楊海瑞,徐永新,2,馬 念,陳 杰,陶 亮,張志敏,劉 戀
(1.林同棪國(guó)際工程咨詢(xún)(中國(guó))有限公司,重慶 401121; 2.西開(kāi)普大學(xué) 自然科學(xué)學(xué)院地球科學(xué)系,南非 開(kāi)普敦 8000)
湖泊濕地是位于陸生生態(tài)系統(tǒng)和水生生態(tài)系統(tǒng)之間的過(guò)渡性地帶,濕地通過(guò)水文循環(huán)實(shí)現(xiàn)與周邊環(huán)境系統(tǒng)的物質(zhì)和能量交換,水文過(guò)程制約著濕地環(huán)境的生物、物理和化學(xué)特征,從而控制著濕地景觀格局、生物生長(zhǎng)及其他生態(tài)功能的形成與演化[1]。
湖泊與地下水的交互作用對(duì)湖泊水文循環(huán)起重要作用,這種交互作用主要通過(guò)地表水與地下水之間的水量交換和水質(zhì)演變來(lái)體現(xiàn)[2-3]。由于這種交互作用,使得地下水成為很多內(nèi)陸湖泊濕地重要的補(bǔ)給來(lái)源。因此,探索地下水與湖泊水量、水質(zhì)轉(zhuǎn)化機(jī)制是理解湖泊濕地水循環(huán)機(jī)制及其物質(zhì)、能量與信息傳遞的關(guān)鍵基礎(chǔ)[4-5],也是水環(huán)境治理和生態(tài)修復(fù)工程決策的前提。
隨著全球氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)雙重影響的加劇,湖泊濕地地表水-地下水系統(tǒng)的相互作用響應(yīng)敏感,濕地水文過(guò)程更加復(fù)雜,濕地生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)出高度脆弱性。在此背景下,地下水對(duì)于維持生態(tài)系統(tǒng)健康、結(jié)構(gòu)與功能穩(wěn)定的重要性日益得到重視,關(guān)于濕地-地下水交互作用的多學(xué)科交叉探討成為當(dāng)前國(guó)際濕地研究的熱點(diǎn)與前沿課題[6]。城市湖泊受人類(lèi)活動(dòng)影響更大,由于城市化對(duì)湖泊產(chǎn)生負(fù)面影響的案例并不罕見(jiàn),湖泊治理需要對(duì)水文關(guān)系有非常充分的認(rèn)識(shí),但湖泊和地下水的相互作用卻并不像地表水那樣容易被認(rèn)知,因此,地下水的作用常常被忽視,或者把地下水和地表水分開(kāi)管理[7-8]。特別是在城市湖泊水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)工程中,往往較少關(guān)注地下水與湖泊水體水量平衡的關(guān)系,而相關(guān)地下水模型在城市水工程中的應(yīng)用更是較為少見(jiàn)。
龍湖是位于河南省周口市淮陽(yáng)區(qū)的城市湖泊,為典型的中原地區(qū)內(nèi)陸湖泊型濕地,也是中原地區(qū)少有的重要城市景觀湖。龍湖濕地地處黃淮平原腹地,湖泊東西寬4.4 km,南北長(zhǎng)2.5 km,圍堤長(zhǎng)14 km,面積11 km2,水域面積5.34 km2,通常水深1.5~2.3 m,最大水深超過(guò)3 m。
龍湖濕地屬淮河流域,主要流經(jīng)水系為沙潁河水系。龍湖周邊河流(渠)共有9條,分別是:淮鄭河、七里河、白樓渠、古蔡河、北關(guān)溝、新蔡河、南關(guān)溝、徐老莊溝等(圖1)。其中,淮鄭河在龍湖西北側(cè)與龍湖直接相連,曾是龍湖的補(bǔ)給水源來(lái)源;南關(guān)溝在龍湖東南側(cè),與龍湖相通,作為退水通道。近年來(lái),為防止外源污染負(fù)荷輸入,淮鄭河、南關(guān)溝和龍湖之間的進(jìn)出水閘常年關(guān)閉,龍湖與周邊地表水系現(xiàn)無(wú)直接補(bǔ)給關(guān)系。
圖1 龍湖與周邊水系示意
研究區(qū)埋深小于50 m的地層劃為淺層含水層,主要由全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)地層組成,上更新統(tǒng)底板作為淺層含水巖組底板。巖性主要由中細(xì)砂、細(xì)砂、粉砂、粉細(xì)砂、粉土及粉質(zhì)黏土等組成。降水入滲補(bǔ)給系數(shù)一般為0.15~0.25。滲透系數(shù)為1~30 m/d,富水性較好,單井涌水量為1 000~3 000 m3/d。
天然條件下,淺層地下水主要接受降水入滲補(bǔ)給,其次為河流等地表水側(cè)滲、渠道側(cè)滲、灌溉回滲。地下水水位埋深2~6 m,總體流向由西北流向東南,水力坡度0.2‰~0.7‰。排泄方式主要為蒸發(fā)、人工開(kāi)采、徑流排泄及河流湖泊排泄。
目前,針對(duì)濕地地表水-地下水交互作用的研究大多依賴(lài)地表水和地下水模型[9-10]。MODFLOW是由美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局開(kāi)發(fā)出的一套專(zhuān)門(mén)用于孔隙介質(zhì)中三維有限差分地下水流數(shù)值模擬的軟件[11]。加拿大Waterloo水文地質(zhì)公司在此基礎(chǔ)上,應(yīng)用現(xiàn)代可視化技術(shù)開(kāi)發(fā)研制出Visual MODFLOW[12],該模型具有合理的菜單結(jié)構(gòu)、友好的界面、功能強(qiáng)大的可視化特征[13],可作為本研究定量分析的軟件支撐。
地表水和地下水的交互作用,不但形成水動(dòng)力梯度,也形成化學(xué)梯度。在龍湖及周邊采集水樣進(jìn)行常規(guī)離子檢測(cè),在水量平衡分析結(jié)果上,應(yīng)用水文地球化學(xué)交互模型分析龍湖濕地與地下水之間的水化學(xué)聯(lián)系及潛在風(fēng)險(xiǎn)。
本研究通過(guò)建立數(shù)值模型對(duì)水量平衡做定量計(jì)算,為水量、水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)分析討論奠定基礎(chǔ),重點(diǎn)介紹數(shù)值模擬的方法和過(guò)程。
1.3.1 模型概化
為建立模型,將地下水研究范圍擴(kuò)展到龍湖周邊以新運(yùn)河、周商運(yùn)河、老黑河、狼牙溝、新蔡河和范丹寺溝為邊界包圍的區(qū)域。這是一個(gè)由河流切割的天然地下水系統(tǒng)。模型研究區(qū)坐標(biāo)范圍:大地坐標(biāo)X=20 286 000~20 318 000 m,Y=3 720 000~3 752 000 m,平面面積7.92 km2,底部邊界取在地表以下50 m處,頂部邊界取在地表。地下水含水層主要為第四系全新統(tǒng)沖積砂層,含水層厚度較大,含水介質(zhì)為非均質(zhì)各向同性。研究區(qū)水文地質(zhì)模型概化示意見(jiàn)圖2。
圖2中,龍湖西北側(cè)新運(yùn)河、周商運(yùn)河和老黑河均為季節(jié)性河流,概化為第三類(lèi)河流邊界(A2);而東南側(cè)狼牙溝、新蔡河和范丹寺溝所處地勢(shì)較低,對(duì)地下水起排泄作用,故概化為第三類(lèi)排水溝邊界(A3);龍湖概化為第三類(lèi)邊界(A3);研究區(qū)南側(cè)至新運(yùn)河段概化為側(cè)向徑流邊界(A1);研究區(qū)頂面為潛水面邊界(A4);底面為上更新世黏土、亞黏土層,滲透性弱,構(gòu)成區(qū)域隔水底板(A5)。
圖2 研究區(qū)水文地質(zhì)概念模型
1.3.2 數(shù)值模型建立
在建立水文地質(zhì)概念模型的基礎(chǔ)上,根據(jù)有限差分原理,利用Visual MODFLOW建立地下水流數(shù)值模型。有限差分原理的基礎(chǔ)是時(shí)間和空間的離散化。其中,在水平面上采用間距為200 m等間距正交網(wǎng)格將研究區(qū)剖分為160行、160列,共剖分出了25 600個(gè)單元。從垂向上將研究區(qū)劃分為1個(gè)含水層,為第四系沖洪積砂礫卵石孔隙含水層。
計(jì)算采用穩(wěn)定流建模。根據(jù)計(jì)算流場(chǎng)形態(tài)、水位,并結(jié)合地下水監(jiān)測(cè)井所測(cè)得的地下水位,對(duì)模型進(jìn)行校正,使模型計(jì)算流場(chǎng)與區(qū)域地下水運(yùn)動(dòng)特征基本一致。
1.3.3 數(shù)據(jù)來(lái)源
本研究收集到的數(shù)據(jù)包括淮陽(yáng)縣降水序列(1999~2016年)、蒸發(fā)序列(1971~2013年)、地下水水位序列(《河南省地下水資料<周口市>》<1995~2016年>,周口市水文水資源局)、淮陽(yáng)區(qū)淺層地下水供水量(《周口市水資源公報(bào)》<2008>,周口市水務(wù)局)。
實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)包括:① 龍湖周邊約8 km2范圍地下水水位統(tǒng)測(cè)(2018年5~6月);② 龍湖西北側(cè)和東南側(cè)分別選取1眼水井進(jìn)行了抽水試驗(yàn),用來(lái)校正含水層滲透系數(shù);③ 2018年5月在龍湖周邊7個(gè)井位采集了水樣,進(jìn)行了地下水常規(guī)離子檢測(cè)分析。各測(cè)井位置見(jiàn)圖3,水質(zhì)采樣點(diǎn)見(jiàn)圖4。
圖3 地下水監(jiān)測(cè)井位分布
圖4 水質(zhì)分析取樣點(diǎn)及礦化度值(單位:mg/L)
1.3.4 模型率定
根據(jù)水文地質(zhì)條件,將潛水含水層劃分為3個(gè)參數(shù)分區(qū)。地下水水流模型中水文地質(zhì)參數(shù)滲透系數(shù)K和給水度μ值主要根據(jù)區(qū)域環(huán)境水文地質(zhì)調(diào)查過(guò)程中試驗(yàn)給出的結(jié)果,并結(jié)合巖性特征和經(jīng)驗(yàn)值給定初始值,通過(guò)模型率定,獲得最終水文地質(zhì)參數(shù)。
通過(guò)穩(wěn)定流模擬計(jì)算,模擬區(qū)地下水穩(wěn)定流場(chǎng),見(jiàn)圖5。區(qū)內(nèi)地下水流向由西北流向東南,與區(qū)域地下水流向一致,與地下水流動(dòng)特征基本相符。對(duì)比實(shí)測(cè)井孔地下水位與計(jì)算地下水位,兩者基本一致,見(jiàn)圖6,平均誤差小于1 m,基本滿(mǎn)足模型精度要求,證明所建模型基本可靠。經(jīng)模型率定,研究區(qū)滲透系數(shù)取值8~20 m/d,分區(qū)見(jiàn)圖7。
水頭差的存在是水交互作用產(chǎn)生的前提,水力梯度決定了源匯項(xiàng)分布及其作用路徑,進(jìn)而表現(xiàn)為不同的交互作用模式。Jolly等[14]將接觸帶尺度下濕地劃分為4種模式:① 非飽和流-補(bǔ)給型濕地,濕地下墊面與地下水面之間存在不相連的非飽和區(qū)間,濕地地表水垂向滲流補(bǔ)給地下水,多見(jiàn)于季節(jié)性濕地系統(tǒng);② 飽和流-補(bǔ)給型濕地,濕地下墊面與含水層直接連通且濕地水位高于周邊地下水,濕地水體因而成為周邊地下水的補(bǔ)給來(lái)源;③ 飽和流-排泄型濕地,與②水力梯度相反,四周地下水補(bǔ)給濕地;④ 飽和流-貫穿型濕地,地下水流場(chǎng)的水力梯度方向連續(xù)一致,導(dǎo)致濕地在上游接受地下水補(bǔ)給、在下游排泄至地下水,地下水流“貫穿”整個(gè)濕地。
圖5 模擬區(qū)多年平均穩(wěn)定流流場(chǎng)示意
圖6 計(jì)算地下水位與實(shí)測(cè)地下水位對(duì)比
圖7 滲透系數(shù)分區(qū)示意
基于龍湖周邊地下水水位統(tǒng)測(cè)結(jié)果繪制了地下水位剖面圖(圖8)。由圖8可以看出,地下水由西北向東南水位逐漸降低,即由西北流向東南;龍湖西北側(cè)接受地下水補(bǔ)給,東南側(cè)向地下水排泄,屬于典型的“飽和流-貫穿型”濕地。
注:D2,D5,D7,D20,D10,D8表示鉆孔編號(hào)。
根據(jù)模型地下水均衡計(jì)算結(jié)果,地下水對(duì)龍湖多年平均補(bǔ)給量為617×104m3/a,排泄量為253×104m3/a,凈補(bǔ)給量為364×104m3/a。
對(duì)龍湖水文過(guò)程進(jìn)行分析。龍湖主要來(lái)水包括降水、降水徑流、地下水補(bǔ)給、污水排放等,主要出水包括蒸發(fā)、向地下水排泄等,年際水量平衡關(guān)系如下式所示:
ΔW=(P-E)+(Roverland-roverland)+
(Runderground-runderground)+(Qin-Qout)
式中:ΔW為龍湖蓄水水量,m3;P為湖面降水量,m3;E為湖面總蒸發(fā)散量,m3;Roverland為湖區(qū)地表流入量,m3;roverland為地表流出量,m3;Runderground為地下徑流補(bǔ)給量,m3;runderground為地下徑流排泄量,m3;Qin為污水溢流入湖量,m3;Qout為地表水取水量,m3。
水量平衡計(jì)算如表1所示。由表1可知,龍湖總水補(bǔ)給量為1 466×104m3,其中地下水補(bǔ)給量6.7×104m3,占龍湖來(lái)水總量的42%,是最大補(bǔ)給來(lái)源,而降水量是第二大補(bǔ)給來(lái)源,占龍湖補(bǔ)給量39%。
表1 龍湖多年平均水量平衡計(jì)算
從前文可知,龍湖水體水量平衡和水位波動(dòng)很大程度受周邊地下水動(dòng)態(tài)波動(dòng)和降水量的直接影響。由該地區(qū)歷年(1971~2017年)降水量的分析可知,當(dāng)?shù)亟邓看嬖谀觌H變化,但總體相對(duì)穩(wěn)定,沒(méi)有明顯減少或增加趨勢(shì)(圖9)。由此可以推斷,地下水水位變化是影響龍湖水位波動(dòng)的主要原因。
圖9 降水量年際變化趨勢(shì)分析
一定區(qū)域的地下水位通常主要隨著降水量或地下水開(kāi)采量變化。在降水量相對(duì)穩(wěn)定的情況下,淺層地下水開(kāi)采則是地下水位主要影響因素。資料顯示,2009~2016年龍湖周邊淺層地下水水位總體呈下降趨勢(shì)(圖10),而從淮陽(yáng)地區(qū)淺層地下水供水量年際變化看,研究區(qū)歷年淺層地下水開(kāi)采量均維持在較高水平(圖11),相關(guān)區(qū)域存在地下水超采問(wèn)題[15-16],可見(jiàn),地下水超采是中原地區(qū)水資源面臨的一大威脅,也間接為龍湖帶來(lái)補(bǔ)給水量短缺的風(fēng)險(xiǎn)。
對(duì)7個(gè)取樣點(diǎn)水樣進(jìn)行檢測(cè)分析,主要檢測(cè)結(jié)果分布見(jiàn)圖4。湖水TDS為937~1 143 mg/L,周邊地下水TDS均小于1 000 mg/L。
圖12為龍湖及周邊地下水水樣點(diǎn)Piper三線(xiàn)圖。由圖4、圖12可以看出,龍湖西北側(cè)補(bǔ)給區(qū),沿徑流方向TDS呈上升趨勢(shì),地下水化學(xué)類(lèi)型逐漸由HCO3-Na·Ca·Mg型轉(zhuǎn)變HCO3-Na型;龍湖東南側(cè)排泄區(qū),沿徑流方向TDS降低,總體呈“低-高-低”的變化,表明濕地地表水與地下水之間存在明顯的水文地球化學(xué)聯(lián)系,并形成獨(dú)特的水文化學(xué)循環(huán)模式。在龍湖水體中,TDS受蒸發(fā)濃縮作用明顯。
圖11 淮陽(yáng)區(qū)淺層地下水供水量年際變化
注:2009~2016為年份,1~12為月份。
(1)龍湖周邊地下水與龍湖水量交互作用密切,地下水位較大幅度波動(dòng)會(huì)影響湖泊的水量平衡。2016年之前的數(shù)據(jù)表明龍湖區(qū)域地下水有持續(xù)下降的趨勢(shì),這將對(duì)龍湖濕地的生態(tài)平衡造成威脅,迫切需要加強(qiáng)對(duì)該地區(qū)及周邊市縣更大范圍地下水開(kāi)采的管控。
注:2009~2016為年份,1~12為月份。23~25號(hào),27號(hào)為地下水長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)井編號(hào)。
(2)對(duì)龍湖及周邊水系環(huán)境進(jìn)行全面治理,在達(dá)到一定條件后重新恢復(fù)龍湖與周邊地表水系的聯(lián)系,一方面擴(kuò)大龍湖地表水補(bǔ)給范圍,另一方面通過(guò)水系連通改善龍湖水質(zhì),消除蒸發(fā)濃縮作用帶來(lái)的鹽堿化風(fēng)險(xiǎn)。在極端條件下,可通過(guò)湖外水系通道調(diào)沙潁河水補(bǔ)給龍湖。
(3)在全球氣候變化大背景下,區(qū)域降水量變化會(huì)加大龍湖濕地水量平衡的不確定性,有必要提前制定相應(yīng)對(duì)策。建立龍湖水系地表水、地下水監(jiān)控體系,通過(guò)對(duì)水位、水量、水質(zhì)、礦化度等參數(shù)及其相互響應(yīng)機(jī)制和對(duì)生態(tài)系統(tǒng)影響的分析,制定具有針對(duì)性的管理策略并能適時(shí)調(diào)整。
本文以河南省周口市龍湖濕地作為研究區(qū),利用收集的水位監(jiān)測(cè)、統(tǒng)測(cè)資料、水質(zhì)檢測(cè)資料,應(yīng)用Visual MODFLOW構(gòu)建了地下水流數(shù)值模型。對(duì)龍湖地表水-地下水交互作用模式、交換水量及水文地球化學(xué)交互模式進(jìn)行了分析研究。得出如下結(jié)論:
(1) 龍湖周邊地下水由西北流向東南屬于典型的飽和流-貫穿型濕地。
(2) 龍湖濕地與淺層地下水關(guān)系十分密切,地下水補(bǔ)給量占龍湖來(lái)水總量的42%,地下水是龍湖濕地最主要的補(bǔ)給來(lái)源。地下水位較大幅度波動(dòng)會(huì)影響湖泊的水量平衡,應(yīng)加強(qiáng)對(duì)該地區(qū)及周邊市縣地下水開(kāi)采的管控。
(3) 沿龍湖“西北側(cè)-龍湖-東南側(cè)”方向,TDS含量呈現(xiàn)“低-高-低”的變化趨勢(shì),龍湖濕地地表水與地下水之間存在明顯的水化學(xué)聯(lián)系。同時(shí)由于蒸發(fā)濃縮作用,湖泊也存在鹽堿化風(fēng)險(xiǎn)。
(4) 通過(guò)模型計(jì)算量化地下水-湖泊水量交換,明確湖泊濕地水量平衡機(jī)理,為制定風(fēng)險(xiǎn)管控對(duì)策奠定基礎(chǔ),這種方法可以為同類(lèi)型湖泊濕地水平衡研究和修復(fù)決策提供參考。