干旱區(qū)庫壩工程對(duì)地下水的影響分析

李旨洪，肖 晗

(江西省水利水電建設(shè)有限公司，南昌 330000)

干旱區(qū)庫壩工程對(duì)地下水的影響分析

李旨洪，肖 晗

(江西省水利水電建設(shè)有限公司，南昌 330000)

干旱地區(qū)所展開庫壩工程建設(shè)能夠使得地下水水文情勢(shì)產(chǎn)生改變，其屬于地下水位和地下水流場(chǎng)產(chǎn)生變化的關(guān)鍵影響因素，進(jìn)行環(huán)境流量模擬能夠?yàn)楹恿髦嗡a(chǎn)生的消極生態(tài)效應(yīng)緩解帶來有效的幫助，對(duì)于地下水環(huán)境穩(wěn)定性的保持而言至關(guān)重要。文章以寧夏清水河流域?yàn)檠芯繉?duì)象，充分結(jié)合水文地質(zhì)、氣候改變等有關(guān)數(shù)據(jù)信息，選擇GMS來構(gòu)建出地下水模型，從而對(duì)地下水流場(chǎng)產(chǎn)生的變化展開有效的預(yù)測(cè)。利用清水河所具備的日流量數(shù)據(jù)對(duì)水庫建設(shè)前與建設(shè)后水文指標(biāo)的變化展開計(jì)算，得出庫壩建設(shè)對(duì)地下水水文情況所產(chǎn)生的影響。

干旱區(qū)；庫壩工程；地下水；數(shù)值模擬；環(huán)境流量

0 引 言

大壩建設(shè)屬于人類在對(duì)自然進(jìn)行改造過程中的關(guān)鍵措施，其具備防洪、發(fā)電、供水等多方面的作用，可以說其在經(jīng)濟(jì)與社會(huì)方面能夠產(chǎn)生非常大的影響。大壩除了可以在防洪、發(fā)電、供水等多方面顯現(xiàn)出積極的作用，還可以通過多種方式對(duì)河流所具備的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響，其中包含了水位情況變化、地下水位變化、水文結(jié)構(gòu)變化等[1-2]?？梢哉f，河流的生態(tài)系統(tǒng)之所以產(chǎn)生改變，水文情勢(shì)所產(chǎn)生的影響至關(guān)重要，能夠影響河流的物質(zhì)循環(huán)、能量傳遞、生物作用等，最終使得河流所具備的生態(tài)穩(wěn)定性和生物多樣性產(chǎn)生改變。并且，受到地下水所具備的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定、水量豐富等方面特征的影響，其能夠?qū)Ω珊迪到y(tǒng)脆弱的生態(tài)環(huán)境里產(chǎn)生非常的關(guān)鍵調(diào)控作用，從上個(gè)世紀(jì)的七十年代之后，相關(guān)針對(duì)地下水的數(shù)值模擬展開非常多的研究。當(dāng)前，地下水模擬的重點(diǎn)大多是溶質(zhì)轉(zhuǎn)移、地下水資源量等進(jìn)行的探究，但是水利樞紐工程的建設(shè)對(duì)地下水產(chǎn)生擾動(dòng)與植被需水量這方面所進(jìn)行的研究分析比較少。

清水河流域的地理位置在中國(guó)西北的寧夏自治區(qū)內(nèi)，起源于固原市開城鎮(zhèn)黑刺溝腦，流經(jīng)中寧縣，在中衛(wèi)泉眼山的西部進(jìn)入到黃河之中，總長(zhǎng)度為303km，流域面積為8 499.6 km2。大部分的河道都處于平原地區(qū)，河床屬于單式V型河床，并且床面大部分都是卵石，穩(wěn)定性相對(duì)較強(qiáng)，兩岸基本都是農(nóng)灌區(qū)。清水河流域所修建的水庫主要包含了寺口子水庫、上店子水庫等。

對(duì)于干旱地區(qū)而言，水利樞紐工程所發(fā)揮出的作用非常關(guān)鍵，其不僅可以產(chǎn)生重要的經(jīng)濟(jì)作用，還可以對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生非常關(guān)鍵的影響，對(duì)于地下水流場(chǎng)所產(chǎn)生的擾動(dòng)尤為關(guān)鍵[3-4]。本文在分析了水文地質(zhì)條件之后，建立平原區(qū)水文地質(zhì)的概念模型，通過GMS軟件建立地下水流數(shù)值模型，有效的評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)平原地區(qū)的地下水環(huán)境。

1 地下水?dāng)?shù)值模擬

1.1 水文地質(zhì)概念模型

水文地質(zhì)相關(guān)概念主要有邊界條件概化、參數(shù)分布、含水層結(jié)構(gòu)概化等。

1)含水層系統(tǒng)。清水河平原大部分都是松散巖類孔隙含水層，能夠劃分成3個(gè)層次的含水組。第1含水組的含水層厚度在20-60m，其河床沉積較厚，含泥量少，河床兩側(cè)為山前洪積的泥質(zhì)砂礫層，含水層泥質(zhì)相對(duì)較多，透水性相對(duì)差。第2含水組大部分是厚層的粉細(xì)砂夾薄層的黏性土，厚度在20到80m間。第3含水組大部分是薄層砂礫石，底板埋深為380-500m，厚度是290-360m。

2)水均衡計(jì)算。研究區(qū)域內(nèi)常年的平均降水量是24.93mm，此種程度降水要想對(duì)地下水進(jìn)行補(bǔ)給存在非常大的困難，因此不需要單獨(dú)在計(jì)算降雨的補(bǔ)給。而對(duì)于地下水的補(bǔ)給項(xiàng)與排泄項(xiàng)來說，具體如表1?？梢缘贸?，清水河流域模擬的地下水均衡量是-1387.04×104m3，表現(xiàn)出微弱負(fù)平衡的狀態(tài)，整體流域內(nèi)的年地下水下降12mm，但是要想確定具備地下水水位與流場(chǎng)的變化還必須通過數(shù)值模型展開具體的計(jì)算才能夠得出[5]。

表1 模擬區(qū)地下水計(jì)算

1.2 地下水?dāng)?shù)值模型

模擬區(qū)地下水的排補(bǔ)與水位受時(shí)間變化的影響，顯示出非穩(wěn)定流的特征。把模擬區(qū)的地下水流轉(zhuǎn)化為非均質(zhì)，各向同性、三維結(jié)構(gòu)與非穩(wěn)定的地下水流系統(tǒng)。具體的模型公式為：

1)偏微分方程

(1)

式中：h為水頭，L；Kxx，Kyy和Kzz為滲透系數(shù)在x、y和z方向上分量。假設(shè)滲透系數(shù)主軸方向與坐標(biāo)軸方向相同，具體的量綱是(LT-1)；W：?jiǎn)挝惑w積流量(T-1)，來表現(xiàn)流進(jìn)或來自源水量；SS為孔隙介質(zhì)的貯水率；t：時(shí)間，T。

2)邊界條件

第1類邊界(水頭邊界)：

h|Γ1=h1(x,y,z) (x,y,z)Γ1

(2)

第2類邊界(流量邊界)：

(3)

3)初始條件(式中h0為初始水頭)

h|t-0=h0(x,y,z)

(4)

1.3 模型的識(shí)別與校驗(yàn)

要想構(gòu)建出能夠表現(xiàn)出真實(shí)的水文地質(zhì)條件的水文地質(zhì)數(shù)值模型的關(guān)鍵影響步驟就是模型的識(shí)別和校正，利用對(duì)水文地質(zhì)參數(shù)等相關(guān)指標(biāo)的優(yōu)化調(diào)整，來對(duì)模擬區(qū)的水文地質(zhì)條件進(jìn)行識(shí)別。而非穩(wěn)定流的擬合來說，需要選擇的6個(gè)月的實(shí)際水位觀測(cè)來實(shí)施。利用多次的驗(yàn)算與調(diào)整，得出模型擬合曲線如圖1。與研究區(qū)域內(nèi)的水位地質(zhì)條件相對(duì)應(yīng)，可以有效的表現(xiàn)出地下水系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特征，評(píng)價(jià)地下水資源、預(yù)測(cè)地下水流場(chǎng)變化。

圖1 實(shí)測(cè)水位與現(xiàn)狀年連續(xù)6個(gè)月的模擬水位擬合

通過對(duì)穩(wěn)定流模型的水均衡展開檢驗(yàn)，得出結(jié)果如表2，能夠得出模型的模擬值存在的誤差比較小，符合進(jìn)行后續(xù)模擬的要求。

表2 穩(wěn)定流模擬地下水均衡計(jì)算

2 對(duì)地下水水質(zhì)的評(píng)價(jià)

2.1 地下水資源構(gòu)成

對(duì)于山區(qū)水資源，主要由冬至河水庫和寺口子水庫入庫流量。地下水主要通過泉的形式排到河流中，與地表徑流重復(fù)計(jì)量，如表3。

表3 研究區(qū)水資源量構(gòu)成 104m3/a

經(jīng)統(tǒng)計(jì)得出，平原區(qū)容積儲(chǔ)存資源中淡水18.26×108m3，占25.5%；微咸水25.66×108m3，占37.24%；咸水24.98×108m3，占36.25%。

2.2 可利用資源量

研究區(qū)中能夠進(jìn)行利用的微咸水地表水資源主要包含了冬至河水庫497.67×104m3和清水河與沈家河水庫1011×104m3。引黃指標(biāo)余下2421×104m3/a，考慮輸水損失，可利用水量1920×104m3/a?？衫盟Y源里疏干地下水量1475.54×104m3/a，那么可利用的水資源量是5968.39×104m3/a，具體如表4。

表4 研究區(qū)水資源量統(tǒng)計(jì) 104m3/a

2.3 研究區(qū)水資源量分析結(jié)果

利用對(duì)地下水所展開的均衡分析計(jì)算得出所研究區(qū)域內(nèi)地下水系統(tǒng)的多年平均水量均衡結(jié)果，如表5。

表5 研究區(qū)地下水均衡統(tǒng)計(jì)表

均衡差屬于-1387.04×10m3/a，而地下水均衡分析結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果非常類似，符合對(duì)誤差的要求。依照具體的分析結(jié)果能夠得知，地下水情勢(shì)的改變情況相對(duì)大，水位出現(xiàn)了明顯降低。

3 結(jié) 語

1)清水河流域模擬的地下水均衡量是-1387.04×104m3，屬于微弱負(fù)平衡的狀態(tài)，整體流域內(nèi)的年地下水下降12mm，整體表現(xiàn)出微弱的下降態(tài)勢(shì)。

2)清水河流域模擬區(qū)里整體地下水補(bǔ)給量是62691.38×104m3左右，河道滲漏補(bǔ)給、山前側(cè)向補(bǔ)給、渠系滲漏補(bǔ)給、田間入滲補(bǔ)給是主要補(bǔ)給來源；排泄方式有潛水蒸發(fā)、河道排泄、側(cè)向排泄、人工開采。

3)在庫壩工程建設(shè)完成之后其能夠?qū)ρ匕掇r(nóng)灌區(qū)和沿河林草帶的地下水與水資源量造成明顯的影響，只是并不強(qiáng)烈。主要表現(xiàn)為地下水水位產(chǎn)生微弱的降低，能夠達(dá)成負(fù)均衡狀態(tài)，整體來看下降趨勢(shì)不顯著。

[1]毛戰(zhàn)坡,王雨春,彭文啟,等.筑壩對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)影響研究進(jìn)展[J].水科學(xué)進(jìn)展,2005,16(01): 134-140.

[2]陳慶偉,劉蘭芬,劉昌明.筑壩對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的影響及水庫生態(tài)調(diào)度研究[J].北京師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007, 43(05): 578-582.

[3]王生云．大型水利樞紐工程對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)安全影響的評(píng)價(jià)體系及實(shí)證研究[J]．中國(guó)農(nóng)村水利水電，2009(08):126- 132．

[4]李蓉，鄭垂勇，馬駿，等．水利工程建設(shè)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響綜述[J]．水利經(jīng)濟(jì)，2009，27(02):12-15．

[5]薛禹群，謝春紅.面臨世紀(jì)的中國(guó)地下水模擬問題水文地質(zhì)工程地質(zhì)，1999，26(05)：1-3.

1007-7596(2016)11-0038-03

2016-10-22

李旨洪(1988-)，男，江西贛州人，助理工程師，從事水利工程施工管理工作；肖晗(1988-)，男，江西南昌人，助理工程師，從事水利工程施工管理工作。

TV221.2；P641

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