坝内蓄水对地下水补给和潜水蒸发影响模拟分析

魏向博

（新疆阿克苏水文勘测局，新疆 阿克苏 832000）

我国汛期河川径流占年径流比例较大，其中以洪水形式居多，且年际丰枯变化大，易形成非涝即旱、旱涝交替的局面。合理调控洪水，可以补充地下水、地表水资源，改善河流水生态环境。本文主要利用数值模拟方法对地下水补给和潜水蒸发受坝内蓄水的影响进行分析研究。

1 研究区概况

某河流橡胶坝工程位于我国北方，地处北亚亚热带季风气候区，属于典型的北方半干旱性、半湿润性气候，雨水较为充沛，但降水十分集中，6 月～9 月降水量占全年降水量的80%以上。研究河流在区内共有5 条支流，年平均流量为15.37 m3/s，其中七、八、九月三个月为丰水期，产生的径流量占到全年径流量的45%左右；枯水期为每年的3 月～6 月，径流量占到全年径流量的19%左右。研究河流左右两岸主要位于冲洪积平原区的一级和二级阶地以及河漫滩之上，河漫滩区和河床阶地区下伏砂砾石层和砂砾乱石之间连接成一个整体，有助于地下水的补给。目前该河傍河地下水为该城市的主要用水，占到总供水的一半左右，随着城市人口的不断增加，该城市的用水量也在不断增加，亟需提升傍河地下水储量。

2 数值模型建立

2.1 工程建模分析

某河流橡胶坝工程东西跨度为10.26 km，南北跨度为12.1 km，总面积达到123 km2。研究区所在城市目前以埋深60 m 左右的浅层地下水作为主要供水，因此本研究选择70 m 埋深内的潜水水层作为研究对象。所研究河流河道宽在700 m～100 m 之间，是典型的平原宽浅河道，和外部水量交换很小，下部边界位于单一的含水层分布区，和粘土之间接触，因此可以视作隔水边界。将整个研究区划分为一个单元格，每个单元格的大小为121 m×103 m。垂直方向上划分5 个层次，为避免第一层出现疏干的情况，厚度加大设定为20 m，其余四层分别为10 m、10 m、15 m 和15 m。在经过以上划分后，整个研究区共划分为50000个网格单元。

2.2 地下水数字模型

进行地下水运动形式数模建模时，可将其视作一个各向同性、非均值、非稳定以及准三维的地下水模型，具体计算模型如下所示：

在以上模型中，Γ1、Γ2分别表示第一类流量边界和第二类流量边界，Ω 表示研究区范围，t 表示时间，H0表示初始水位，S表示储水率，H1表示计算期间边界处地下水位情况，W 表示源汇项，H 表示潜水水位，K 表示渗透系数[1]。

2.3 河道蓄水过程水位变化

研究河道地区附近设有一水文观测站，通过该观测站进行水坝建设前后的河流水位变化观测，基于观测数据本文通过以下公式对河道蓄水过程水位演变情况进行计算：

式中：Z1、Z2表示主河道上下断面上的河底高程，Y1、Y2表示断面上下断面处水深，V1、V2表示上下断面处断面平均流速，α1、α2表示上下断面处断面处动力修正系数，he表示能量水头损失，g 表示重力加速度[2]。

采用美国HEC-RAS 河道水力学软件进行模拟分析。该计算软件作为一个适用于河道非稳定以及稳定的一维水力计算工具，具有十分强大的计算功能，可以进行各种涉水建筑的线、面的分析计算工作[3]。基于HEC-RAS 软件内既定的关于砂砾石、顺直类型河道的曼宁系数值，对研究河流进行计算，结果显示在研究河流中的左右漫滩、河道处的曼宁系数值分别为0.045 和0.032，边界条件处的摩擦阻力比降低为0.00016[4]。

使用2015 年1 月～2017 年12 月的观测数据作为基本流量资料，使用一维恒定流对河流建坝前后的河流水位情况进行模拟。在2015 年1 月～2017 年12 月期间，随着一坝、二坝、三坝、四坝的相继建设，河流的水位依次上升，分别上升2.5 m～3 m，其中二坝建设的水位上升最为明显，平均水位升高达到3 m 左右。

3 模拟结果及分析

基于上文建构的地下水流数字模型，结合入渗补给系数计算地下水开采量、降水入渗补给量、边界条件以及初始水头值，对2015 年1 月～2017 年12 月期间研究河道建设各级橡胶坝前后的地下水渗透补给量进行计算，具体计算结果见图1。

图1 橡胶坝建设前后河道侧渗补给量

从图1 可以发现，在研究河道建设橡胶坝后傍河区地下水提蓄水补给量明显增加。河道原始水位1.45 亿m3/a，三坝建成后补给量增加到2.1 亿m3/a，二三坝建成后补给量增加到4.05 亿m3/a，一二三坝建成补给量增加到4.5 亿m3/a，一二三四坝建成后补给量增加到4.75 亿m3/a。较之未建设橡胶坝前的补给量增加了3.3 亿m3/a。

随着地下水位的不断抬升，相应的潜水蒸发损失也不断增加，如表1 所示为2015 年1 月～2017 年12 月期间研究河道建设各级橡胶坝前后潜水蒸发量的变化情况。从表1 发现，随着越来越多的橡胶坝建成，潜水蒸发量显著增加。河道未建坝的潜水蒸发量为1658700 m3/a，三坝建成后潜水蒸发量为2095300 m3/a，二三坝建成后潜水蒸发量为2713700 m3/a，一二三坝建成潜水蒸发量为3980100 m3/a，一二三四坝建成后潜水蒸发量为5019900 m3/a。较之未建设橡胶坝前的补给量增加了3361200 m3/a。

表1 橡胶坝建设前后潜水蒸发量变化情况

4 结论

模拟研究显示加大坝内蓄水量可有效提高傍河地区的地下水补给和潜水蒸发量，即通过建设橡胶坝，实现坝内蓄水，对于提升傍河区地下水补给和潜水蒸发量具有十分明显的效果，可有效缓解周边的水资源缺乏状况，值得推广使用。