基于GMS的哈尔滨市地下水资源量评价

邓国立，石瑾斌

（黑龙江省水利水电勘测设计研究院,黑龙江 哈尔滨 150080）

基于GMS的哈尔滨市地下水资源量评价

邓国立，石瑾斌

（黑龙江省水利水电勘测设计研究院,黑龙江 哈尔滨 150080）

文中对哈尔滨地区浅层地下水水文地质条件（包括含水系统结构、边界、动态、补排特征）进行分析的基础上，通过对含水系统结构、水动力条件、边界条件及源汇项进行概化后，利用GMS建立了水文地质概念模型并转化为数值模拟模型，得出了在不同频率的降水条件下的哈尔滨市浅层地下水总的可更新资源量。

地下水资源量；评价；数值模拟；GMS；哈尔滨

1 研究背景

水资源是城市发展的核心支柱与安全保障[1,2]。随着城市建设的迅猛发展，城市水资源的需求不断增加，供需平衡及采补平衡的矛盾尤显突出[3]。由于地下水无论从水质、供水能力、工程造价等方面来看看，都远优于地表水，因此地下水已成为许多城市的主要水源。尽管近几年来哈尔滨市水资源管理部门和水文地质勘察单位对全市地下水资源进行了较多的勘察、管理、规划工作，但这些工作多集中于哈尔滨市城区范围内，对水文地质条件相似的呼兰新区、阿城新区及所辖双城市开展的地下水资源管理与研究工作很少；同时，以往开展的地下水资源量评价多采用传统的统计学法、开采抽水试验法等，较难满足在复杂、极端气候条件下、人类活动干预下的精度较高的地下水资源量的评价要求，从而使得地下水盲目开采问题缺乏有效的规划整治方案而形势更加严峻，一度形成了380 km2的地下水降落漏斗。因此，利用计算机数值模拟技术[4,5]的具有较高精度的哈尔滨市区（包括呼兰、阿城、双城）地下水资源量综合评价势在必行。

2 研究区概况

研究区范围包括哈尔滨市八区（含呼兰、阿城）及双城市，除去阿城区东南部丘低山裂隙水带，总面积为8 734.96 km2。研究区是由泥河、少陵河、蜚克图河拉林河及丘陵低山所圈成的高平原及河谷平原，中部被松花江、呼兰河、阿什河切割成四大河间地块。四河间地块恰符合行政区区划，分别为哈尔滨市区、呼兰区、阿城区与双城市。其中，哈尔滨市区被松花江干流切割成江南、江北两部分。地形总趋势为东南高，南、西及北西略高，中间较低并向东倾斜，海拔114～638 m。地貌主要包括河谷平原、高平原和丘陵三级。气候冬长夏短，全年平均气温为3.4℃，1月最冷平均气温-19.6℃，7月气温最高平均为23.1℃。全年平均降水量512.6 mm，且多集中在6—8月份，约占全年总降水量的60%以上。年蒸发量900～1 669.89 mm，陆地蒸发量变化在250～500 mm之间，水面蒸发量在500～800 mm之间。

3 地下水系统特征

3.1 地下水系统结构特征

研究区浅层地下水系统是指区内潜水含水层，立体结构共分为15层，分别描述如下：第一层为渗水性差、厚约1 m的腐殖土与耕土，西北部呼兰河一带缺失；第二层为粉质或淤泥质粉质粘土；第三层为细砂、粉细砂；第四层为中砂及中粗砂含砾；第五层为较薄的粉质粘土；第六层为较厚的粉砂、细砂；第七层为中粗砂；第八层为在北部呈块状缺失的较薄的粉质粘土或淤泥质粉质粘土；第九层为粗砂含砾或卵石；第十层为很薄的粉质粘土层；第十一层为中粗砂含砾；第十二层为北部及西南部整体片状缺失的粉质粘土层；第十三层为厚度平均的中粗砂、中粗砂含砾，北部、东南部条带状缺失；第十四层为在松花江南部漫滩、阶地整体缺失的砾砂含卵石层；第十五层为透水性极差的泥岩层，为潜水含水层底面。受沉积环境控制，含水砂层厚度较大，约40～80 m，因此，哈尔滨地区浅层地下水具有实际开发利用意义的对象为潜水含水层。

3.2 地下水系统边界特征

研究区水文地质边界较清晰：西北、西南、东部三面环水，分别为泥河、松花江及拉林河、蜚克图河，地下水多数时间向地表水排泄，仅在洪水期河水短期补给地下水，故确定该边界为透水边界；东南为低山山前平原，大气降水通过山前风化层，进入平原区与山前风化带的接触部位，并且很快渗入地下，最终成为侧向径流常年补给平原区含水层；东北部以外为高阶地，区外地下水常年侧向径流补给区内漫滩区含水层，故为地下水补给边界；自西向东贯穿研究区的松花江原是区内地下水主要排泄通道之一，但由于哈尔滨市区地下水目前仍存在约200 km2的降落漏斗，地下水位常年低于松花江水位，形成了自二水源至老江桥江段的江水常年补给地下水的态势，故确定松花江为透水边界。

3.3 地下水系统动态特征

从地下水动态规律来看，也可证明该系统地下水与降水及河水的密切关系。监测资料显示，研究区潜水最低水位出现在3月下旬或4月份中下旬，4月份后由于冰雪融化渗入地下，水位开始缓慢上升，5月中旬出现小的峰值，此后地下水位又呈现小幅度下降趋势，6月中旬至7月初随着雨季的到来，地下水位开始迅速上升，并很快达到最高值形成丰水期；进入9月份水位开始以较缓的速度下降，表现出以年为周期的季节性变化特征，年变化幅度0.02～1.95 m。由于2008年属于枯水年分，江河水两岸漫滩较少出现淹没现象[6,7]。另外在人类活动集中地带（哈尔滨、松北开发区、阿城、呼兰、双城市区范围内）受到地下水开采量较大的影响，水位变化出现异常，地下水位没有出现随季节的变化而升高和降低的规律，两年来潜水位始终处于缓慢下降阶段。

以2008年地下水统测数据均值为数据基础，通过绘制等水位线,可知地下水水位在100～260 m之间，其中地下水位大部分波动于110～150 m之间。水位在空间分布上呈由河流阶地到漫滩到河谷逐渐递减的态势，最低水位出现在研究区中部松花江漫滩附近。区内地下水大多朝着河谷方向流动。

同样，根据研究区统测地下水位，绘制埋深等水位线图。研究区内地下水位埋藏在2～58 m间，其中哈尔滨市区、江北松北开发区，可见地下水漏斗。

3.4 地下水系统补排特征

该系统主要分布于河谷平原区及部分高平原上部，地下水是以垂向流动为主的，短距离水平流动补给江河，属于三级地下水流动系统。在河谷平原区由于表层粘性土很薄，局部砂层裸露，地下水直接接受大气降水的补给，形成潜水；在高平原区表层黄土状粉质粘土具有孔隙裂隙发育的特点，有利于大气降水的渗入，形成孔隙裂隙潜水或上层滞水，孔隙潜水总体水流方向是流向江河（除洪水期外）。在分水岭南部向拉林河方向流动，分水岭北向松花江、阿什河方向流动。由同位素分析结果也可看出，第四系潜水含氚量一般多大于50 TV，地下水在含水层中储留时间约3～5年，说明潜水接受了现代降水及河水的补给。

4 浅层地下水资源量评价

4.1 水文地质概念模型的建立

1）含水系统结构的概化[8]。含水层岩性相对复杂，以粉细砂、细砂、中粗砂、砾石夹杂粘土为主，故可将含水系统概化为非均质各向异性。

2）水动力条件的概化。研究区含水层厚度大且遍布全区，地下水流场较为平缓，渗流基本符合达西定律，因此地下水运移可视为二维非稳定流。

3）边界条件的概化。①垂向边界：上部边界为潜水面，是位置不断变化的水量交换边界；下部边界以泥岩为界，概化为隔水边界。②侧向边界：西北、西南、东部河流边界因水位资料不足概化为二类流量边界；东南、东北地下水位资料充足概化为一类水位边界。

4）源汇项的概化。①补给项：降水入渗、侧向径流、高水位期地表水补给地下水、渠道入渗、地表水灌溉田间入渗、水库、鱼塘水入渗量；②排泄项：潜水蒸发、低水位期地下水补给地表水、人工开采（分为农业用水、生活用水、工业用水三个途径，其中工业用水地下水开采集中于各城区中）。

4.2 数值模拟模型的建立、识别与验证

利用GMS软件将建好的水文地质概念模型转化为数值模拟模型[9]，以2008年枯水期1月水位数据插值后作为初始流场，以2008年5月—12月的2组长观孔水位动态数据为模型识别的依据，利用正演方法调试水文地质参数，检验边界性质等，得到一套模型参数。然后以识别结果水位作为初始流场，以2009年1月—12月的水位对模型进行验证。从验证结果来看，各时段地下水流场的整体拟合形态良好，各观测孔水位拟合形态趋势合理，具体观测点的水位拟合误差基本小于0.5 m，绝大多数小于0.3 m，说明所建模型中的各参数能较好的刻画研究区实际的水文地质条件，水文地质参数基本可靠，故该模型可用来进行地下水位预报及水资源量评价。

4.3 模拟预测结果

所建数学模型经识别、检验后，对模拟计算区进行了不同频率降水量（25%，50%，75%）条件下的浅层地下水资源量预测。预测方案均以验证流场作为初始流场，降雨输入为以1952—2006年降水量系列数据位为基础，利用皮尔逊Ⅲ型曲线进行频率分析，得出保证率为25%，50%，75%的降水量，并保持模拟区计算边界上的其他补给、排泄量不变，预测在该频率降水量条件下一年后的地下水流场与浅层地下水资源量。模拟结果显示：在频率为25%，50%，75%的降水输入下，哈尔滨市浅层地下水总的可更新资源量分别为78 283×104，68 851×104，60 259×104m3/a。

5 结论与建议

采用数值模拟方法，对以哈尔滨市区、呼兰区、阿城区及双城市为研究区的浅层地下水系统进行水资源量评价。经分析指出，浅层地下水系统是指区内潜水含水层，按照不同岩性可划分为15层结构，研究区外边界均为透水边界；呈现显著季节特征的地下水动态规律，反应了该区地下水与降水及河水变化的密切关系，但人类活动对地下水位干扰程度较大；区内地下水补给来源主要有六：降水入渗、侧向径流、高水位期地表水补给地下水、渠道入渗、地表水灌溉田间入渗、水库、鱼塘水入渗量。排泄途径主要有：潜水蒸发、低水位期地下水补给地表水、人工开采。

通过对含水系统结构、水动力条件、边界条件及源汇项进行概化后，建立了水文地质概念模型并转化为数值模拟模型。数值模拟结果表明，在频率为25%、50%、75%的降水条件下，哈尔滨市浅层地下水总的可更新资源量分别为7.83，6.89，6.03亿m3，浅层地下水具有一定的开发利用潜力。

浅层地下水的开采利用长期以来未引起广泛的注意，其监测资料和研究程度相对有限，有必要建立更密集的全区浅层地下水监测网进行长期监测，加强具有较高精度的水量评价研究，治理已有漏斗、预防局部超采，在开发利用的同时要注重监测水质变化状况，保护好这一重要的水源。

［1］ 薛禹群.中国地下水数值模拟的现状与展望［J］.高校地质学报，2010，16（1）：1-6.

［2］丁元芳，迟宝明，易树平，等.VisualMODFLOW在李官堡水源地水流模拟中的应用［J］.水土保持研究，2006，13（5）：99-102，105.

［3］ 易树平，迟宝明，吴法伟，等.傍河地下水源地数值模拟与评价研究——以沈阳市浑河李官堡水源地为例［J］.自然资源学报，2006，21（1）：154-160.

［4］ 郭晓东，田辉，张梅桂，等.我国地下水数值模拟软件应用进展［J］.地下水，2010，32（4）：5-7.

［5］ 薛禹群，吴吉春.数值模拟是反映客观规律和定量评价的重要手段——兼评几种流行看法和有关问题［J］.水文地质工程地质,1992,19(2)：2-4.

［6］ 祝晓彬，吴吉春，叶淑君，等.GMS在长江三角洲（长江以南）深层地下水资源评价中的应用［J］.工程勘察，2005（1）：26-29.

［7］戴长雷，李治军，高淑琴.大顶子山航电枢纽蓄水后上游临江地区地下水浸没影响态势初步分析［J］.黑龙江大学工程学报，2010，1（1）：45-50.

［8］杜超.双城市地下水资源评价及可持续利用研究［D］.长春：吉林大学，2008.

［9］祝晓彬.地下水模拟系统(GMS)软件［J］.水文地质工程地质，2003，30（5）：53-55.

TV211.1+2

B

1002－0624（2011）06－0032－03

2011-02-23