張紫瑤， 王繼玲， 周維博， 馮纏利， 高建輝

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院， 陜西 西安 710054； 2.長(zhǎng)安大學(xué) 旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054； 3.陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院， 陜西 西安 710001)

1 研究背景

陜西省石川河富平地區(qū)地表水資源短缺，至2018年，地下水年均供水量為4 189×104m3，其中約85%用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，長(zhǎng)期大量開采地下水，造成石川河河谷區(qū)大范圍潛水含水層被疏干。為滿足富平地區(qū)水資源開發(fā)利用需求，于20世紀(jì)70年代后期提出建設(shè)石川河富平地下水庫，并通過水文地質(zhì)勘察，查明了庫區(qū)內(nèi)潛水含水層巖性結(jié)構(gòu)和補(bǔ)徑排條件[1-2]。2017年，李璇等[3]、石文凱等[4]根據(jù)前人的資料成果，進(jìn)一步論證了石川河河谷區(qū)地下水庫建庫的可行性并模擬了不同調(diào)蓄方案下地下水動(dòng)態(tài)和庫容情況，但未明確提出補(bǔ)給水源。

地下水庫調(diào)蓄潛力通常由人工誘發(fā)的采補(bǔ)強(qiáng)度確定[5]，然而，由于目的不同，各研究所側(cè)重的方向略有差異。開采機(jī)制體現(xiàn)了地下水庫的出水能力，Saieena等[6]從地下水開發(fā)角度出發(fā)，論證了地下水人工調(diào)蓄的必要性，同時(shí)開采井的布設(shè)[7]和開采分區(qū)的劃定[8-9]同樣影響地下水庫的流場(chǎng)變化和供水能力。人工回灌及回灌場(chǎng)所的確定則是進(jìn)一步提升地下水庫調(diào)蓄規(guī)模與強(qiáng)度、提高補(bǔ)給水源利用效率的重要舉措。張春輝等[10]、李慧等[11]提出利用雨洪資源進(jìn)行回灌可在一定程度上滿足當(dāng)?shù)匦杷?，但在枯水年，雨洪回灌量略顯不足，且水溶性污染物極易隨淋濾作用進(jìn)入地下水，而引區(qū)外優(yōu)質(zhì)水源回灌則可彌補(bǔ)雨洪回灌缺陷，不僅能夠增加地下水資源量，還可凈化地下水質(zhì)[12-13]；Yang等[14]、Jasrotia等[15]通過調(diào)查和數(shù)值模型模擬，在確定適宜的人工回灌地帶后提出了最優(yōu)的蓄水方案，明確了人工回灌對(duì)周圍含水層的影響。堅(jiān)持引水回灌和科學(xué)的開采方案相結(jié)合，制定地下水庫調(diào)蓄方案[16]，能夠有效地控災(zāi)減災(zāi)并使地下水庫產(chǎn)生最大效益。因此，在進(jìn)行石川河富平地下水庫的人工調(diào)蓄時(shí)，進(jìn)一步確定補(bǔ)給水源條件和未來開采機(jī)制對(duì)地下水庫的建設(shè)尤為重要。

本文結(jié)合涇惠渠與東莊水庫兩種補(bǔ)給水源[17]，建立地下水庫數(shù)值模型，在定量分析補(bǔ)給水源條件和開采條件的基礎(chǔ)上，選取適宜的回灌地點(diǎn)，模擬不同回灌補(bǔ)源模式下石川河富平地下水庫水位恢復(fù)和蓄水庫容變化情況，為地下水庫的建設(shè)、運(yùn)行提供理論依據(jù)。

2 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

2.1 研究區(qū)概況

陜西省石川河屬渭河一級(jí)支流，整體流向?yàn)楸蔽?南東，本研究以富平縣境內(nèi)石川河河谷階地區(qū)域作為研究區(qū)，如圖1所示。研究區(qū)總面積約為149 km2，地貌類型包括河漫灘和一、二級(jí)階地，其與兩側(cè)塬區(qū)高差較大，構(gòu)成了“肚兒大、口兒小”的適宜修建地下水庫的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。

圖1 石川河河谷階地區(qū)域地貌及水系分布

石川河河谷區(qū)多年平均降雨量為533.2 mm，季節(jié)性降雨特征明顯，夏季炎熱多暴雨，間有伏旱，秋季多連綿陰雨，春、冬兩季降雨量?jī)H占全年的3.7%。該區(qū)地下水埋深較大，平均埋深為43.94 m，75%區(qū)域埋深大于35 m，且在莊里鎮(zhèn)、南社鄉(xiāng)以及富平縣城關(guān)街道東南部存在降落漏斗，漏斗中心最大埋深為72 m。區(qū)內(nèi)工農(nóng)業(yè)較發(fā)達(dá)，覆蓋了工業(yè)布局規(guī)劃的“三軸四區(qū)”，是富平縣工商業(yè)和農(nóng)業(yè)、副業(yè)的主要發(fā)展區(qū)。

2.2 數(shù)據(jù)來源

本研究中對(duì)現(xiàn)狀年2018年和預(yù)測(cè)年份2029年的水源條件與開采數(shù)據(jù)的分析分別來源于《石川河富平地下水庫近期水源方案研究報(bào)告》和《富平縣水資源承載能力監(jiān)測(cè)預(yù)警機(jī)制》。

3 研究區(qū)地下水流數(shù)值模型

3.1 研究區(qū)水文地質(zhì)模型及數(shù)學(xué)描述

石川河河谷區(qū)平面范圍在WGS1984 UTM 49N的投影坐標(biāo)下為：X=311 250～348 080 m，Y=3 836 640～3 864 440 m，有效單元格總面積約為149 km2。

研究區(qū)地下水體為第四紀(jì)潛水含水層潛水，水流服從達(dá)西定律。根據(jù)水文地質(zhì)剖面資料，將含水層在垂向上概化為3層，第1層以黃土、粉質(zhì)黏土為主；第2層為厚50～80 m的砂礫卵石層；底部為厚8～12 m穩(wěn)定分布的粉質(zhì)黏土層，其隔水性能良好，按不透水邊界處理。

根據(jù)上述已有資料，將模擬區(qū)的地下水概化為非均質(zhì)、各向同性的三維非穩(wěn)定流，數(shù)學(xué)模型可表示為：

(1)

((x,y,z)∈Ω,t≥0)

H(x,y,z,t)|t=0=H0(x,y,z)

(2)

((x,y,z)∈Ω,t≥0)

(3)

(4)

((x,y,z)∈Γ2,t≥0)

式中：Ω為滲流區(qū)域；Kxx、Kyy、Kzz分別為含水層x、y、z方向的滲透系數(shù)，m/d；H為滲流水頭，m；Ss為彈性釋水率； Г0為潛水面邊界；W為垂向入滲補(bǔ)給強(qiáng)度，m2/d；μ為給水度； Г2為第二類邊界；q為給定邊界上單位面積的側(cè)向補(bǔ)給量，m3/(d·m2)。

由于河谷區(qū)地下水遭長(zhǎng)期超采，潛水水位較低，主要受周圍洼地、塬區(qū)和洪積扇的側(cè)向補(bǔ)給，因此研究區(qū)邊界主要為二類流量邊界。渠道滲漏為線源，水庫滲漏、地表降水入滲和灌溉水回歸為面源，研究區(qū)機(jī)井密布，故將開采井設(shè)為面匯。本區(qū)極限蒸發(fā)深度為4～5 m，而在石川河谷漫灘區(qū)局部地段，最小水位埋深為5～10 m[18]，故不考慮潛水蒸發(fā)影響。根據(jù)地貌類型和地下水水位埋深變化情況，確定出研究區(qū)大氣降水入滲系數(shù)及分區(qū)[18]和邊界條件，如圖2所示。

3.2 模型的識(shí)別與驗(yàn)證

模型識(shí)別期為2018年1月1日-12月31日，初始流場(chǎng)通過2018年1月的地下水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)插值生成，并利用2019年1月1日-12月31日的地下水水位數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，地下水水位擬合程度較好，與實(shí)測(cè)情況基本一致，如圖3所示。選取研究區(qū)內(nèi)的G117#、41167835#、41167930#3個(gè)觀測(cè)井(觀測(cè)井位置見圖3)對(duì)地下水水位的模擬計(jì)算值進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果如圖4所示。

圖2 研究區(qū)降水入滲系數(shù)分區(qū)和邊界條件(單位：m/d)

圖3 2018年研究區(qū)地下水水位模擬結(jié)果(單位：m)

圖4 地下水水位模擬計(jì)算值驗(yàn)證結(jié)果

由圖4可見，G117#、41167835#、41167930#觀測(cè)井計(jì)算水位與相應(yīng)觀測(cè)水位均呈現(xiàn)大致相同的變化趨勢(shì)，計(jì)算水位誤差在±0.5 m以內(nèi)的分別占75.00%、70.83%、62.50%，所有誤差均在±1 m以內(nèi)，表明該模型能夠合理地模擬庫區(qū)孔隙水流總體變化趨勢(shì)，為下一步回灌開采方案的制訂奠定了良好的基礎(chǔ)。

根據(jù)水文地質(zhì)鉆探、抽水試驗(yàn)和雙環(huán)滲水試驗(yàn)，將研究區(qū)劃分為6個(gè)參數(shù)區(qū)(圖5)，第1、3層為同一個(gè)參數(shù)區(qū)(1#參數(shù)區(qū))，第2層劃分為5個(gè)參數(shù)區(qū)(2#～6#參數(shù)區(qū))，并通過試估-校正法確定最終的水文地質(zhì)參數(shù)。各參數(shù)區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)值見表1。

圖5 研究區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)

表1 研究區(qū)各參數(shù)區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)值

4 地下水庫補(bǔ)源回灌方案模擬

4.1 回灌條件分析

通過地下水庫補(bǔ)水水源方案論證，采用涇惠渠與東莊水庫兩種補(bǔ)源進(jìn)行回灌，石川河補(bǔ)水工程布設(shè)如圖6所示。根據(jù)水源方案設(shè)計(jì)地下水人工回灌補(bǔ)源模式，以實(shí)現(xiàn)地下水良性循環(huán)和水資源可持續(xù)利用。

4.1.1 補(bǔ)源條件分析 涇惠渠灌區(qū)渠系工程末端已延伸到石川河干流，結(jié)合西郊水庫，具備向地下水庫補(bǔ)水的條件。按照涇惠渠灌區(qū)水源方案現(xiàn)狀有效灌溉面積，灌溉期灌溉后剩余水量可向地下水庫補(bǔ)水0.33×108m3，補(bǔ)水天數(shù)為86 d；非灌期可向地下水庫補(bǔ)水1.03×108m3，補(bǔ)水天數(shù)為149 d，年補(bǔ)水量為1.36×108m3[17]?？紤]15%輸水損失和地層巖性，以年均流量的30%作為生態(tài)補(bǔ)水，直接泄放到河道內(nèi)，則涇惠渠水源向地下水庫回灌量為：灌期回灌量為0.156×108m3/a，非灌期回灌量為0.487×108m3/a。從渠首到地下水庫回灌點(diǎn)利用已成線路和新建補(bǔ)水線路進(jìn)行回灌，回灌時(shí)長(zhǎng)和水量則平均分配到各月。

圖6 石川河補(bǔ)水工程布設(shè)示意圖

東莊水庫攔沙期在滿足基本的防洪減淤、供水、涇河渭河生態(tài)泄流要求的基礎(chǔ)上，具有年補(bǔ)水0.999×108m3的能力，其中包括漏斗恢復(fù)量0.423×108m3/a(按10 a漏斗恢復(fù)期考慮)和維持采補(bǔ)平衡水量0.576×108m3/a。其輸水路線較長(zhǎng)，輸水損失較大，按照30%考慮?；毓喙こ唐瘘c(diǎn)初步擬定為龍?zhí)端畮?，由于該庫水位較高，依此從龍?zhí)端畮焱ㄟ^壓力管道可自流輸水至地下水庫范圍內(nèi)任何地點(diǎn)，供水保證率可達(dá)95%，結(jié)合地層巖性，東莊水庫年回灌量為0.528×108m3/a。

4.1.2 回灌區(qū)分析 選取地下水水位埋深、坡度、含水層厚度、含水層滲透系數(shù)等指標(biāo)，采用多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行回灌地點(diǎn)適宜性分析，選出最佳回灌區(qū)，如圖1所示。第1回灌區(qū)位于石川河河漫灘，位于石川河的中上游，砂卵石層連續(xù)性好，回灌面積為7.24 km2；第2回灌區(qū)河谷漫灘的砂礫卵石層與下伏含水層完全溝通，不需進(jìn)行大規(guī)模的剝離黃土，且疏干的砂礫卵石層厚度較大，其河源順流而下1.74 km2范圍。當(dāng)補(bǔ)源的水引入回灌點(diǎn)時(shí)，以自流方式順河流流向沿河道緩慢滲入地下。

4.2 開采條件分析

根據(jù)富平縣水資源承載力的相關(guān)研究[19]，富平縣地下水開采包括淺層水和深層水，為防治地下水超采，本次地下水開采量?jī)H分析淺層水。為達(dá)到允許開采量，2029年地下水開采量較2018年(開采量為0.340×108m3)需減少0.124×108m3，故設(shè)置開采條件為縮采12%；在水資源承載力不超載的前提下，設(shè)置開采條件為維持現(xiàn)狀開采。

4.3 回灌方案設(shè)置

根據(jù)上述分析，設(shè)置兩種開采方式與兩種回灌方式，其中回灌的處理方式為：在河道沿線回灌區(qū)設(shè)置正水量脈沖(補(bǔ)為正)，將回灌入滲量概化為降水量的函數(shù)進(jìn)行求算，表現(xiàn)人為干預(yù)的方式和強(qiáng)度。本次回灌方案的模擬，以2018年為現(xiàn)狀年，采用東莊水庫和涇惠渠為補(bǔ)給水源，模擬2020-2029年研究區(qū)地下水水位和庫容恢復(fù)情況。具體回灌方案設(shè)置見表2。

表2 研究區(qū)地下水庫回灌方案設(shè)置

5 結(jié)果分析與討論

5.1 結(jié)果分析

采用Surfer軟件求得兩個(gè)等水位面間的體積[20]，結(jié)合水文地質(zhì)參數(shù)及分區(qū)，計(jì)算給水度的加權(quán)平均值，則以體積與給水度的乘積作為蓄水庫容。據(jù)相關(guān)資料[21]，研究區(qū)水位埋深在5～15 m時(shí)，不會(huì)引起土壤鹽漬化，且不會(huì)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和建筑物產(chǎn)生影響。自1959年起，石川河河谷區(qū)地下水開采量大幅增加，地下水水位開始出現(xiàn)連續(xù)下降趨勢(shì)，因此，將1959年地下水水位作為調(diào)蓄上限水位，此時(shí)研究區(qū)仍存在漏斗，按天然水力坡度對(duì)漏斗區(qū)(埋深超過15 m的觀測(cè)井)調(diào)整后進(jìn)行插值，最終得出研究區(qū)調(diào)蓄上限水位。

上述5種回灌方案至2029年與2018年現(xiàn)狀年相比地下水動(dòng)態(tài)情況見表3；模擬不同回灌方案下2029年研究區(qū)地下水水位與現(xiàn)狀年相比的變化情況如圖7所示。

表3 2029年各回灌方案與2018年現(xiàn)狀年相比地下水動(dòng)態(tài)情況

表3顯示，在進(jìn)行人工回灌時(shí)，地下水水位和蓄水庫容均有所回升，且5種方案地下水水位回升幅度均大于13 m。結(jié)合圖7所示的地下水水位情況，人工回灌情景下地下水水位仍下降的區(qū)域位于第1回灌區(qū)上游，即梅家坪鎮(zhèn)，這是由于水流流向?yàn)楸蹦蠔|方向，人工回灌不能有效補(bǔ)給上游地區(qū)，但與無回灌情況相比，下降趨勢(shì)減緩。

由圖7(a)可見，在維持現(xiàn)狀開采量開采，涇惠渠補(bǔ)源按灌期回灌86 d、回灌量0.156×108m3，非灌期回灌149 d、回灌量0.487×108m3進(jìn)行回灌時(shí)(方案1)，研究區(qū)整體各年補(bǔ)給量均大于排泄量，較2018年現(xiàn)狀年水位明顯抬升。方案1地下水水位平均升高19.77 m，蓄水庫容增加4.36×108m3，與調(diào)蓄上限水位的水位差為10.46 m(表3)；在方案1基礎(chǔ)上縮減12%開采量時(shí)(方案2)，地下水水位等值線向下游偏移，在回灌區(qū)位置補(bǔ)給水丘面積增大，說明開采量減少有助于地下水水位的抬升。方案2地下水水位平均抬升23.43 m，蓄水庫容增加5.17×108m3，其最接近上限水位，僅相差6.81 m(表3)。

由圖7(b)可見，維持現(xiàn)狀開采條件下，東莊水庫以年回灌量0.528×108m3進(jìn)行逐日回灌時(shí)(方案3)，地下水處于正均衡狀態(tài)，尚未出現(xiàn)補(bǔ)給水丘。方案3地下水水位平均抬升13.55 m，蓄水庫容相應(yīng)增加2.99×108m3，且與上限水位相差16.55 m；在方案3基礎(chǔ)上縮減12%開采量時(shí)(方案4)，地下水水位回升較明顯，平均升幅為19.33 m，蓄水庫容增加4.26×108m3，與上限水位的差距縮小為11.37 m。方案3、4的地下水流場(chǎng)變化均勻，表明地下水流速較為穩(wěn)定。

綜合圖7(c)和表3可知，在維持現(xiàn)狀開采量開采，東莊水庫按灌期回灌86 d、回灌量0.128×108m3，非灌期回灌149 d、回灌量0.399×108m3進(jìn)行回灌時(shí)(方案5)，地下水水位平均抬升13.52 m，蓄水庫容增加2.98×108m3，而與上限水位差值在5種方案中最大，為16.68 m。與方案1相比，方案5的回灌量小，故地下水水位等值線向上游偏移較大，地下水水位整體抬升程度低于方案1，平均降低了6.25 m；與方案3相比，兩方案回灌量相同，回灌方式不同，地下水水位變化出現(xiàn)差異：以430 m等值線為界，其上游地區(qū)方案5的地下水水位抬升程度大于方案3，且差異逐漸減小，至中下游地區(qū)，兩方案地下水水位等值線出現(xiàn)交叉，在研究區(qū)下游末端方案3地下水水位大于方案5。

圖7 不同回灌方案下2029年研究區(qū)地下水水位變化情況(單位：m)

整體而言，方案5地下水水位恢復(fù)程度小于方案3。

綜上所述，富平縣境內(nèi)石川河河谷區(qū)地下水庫建設(shè)條件得天獨(dú)厚，不同回灌補(bǔ)源模式的模擬結(jié)果表明，隨著回灌量的增加和開采量的減少，地下水水位回升，蓄水庫容量亦增大。但不同回灌方案下地下水水位抬升及蓄水庫容增加的程度有較大差異，其中涇惠渠補(bǔ)源進(jìn)行回灌且縮減12%開采量(方案2)的模式使地下水恢復(fù)效果最佳，維持現(xiàn)狀開采、東莊水庫按灌期和非灌期回灌方案(方案5)的地下水恢復(fù)相對(duì)緩慢?；毓嗔肯嗤瑫r(shí)，逐日回灌的影響大于灌期+非灌期回灌；回灌量不同時(shí)，回灌量較大、回灌天數(shù)少的方案對(duì)地下水水位的影響較大，進(jìn)一步表明了回灌量對(duì)地下水水位恢復(fù)的主導(dǎo)作用。

5.2 討 論

石川河河谷區(qū)干旱缺水，引外調(diào)水源對(duì)水庫進(jìn)行回灌是恢復(fù)地下水系統(tǒng)穩(wěn)定性的最佳舉措，石文凱等[4]對(duì)該地區(qū)的人工調(diào)蓄研究也表明了回灌與縮采能夠較好地恢復(fù)地下水漏斗區(qū)的水位，本文以構(gòu)建的數(shù)值模型模擬的地下水水位為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，利用Surfer軟件計(jì)算地下水儲(chǔ)量，可反映出模擬末期研究區(qū)水位的增減情況，尤其在回灌區(qū)附近和縮采時(shí)，水位上升較為明顯。然而，由于資料的缺乏，建模時(shí)忽略了梅家坪鎮(zhèn)受上部基巖裂隙水和承壓水的補(bǔ)給量，因此與文獻(xiàn)[4]的水均衡法相比，部分地區(qū)在持續(xù)開采的情況下水位下降，導(dǎo)致Surfer軟件計(jì)算的平均水量偏小，但本文的模擬方法更突出了不同回灌方式下地下水水位的細(xì)節(jié)變化，如回灌量與開采量相同時(shí)，逐日回灌與灌期+非灌期回灌模擬的結(jié)果出現(xiàn)差異。

6 結(jié) 論

(1)本文通過建立地下水流數(shù)值模型，預(yù)測(cè)不同回灌補(bǔ)源模式下2029年石川河河谷區(qū)地下水水位和蓄水庫容變化情況。采用涇惠渠與東莊水庫兩種水源方案和維持現(xiàn)狀開采與縮減開采量?jī)煞N開采方案設(shè)置不同的人工調(diào)蓄情景進(jìn)行模擬，結(jié)果表明在縮采或增加回灌總量的條件下，地下水水位回升，蓄水庫容量隨之增大；各回灌補(bǔ)源模式下地下水水位抬升均未超過調(diào)蓄上限水位。

(2)縮減開采量12%、涇惠渠補(bǔ)源按灌期+非灌進(jìn)行回灌的模式使地下水恢復(fù)效果最佳，該方案可使地下水水位平均抬升23.43 m，蓄水庫容增加5.17×108m3?；毓嗔肯嗤瑫r(shí)，逐日回灌的影響大于灌期+非灌期回灌；回灌量不同時(shí)，大回灌量對(duì)地下水水位的影響超過了回灌天數(shù)的影響。

(3)修建石川河富平地下水庫進(jìn)行人工調(diào)蓄是富平地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的長(zhǎng)期戰(zhàn)略需求，根據(jù)未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢(shì)，人工開采量和補(bǔ)水量在不同年份會(huì)發(fā)生變動(dòng)，模型僅模擬現(xiàn)狀開采和縮減開采量方案下的回灌情景，可為其他地區(qū)開展地下水人工調(diào)蓄、維護(hù)地下水系統(tǒng)安全提供借鑒。對(duì)石川河富平地下水庫的研究還需進(jìn)一步加強(qiáng)水源水質(zhì)的論證，積極推進(jìn)水庫棄水、再生水和雨洪等補(bǔ)源的利用，另外還要進(jìn)行地下水庫效益評(píng)價(jià)以及嚴(yán)格把控地下水水位回升，以避免造成不良影響，從而保證地下水庫健康高效地運(yùn)行。