南水北调输水梁济运河区地下水位预测

冯忠伦，曹 滨，王 维，刁维杰，林洪孝，王 刚

(山东农业大学水利土木工程学院，山东 泰安 271018)

0 引 言

南水北调工程的实施，可对沿线地下水进行有效补给，这将从根本上改变黄淮海平原干旱缺水及生态环境恶化的局面[1,2]，沿线输水河道是河流系统与地下水系统之间发生水力联系的桥梁，也是区域水文循环的重要环节[3-4]。输水可通过河道渗漏补给地下水[5]，引起地下水位的变化。目前，对南水北调通水对该区域地下水位的研究主要针对靠近南四湖的区域[1]，尚未对整个输水沿线的地下水位进行研究，且建立的模型未经过输水期实测资料验证。本文选取南水北调东线工程梁济运河区进行研究，该运河工程位于山东省西南部，作为输水干线，连接江、淮、黄、海四大流域，赋有长期输水任务[6]。梁济运河北起梁山县路那里村，南至济宁市郊区李集村入南阳湖，全长87.8 km，流域面积达3 306 km2，在河道上建有三座泵站，自南向北分别为长沟、邓楼、八里湾泵站，见图1。该输水河道两岸边坡均采用混凝土衬砌，河底保留原有地貌，未做防渗处理。本文应用Visual MODFLOW建立了梁济运河区地下水流场模型，对南水北调输水后未来一段时间内地下水位进行预测，为有效管理输水和新情景下的水资源管理提供了有力的技术依据。

1 研究区概况

根据梁济运河区的水文地质状况和南水北调输水前后地下水流场的变化情况，研判其输水影响范围，以梁济运河两侧10 km处作为研究区的东、西部边界，北部以梁山县边境为界，南部以梁济运河流域区边界为界，拟定地下水流场模拟范围，面积1 704.32 km2，区内共有25眼地下水观测井，见图1。

2 研究区水文地质概念模型

2.1 地下水系统分析

梁济运河沿岸地下水均为第四纪孔隙潜水，主要储藏于壤土、黏土和亚砂土层中，地表透水性差，地下水运动滞缓，地下水主要补给来源为大气降水，其次是引黄输水侧渗水及沟渠渗水。根据地质钻孔资料及含水层埋藏条件，将研究区内地层概化为一层，即潜水含水层。研究区水文地质分区主要包括湖西黄泛平原区、滨湖平原区和湖东山前井灌平原区。湖西黄泛平原区潜水含水层厚度约为20～40 m，以粉砂为主，个别有细砂，西部较粗，近湖较细。滨湖平原区含水层岩性以粉细砂为主，局部黏土裂隙发育及黏土夹礓石。湖东山前井灌平原区第四系含水砂层较厚，颗粒较粗。由东北向西南第四系逐渐加厚，含水砂层层次增多，厚度增大，颗粒变细，含水砂层主要由细砂、中砂组成。综上所述，研究区内含水层多孔介质颗粒粗细不一，表现出非均质性。故将研究区地下水含水系统概化为非均质、各向异性介质、三维非稳定地下水流系统。

2.2 边界条件处理

因研究区西北部边界与地下水等水位线近乎垂直，与外界几乎无水力联系，因此该区可视为零通量边界。而在其余边界处，由于无明显自然边界，且与研究区内存在较强水力联系，故将其确定为第二类流量边界。在垂向上，把潜水含水层自由水面作为模型上边界，第四系松散堆积物下边界为模型的底部边界。通过上边界，地下水流系统与外界发生垂向水量交换，如接受大气降水及灌溉回归补给、潜水蒸发及农业灌溉开采等[7]。

3 地下水流数值模拟模型

根据上述水文地质概念模型，研究区地下水流的数学模型可表达如下[8-10]。

(1)

式中：Ω1为潜水渗流域；Γ1、Γ2为渗流域的第一类、第二类边界；h为潜水位高程，m；h0为潜水含水层初始水位高程，m；b为含水层地板高程，m；h1为Γ2边界上水头分布，m；q为含水层二类边界单位面积流量，m3/(d·m2)；kn为边界面法线方向的渗透系数，m/s；Kx、Ky、Kz分别为x,y,z方向上的渗透系数，m/s；μ为潜水含水层给水度；qs为源汇项，mm/d。

3.1 地下水流模型的求解

将研究区平面剖分成75列，20行，共计1500个单元格。求解过程中，首先根据研究区水文地质条件及已有的基于抽水试验得出的参数值，给出模型中各区的参数初值。

3.2 源汇项的确定

研究区地下水补给量主要包括降水入渗、河道入渗、侧向径流、灌溉回归补给；排泄项主要有潜水蒸发、农业灌溉开采、侧向径流排泄等。模型中，将降水入渗、灌溉回归以及农业灌溉开采三者按各自分区进行叠加处理，流入为正，流出为负。侧向流入和流出通过边界条件控制。梁济运河则按河流模块分段进行赋值河水位、河底高程、河宽、河床厚度、渗透系数等参数。

3.3 模型的识别与验证

选取2007年1月1日至2010年12月31日作为模型识别期，将边界条件、初始条件以及源汇项输入模型中运行，用该时段25眼观测井的实际观测水位对模型进行识别、调参。通过拟合期的地下水位，识别水文地质参数、边界条件及均衡项，使建立的模型更加符合实际水文地质条件。经多次运行求解，所得地下水流场变化基本一致(见图2)，说明所建立的模型基本可行。识别后的水文地质参数值及分区分别见表1、图3。

为进一步验证模型建立的可靠性，用4次输水期地下水位观测资料对数值模型进行检验，其中初始条件和边界条件不变，其余均采用实测资料进行输入。通过对模型运算结果误差参数统计(见表2)可见，各输水期内模型运算结果均满足模型精度要求，且历次输水中地下水位观测值和计算值的绝对误差<0.5 m的观测井均占总数的70%以上[11]。通过绘制历次输水末期流场拟合图(见图4)，可见历次输水末期流场拟合程度均较好。表明模型拟合效果较好，说明含水层结构、边界条件的概化及水文地质参数的选取是合理的，该模型能够真实反映当地的水文地质条件，可进行下一步分析工作。

图2 识别期末期地下水流场拟合图(单位：m)Fig.2 Chart of groundwater flow field at the end of the recognition period

参数分区渗透系数K/(m·s-1)给水度μ降水入渗补给系数αⅠ2.4×10-50.330.24Ⅱ5.0×10-30.400.28Ⅲ8.0×10-30.400.22Ⅳ5.0×10-40.460.28Ⅴ7.0×10-30.330.28Ⅵ1.9×10-40.440.24

图3 参数分区图(单位：m)Fig.3 Map of parameter zones

表2 模型验证期误差参数统计表Tab.2 Statistical table of error parameters in themodel validation phase

注：模型精度达到要求标准为RMS<1 m，标准RMS<10%，相关系数越趋近于1越好[12]。

图4 历次输水末期流场拟合图(单位：m)Fig.4 Fittings of flow field in the last stage of water delivery

4 研究区地下水位预测

4.1 建立预测模型

本研究选取2015年12月31日研究区的地下水流场作为水位预测的初始流场，将梁济运河河道水位按设计水位相应提高，降水、蒸发以及农业灌溉开采均采用多年平均数据，运用经过经识别和验证过的模型预测未来5年内研究区内的地下水位变化情况。

4.2 预测结果分析

(1)地下水流场和水位变化。对比图5、图6所绘制的2015年和2020年末的地下水位流场图发现，研究区内地下水流场变化趋势较小，总体流向仍由东北、东部向西南方向汇集。而2015年末研究区地下水位等值线相对密集，2020年末区域内地下水位等值线相对稀疏，说明2020年末地下水水力坡度变缓，水位得到整体抬升。由图7可知，水位抬升主要集中在邓楼～长沟泵站区间内靠近长沟泵站的区域，最大抬升高度达6.0 m，在八里湾～邓楼泵站区间内水位抬升约为0.5～1.5 m，长沟泵站以南至湖口区间内水位抬升约为1.5～2.0 m，而在研究区西北部区域，由于远离输水主河道，水位基本无变化。

图5 地下水位初始流场(单位：m)Fig.5 Groundwater initial flow field

图6 地下水位预测流场(单位：m)Fig.6 Groundwater predicted flow field

(2)地下水位年内变化分析。选取M11801710、M119091A、M126047A、M1260920共4眼代表井绘制其2015年和2020年内地下水位变化动态，见图8。由图可知，2020年4眼代表井所呈现出的地下水位波动状态仍然是先降后升的趋势，且最低水位仍出现在7月份左右，与2015年较为一致。但在2020年地下水的波动状态明显要比2015年趋于稳定，变幅也明显减小。在2015年地下水年变幅在1.5～2.0 m之间，而在2020年地下水年变幅在0.5～1.0 m之间。说明南水北调输水后，由于河道长时段高水位输水，对区域地下水系统有实时补给，从而影响了地下水的波动状态。

图7 地下水抬升等值线图(单位：m)Fig.7 Contour map of groundwater table rising

(3)补给量分析。在模型中针对梁济运河输水渠道沿线设置水均衡区，统计2020年河道渗漏量计算结果，见图9。由图可知，2020年研究区地下水系统得到河道输水渗漏补给量为3 592.3 万m3，平均9.8万m3/d，且渗漏补给主要集中在7-9月份，占总渗漏量的77%。

5 结 论

(1)南水北调输水后，到2020年，预测梁济运河区地下水流场变化趋势较小，总体流向仍由东北、东部向西南方向汇集。

(2)2020年末地下水水力坡度变缓，水位得到整体抬升。水位抬升主要集中在邓楼～长沟泵站区间内靠近长沟泵站的区域，最大抬升高度达6.0 m，在八里湾～邓楼泵站区间内水位抬升约为0.5～1.5 m，长沟泵站以南至湖口区间内水位抬升约为1.5～2.0 m，而在研究区西北部区域，由于远离输水主河道，水位基本无变化。

图8 代表井地下水位年内变化动态Fig.8 Groundwater table dynamic change of representative wells in year

图9 2020年河道逐月渗漏量Fig.9 River leakage by month in 2020

(3)预测得出2020年区域年内地下水位波动状态仍然是先降后升的趋势，且最低水位仍出现在7月份左右，与2015年较为一致。

(4)2020年地下水的波动状态明显要比2015年趋于稳定，变幅也明显减小。在2015年地下水年变幅在1.5～2.0 m之间，而在2020年地下水年变幅在0.5～1.0 m之间。

(5)2020年河道输水渗漏补给量为3 592.3 万m3，平均9.8 万m3/d，且有77%的渗漏量都集中在7-9月份。

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