 。 四 合 屯 至 松 江 乡 地 段 ， 地 下 水 位 常 年 低 于 松 花 江 水 位 ， 因 此 ， 这一 地 段 江 水 常 年 补 给 地 下 水 。 松 江 乡 至 宏 力 地 段 地 下 水 在 年 内 部 分 时 间 补 给 江 水 ， 洪 水 季 节 江 水 回 渗 补 给 地 下 水 。 研 究 区 内 松 花 江 在 枯 水 期
19、成 为 地 下 水 的 排 泄 通 道 ， 丰 水 期 又 成 为 地 下 水 的 补 给 源 。 在 模 型 处 理 时 将 其 概 化 为 RIVER 边 界 ， 水 位 根 据 佳 木 斯 水 位 观 测 站 观 测 值 确 定 。研 究 区 内 的 主 要 灌 区 有 大 头 山 灌 区 、 长 青 灌 区 、 松 江 灌 区 和 四 丰 山 灌 区 ， 分 布 在 研 究 区 的 东 、 西 两 侧 。 在 作 物 生 长 时期 存 在 灌 溉 回 归 水 补 给 地 下 水 ， 在 模 型 中 按 面 状 补 给 处 理 ， 采 用 RECHARGE 进 行 处 理 。研 究 区
20、域 内 潜 水 蒸 发 量 根 据 地 下 水 位 埋 深 和 水 面 蒸 发 强 度 等 因 素 确 定 。 MODFLOW 根 据 输 入 的 不 同 地 下 水 埋 深 、 蒸 发 极 限 深 度 、 水 面 蒸 发 强 度 等 因 素 ， 自 动 计 算 潜 水 蒸 发 值 ， 计 算 结 果 通 过 已 有 水 量 平 衡 计 算 数 据 进 行 校 核 。3.2 模 型 的 识 别 和 验 证如 图 5 所 示 ， 由 于 对 目 的 层 的 水 文 地 质 条 件 有 比 较 清 楚 的 认 识 ， 各 水 文 地 质 参 数 初 值 也 比 较 客 观 ， 通 过 细 致 的
21、调 参 ， 模 型 识 别 取 得 了 较 好 的 结 果 ， 计 算 流 场 与 实 测 流 场 也 基 本 相 同 ， 拟 合 结 果 初 步 说 明 了 所 建 立 的 水 文 地 质 概 念 模 型 和 数 学 模 型 是 正 确 的 。所 取 的 各 源 汇 项 是 正 确 的 。3.3 地 下 水 位 预 报本 次 研 究 分 别 在 杏 林 路 、 音 达 木 泵 站 及 污 水 处 理 场 场 址 建 立 地 下 水 位 预 报 点 （ 图 7） 进 行 定 点 预 报 。 预 报 期 内 松 花 江水 位 采 用 50 年 一 遇 ， 佳 木 斯 市 大 气 降 水 采 用
22、50 年 一 遇 ， 地N污 水 处 理 厂 厂 址 松 音 达 木 泵 站花 江 杏 林 路 口为 进 一 步 验 证 所 建 立 的 数 学 模 型 和 模 型 参 数 的 可 靠 性 ， 利 用 2003- 05- 16 2003- 09- 16 丰 水 时 段 的 地 下 水 位 动 态 观 测 资 料 对 数 学 模 型 进 行 验 证 。 模 型 验 证 时 段 的 主 要 补 给 来 源 为 降 水 入 渗 和 侧 向 径 流 补 给 等 ， 河 流 边 界 取 多 年 丰 水 时 段 平 均 水 位 ； 排 泄 主 要 为 人 工 开 采 。 模 型 验 证 末 刻 水 位 拟
23、 合 结 果 如 图 6 所 示 ， 水 位 拟 合 最 大 误 差 绝 对 值 为 1.395 m， 平 均 值 为 0.24 m， 计 算 流 场 与 实 测 流 场 也 基 本 吻 合 ， 说 明 验 证 时 段根 据 研 究 区 地 下 水 动 态 变 化 特 征 ， 地 下 水 水 位 预 报 的 初 始 流 场 采 用 验 证 模 型 ， 即 初 始 流 场 模 拟 期 为 2003 年 1 月 16 日 到 2003 年 9 月 16 日 ， 外 推 至 2003 年 12 月 16 日 流 场 。 3 预 报 点 的 水 位 预 报 结 果 如 图 8 10 所 示 。由 图
24、8 10 可 知 （ 图 中 图 示 较 大 的 独 立 点 为 观 测 值 ） ， 杏 林 路 泵 站 、 音 达 木 泵 站 及 污 水 处 理 厂 的 地 下 水 位 在 预 报 期 内逐 渐 升 高 ， 最 高 地 下 水 位 分 别 出 现 在 第 639、 638、 632 d， 即 均 发 生 在 9 月 末 ， 水 位 分 别 为 78.45 m、 77.14 m 和 77.87 m。（ 下 转 第 12 页 ）2009 年 第 12 期 甘 肃 水 利 水 电 技 术 第 45 卷 12 各年代占多年平均的百分数40.0 50s 表 2 各 代 表 站 典 型 年 降 雨 量
25、 计 算30.0 70s80s 均值站名 Cv Cs 典型年降雨量/mm20.010.00.0- 10.0- 20.0- 30.04 结 语90s2000s站 名/mm金塔 59.6 0.38 鼎新 54.1 0.39 鸳鸯池 57.4 0.41 梧桐沟 74.0 0.40 正义峡 68.6 0.38 酒泉 82.7 0.40 花海子 43.8 0.43 玉门镇 63.0 0.34Cv2.52.52.53.03.03.03.02.520%76.970.175.295.887.9106.957.479.650%56.150.753.568.363.876.239.360.075% 95%43.1
26、 29.438.7 26.140.2 26.652.3 37.249.5 35.658.4 41.630.0 21.047.4 33.6（ 1） 金 塔 县 降 水 量 稀 少 ， 年 内 分 配 不 均 、 年 际 变 化 较 大 、面 上 分 布 极 不 均 匀 ， 年 际 丰 枯 变 化 过 程 有 较 长 的 持 续 性 ， 自马鬃山 74.5 0.40 2.5 97.1 69.6 52.7 35.31997 年 以 来 降 水 量 年 际 变 化 过 程 呈 持 续 减 少 趋 势 。（ 2） 年 降 雨 量 随 着 海 拔 高 度 的 升 高 而 增 大 ， 增 幅 为 海 拔 高
27、 度 每 上 升 100 m 年 降 雨 量 增 加 6.6 mm； 年 降 雨 量 随 纬 度的 增 加 而 减 少 ， 纬 度 每 增 加 1 度 年 降 雨 量 减 少 9 .2 mm； 年 降 雨 量 随 经 度 的 增 大 而 增 大 ， 经 度 每 增 大 1 度 ， 年 降 雨 量 减 少2.5 mm。! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !（ 上 接 第 3 页 ）针 对 以 上 预 报 结 果 ， 结 合 地 表 高 程 可 以 预 测 该
28、 地 区 地 下 水 位 变 动 过 程 ， 预 测 地 表 淹 没 风 险 ， 及 时 采 取 措 施 防 止 土 壤 盐 碱 化 等 灾 害 性 事 故 的 发 生 。 鉴 于 杏 林 路 、 音 达 木 泵 站 及 污 水 处 理 场 的 地 表 高 程 分 别 为 80.4 m、 80.6 m、 77.5 m 左 右 ， 因 此 可 以 看 出 污 水 处 理 厂 厂 址 处 在 50 年 一 遇 江 水 位 情 况 下 ，地 下 水 将 溢 出 地 表 ， 这 将 极 不 利 于 污 水 处 理 厂 的 运 行 并 可 能造 成 较 大 破 坏 。4 结 论 及 建 议（ 1） 通
29、过 地 下 水 补 给 计 算 及 数 值 模 拟 研 究 ， 可 以 为 研 究 区 域 提 供 地 下 水 水 位 预 报 ， 从 而 提 供 预 警 ， 避 免 土 壤 盐 碱 化 及 沼 泽 化 等 灾 害 性 事 件 的 发 生 。（ 2） 地 下 水 补 给 计 算 可 以 通 过 建 立 地 下 水 平 衡 模 型 来 实 现 ， 而 各 补 给 项 的 计 算 需 要 充 分 考 虑 其 影 响 因 素 ， 并 结 合 各 地 区 水 文 地 质 资 料 通 过 相 关 分 析 加 以 修 正 。（ 3） 地 下 水 数 值 模 拟 与 水 位 预 报 对 预 防 灾 害 性
30、事 故 具 有 重 要 的 意 义 ， 但 由 于 监 测 资 料 、 水 文 地 质 参 数 及 模 型 本 身的 不 确 定 性 ， 所 预 测 结 果 存 在 一 定 的 风 险 ， 因 此 需 要 对 模 型 进 行 校 核 ， 以 保 证 预 报 的 准 确 性 。鉴 于 于 地 下 水 补 给 计 算 过 程 中 参 数 的 不 确 定 性 以 及 地 下 水 数 值 模 拟 过 程 的 随 机 性 ， 建 议 对 地 下 水 随 机 场 及 参 数 进 行 不 确 定 性 分 析 和 风 险 评 估 ， 以 便 结 合 水 位 预 报 提 出 风 险 应 对 措 施 。参 考 文
31、 献 ： 1 ZHAO Jian, ZHAO Zhongwei, CHEN Xiaobing. Fuzzy Risk Analysis on Recharge of Under ground Reservior C . LIU Jianjun. Flow in Porous Media, Wuhan: ORIENT ACADEMIC FORUM 2009: 757- 762. 2 张 志 才 ， 陈 喜 降 雨 入 渗 补 给 地 下 水 研 究 D . 南 京 ： 河 海 大 学 ， 2006. 3 朱 学 愚 ， 钱 孝 兵 ， 刘 新 仁 地 下 水 资 源 评 价 M .南 京 ： 南
32、 京 大 学 出 版 社 ， 1987. 4 束 龙 仓 ， 陶 玉 飞 ， 刘 佩 贵 考 虑 水 文 地 质 参 数 不 确 定 性 的 地 下 水 补 给 可 靠 度 计 算 J 水 利 学 报 ， 2008， 39（ 3） ： 346- 350 5 郑 西 来 滨 海 地 下 水 库 利 用 与 保 护 M 北 京 ： 地 质 出 版 社 ， 2007 6 齐 仁 贵 ， 苏 跃 振 柯 夫 达 潜 水 蒸 发 公 式 中 参 数 的 推 求 J 灌 溉 排 水 ， 1998， 17（ 2） ： 47- 50 7 迟 宝 明 ， 丁 元 芳 ， 易 树 平 ， 等 松 花 江 佳 木 斯 市 区 段 江 水 对 地 下水 补 给 程 度 分 析 J 水 资 源 保 护 ， 2007， 23（ 4） ： 27- 29
