余樂(lè)時(shí)，朱 焱，楊金忠

(武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072)

河套灌區(qū)水資源匱乏，地下水位埋深較淺，土壤鹽堿化嚴(yán)重，合理評(píng)價(jià)地下水資源，充分利用地下水，對(duì)于河套灌區(qū)的節(jié)水和控鹽意義重大。井渠結(jié)合利用地下水與地表水共同灌溉，可減少地表用水，同時(shí)增加地下水埋深，減少蒸發(fā)損失，達(dá)到節(jié)約用水和控制土壤鹽堿化的雙重目的。井渠結(jié)合利用渠灌區(qū)地表水灌溉補(bǔ)給地下水，因此，研究井渠結(jié)合條件下，灌區(qū)地下水的采補(bǔ)動(dòng)態(tài)過(guò)程，對(duì)維持灌區(qū)的生態(tài)平衡具有重要意義。

Visual MODFLOW(Modular Three-dimensional Finite-difference Ground-water Flow Model)是地下水?dāng)?shù)值模擬中最為普及的軟件之一，國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用Visual MODFLOW研究地下水問(wèn)題已取得較為豐富的成果，Zume等學(xué)者[1]利用MODFLOW分析了美國(guó)Oklahoma西北部地區(qū)抽取地下水時(shí)，河流及地下含水層的水流特征。馬玉蕾[2]運(yùn)用Visual MODFLOW分析了黃河三角洲淺層地下水與植被的相關(guān)關(guān)系。龔亞兵[3]建立河套盆地的地下水?dāng)?shù)值模型，分析了盆地內(nèi)地下水位變化對(duì)鹽堿化控制的影響。本文在全面搜集河套灌區(qū)2006-2013年的水文地質(zhì)、氣象、種植結(jié)構(gòu)等資料的基礎(chǔ)上，應(yīng)用VisualMODFLOW軟件，構(gòu)建了河套灌區(qū)地下水動(dòng)態(tài)數(shù)值模型，利用2006-2010年觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型主要參數(shù)進(jìn)行了率定，利用2011-2013年數(shù)據(jù)對(duì)率定結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。同時(shí)，利用該驗(yàn)證的模型，預(yù)測(cè)了實(shí)施井渠結(jié)合灌溉方式后，區(qū)內(nèi)地下水變化及水資源狀況。

1 研究區(qū)概況

河套灌區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)西部，北依陰山山脈的狼山、色爾騰山、烏拉山南麓洪積扇，南臨黃河，東至烏梁素海，西接烏蘭布和沙漠(見(jiàn)圖1)。地理坐標(biāo)為北緯40°10′～41°20′，東經(jīng)106°10′～109°30′，東西長(zhǎng)250 km，南北寬50 km，總土地面積106.73 萬(wàn)hm2，現(xiàn)有引黃灌溉面積57.4 萬(wàn)hm2。整個(gè)河套灌區(qū)又分為烏蘭布和、解放閘、永濟(jì)、義長(zhǎng)和烏拉特5個(gè)灌域。河套灌區(qū)屬于典型的干旱—半干旱大陸性氣候區(qū)，套區(qū)作物用水主要依靠引黃河水灌溉[4]。

圖1 河套灌區(qū)位置

2 基于Visual MODFLOW地下水?dāng)?shù)值模型

2.1 模型概化

2.1.1 模擬范圍及邊界條件

本次模擬范圍為整個(gè)河套灌區(qū)，利用Arc GIS在Google Earth中描繪出河套灌區(qū)范圍。并劃分為8.1 萬(wàn)個(gè)長(zhǎng)1 000 m，寬500 m大小的網(wǎng)格，其中有效網(wǎng)格數(shù)量為3.75 萬(wàn)個(gè)。網(wǎng)格的劃分是當(dāng)?shù)氐乃牡刭|(zhì)條件進(jìn)行劃分，同時(shí)兼顧計(jì)算精度和計(jì)算成本。河套灌區(qū)南北向第一含水層厚度變化相對(duì)較大，東西方向厚度變化相對(duì)較小。因此，在劃分網(wǎng)格時(shí)，東西方向網(wǎng)格長(zhǎng)度較大，南北方向網(wǎng)格較小。

側(cè)向邊界條件設(shè)定為：①東邊界：套區(qū)東部有烏梁素海，設(shè)為水量交換邊界，套區(qū)的地下水與烏梁素海的水量交換受到烏梁素海水位的控制；②西邊界：套區(qū)西部為烏蘭布和沙漠，地下水水平向流動(dòng)較弱，設(shè)為不透水邊界；③北邊界：套區(qū)北部自西向東分別為狼山和色爾騰山，烏拉山，北邊界補(bǔ)給主要由山前側(cè)滲補(bǔ)給，由于套區(qū)北部有很多抽水井，認(rèn)為山前側(cè)滲和抽水兩者平衡，因此也做不透水邊界處理。④南邊界：黃河自河套南部流過(guò)，與南部的地下水存在密切關(guān)系，因此將其設(shè)為河流邊界(三類邊界)。表1展示的是黃河上離河套灌區(qū)最近的2個(gè)水文站所檢測(cè)的黃河水位。模擬黃河部分時(shí)，該數(shù)據(jù)是重要的輸入項(xiàng)。河流寬度設(shè)為350 m、河流深度平均2.5 m、河流底部厚度及滲透系數(shù)為5 m和0.5 m/d[5]。

表1 黃河水位表 m

根據(jù)河套灌區(qū)測(cè)繪資料以及地層土壤巖性特點(diǎn)，河套灌區(qū)內(nèi)水量交換主要在第一含水層內(nèi)，因此將第一含水層作為垂向模擬范圍，下部邊界埋深在50～280 m之間。模型垂向上分為3層，第一層為弱透水層，厚度在3～18 m之間，剩下的部分再均分為兩層以便模型迭代計(jì)算。

2.1.2 源匯項(xiàng)

河套灌區(qū)地下水主要補(bǔ)給源為降雨補(bǔ)給和灌溉補(bǔ)給，兩者單獨(dú)計(jì)算，但是合并輸入。河套灌區(qū)現(xiàn)有總干渠1條，干渠13條，分干渠48條，支渠372條，斗、農(nóng)、毛渠8.6萬(wàn)條，斗渠農(nóng)渠在平面上分布十分緊密。引水量較均勻的平鋪在灌區(qū)面上，因此，將灌溉補(bǔ)給以面狀補(bǔ)給的形式輸入。由于區(qū)內(nèi)渠系復(fù)雜，難以獲得準(zhǔn)確資料，且渠系所經(jīng)區(qū)域也在對(duì)應(yīng)的入滲分區(qū)中，不會(huì)影響總的入滲量，因此不區(qū)分渠系入滲和田間入滲，而是將兩者共同計(jì)算，率定得到各分區(qū)的綜合入滲系數(shù)，入滲系數(shù)不再單獨(dú)進(jìn)行分區(qū)。在ArcGIS中依據(jù)灌區(qū)內(nèi)排水溝作為各個(gè)分區(qū)的分界，劃分各渠道灌溉控制區(qū)域，如圖2所示。各個(gè)灌溉控制區(qū)域的面積，渠道年均引水量如表2所示。

蒸發(fā)輸入分區(qū)采用泰森多邊形法則對(duì)灌區(qū)進(jìn)行劃分，劃分結(jié)果如圖3所示，各區(qū)域輸入對(duì)應(yīng)站點(diǎn)的蒸發(fā)數(shù)據(jù)。潛水蒸發(fā)系數(shù)采用解放閘沙壕渠試驗(yàn)結(jié)果[6]，如圖4所示。

圖2 降雨/灌溉入滲分區(qū)

渠名一干渠渡口渠烏拉河楊家河清惠渠黃濟(jì)渠黃洋渠永濟(jì)渠合濟(jì)渠南邊渠北邊渠南三支豐濟(jì)渠復(fù)興渠義和渠通濟(jì)渠長(zhǎng)塔渠華惠渠四閘渠總計(jì)引水量/億m35．7960．5831．9364．0020．8834．9770．1696．2841．2160．6280．0930．2884．3434．4732．7522．1256．1380．2090．73147．626面積/km21060116．8440．5673181．5893831243256175．2108138．51143827713510806158．556210139單位面積上灌溉量/m0．5470．4990．440．5950．4870．5570．2040．5060．4750．3580．0860．2080．3800．5410．3860．4170．7620．1320．1300．470

圖3 蒸發(fā)輸入分區(qū)

圖4 潛水蒸發(fā)系數(shù)

蒸發(fā)、降雨資料采用區(qū)內(nèi)的磴口、杭后、臨河、五原縣、烏前旗、大佘太6個(gè)水文測(cè)站的統(tǒng)計(jì)資料，灌溉水量則根據(jù)各渠道引水量數(shù)據(jù)。2006-2013年以來(lái)月均降雨量和月均蒸發(fā)量如圖5所示。

圖5 月均降雨量和蒸發(fā)量

河套灌區(qū)12月至次年5月份中旬為凍融期，水位變化機(jī)理與灌溉期不同。本文依據(jù)各分區(qū)地下水位觀測(cè)數(shù)據(jù)，將相鄰月份水頭差值乘以由生育期和秋澆期率定獲得的給水度μ，得到凍融期地層中的水量變化量，該水量變化量是降雨入滲、灌溉入滲、潛水蒸發(fā)、排水等所有源匯項(xiàng)的綜合量，以入滲補(bǔ)給進(jìn)行輸入。

2.2 模型率定與檢驗(yàn)

2.2.1 水位比較分析

模型利用2006-2010年河套灌區(qū)內(nèi)219口觀測(cè)井的水位觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)率定，選用2011-2013年的地下水資料進(jìn)行驗(yàn)證，以月為單位應(yīng)力期，率定期共60個(gè)應(yīng)力期，驗(yàn)證期共36個(gè)應(yīng)力期。率定期和驗(yàn)證期灌區(qū)計(jì)算水位和實(shí)際水位的對(duì)比如圖6～圖8所示。

圖6和圖7分別為率定期和驗(yàn)證期各分區(qū)地下水位模擬值與實(shí)測(cè)值隨時(shí)間變化對(duì)比結(jié)果，圖8為率定期和驗(yàn)證期全灌區(qū)地下水位模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比。從各個(gè)分區(qū)以及整個(gè)河套灌區(qū)的計(jì)算水位和觀測(cè)水位的對(duì)比。可以看出，整個(gè)河套灌區(qū)水位的變化規(guī)律十分明顯，即一年中兩次上升兩次下降，較好地反應(yīng)了全灌區(qū)及各分區(qū)地下水位的動(dòng)態(tài)變化。驗(yàn)證期對(duì)地下水位的模擬結(jié)果相對(duì)率定期誤差較大，但全灌區(qū)的模擬結(jié)果仍然較好。

分區(qū)水位計(jì)算結(jié)果中，四閘渠、南邊渠、南三支區(qū)的誤差較大，主要原因有兩方面：一是該部分分區(qū)主要集中在總干南部，離總干較近，用水情況比較復(fù)雜，數(shù)據(jù)上看單位面積上灌溉量較小，因此計(jì)算水位偏小。二是該部分分區(qū)面積較小，內(nèi)觀測(cè)井的數(shù)量不足，導(dǎo)致觀測(cè)水位不夠具有代表性，影響對(duì)比結(jié)果。在率定過(guò)程中，主要根據(jù)河套灌區(qū)200多眼觀測(cè)井的總體觀測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)值進(jìn)行率定，取總體誤差最小為原則?？紤]到參數(shù)合理范圍，所以對(duì)該部分分區(qū)適當(dāng)調(diào)大了入滲系數(shù)，無(wú)法進(jìn)一步改進(jìn)水位計(jì)算結(jié)果。

為評(píng)估模擬值與實(shí)測(cè)值的吻合程度，本文引入統(tǒng)計(jì)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差期望SEE、均方根誤差RMS、標(biāo)準(zhǔn)均方根誤差NRMS以及相關(guān)系數(shù)Cor作為模型結(jié)果合理性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，如表3所示。率定期均方根誤差為0.727 m，標(biāo)準(zhǔn)均方根誤差為1.587%，模擬值與實(shí)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.99以上。驗(yàn)證期均方根誤差為0.869 m，標(biāo)準(zhǔn)均方根誤差為1.894%，模擬值與實(shí)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)仍大于0.99，說(shuō)明本文率定的模型模擬結(jié)果準(zhǔn)確可信，可用于預(yù)測(cè)未來(lái)水位及水資源變化。

表3 地下水位計(jì)算值與觀測(cè)值誤差標(biāo)準(zhǔn)

本文進(jìn)一步對(duì)比了灌區(qū)模擬水頭分布與實(shí)測(cè)水頭分布情況，結(jié)果如圖9所示。

圖8 全灌區(qū)率定期和驗(yàn)證期水位對(duì)比

2.2.2 參數(shù)結(jié)果

灌區(qū)地下水流模型中，主要參數(shù)有滲透系數(shù)、給水度、潛水蒸發(fā)系數(shù)、渠系滲漏補(bǔ)給系數(shù)、降雨補(bǔ)給系數(shù)和田間入滲補(bǔ)給系數(shù)。其中潛水蒸發(fā)系數(shù)和降雨入滲系數(shù)作為已知項(xiàng)輸入，渠系補(bǔ)給系數(shù)和田間入滲補(bǔ)給系數(shù)合并為綜合入滲參數(shù)進(jìn)行率定。綜合入滲系數(shù)率定結(jié)果如表4所示，河套灌區(qū)全區(qū)入滲系數(shù)生育期平均為0.282，秋澆期為0.345，全年的平均為0.302。給水度和釋水系數(shù)如表5所示，第一層弱透水層給水度在0.02～0.03之間，彈性釋水系數(shù)在0.000 001～0.000 005 m-1之間，第二、第三層給水度在0.04～0.06之間，彈性釋水系數(shù)在0.000 000 5～0.000 002 m-1，該結(jié)果符合地下水文土壤參數(shù)指標(biāo)[6]，結(jié)果較為可信。全區(qū)整個(gè)含水層的水平滲透系數(shù)如圖10所示。

2.2.3 水均衡分析

圖9 不同時(shí)期計(jì)算水頭與實(shí)測(cè)水頭分布對(duì)比(單位：m)

渠名一干渠大灘渠烏拉河楊家河南一支清惠渠黃濟(jì)渠黃洋渠永濟(jì)渠合濟(jì)渠生育期0．280．430．290．310．270．270．280．280．230．25秋澆期0．330．60．350．350．350．350．330．350．330．33渠名南邊渠北邊渠南三支豐濟(jì)渠復(fù)興渠義和渠通濟(jì)渠長(zhǎng)塔渠華惠渠四閘渠生育期0．300．290．430．280．270．280．300．290．380．39秋澆期0．40．40．60．350．330．330．330．330．50．38

率定期和驗(yàn)證期各項(xiàng)水量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表6所示。河套灌區(qū)地下水儲(chǔ)量波動(dòng)較小，進(jìn)入灌區(qū)和排出灌區(qū)的水量大致是相等。因潛水蒸發(fā)而損失的水量率定期平均每年15.11 億m3，驗(yàn)證期13.69 億m3，是河套灌區(qū)地下水最大的輸出項(xiàng)。灌溉入滲和降雨入滲兩者作為河套灌區(qū)內(nèi)地下水最大的補(bǔ)給來(lái)源，率定期每年向地下水補(bǔ)充14.20 億m3，而驗(yàn)證期約13.65 億m3。由于2012年氣候干旱嚴(yán)重，黃河引水較少，因此驗(yàn)證期的入滲量和蒸發(fā)量比率定期要小，該計(jì)算結(jié)果與實(shí)際相符。黃河側(cè)滲也是套區(qū)地下水較大的補(bǔ)給源，率定期平均每年0.97 億m3左右，驗(yàn)證期約0.98 億m3。烏梁素海接受河套灌區(qū)排水的同時(shí)，也直接與地下水進(jìn)行水量交換，但是交換量較小。率定期的誤差為2.2%，驗(yàn)證期為-0.9%。模型計(jì)算的各項(xiàng)水量總體均衡，模型準(zhǔn)確可信。

表5 給水度及釋水系數(shù)

圖10 水平滲透系數(shù)(單位：m/d)

表6 水均衡分析表 億m3

3 井渠結(jié)合模式下地下水動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)

預(yù)測(cè)期采用井渠結(jié)合模式進(jìn)行灌溉，預(yù)測(cè)時(shí)間為10 a，從2014年1月1日開(kāi)始，一個(gè)月為一個(gè)應(yīng)力期，共120個(gè)應(yīng)力期，邊界條件不變。預(yù)測(cè)井渠結(jié)合后，河套灌區(qū)內(nèi)地下水變化情況。

3.1 地下水可開(kāi)采區(qū)及井灌區(qū)布置

井渠結(jié)合井灌區(qū)要求地下水礦化度滿足灌溉水質(zhì)要求，以免地下水灌溉引起土壤鹽堿化。結(jié)合地下水水質(zhì)勘探資料，利用Arc GIS繪出地下水礦化度小于2.5 g/L的區(qū)域作為地下水可開(kāi)采區(qū)，如圖11所示[7]。本模型將典型井渠結(jié)合井灌區(qū)設(shè)置為邊長(zhǎng)為2 000 m的正方形，面積為400 hm2和邊長(zhǎng)為1 500 m的正方形，面積為225 hm2兩種形式，分別布置在永濟(jì)灌域和烏拉特灌域。每9個(gè)井渠結(jié)合井灌區(qū)和周圍3倍于其面積的井渠結(jié)合渠灌區(qū)組成了一個(gè)井渠結(jié)合典型區(qū)，其余可開(kāi)采區(qū)為井渠結(jié)合綜合區(qū)。為提高典型區(qū)的計(jì)算精度，模型對(duì)該區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行了加密，加密后網(wǎng)格大小為邊長(zhǎng)250 m的正方形。

圖11 可開(kāi)采區(qū)范圍及井渠結(jié)合布置方式(2.5 g/L)

3.2 單位面積補(bǔ)給量計(jì)算

井渠結(jié)合后，非井渠結(jié)合區(qū)和井渠結(jié)合渠灌區(qū)的單位面積補(bǔ)給量不變。單位面積補(bǔ)給量主要有3類，井渠結(jié)合井灌區(qū)單位面積補(bǔ)給量q井、井渠結(jié)合渠灌區(qū)單位面積補(bǔ)給量q渠、井渠結(jié)合區(qū)綜合單位面積灌溉補(bǔ)給量q綜合。生育期與秋澆期分別進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下。

(1)

(2)

q生育期、井=q生育期、補(bǔ)給-q生育期、開(kāi)采=

-1.5q生育期、凈kα生育期、田+q降雨αp

(3)

(4)

(5)

(6)

3.3 井渠結(jié)合水文預(yù)報(bào)

井渠結(jié)合前后井灌區(qū)水位對(duì)比如圖12所示，井渠結(jié)合實(shí)施后的第一年，井灌區(qū)與渠灌區(qū)內(nèi)水位下降明顯，隨著區(qū)內(nèi)地下水流場(chǎng)的調(diào)整，水位很快趨于穩(wěn)定，達(dá)到新的平衡。井渠結(jié)合后，地下水水位振幅減小。原因是由于井渠結(jié)合前秋澆期與生育期初期，原本是水位上升時(shí)期，井渠結(jié)合后井渠結(jié)合井灌區(qū)內(nèi)這兩個(gè)時(shí)期的入滲水量均大幅度減小，因此上升的幅度大大減小。水位下降時(shí)期，由于入滲水量沒(méi)有變化，因此降幅幾乎沒(méi)有變化，由此綜合表現(xiàn)為振幅的減小。生育期間，井灌區(qū)利用地下水進(jìn)行灌溉，水位開(kāi)始下降，并在生育期保持較低水位，且有緩慢下降的趨勢(shì)。秋澆期間，井灌區(qū)雖采用三年一灌，但是依舊補(bǔ)給大于損失，因此水位明顯上升，并達(dá)到全年水位最大值，不過(guò)上升幅度與井渠結(jié)合前相比較小。井渠結(jié)合后的渠灌區(qū)盡管灌溉制度沒(méi)有變化，但是受井灌區(qū)的影響，地下水位也有明顯下降。除凍融期外，渠灌區(qū)水位始終高于井灌區(qū)，且渠灌區(qū)水位變化趨勢(shì)與井渠結(jié)合前接近，生育期初與秋澆期均有明顯的上升。

圖12 井渠結(jié)合前后水位變化

實(shí)施井渠結(jié)合后，井渠結(jié)合典型區(qū)內(nèi)地下水位分布如圖13所示。凍融期由于無(wú)抽水，水頭分布與從西南向東北逐漸減小，除南部區(qū)域受地形影響稍有波動(dòng)外，流場(chǎng)整體較為均勻，無(wú)明顯降深漏斗。生育期井渠結(jié)合井灌區(qū)地下水位由于地下水的開(kāi)采而下降，水位低于周圍的井渠結(jié)合渠灌區(qū)，形成明顯的下降漏斗。受地下水整體流場(chǎng)影響，漏斗均不在井渠結(jié)合井灌區(qū)中心，而是稍向北或東方向偏移。周圍地下水受水勢(shì)影響，往井渠結(jié)合井灌區(qū)內(nèi)匯流對(duì)井渠結(jié)合井灌區(qū)內(nèi)地下水進(jìn)行補(bǔ)充；秋澆期井灌區(qū)采用三年一秋澆，渠灌區(qū)一年一秋澆，灌溉水對(duì)井灌區(qū)地下水補(bǔ)給量的急劇減少，從而使得井渠結(jié)合井灌區(qū)地下水位也有明顯下降，整體流場(chǎng)形態(tài)與生育期接近。

各分區(qū)的水位變化如表7所示。從計(jì)算結(jié)果可以看出，對(duì)比永濟(jì)灌域和烏拉特灌域的地下水埋深變化情況可以發(fā)現(xiàn)，生育期烏拉特灌域的地下水降深大于永濟(jì)灌域，秋澆期則相反。烏拉特單個(gè)井渠結(jié)合井灌區(qū)的面積較小，周邊井渠結(jié)合渠灌區(qū)對(duì)區(qū)內(nèi)的補(bǔ)給能力越強(qiáng)，井渠結(jié)合井灌區(qū)和井渠結(jié)合渠灌區(qū)的水位差距較永濟(jì)灌域小。由于烏拉特灌溉面積小，距離邊界較近，附近區(qū)域?qū)Φ叵滤难a(bǔ)充能力有限，因此其生育期地下水反而下降更明顯。井渠結(jié)合之前，烏拉特灌域秋澆期灌溉定額與永濟(jì)灌域相比較小，而井渠結(jié)合后全區(qū)采用統(tǒng)一的灌溉定額進(jìn)行計(jì)算時(shí)，其地下水降深也較小。因此，進(jìn)行井渠結(jié)合區(qū)域規(guī)劃時(shí)應(yīng)充分考慮地域特征，并合理地選擇單個(gè)井渠結(jié)合井灌區(qū)面積，使得井渠結(jié)合后，井渠結(jié)合井灌區(qū)內(nèi)地下水有足夠的補(bǔ)給來(lái)源，以避免局部區(qū)域地下水位下降過(guò)大。

圖13 井渠結(jié)合典型區(qū)流場(chǎng)(單位：m)

灌獲單個(gè)井灌區(qū)面積/hm2井灌區(qū)/m生育期秋澆期凍融期渠灌區(qū)/m生育期秋澆期凍融期井渠結(jié)合區(qū)/m生育期秋澆期凍融期永濟(jì)灌域(平均降深)4000．560．890．240．340．650．230．450．770．24烏拉特灌域(平均降深)2250．640．660．380．500．640．390．570．650．39全灌區(qū)(平均降深)-------0．510．710．32

不同區(qū)域秋澆期的地下水降深均最大，凍融期降深最小。由地下水位資料表明，河套灌區(qū)生育期、秋澆期、凍融期地下水埋深分別為2.17、1.91、2.28 m，井渠結(jié)合井灌區(qū)與井渠結(jié)合渠灌區(qū)由于埋深受布置形式，地理位置等影響較大，因此取井灌區(qū)埋深均值沒(méi)有太大意義，需要具體情況具體分析。但是井渠結(jié)合區(qū)的降深相對(duì)固定，可推求井渠結(jié)合后，3個(gè)時(shí)期的平均埋深變?yōu)?.68、2.82、2.50 m。

為考察井灌區(qū)與井渠結(jié)合區(qū)的水均衡狀況，分別取井渠結(jié)合典型區(qū)中心的井灌區(qū)以及井灌區(qū)與對(duì)應(yīng)的渠灌區(qū)作為均衡區(qū)進(jìn)行分析。計(jì)算得到的年水均衡情況如表8所示，井渠結(jié)合區(qū)內(nèi)地下水主要的補(bǔ)給來(lái)源和水量輸出為入滲補(bǔ)給和潛水蒸發(fā)，兩者分別占凈補(bǔ)給總量和凈輸出總量的99.4%和96.8%。井渠結(jié)合區(qū)與區(qū)外的水量交換量較大，但凈交換量很小，內(nèi)部水量處于平衡狀態(tài)，可見(jiàn)1∶3的井渠結(jié)合比是合理的。井灌區(qū)內(nèi)，地下水主要輸出項(xiàng)為潛水蒸發(fā)項(xiàng)，最主要來(lái)源為周圍渠灌區(qū)的側(cè)向補(bǔ)給。抽水與入滲合并計(jì)算，全年入滲補(bǔ)給量少于抽水量，因此凈入滲水量為負(fù)，并成為地下水的第二大輸出項(xiàng)。井渠結(jié)合后，側(cè)向流動(dòng)較強(qiáng)，井灌區(qū)周圍的渠灌區(qū)地下水大量補(bǔ)充進(jìn)入井灌區(qū)，維持了井灌區(qū)地下水的整體平衡。

表8 井渠結(jié)合區(qū)及井灌區(qū)水均衡表 萬(wàn)m3

河套灌區(qū)年水均衡如表9所示。可以看出，由于井渠結(jié)合后地下水位下降，年均潛水蒸發(fā)損失從井渠結(jié)合前的15.11減小至13.02 億m3，是最主要的節(jié)水來(lái)源。黃河側(cè)滲和湖泊側(cè)滲量與井渠結(jié)合前相比，水量有輕微的波動(dòng)，但變化量較小，并非節(jié)水對(duì)象。年均入滲補(bǔ)給量為從14.20 億m3減少至12.35 億m3，依舊是地下水最主要的補(bǔ)充來(lái)源。盡管入滲補(bǔ)給減少了，但由于蒸發(fā)量相應(yīng)減少，因此總體水量依舊處于均衡狀態(tài)。井渠結(jié)合后井灌區(qū)生育期采用地下水灌溉，井渠結(jié)合前對(duì)應(yīng)區(qū)域均采用黃河水灌溉。井渠結(jié)合后井灌區(qū)秋澆期采用黃河水灌溉，但是頻率調(diào)整為三年一灌，由此可以計(jì)算出兩個(gè)時(shí)期的節(jié)水量，從而得出井渠結(jié)合后每年可節(jié)約黃河水4.09 億m3左右，節(jié)水效果顯著。

表9 河套灌區(qū)井渠結(jié)合前后水均衡表 億m3

井渠結(jié)合后井灌區(qū)生育期采用地下水灌溉，井渠結(jié)合前對(duì)應(yīng)區(qū)域均采用黃河水灌溉。井渠結(jié)合后井灌區(qū)秋澆期采用黃河水灌溉，但是頻率調(diào)整為三年一灌。由此可計(jì)算出井渠結(jié)合后每年可節(jié)約黃河水4.09 億m3左右，節(jié)水效果顯著。

本研究在井渠結(jié)合區(qū)和非井渠結(jié)合區(qū)的界面處布置示蹤粒子，初期和末期粒子位置如圖14所示。粒子的運(yùn)動(dòng)結(jié)果表明，界面隨時(shí)間將向非井渠結(jié)合區(qū)偏移，但移動(dòng)速度很小，因此不會(huì)出現(xiàn)由于咸水入侵而導(dǎo)致淡水區(qū)變咸的情況。

圖14 示蹤粒子運(yùn)動(dòng)

4 結(jié) 語(yǔ)

本文利用Visual MODFLOW建立了河套灌區(qū)地下水?dāng)?shù)值模型，經(jīng)過(guò)模型率定與檢驗(yàn)，從觀測(cè)井水位對(duì)比效果、流場(chǎng)擬合情況、土壤參數(shù)質(zhì)量、水量均衡分析結(jié)果來(lái)看，所建立的河套灌區(qū)地下水流模型基本達(dá)到了精度要求，符合區(qū) 內(nèi)實(shí)際的水文地質(zhì)條件，較好地反映地下水系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特征，可用于進(jìn)行河套灌區(qū)的地下水資源評(píng)價(jià)和地下水流場(chǎng)演化的趨勢(shì)性預(yù)測(cè)。

計(jì)算表明，井渠結(jié)合后，灌區(qū)內(nèi)地下水逐漸下降，穩(wěn)定后井渠結(jié)合區(qū)地下水位生育期、秋澆期以及凍融期分別平均下降0.51、0.71、0.32 m，埋深變?yōu)?.68、2.82、2.50 m。井渠結(jié)合后井灌區(qū)內(nèi)地下水位降深與單個(gè)井灌區(qū)的面積大小有關(guān)，面積越大則下降幅度越大，同時(shí)與井灌區(qū)位置有關(guān)，若井灌區(qū)地下水在附近缺乏足夠的水平補(bǔ)充來(lái)源。

采取井渠結(jié)合灌溉制度后，井渠結(jié)合區(qū)內(nèi)水量基本平衡，表明井渠結(jié)合比1∶3是較為合理的。同時(shí)，在滿足區(qū)內(nèi)作物用水的條件下，總干渠首可減少引水約4.09 億m3，節(jié)水作用明顯。

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[1] Zume J, Tarhule A. Simulating the impacts of groundwater pumping on stream-aquifer dynamics in semiarid northwestern Oklahoma, USA[J]. Hydrogeology Journal, 2008,16(4):797-810.

[2] 馬玉蕾. 基于Visual Modflow的黃河三角洲淺層地下水位動(dòng)態(tài)及其與植被關(guān)系研究[D]. 陜西楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué), 2014.

[3] 龔亞兵. 河套盆地地下水?dāng)?shù)值模擬及鹽堿化水位控制研究[D]. 北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京), 2015.

[4] 內(nèi)蒙古自治區(qū)水文地質(zhì)隊(duì). 土壤鹽漬化水文地質(zhì)條件及其改良途徑的研究[R]. 呼和浩特：內(nèi)蒙古自治區(qū)水文地質(zhì)隊(duì)，1982.

[5] 劉廷璽. 黃河內(nèi)蒙古段干流水量損失研究(灌溉期)[R]. 呼和浩特：內(nèi)蒙古自治區(qū)水利廳水資源專項(xiàng), 2015.

[6] 王亞?wèn)|. 河套灌區(qū)節(jié)水改造工程實(shí)施前后區(qū)域地下水位變化的分析[J]. 節(jié)水灌溉, 2002,(1):15-17.

[7] 何 彬, 賴 斌, 毛 威,等.基于GIS的河套灌區(qū)井渠結(jié)合分布區(qū)的確定方法[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2016,35(2):7-12.

[8] 王璐瑤, 彭培藝, 郝培靜,等.基于采補(bǔ)平衡的河套灌區(qū)井渠結(jié)合模式及節(jié)水潛力[J]. 中國(guó)農(nóng)村水利水電, 2016,(8):18-24.