基于暗管排水的地下水调控模拟研究

柳王吉 向龙 徐如超 龚文杰

摘要：以余姚市高效农业园区围垦区为研究对象，综合运用试验法、模拟法等研究方法，在园区基础资料收集和水文地质勘查的基础上，用Modflow建立三维地下水数学模型，定量分析不同降雨补给条件下的地下水动态变化规律；根据不同设计降雨和河道水位控制边界、不同暗管排水方案下农业园区地下水位的变化规律，分析暗管埋深、间距等与园区地下水控制的关系，确定了地下水动态排水的最佳暗管设计方案。研究表明：暗管间距15m、埋深2.5m能够达到精准排水控制的设计要求。还探索了浅层地下水排水规律，为精准调控不同暴雨条件下地下水位和防治围垦土地盐渍化提供决策依据。

关键词：地下水动态模拟；Modflow；暗管排水；埋深：间距

中图分类号：S276.1

文献标志码：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.04.037

精准农业（Precision Agriculture）是当今世界农业发展的新潮流，是由信息技术支持的根据空间变异来定位、定时、定量地实施一整套现代化农事操作技术与管理的系统工程。水利水文计算可为精准农业的高效水资源利用和动态墒情、雨情、灌溉排水管理等提供科学决策支持。近年来，余姚市高效生态农业发展态势良好，率先发展绿色高新农业产业园示范建设，与以色列艾利农业集团开展合作，探索现代高新农田水利管理与开发新思路。该农业园区位于杭州湾钱塘江三角洲的滩涂围垦地，较高的地下水位和盐渍害不仅直接危害作物的正常生长，而且易引发养分失衡、病虫害增加等相关问题。因此，研究农业园区地下水位的动态变化趋势，分析确定排水方案，对农业稳步持续发展具有重要意义。

目前，国内外有许多案例采用地下暗管、沟渠等措施进行地下水排水控制，降低盐渍化及地下水位等。与明沟排水相比，暗管排水具有减少占用耕地、提高土地利用率、增大明沟控制面积、节省劳力、便于机械化施工等优点。我国推广应用暗管排水的时间不长，20世纪50年代后期逐步兴起，几十年来对暗管排水已有较多研究。地下水流数值模拟计算在手工或自动校准模型参数的基础上，采用多方案并行计算，确定优化设计方案，是解决复杂水利调度与控制难题的关键。数学模型已广泛运用到灌区地下水控制的研究中，但用Modflow三维地下水数学模型模拟多种暗管设计方案在不同设计条件下的地下水动态变化方面的研究尚不多见。

笔者在收集余姚农业产业园区水文、气象、地形地貌、地质、水文地质条件等资料的基础上，结合野外调查、勘探和试验数据，进行参数敏感性分析和参数识别，构建高精度的模型系统，以寻找合理的排水方案。考虑到降雨与外河水位为重要的控制条件，在设计边界条件时，分别设置了4种典型设计降雨和2种河道控制水位，以反映地下水位对不同降雨类型和外河控制情况的响应及不同暗管组合在不同边界条件下的排水效果。通过改变模型中暗管排水模块的间距、埋深、水力传导系数（在模型相应模块中表示暗管周边地下水的传导能力，与管材、管径等有关）的组合，模拟不同暗管条件下园区内地下水位的变化趋势，分析暗管埋深、间距等对排水的影响，并确定合适的排水方案，为园区地下水位控制和土地盐渍化防治提供决策依据。

1 研究区概况

余姚市位于浙江省宁绍平原北部，中心地理坐标为东经121°09'、北纬30°30'。园区位于余姚北部，杭州湾南岸，属滨海相冲湖积平原区，地形开阔平坦，总面积约4.3km2，地势南高北低，渠系纵横交错：属季风型气候区，具有四季分明、气候温和、雨量丰沛、日照充足等特点；潮汛属不规则半日潮。区内河流主要有北排江（宽约100m）、九塘横江（宽约30m）。

园区地下水运动受地形地貌控制，方向白南向北，通过园区地块向杭州湾运动。区内地下水埋深浅，晴热天气多，日照时间长，蒸发量大，蒸发为园区地下水的主要排泄方式之一。抽水泵站控制河流保持较低的水位，成为地下水主要的排泄场所。

2 材料与方法

2.1 野外试验与数据分析

2.1.1 地质勘查试验

根据野外勘探资料，按地层岩土特征、岩系埋藏条件、力学性质、成岩时代与成因类型，园区综合地质层划分为4个大层5个亚层。将地质钻孔所采的岩芯进行编录，准确查明含水层的位置；进行土T试验，获得各含水层的物理力学指标设计参数（见表1）。

2.1.2 双环入渗试验

表层土壤作为流域内与大气降水人渗和产汇流直接接触的介质层，土壤渗透系数的大小对降雨人渗有较大的影响。在农业园区的东、西两区选择代表性试验点（共选取10个点）进行双环人渗试验，设定试验外环直径为50cm，内环直径为25cm，测定研究区表层土壤的渗透能力。记录马氏瓶内相应水位的变化，利用式（1）计算试验土层的渗透系数，得到10个试验点的渗透系数平均值为5.85xl0-6Cm/S。式中：K为试验土层的渗透系数，cm/s；Q为内环的注人流量，mL/min；F为内环的底面积，cm2；H为试验水头，H=10cm；z为从试坑底算起的渗入深度，cm；Hu为试验土层的毛细上升高度，参考《水利水电T程注水试验规程》（SL345-2007）取160Cm。

2.1.3 抽水试验

勘探孔按场地均匀布置，共布置3口抽水试验主孔（ZK7-ZK9），每口主孔各布置2口观测孔，平面布置见图1。观测孔ZK7-1、ZK7-2至抽水孔ZK7的距离分别为1.75、3.50m，观测孔ZK8-1、ZK8-2至抽水孔ZK8的距离分别为2.00、4.00m，觀测孔ZK9-1、ZK9-2至抽水孔ZK9的距离分别为1.70、3.40m。根据钻探岩芯的性质，确定抽水试验控制层位为3-1层，含水层厚度为16～17m，井深7.5m，滤管长3m，抽水持续时间36h，流量和水位降深见表2。根据抽水试验数据，利用多孔潜水非完整井计算公式（2），每主孔各计算4个点，取均值，求得3-1层砂质粉土含水层渗透系数，ZK7为1.13×10-3cm/s，ZK8为1.09×10-3cm/s，ZK9为1.14xl0-3Cm/S。式中：K为试验土层的渗透系数，m/s；Q为试验孔出水流量，m3/s；S为试验孔水位降深，m；S1、Sn分别为观测孔1、2的水位降深，m；l为过滤器长度，m；r1、r2分别为观测孔1、2至抽水孔的距离，m。

2.2 数值模拟方法

本研究采用Modflow建立三维地下水数学模型，对研究区地下水动态变化进行模拟。

2.2.1 地下水控制方程

在不考慮水的密度变化的条件下，孔隙介质中地下水在三维空间的流动可以用下面的偏微分方程来表示：式中：Kxx、Kyy、Kzz分别为渗透系数在x、y、z方向上的分量；h为水头：w为单位体积流量，代表流进汇或来自源的水量；ss为孔隙介质的贮水率：t为时间。

土壤中的多余水分通过暗管接头处或管壁滤水微孔渗入管内排出，作为地下含水层的源汇项列入式（3）。农用排水暗管从含水层中排泄地下水，其所排水量与含水层的水头和某一固定水头或高程之差成正比。其中要求含水层水头高于这一固定的高程，否则无排水效果。假定暗管中仅部分有水，因而暗管的水头大约等于其半高处的高程di，j，k。水头损失大小可假定与暗管系统的排水量QDi，j，k（即从计算单元（i，j，k）排到暗管的排水量）成正比。排水量公式为式中：CDi，j，k为综合（或等效）渗透系数，用来描述暗管与计算单元（i，j，k）的区间总水头损失：hi，j，k为假定的计算单元（i，j，k）的水头，其大小取决于流向暗管的汇聚水流的特点、暗管自身特点及其直接相邻的环境。

2.2.2 模型构建

研究区按照大小相同的矩形网格划分，抽水井附近加密网格。模型识别时，根据水文地质调查结果，将研究区在铅直方向上剖分为3层，共计18.5m，白上而下含水层厚度比例依次约为7.8%、4.4%、87.8%。根据研究区现实情况和研究精度的要求，以15mx15m规格为一个单元对模型进行剖分，分为有效单元70368个，无效单元18732个。

根据园区的规划设计条件，内河的常水位为0.3m。采用排水泵站抽水来控制水位，其抽水能力为15m3/S。外河常水位为2m。将内、外河常水位作为定水头条件处理，进行长历时模拟控制，将其达到稳定时的水位作为暗管排水时的初始水位。根据余姚市气象资料和地下水长期动态系列资料，分析确定不同非饱和带岩性、不同地下水埋深条件下的潜水蒸发量，输入到模型中。

2.2.3 参数估计

（1）参数初值确定。将双环人渗试验点渗透系数均值、地基土物理力学试验所得参数、抽水试验参数均值分别作为研究区表层、第二层、第三层土壤的初始渗透系数：考虑到水文地质条件的差异性，将每个含水层划分为3个区域，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区分别对应抽水井ZK9、ZK7、ZK8，赋予相应渗透系数初值。给水度初始值根据经验和浙江省的相关研究成果给出，第一至三层分别取0.137、0.125、0.141。

（2）参数敏感性分析。①渗透系数（K）敏感性分析。根据模型计算所得6个观测井在不同渗透系数下（取初值的0.5倍、1倍、1.5倍）的地下水位变化（以ZK7-1、ZK7-2为例，见图2），随着K值增大，地下水位不断升高，且变化比较明显，说明研究区地下水位对渗透系数反应较灵敏。②给水度敏感性分析。在不同的给水度条件下（以ZK8-1、ZK8-2为例，见图3），研究区地下水位变化较小，说明地下水位对给水度反应不敏感，给水度不确定性对水位降深计算影响远小于渗透系数，参数率定以渗透系数为主。

（3）参数率定。利用抽水试验进行参数率定。抽水试验期间，研究区并未出现降雨，故无面状补给源输入。通过对比分析6个观测井的计算水位和观测水位，采用手动校正法对模型参数进行优化处理，优选出模拟较好的渗透系数和给水度直到拟合误差满足精度要求。拟合结果（以ZK9—1、ZK9-2为例，见图4）显示各观测井的计算水位值和观测值变化趋势一致，拟合程度较好。统计数据（见表3）表明率定参数符合实际情况，模型的收敛性和稳定性较好，可用来计算和预测地下水系统的动态变化。

2.3 模拟方案设置

降雨和外河网边界以“菲特”暴雨（2013年10月登陆的强台风“菲特”引发的浙江等地的强暴雨）、20a一遇、50a一遇和100a一遇4种降雨类型为原型，将降雨人渗补给量和河道水位变化过程耦合到模型中同步计算。初始水位设置不变。内河常水位边界仍设为0.3m，通过抽排方式控制：在暴雨条件下，经过排涝模数计算获取动态控制水位：外河常水位边界设置常水位2m或汛期调度水位2.53m两种条件。考虑暗管埋深的可行性分析，将暗管埋深1.5、2.0、2.5m，暗管间距15、30、45m，水力传导系数0.275、0.550、1.100m/d进行组合。综合各边界约束，优化暗管排水方案设置见表4。

3 分析与讨论

设置10个模拟观测井，在不同方案条件下模拟观测井水位，并选取高地下水位分布区的井4和井8作为分析的典型观测点，统计分析其水位最高值、排水时间、排水总量等，结合图表分析暗管埋深、间距等对园区地下水位的影响。

3.1 暗管埋深分析

方案1模拟结果见表5～表8。对比上述不同条件约束下的典型地下水排水特征值可以看出：

（1）随着降雨人渗补给量的不断增大，地下水位的峰值升高，暗管排水总量增多。以埋深1.5m时的4号井为例，100a一遇比20a一遇降雨条件下的水位峰值升高0.011m，而在埋深为2.5m时，其水位峰值只升高0.002m，说明暗管埋深越大，水位峰值越低，排水越有利，但随埋深增大带来的峰值降低效果在减弱。

（2）随着降雨强度的增大，区内地下水位从峰值回落至1.5m的排水历时不断延长，以设计埋深为1.5m时的8号井为例，历时从131h增大至163h，即降雨强度越大越不利于排水。

（3）对比4种降雨类型方案，当暗管埋深从1.5m变为2.0m时，观测井水位经历“先上升后降低”的过程，当埋深增大至2.5m时，只在“菲特”暴雨的前2h水位是上升的，其他方案水位都直接降低，说明暗管埋深增大可以显著提高含水层排水效果。

（4）从排水效果来看，在模拟结束时，观测井水位基本降低至暗管埋深附近，排水效果良好。

（5）從排水历时来看，在模拟结束时（240h），除埋深1.5m时的井8外，其他方案都没有降至暗管埋深处，可考虑增大暗管的水力传导系数和控制外源补给，以增强其排水能力。

结合方案4模拟结果（见表9），对比其他条件相同时外河水位控制在2m（见表8）和2.53m（见表9）时的园区地下水位变化情况可见，当外河控制水位增大至2.53m时，井4和井8的初始水位分别升高了0.339m和0.326m（1.5m埋深下）：区内地下水位的峰值提前，且在模拟结束时水位均高于外河控制水位为2m时的水位，可见较低的外河水位有利于园区的整体排水效果。

3.2 暗管间距分析

根据方案2和方案5观测井水位变化曲线和暗管排水统计显示（以方案5为例，见图5、表10），暗管间距越大，水位变化曲线越平缓，即园区水位下降速率越小：间距越大，水位先升后降的过程越明显，15m间距部分井水位直接下降，排水效果显著。从水位峰值看，随暗管间距减小，地下水位峰值降低，以方案5中井4为例，其水位峰值由1.904m降至1.682m，但间距15m与30m峰值相同，可见随间距减小，其对峰值的影响减弱，直至无影响：从排水效果看，随着暗管间距增大，井4在模拟结束时的水位由0.586m提高至1.204m，排水效果变差。

3.3 水力传导系数分析

根据方案3相关统计，随着暗管水力传导系数的增大，园区地下水位下降速率逐渐增大，观测井水位峰值逐渐变小，井4水位峰值由1.755m降低为1.657m，说明水力传导系数的大小对暗管排水有较大影响。从排水历时看，井8的水位从峰值降至暗管埋深处所需时间由大于168h缩短至96h，排水速率显著增大。

4 结论与建议

暗管排水是降低地下水位的有效措施。试验研究表明，增加暗管埋深有利于提高排水效果，较小的暗管间距有利于表层土壤排水，间距越小地下水位下降越快，但随着埋深的增加和间距的减小，其对地下水位降低的促进作用会减弱。增大暗管水力传导系数可有效提高暗管排水能力。外河水位对园区水位有较强的影响，外河控制水位提高使区内初始水位升高、地下水位峰值提前、模拟结束时水位较高。模拟结束时，区内靠近外河的部分田块水位并未降至暗管埋深处，其主要原因是暗管排水慢及受外河高水位补给的影响。

在研究区外河水位较高和土壤渗透系数小等不利条件下，可从减小暗管间距、增加埋深和增大水力传导系数三个方面来提高排水能力。研究方案优化推荐研究区建设以暗管排水为主，辅以明渠和泵站排水设施的网络体系，从整体上改进园区排水状况。可设计暗管埋深2.5m、间距15m和水力传导系数0.55m/d，此方案当面临100a一遇降雨且外河水位为汛期调度水位2.53m时，地下水位亦可在100h时降至1m，240h时降至0.586m，排水效果较好，基本满足设计农田排水的要求。可能面临的风险是外河高水位的持续补水会增加长期排水量，不利于内河水位控制和排水，且长期排水过程要考虑灌溉和降雨的综合作用，流场稳定需要较长时间，表层土渗透性差，可能影响暗管上部排水通量，不利于脱盐。此外，考虑到增大埋深和减小间距对降低地下水位的效果逐渐减弱，可结合实际铺设暗管的成本适当减小埋深和增大间距，而考虑增大暗管的水力传导系数或降低外河水位等措施进一步促进排水。