強(qiáng)降水條件下豫北平原地下水動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究

朱洪生，王繼華，豆敬峰，朱瑞霞

（1.河南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，河南鄭州450016；2.河南省地質(zhì)環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南鄭州450016；3.平輿縣楊埠鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)服務(wù)中心，河南平輿463400）

近年來(lái)，隨著全球氣候變暖，水循環(huán)速度加快，汛期極端強(qiáng)降水事件增多，引起洪澇災(zāi)害頻發(fā)。我國(guó)北方地區(qū)受地下水資源開(kāi)采影響，地下水位多呈下降趨勢(shì)。降水作為地下水的主要補(bǔ)給來(lái)源，影響著地下水資源的動(dòng)態(tài)變化特征，極端強(qiáng)降水的輸入導(dǎo)致地下水產(chǎn)生變化。目前，研究地下水動(dòng)態(tài)與其影響因素的理論方法包括多元回歸分析法[1-2]、時(shí)間序列分析預(yù)測(cè)模型[3-4]、灰色系統(tǒng)模型[5-6]和地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法[7-8]等。平建華等[9]總結(jié)回顧了地下水動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型，將各種模型分為確定性模型和隨機(jī)模型，并指出了各種模型的適用條件；陶虹等[10]研究了關(guān)中城市群50 a地下水動(dòng)態(tài)變化及其影響因素，指出該地區(qū)地下水位整體呈下降趨勢(shì)，地下水開(kāi)采是其主要影響因素；危潤(rùn)初等[11]采用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)研究了黑龍江建三江地區(qū)地下水位變化的突變點(diǎn)，指出地下水位下降受水稻種植面積以及降水影響；遲寶明等[12]利用基于遺傳算法的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)了元寶山露天礦區(qū)地下水動(dòng)態(tài)特征；張文化等[13]研究了氣候變化與人類活動(dòng)對(duì)石羊河流域地下水動(dòng)態(tài)變化的影響，指出人類活動(dòng)在地下水動(dòng)態(tài)變化中占主導(dǎo)因素。上述主要是對(duì)降水的周期性、頻率，以及降水的變化趨勢(shì)、空間分配等的研究，而對(duì)于典型區(qū)域強(qiáng)降水條件下地下水動(dòng)態(tài)響應(yīng)的研究較少，單次強(qiáng)降水引起的地下水動(dòng)態(tài)響應(yīng)和預(yù)測(cè)研究更少。

豫北平原位于河南省北部，地下水過(guò)量開(kāi)采嚴(yán)重，造成地下水埋深很深，包氣帶厚度增大。近些年，該地區(qū)汛期強(qiáng)降水頻發(fā)，特別是2016年7月，華北地區(qū)出現(xiàn)5次明顯的降水過(guò)程，河北北部、北京、河南等地出現(xiàn)了50 mm以上的暴雨天氣。筆者利用豫北地區(qū)水文地質(zhì)、地下水位統(tǒng)測(cè)資料和水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料等，建立研究區(qū)地下水?dāng)?shù)值模型，對(duì)強(qiáng)降水條件下地下水動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行研究。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黃河以北的河南省北部。地形西高東低，高程42～1 725 m。研究區(qū)受地質(zhì)構(gòu)造控制明顯，地貌類型分為山高谷深、山勢(shì)陡峻雄偉的斷塊山地、堆積地貌，局部發(fā)育侵蝕、剝蝕型地貌。

研究地層主要有太古界、中太古界、古生界、中生界與新生界的古近系、新近系和第四系地層。研究區(qū)地下水類型可分為松散巖類孔隙水、碎屑巖類裂隙孔隙水和碳酸鹽巖類裂隙巖溶水，其中：松散巖類孔隙水在垂向上劃分為淺層地下水系統(tǒng)和深層地下水系統(tǒng)，在平面上分為漳衛(wèi)河地下水系統(tǒng)（Ⅰ）、黃河地下水系統(tǒng)（Ⅱ）；碎屑巖類裂隙孔隙水可劃分為安陽(yáng)丘陵區(qū)裂隙孔隙水系統(tǒng)（Ⅰ）和湯陰火龍崗裂隙孔隙水系統(tǒng)（Ⅱ）；碳酸鹽巖類裂隙巖溶水系統(tǒng)可分為焦作九里山泉巖溶水（Ⅰ）、輝縣百泉巖溶水系統(tǒng)（Ⅱ）、鶴壁許家溝泉巖溶洞水系統(tǒng)（Ⅲ）和安陽(yáng)小南?！渲槿獛r溶水系統(tǒng)（Ⅳ）。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

地下水位監(jiān)測(cè)包括2016年1月—2017年12月豫北地區(qū)淺層地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)34個(gè)，深層地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)4個(gè)；水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)41個(gè)，2016年4月共采集41組水樣，2016年7月、9月10個(gè)加密點(diǎn)各采集1次共20組水樣。

2.2 地下水?dāng)?shù)值模擬

為了研究2016年7—9月強(qiáng)降水對(duì)地下水位的影響，建立地下水?dāng)?shù)值模擬模型，對(duì)地下水位變化趨勢(shì)進(jìn)行研究。

2.2.1 水文地質(zhì)概念模型

模擬區(qū)為整個(gè)豫北平原，總面積約21 460 km2。模擬計(jì)算的目的層為第四系全新統(tǒng)-下更新統(tǒng)孔隙含水層，含水層概化為2層，包括潛水含水層和承壓含水層。模型上部邊界為潛水面，為水量交換邊界，包括降水入滲、潛水蒸發(fā)、河渠入滲和灌溉水回滲等，下部多為第三系碎屑巖類，處理為隔水邊界。模型西部以山區(qū)與平原自然分界線為邊界，為地下水流入邊界。模型北側(cè)以行政區(qū)邊界為流量邊界，側(cè)向流入流出量根據(jù)達(dá)西定律計(jì)算得出。模型其他邊界為河流邊界，主要由黃河、金堤河和徒駭河組成。地下水接受大氣降水和地下水側(cè)向補(bǔ)給，整體流向?yàn)橛晌髂狭飨驏|北，以蒸發(fā)、人工開(kāi)采和地下水側(cè)向流出為主要排泄方式。

2.2.2 地下水流數(shù)學(xué)模型

模擬區(qū)第四系松散沉積物巖性在水平、垂直方向上都有較大變化，在同一點(diǎn)，水平方向滲透系數(shù)在各個(gè)方向大小一致，而垂直方向滲透系數(shù)小于水平方向滲透系數(shù)，因此將計(jì)算區(qū)域含水層概化為非均質(zhì)各向異性介質(zhì)。模擬區(qū)地下水分為潛水和深層承壓水，因此將研究區(qū)地下水流系統(tǒng)概化為非均質(zhì)各向異性準(zhǔn)三維非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)，可用下面偏微分方程的定解問(wèn)題來(lái)描述：

式中：K為滲透系數(shù)；S為自由面以下含水層的貯水率；W為源匯項(xiàng)；μ為潛水含水層在潛水面上的重力給水度；P 為潛水面上的降水入滲和蒸發(fā)量等；h（x，y，z，t）為水頭；h0（x，y，z）為初始?jí)毫λ^；h1（x，y，z，t）為第一類邊界上的壓力水頭；f1（x，y，z，t）為第二類邊界上的水分通量；Kn為邊界法線方向的滲透系數(shù)；t為時(shí)間；Ω 為研究范圍；→n 為有效孔隙度；Γ0為潛水面；Γ1為第一類邊界；Γ2為第二類邊界。

2.2.3 模型的識(shí)別和驗(yàn)證

模擬軟件采用Modflow軟件，初始（2016年6月）流場(chǎng)見(jiàn)圖1，第一含水層滲透系數(shù)、給水度分區(qū)和第二含水層滲透系數(shù)、貯水率分區(qū)見(jiàn)圖2。根據(jù)模擬區(qū)地下水位資料，將2016年6—12月作為模型識(shí)別驗(yàn)證期。驗(yàn)證期末刻（2016年12月）地下水流場(chǎng)擬合見(jiàn)圖3。驗(yàn)證期模擬水位與觀測(cè)水位擬合較好，說(shuō)明含水層結(jié)構(gòu)、邊界條件的概化、水文地質(zhì)參數(shù)的選取是合理的，所建立的數(shù)學(xué)模型能較真實(shí)地刻畫研究區(qū)地下水系統(tǒng)特征，識(shí)別后含水層參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 地下水初始流場(chǎng)（單位：m）

圖2 模擬區(qū)分區(qū)

圖3 2016年12月地下水流場(chǎng)擬合（單位：m）

表1 含水層參數(shù)

2.2.4 預(yù)測(cè)情景

2016年保持降水量、蒸發(fā)量、開(kāi)采量等源匯項(xiàng)不變；其他年份保持降水量總量不變，7—9月增加降水量30%，其他月份降水量減少30%，其他源匯項(xiàng)保持不變。預(yù)測(cè)未來(lái)10、20 a地下水位變化情況，以及典型漏斗區(qū)地下水位變化情況。

3 強(qiáng)降水條件下地下水動(dòng)態(tài)響應(yīng)

3.1 地下水位的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

利用6—8月、6—12月地下水位等值線得到地下水位變幅，將研究區(qū)淺層地下水劃分為基本平衡區(qū)（-0.5～0.5 m）、緩慢下降區(qū)（-0.5～-2.0 m）、急劇下降區(qū)（＜-2.0 m）、緩慢上升區(qū)（+0.5～2.0 m）和急劇上升區(qū)（＞2.0 m）5個(gè)水位變幅分區(qū)。

2016年6月淺層地下水平均水位為61.11 m，平均變幅0.75 m，最大降幅（-12.50 m）位于濮陽(yáng)市胡村鄉(xiāng)北豆門村，最大升幅（13.81 m）位于鶴壁市浚縣淇門水文站。2016年6—8月豫北地區(qū)淺層地下水位變幅分區(qū)分布見(jiàn)圖4，其中：急劇上升區(qū)面積2 121.89 km2，占10.65%；緩慢上升區(qū)面積6 891.28 km2，占34.58%；基本平衡區(qū)面積9 505.54 km2，占47.69%，緩慢下降區(qū)面積682.53 km2，占2.90%；急劇下降區(qū)面積577.63 km2，占4.18%。與2016年6—12月豫北地區(qū)地下水位變幅分區(qū)（見(jiàn)圖5）相比較，急劇上升區(qū)面積減少200.6 km2，緩慢上升區(qū)面積增大1 373.97 km2，基本平衡區(qū)面積減少905.65 km2。2016年6—8月淺層地下水位急劇上升區(qū)面積與緩慢上升區(qū)面積之和比2016年6—12月淺層地下水位急劇上升區(qū)面積與緩慢上升區(qū)面積之和多1 173.37 km2，說(shuō)明7—8月強(qiáng)降水過(guò)后水位埋深明顯減小。

3.2 地下水水質(zhì)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

圖4 豫北地區(qū)淺層地下水位變幅分區(qū)（2016年6—8月）

圖5 豫北地區(qū)淺層地下水位變幅分區(qū)（2016年6—12月）

淺層地下水各單項(xiàng)組分變化情況見(jiàn)表2。根據(jù)2016年4—7月淺層地下水水質(zhì)數(shù)據(jù)分析水化學(xué)類型和單個(gè)化學(xué)組分的變化情況。2016年4月HCO3-Ca·Mg·Na型水占80%；2016年7月HCO3-Ca·Mg·Na型水占70%，且與2016年4月相比井位有所改變。2016年4月、7月HCO3·SO4-Ca·Mg·Na型水都占20%，但2016年7月井位有所改變。SO4·Cl-Ca·Mg·Na型水僅在2016年7月測(cè)試中有1眼井為此類型。

單個(gè)化學(xué)組分變化情況：pH值為 7.3～8.3，與2016年4月相比，7月pH值增高井?dāng)?shù)為5眼，減少井?dāng)?shù)為2眼，不變井?dāng)?shù)為3眼。溶解性總固體含量7月低于4月的有9眼。與地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ類水相比，2016年4月和7月，氯化物含量均不超標(biāo)，最高含量為231.49 mg/L；硫酸鹽超標(biāo)率均為10%；硝酸鹽超標(biāo)率均為50%，并且是相同井；氨氮均不超標(biāo)；鐵含量超標(biāo)率均為60%，最高含量為5.09 mg/L；耗氧量4月超標(biāo)率為10%，7月不超標(biāo)。與2016年4月相比，2016年7月指標(biāo)含量減少的占比相對(duì)較多，其原因是，4月為相對(duì)枯水期，到7月受降水量增加影響，淺層地下水接受降水補(bǔ)給，地下水受到稀釋，指標(biāo)含量減小。指標(biāo)含量增加或不變的淺層地下水，可能是淺層地下水埋深大，降水入滲量小所致。

表2 淺層地下水各單項(xiàng)組分變化情況

3.3 地下水位動(dòng)態(tài)響應(yīng)預(yù)測(cè)

通過(guò)預(yù)測(cè)得出10 a和20 a后不同含水層地下水流場(chǎng)，見(jiàn)圖6。研究區(qū)整個(gè)地下水流場(chǎng)發(fā)生了一定程度的變化，整體地下水位有所下降，不同地區(qū)水位下降程度不同，但整體地下水流向未發(fā)生明顯變化，尤其是深層地下水。對(duì)于淺層地下水，在安陽(yáng)市西北側(cè)，10 a后出現(xiàn)一定面積的疏干，但深層水未疏干；在安陽(yáng)市東側(cè)和濮陽(yáng)市北部，水位下降比較明顯，形成較大的地下水漏斗區(qū)；在模擬區(qū)南部，水位下降不明顯。研究區(qū)整體地下水位的下降說(shuō)明地下水的補(bǔ)采不平衡，開(kāi)采量大于補(bǔ)給量。對(duì)于當(dāng)前存在的降落漏斗，如果按照當(dāng)前開(kāi)采量繼續(xù)開(kāi)采，則20 a后漏斗范圍將持續(xù)擴(kuò)大，地下水埋深將越來(lái)越大。

圖6 含水層地下水水位等值線（單位：m）

3.4 典型漏斗區(qū)地下水位的動(dòng)態(tài)響應(yīng)預(yù)測(cè)

為了詳細(xì)分析漏斗區(qū)地下水位變化情況，將安陽(yáng)市東側(cè)和濮陽(yáng)市大部分區(qū)域的漏斗區(qū)作為典型漏斗區(qū)進(jìn)行分析。將典型漏斗區(qū)作為一個(gè)均衡區(qū)，同時(shí)在漏斗區(qū)的上、中、下3個(gè)地方安置水位觀察點(diǎn)，分別位于內(nèi)黃縣、濮陽(yáng)市和留固鎮(zhèn)，通過(guò)分析地下水位隨時(shí)間的變化了解漏斗區(qū)水位的變化。由圖7可知，不同觀察點(diǎn)淺層地下水位和深層地下水位均出現(xiàn)不同程度的下降，且下降速率不同。濮陽(yáng)市淺層地下水位20 a下降了1.6 m，下降速率比較平穩(wěn)；深層地下水位下降了3.3 m，前2 a下降速率較快，后期下降速率比較穩(wěn)定。內(nèi)黃縣淺層地下水位20 a變化不大，總體下降幅度不超過(guò)1.5 m；深層地下水位下降3.6 m，前期水位下降迅速，后期較為穩(wěn)定。留固鎮(zhèn)淺層地下水位20 a下降了1.8 m，深層地下水位下降了3.7 m。按照當(dāng)前開(kāi)采速率，典型漏斗區(qū)淺層和深層地下水位將持續(xù)下降。

圖7 不同觀察點(diǎn)地下水位隨時(shí)間變化曲線

4 結(jié) 論

受強(qiáng)降水影響，研究區(qū)地下水位變化可劃分為基本平衡區(qū)、緩慢下降區(qū)、急劇下降區(qū)、緩慢上升區(qū)和急劇上升區(qū)5個(gè)水位變幅分區(qū)。受強(qiáng)降水影響，地下水化學(xué)類型和水化學(xué)組分均發(fā)生了變化，水質(zhì)超標(biāo)率減小。保持當(dāng)前地下水開(kāi)采量不變，降水量總量保持不變，7—9月增加降水量30%，其他月份減少降水量30%情景下，研究區(qū)地下水位將下降，不同地區(qū)水位下降程度不同，但地下水流向未發(fā)生明顯變化，尤其是深層地下水；在滲透性較好的地區(qū)，10 a后將出現(xiàn)一定面積的疏干，但深層地下水未疏干，在安陽(yáng)市東側(cè)和濮陽(yáng)市北部形成地下水漏斗區(qū)。典型漏斗區(qū)保持現(xiàn)狀開(kāi)采，20 a后淺層地下水位和深層地下水位均將出現(xiàn)不同程度的下降，濮陽(yáng)市淺層地下水位下降1.6 m，深層地下水位下降3.3 m；內(nèi)黃縣淺層地下水位下降幅度不超過(guò)1.5 m，深層地下水位下降3.6 m；留固鎮(zhèn)淺層地下水位下降1.8 m，深層地下水位下降3.7 m。