汾河蘭村—柴村段潛流帶水動力特征研究
2021-07-08 23:27:26季晨龍李海明肖瀚李夢雨王瑞芬楊麗霞張雪麗
人民黃河 2021年5期
季晨龍 李海明 肖瀚 李夢雨 王瑞芬 楊麗霞 張雪麗
摘?要：采用數(shù)值模擬方法研究汾河蘭村—柴村段的潛流帶水動力特征，量化潛水含水層對河流水位瞬時抬升1.5 m的響應幅度與影響距離，計算該條件下河流的側滲補給強度。結果表明：隨著與河岸線垂直距離的增大，潛水響應幅度以及河流的側滲補給流量、側滲速度逐漸減小，相同時刻起始點x=0處的側滲速度為上游<中游<下游，側滲補給流量為上游>中游>下游;在5～90 d內(nèi)，各斷面潛水響應幅度、側滲速度、側滲補給流量在與河岸線距離1 000 m之后從峰值逐漸降為0;潛水響應幅度隨時間延長呈增大趨勢，距河岸線500 m處90 d潛水響應幅度為0.18～0.25 m;距河岸線20～1 000 m處的側滲速度與側滲補給流量在5～30 d達到峰值，之后逐漸降低;相同時刻的影響距離為1—1′上蘭村斷面最遠、2—2′汾河大橋斷面與3—3′柴村橋斷面相近。
關鍵詞：潛流帶;水動力特征;側滲;汾河蘭村—柴村段
中圖分類號：P641.2;TV138?文獻標志碼：A
doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.05.016
Abstract： Numerical modeling method was used to quantify the hydrodynamic characteristics of the subsurface flow in the Lancun-Chaicun section of the Fenhe River such as its response to an instantaneous rise of 1.5 m of Fenhe River water stage and seepage velocity and flow rate from the Fenhe River to the adjacent phreatic aquifer. The results show that the response range of the phreatic aquifer and the lateral seepage rate decreases gradually with an increasing distance to the riparian line. Lateral seepage velocity in x=0 at the same time is upstream
Key words： subsurface flow; hydrodynamic characteristics; lateral seepage; Lancun-Chaicun section of Fenhe River
隨著汾河流域經(jīng)濟社會發(fā)展速度加快，地下水位急劇下降，生態(tài)環(huán)境遭到嚴重破壞。為解決汾河生態(tài)問題，山西省通過調(diào)引客水、污染防治、源頭及干流兩側污染企業(yè)綜合整治等方式進行大規(guī)模治理，流域地下水位得到持續(xù)回升[1]，但流域自身的產(chǎn)流功能仍未得到有效恢復[2]。汾河流域早期曾擁有豐富的濕地資源，在涵養(yǎng)水源、降解污染物、防洪蓄水等方面起到重要作用[3]，但后來大量灘涂、濕地被開發(fā)利用，濕地資源不斷減少[4]。為恢復汾河流域濕地資源，山西省實施了汾河流域生態(tài)修復中游核心區(qū)干流蓄水工程，該工程主要通過河道蓄水、向堤外濕地補水，改善水生態(tài)環(huán)境。該工程蓄水期間使流域濕地水位抬升1～2 m，在濕地補給地下水的過程中存在諸多問題有待深入研究。
潛流帶是指河流河床內(nèi)水分飽和的沉積物層，是河流地表水與地下水相互作用的交匯區(qū)域，也是河床與河水進行物質(zhì)和能量交換的區(qū)域[5]。影響潛流交換的因素有很多種，其中河水流速與流量是主要因素[6-7]。HUNT Bruce[8]研究表明，對于假設飽和模式下的河流與含水層系統(tǒng)，河水與地下水之間的水量交換強度同河水位與地下水位差成線性關系;PACKMAN Aaron I.等[9]通過水槽試驗分析得出了潛流交換率與河水流速等因素之間的關系;HARVEY Judson W.等[10]得出了在河床附近潛流交換隨河流徑流量變化的規(guī)律;LIERMANN Catherine Reidy[11]通過對Fauntleroy溪調(diào)查表明，不同流速對潛流交換勢的影響不同。對河床滲透性能時空變異性及其影響因素的識別不僅是研究河水與地下水水量交換的關鍵與難點[12-15]，也是河流與含水層相互作用研究的熱點[16-17]。
目前潛流交換的研究多是在小尺度上進行的，例如ZHANG Guotao等[18]研究了潛流帶水交換與河岸線曲率的關系。如何量化大尺度潛流交換已成為一個重要課題，侯宏冰等[19]對黃河溫縣段不同水位變化情況下的側滲量進行了模擬計算，得出黃河水位的變化會引起地下水位的相應變化;XI Haiyang等[20]在黑河流域下游進行的田間試驗表明，河流側滲主要受流量及持續(xù)時間的控制。對河流與含水層系統(tǒng)的數(shù)值模擬是區(qū)域尺度上河水與地下水交換研究的重要手段[19，21-24]，其中對河流與含水層系統(tǒng)模型的概化以及對模型參數(shù)的估算是影響研究結果的關鍵[17，25]。
鑒于目前對大尺度潛流交換的研究較少，筆者采用數(shù)值模擬的方法，從側滲速度和側滲補給流量兩方面，研究位于汾河流域生態(tài)修復中游核心區(qū)干流蓄水工程受水區(qū)的上蘭村—柴村橋段水位瞬時抬升1.5 m時的潛流帶水動力特征，以期為汾河流域濕地生態(tài)修復提供參考。
1?研究區(qū)水文地質(zhì)條件
研究區(qū)位于太原市西張盆地，最高海拔為850 m，地勢總體呈北高南低、東西兩側高中間低的特點，地質(zhì)年代為第四系全新統(tǒng)及上更新統(tǒng)，地貌類型為沖洪積傾斜平原地貌、沖積平原地貌以及沖洪積交接洼地地貌。研究區(qū)內(nèi)汾河長度約10 km，屬平原性河流。研究區(qū)地下水主要接收汾河的滲漏補給以及大氣降水入滲補給，地下水位低于河水位，河水同時向河兩岸含水層側向滲透補給地下水。降水冬春少而夏秋多，降水量集中在7—9月，多年（1956—2013年）平均降水量為507 mm。研究區(qū)潛水徑流主要受地形、含水層巖性、補給來源等控制，總體上由北向南、由東西兩側向中部流動。研究區(qū)潛水的排泄方式主要有蒸發(fā)、越流排泄及含水層的側向徑流3種形式。研究區(qū)地下水為松散巖類孔隙水，含水層多為全新統(tǒng)砂卵礫石層，在0～160 m埋深范圍內(nèi)分為潛水含水層和弱透水層，包氣帶厚度為10～22 m，巖性多為粉土、亞砂土。潛水含水層頂板高程620～824 m，厚度30～150 m，巖性多為砂卵石。弱透水層厚度10～80 m，底板埋深40 ～160 m，巖性多為黏土。
2?地下水流數(shù)值模型構建
2.1?水文地質(zhì)概念模型的建立
2.1.1?邊界條件
根據(jù)地形地貌、地層結構及區(qū)域流場特征，把潛水含水層南邊界與東邊界中下部概化為定流量邊界，東邊界上部、西邊界以及北邊界概化為隔水邊界，弱透水層均概化為隔水邊界（見圖1）。
2.1.2?含水層空間概化
本文只關注與河流水力聯(lián)系密切的潛水含水層，根據(jù)已有的地質(zhì)圖、剖面圖、地質(zhì)報告等資料，將含水層概化為非均質(zhì)各向同性潛水含水層，地下水流以水平運動為主。研究區(qū)含水層三維結構與剖面見圖2。
2.2?地下水流數(shù)值模型的建立
2.2.1?網(wǎng)格剖分
對模擬研究區(qū)進行網(wǎng)格剖分，共剖分為20 000個網(wǎng)格（100行×100列×2層），其中活動單元格8 368個，垂向上劃分為兩層（見圖3）。
2.2.2?模型識別應力期選取
根據(jù)現(xiàn)有資料，模型以2012年1月—2012年12月為校正期，2013年1月—2013年12月為驗證期，以月為應力期，每個應力期為一個時間步長。
2.2.3?源匯項處理
本文模型中潛水含水層地下水補給項主要包括降水入滲補給、地表水滲漏補給，排泄項主要包括蒸發(fā)、徑流排泄。
2.3?模型的校正與驗證
將研究區(qū)校正期和驗證期潛水流場水位模擬值與實測值進行比較，發(fā)現(xiàn)兩者的擬合程度較高，說明所建立的水文地質(zhì)概念模型和數(shù)值模型基本合理，能較好地模擬研究區(qū)地下水動態(tài)變化過程。以2014年1月地下水位為初始條件，模擬預測當汾河水位瞬時抬升1.5 m時河水側滲補給地下水的速度和補給量以及地下水位的時空變化規(guī)律。
3?結果與討論
3.1?不同斷面地下水位變化特征
為了更好地認識河流補給地下水的水動力特征，沿汾河水流方向選取不同斷面，研究其地下水位變化特征、河水補給地下水側滲速度和補給量的變化特征。在汾河上游（上蘭村）、中游（汾河大橋）、下游（柴村橋）各設置一個斷面，分別記為1—1′、2—2′、3—3′，以河流斷面與河岸線的交叉點為原點，以垂直河流中心線且遠離河流的方向為x軸。將各斷面的潛水水位與初始水位的差值記為Δh。
（1）不同時刻Δh與河岸線距離的關系曲線見圖4，由圖4可知：Δh隨與河岸線距離的增大總體呈下降趨勢，在x=0處，Δh=1.5 m，隨后Δh值隨x增大在0～20 m急速下降，降幅占河流水位瞬時抬升高度的78.7%～97.3%，在20 m以后緩慢下降直至在距河岸線足夠遠處為0。①1—1′上蘭村斷面河水位抬升5 d時Δh從河岸線處的1.5 m降為20 m處的0.04 m，降幅為1.46 m，占河流水位瞬時抬升高度的97.3%，之后從20 m到3 000 m的距離內(nèi)，從0.04 m降至0 m;90 d時Δh在距河岸線20 m處從1.5 m降至0.32 m，降幅為1.18 m，占河流水位瞬時抬升高度的78.7%，之后從20 m到3 000 m的距離內(nèi)，從0.32 m降至0.03 m，降幅為0.29 m。②2—2′汾河大橋斷面河水位抬升5 d時Δh在距河岸線20 m處降幅占河流水位瞬時抬升高度的96.7%，之后從20 m到3 000 m的距離內(nèi)，降至0 m;90 d時Δh在距河岸線20 m處降幅占河流水位瞬時抬升高度的81.3%，之后從20 m到3 000 m的距離內(nèi)降至0 m。③3—3′柴村橋斷面河水位抬升5 d時Δh在距河岸線20 m處降幅占河流水位瞬時抬升高度的96.7%，之后從20 m到3 000 m的距離內(nèi)降至0 m;90 d時Δh在距河岸線20 m處降幅占河流水位瞬時抬升高度的80%，之后從20 m到3 000 m的距離內(nèi)降至0 m。
（2）為了更直觀地觀察不同斷面Δh隨距離的變化規(guī)律，選取各斷面x=500 m處繪制Δh隨時間的變化曲線（見圖5），發(fā)現(xiàn)各斷面Δh隨時間推移均呈增大趨勢，并且各斷面在同一時刻的Δh值1—1′上蘭村斷面最大，2—2′汾河大橋斷面與3—3′柴村橋斷面大致接近，說明受河流水位抬升影響后的地下水位在上游漲幅較大。1—1′上蘭村斷面距河岸線500 m處經(jīng)過90 d后Δh增幅最大，為0.25 m。2—2′汾河大橋斷面與3—3′柴村橋斷面Δh增幅大致接近，2—2′汾河大橋斷面Δh在90 d內(nèi)由0增加到0.18 m，3—3′柴村橋斷面在90 d內(nèi)由0增加到0.19 m。故距河岸線500 m處90 d潛水響應幅度范圍為0.18～0.25 m。
（3）定義Δh=0.01 m所對應的垂直于河岸線的距離為河流水位瞬時抬升1.5 m時對潛水水位的影響距離。根據(jù)不同斷面的影響距離（見表1）可得：相同時間下，影響距離1—1′上蘭村斷面最遠，2—2′汾河大橋斷面與3—3′柴村橋斷面相近。1—1′上蘭村斷面5、10、30 d影響距離分別為458、851、2 150 m，60 d時超出研究區(qū)范圍;2—2′汾河大橋斷面5、10、30、60、90 d影響距離分別為349、657、1 438、2 041、2 538 m;3—3′柴村橋斷面5、10、30、60、90 d影響距離分別為364、642、1 360、2 030、2 517 m。
3.2?側滲速度的變化規(guī)律
根據(jù)Darcy定律，河流的側滲速度v可用如下公式來表示[26]：
式中：K為滲透系數(shù);Δh0，t為在距河岸線0 m的位置經(jīng)過t時間水位上升的幅度;a為壓力傳導系數(shù)，a=Khm/μ（hm為含水層厚度，μ為給水度）;x為距離河岸線距離。
滲透系數(shù)K與給水度μ根據(jù)數(shù)值模擬結果輸入，含水層厚度hm根據(jù)數(shù)值模型的潛水水位及潛水含水層底板高程插值獲得。
（1）同一時刻不同位置的側滲速度不同，起始點x=0處側滲速度最大：
隨著x增大，遠離河流的側滲速度逐漸變小。
（2）河流水位瞬時抬升1.5 m時側滲速度的時空變化規(guī)律見圖6，可以看出：相同時刻起始點x=0處的側滲速度上游（1—1′上蘭村斷面）<中游（2—2′汾河大橋斷面）<下游（3—3′柴村橋斷面）。①1—1′上蘭村斷面（見圖6（a）），起始點x=0處的側滲速度隨時間的推移逐漸減小并且下降速率逐漸減小。該斷面5 d時的側滲速度從x=0處的0.11 m/d開始快速下降，隨著距離的增加，在1 750 m處降為0。90 d時的側滲速度從x=0處的0.03 m/d開始緩慢下降，結合其他時間曲線變化趨勢，可以推測該斷面90 d時的側滲速度在距河岸線足夠遠處降為0。②2—2′汾河大橋斷面（見圖6（b）），5 d時的側滲速度從x=0處的0.13 m/d開始快速下降，隨著距離的增加，在1 596 m處降為0。90 d時的側滲速度從x=0處的0.03 m/d開始緩慢下降，隨著距離的增加，在3 000 m處降為0。③3—3′柴村橋斷面（見圖6（c）），5 d時的側滲速度從x=0處的0.15 m/d開始快速下降，隨著距離的增加，在1 512 m處降為0。90 d時的側滲速度從x=0處的0.03 m/d開始緩慢下降，隨著距離的增加，在3 000 m處降為0.003 m/d。
（3）距河岸線不同距離側滲速度隨時間的變化規(guī)律見圖7。同一位置（x固定）側滲速度先快速增大，而后隨時間的延長而逐漸變小，直至為0。①1—1′上蘭村斷面（見圖7（a）），距河岸線20 m與100 m處的側滲速度先從0開始快速增大，至6 d達到峰值，分別為0.095、0.094 m/d，隨后再緩慢減小。距河岸線500 m處的側滲速度從0開始快速增大，至8 d達到峰值0.06 m/d;距河岸線1 000 m處的側滲速度從0開始快速增大，至26 d達到峰值0.03 m/d;距河岸線2 000、3 000 m處的側滲速度從0開始緩慢增大，至90 d時尚未達到峰值。②2—2′汾河大橋斷面（見圖7（b）），與河岸線相距20、100、500、1 000 m處的側滲速度在90 d內(nèi)首先從0開始增大，達到峰值后再緩慢減小，峰值分別為0.11、0.10、0.06、0.03 m/d;與河岸線相距2 000、3 000 m處的側滲速度在90 d內(nèi)未達到峰值。③3—3′柴村橋斷面（見圖7（c）），側滲速度隨時間的變化規(guī)律與1—1′上蘭村斷面、2—2′汾河大橋斷面大致相同，與河岸線相距20、100、500、1 000 m處的側滲速度峰值分別為0.13、0.12、0.06、0.03 m/d。
3.3?側滲補給流量的變化規(guī)律
水位變幅不大時，潛水含水層飽和厚度可以用其平均厚度hm表示，通過任一斷面處的單寬流量q[26]為
根據(jù)側滲補給流量的時空變化規(guī)律可得：
（1）同一時刻不同位置的單寬流量不等。當x=0時，單寬流量最大，其值即河流向一側補給地下水的單寬流量：
隨著遠離河岸線（x增大）單寬流量逐漸變小。隨著時間的延長，單寬流量的減小速率逐漸變小。同一位置的單寬流量隨著時間的延長先增大然后逐漸減小。
（2）不同時刻側滲補給流量隨距離的變化規(guī)律見圖8，可以看出：相同時刻起始點x=0處的側滲補給流量為上游（1—1′上蘭村斷面）>中游（2—2′汾河大橋斷面）>下游（3—3′柴村橋斷面）。①1—1′上蘭村斷面（見圖8（a）），5 d時的側滲補給流量在x=0處從13 m3/d開始快速下降，在1 750 m處降為0。90 d時，x=0處的側滲補給流量為3.09 m3/d，在與河岸線相距3 000 m處降為0.46 m3/d，結合其他時間曲線變化趨勢，可以推測該斷面90 d時的側滲補給流量在距離河岸線足夠遠處降為0。②2—2′汾河大橋斷面（見圖8（b）），5 d時的側滲補給流量在x=0處從11.4 m3/d開始快速下降，在1 692 m處降為0。90 d時，x=0處側滲補給流量為2.7 m3/d，在與河岸線相距3 000 m處降為0。③3—3′柴村橋斷面（見圖8（c）），5 d時的側滲補給流量在x=0處從10.1 m3/d開始快速下降，在1 470 m處降為0。90 d時，x=0處側滲補給流量為2.4 m3/d，在與河岸線相距3 000 m處降為0.2 m3/d。
（3）距河岸線不同距離側滲補給流量隨時間的變化規(guī)律見圖9。①1—1′上蘭村斷面（見圖9（a）），距河岸線20、100 m處的側滲補給流量首先從0開始快速上升，至6 d達到峰值，分別為11、10.6 m3/d，隨后再緩慢下降;距河岸線500 m處的側滲補給流量從0開始快速上升，至8 d達到峰值6.7 m3/d;距河岸線1 000 m處的側滲補給流量從0開始快速上升，至28 d達到峰值3.2 m3/d;距河岸線2 000、3 000 m處的側滲補給流量從0開始緩慢上升，至90 d時尚未達到峰值。②2—2′汾河大橋斷面（見圖9（b）），與河岸線相距20、100、500、1 000 m處的側滲補給流量在90 d內(nèi)首先從0開始上升，達到峰值后再緩慢下降，峰值分別為9.5、9.2、4.8、2.1 m3/d;該斷面與河岸線相距2 000、3 000 m處的側滲補給流量在90 d內(nèi)未達到峰值。③3—3′柴村橋斷面（見圖9（c）），側滲補給流量隨時間的變化規(guī)律與1—1′上蘭村斷面、2—2′汾河大橋斷面大致相同，該斷面20、100、500、1 000 m處的峰值分別為8.48、8.07、3.96、1.82 m3/d。
（4）河流水位抬高后在t時間內(nèi)，起始點x=0處，總的單寬側滲流量Qt（單位長度上一側河流補給地下水的總量）為
總的單寬側滲流量隨時間逐漸增大，并且相同時間內(nèi)，上、中、下游各斷面總的單寬側滲流量排序為1—1′上蘭村斷面>2—2′汾河大橋斷面>3—3′柴村橋斷面。0 d時各斷面總的單寬側滲流量均為0，90 d內(nèi)上、中、下游3個斷面總的單寬側滲流量分別為552、484、426 m3（見圖10）。
4?結?論
（1）Δh的變化規(guī)律反映河流水位瞬時抬升1.5 m后對潛水水位的補給過程。距離河岸線較近的位置先接收河流水體補給，Δh在0～20 m范圍內(nèi)減小明顯，在20 m之后緩慢減小直至為0，同一位置處Δh隨時間的延長而增大。
（2）根據(jù)不同時間Δh隨距離的變化規(guī)律得出相同時間的影響距離：1—1′上蘭村斷面最遠，2—2′汾河大橋斷面與3—3′柴村橋斷面相近。
（3）同一位置處的側滲速度和側滲補給流量在接收河流水體補給后先增大達到最大值，隨后隨時間延長緩慢減小，相同時刻起始點x=0處的側滲速度排序為上游<中游<下游，側滲補給流量排序為上游>中游>下游;同一時刻的側滲速度和側滲補給流量隨與河岸線距離逐漸增大而減小。河流水位抬高后起始點x=0處總的單寬側滲流量隨時間延長逐漸增大，相同時刻上、中、下游各斷面總的單寬側滲流量排序為1—1′上蘭村斷面>2—2′汾河大橋斷面>3—3′柴村橋斷面。
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【責任編輯?張華興】
