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        鄱陽湖地下水時空分布模擬研究

        2024-12-04 00:00:00周鵬
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2024年11期
        關(guān)鍵詞:湖區(qū)鄱陽湖滲透系數(shù)

        摘 要:本文選取典型洪泛地區(qū)作為研究對象,通過建立地下水流的二維數(shù)值模型,對地表水轉(zhuǎn)換及水資源變化進行數(shù)值仿真。研究結(jié)果表明:洪泛區(qū)主湖區(qū)與周圍地下水的動力補充格局受季節(jié)的影響較大,其中干旱期與退水期是地下水補充最多的時段,而湖泊補給地下水主要發(fā)生在漲水和高洪水位時期。總體來說,洪泛區(qū)的地下水水位和湖泊水位的年度變動趨勢是相似的,在靠近主湖區(qū)的區(qū)域,地下水水位變動幅度很大,在多數(shù)洪泛區(qū),地下水水位變動幅度很小。在主湖區(qū)周邊地區(qū),地下水的流量比洪泛區(qū)要大。

        關(guān)鍵詞:洪泛區(qū);地下水;數(shù)值模擬;洪水過程;水流量

        中圖分類號:X 17" " 文獻標志碼:A

        洪泛濕地是一種重要的濕地類型和流域尺度上重要的生態(tài)系統(tǒng),在全球范圍內(nèi)約有15%的濕地。從水循環(huán)的觀點來看,洪澇濕地是大氣降水與地表徑流、地下水等物質(zhì)交換的關(guān)鍵分界線,在洪澇的作用下,地表-地下水交換往往表現(xiàn)出很強的動態(tài)與敏感特征。洪泛濕地中的表層和地下水文過程的季節(jié)變異,會對流域內(nèi)的水流界面、養(yǎng)分交換、泥沙沉降等產(chǎn)生顯著影響,從而驅(qū)動著流域內(nèi)物質(zhì)、能量和信息轉(zhuǎn)換與轉(zhuǎn)移。在世界范圍內(nèi),廣泛關(guān)注洪泛濕地的表層與地下水文學[1-3],而表層與地下水文學間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系不僅是對濕地生態(tài)系統(tǒng)的基本認識,而且對濕地進行治理與保護具有十分重要的意義[4-6]。

        針對我國湖泊水文情勢改變等問題,本文研究流域水文情勢與水文情勢的關(guān)系,這對優(yōu)化配置流域水資源,促進濕地系統(tǒng)的健康發(fā)展,都有十分重要的意義。

        1 工程概況與研究方法

        1.1 工程概況

        本研究選取的流域南北長約為173km,東西最大寬度約為74km,北部人江水道最窄處寬度約為2.8km,湖岸線總長達1200km。鄱陽湖流域三面環(huán)山,周圍高中間低,地形高程變化為30~2200m。鄱陽湖地處亞熱帶暖濕季風氣候區(qū),年內(nèi)降水量分布不均,加上流域五河來水變化,導致其具有高度變異的湖泊水位變化特征。湖泊洪、枯季節(jié)的水位差可達15m,形成“洪水一片,枯水一線”的獨特洪泛特征。鄱陽湖主湖區(qū)位于中心位置,鄱陽湖的周邊地區(qū),分布著諸多小湖泊,這些小型湖泊與主湖區(qū)通過水道相連,形成了一個復雜的水系網(wǎng)絡。鄱陽湖主湖區(qū)與周邊蝶形湖間存在水文聯(lián)系。

        1.2 地下水模型構(gòu)建

        本文基于有限元軟件建立地下水有模型,該模型通過非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格來提高模擬精度,特別是在關(guān)鍵區(qū)域進行網(wǎng)格細化,以適應地下水流動和污染物傳播的復雜情況。該有限元模型主要基于地下水流運動理論如公式(1)所示。

        (1)

        式中:τ1、τ2為一類邊界、二類邊界;H為地下水位高度;μ為給水度;K為滲透系數(shù);B為底板高度。

        洪泛區(qū)地形復雜,因此抽取了41124個高程,并利用Kriging內(nèi)插的方式,得到了該數(shù)字模式下的真實地面高度。在此基礎上,本項目擬將該區(qū)域內(nèi)的三角有限元剖分成6329個網(wǎng)格,并將其劃分為8680個網(wǎng)格點,其中三角網(wǎng)格點在20~2000m內(nèi),以此為基礎,對該區(qū)域內(nèi)的地形特征進行描述,并對該區(qū)域內(nèi)的地形特征和水文特征進行深入分析。該地區(qū)與大規(guī)模的洪泛區(qū)相比,地質(zhì)與成因具有較強的一致性,且洪泛區(qū)實測數(shù)據(jù)極為匱乏,部分水文地質(zhì)指標沒有體現(xiàn)區(qū)域特性(例如降水的入滲系數(shù)、滲透系數(shù)、補給程度等),因此,本項目擬采用多學科交叉的方法研究該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境問題。對研究區(qū)周圍現(xiàn)場鉆井數(shù)據(jù)進行分析,發(fā)現(xiàn)該地區(qū)的湖濱帶以細砂巖為主,其中,細砂巖中黏性顆粒的數(shù)量很小,與細砂巖的巖石性質(zhì)差異很小,并且,通過現(xiàn)場抽水試驗,發(fā)現(xiàn)了在地下20m處,有一種黏土層,它的滲透系數(shù)比較相近,透水性很弱,埋深比較均勻,可做含水層底板。因此,將其概括為一層,并將其埋藏深度設定在地面20m以下。

        2 結(jié)果分析

        2.1 模型驗證

        在本研究中,根據(jù)地下水位相關(guān)資料,通過手動試錯法對地下水的模型的主要參數(shù)進行改動,經(jīng)過不斷地調(diào)整,得到滲透系數(shù)為150m/d,給水度為0.01,對野外1個地下水位進行觀測,結(jié)果如圖1所示。模擬期內(nèi)的結(jié)果表明,計算結(jié)果與實測結(jié)果具有很好的一致性,水位擬合的納什效率系數(shù)為0.92,確定性系數(shù)R2為0.94,模型擬合結(jié)果表明數(shù)值模擬結(jié)果可靠。

        2.2 地下水動力場特征

        從圖2~圖4的地下水位分布可以看出,洪泛區(qū)從南到北,在空間上表現(xiàn)為“南高北低”的分布型,在北部和南部地區(qū),地下水的高度差異可達2~4m,該分布型與洪泛區(qū)的地形特征密切相關(guān)。而從東西兩個方向看,地下水埋深主要受控于主湖區(qū)的水位變動,在漲潮、汛期表現(xiàn)為“東高西低”,各地區(qū)地下水埋深相差2~3m,在退潮、枯水期表現(xiàn)為“西高東低”,各地區(qū)地下水埋深相差不大,一般不超過2m。從洪泛區(qū)地下水水位的變動情況可以看出,洪泛區(qū)的地下水水位的變動情況與湖泊的水位變動情況基本相同。總體上看,洪泛區(qū)地下水的變化為2~5m。此外,在靠近主湖區(qū)處,在距主湖區(qū)較遠的西側(cè)灘上,潛流大幅波動。對鄱陽湖洪泛區(qū)的沼澤來說,洪泛區(qū)的地下水分布情況與地表形態(tài)關(guān)系密切,而湖泊水位變化則是影響其地下水埋深的主要外在因素,地下水對時間和空間上都有不同的反應。

        根據(jù)結(jié)果分析,地下水轉(zhuǎn)換主要涉及地表與地下水的相互補給,在枯水和退水時期,鄱陽湖主湖區(qū)水位較低,洪泛區(qū)地下水位相對較高,此時洪泛區(qū)的地下水主要補給湖泊,即地下水由洪泛區(qū)流向主湖區(qū)。在漲水和高洪水位時期,湖泊水位上升,湖泊對周邊地下水的補給強度增加,導致主湖區(qū)附近的地下水位上升,此時湖泊補給洪泛區(qū)地下水,即水由主湖區(qū)流向洪泛區(qū)。同時鄱陽湖的季節(jié)性水位變化決定了主湖區(qū)與周邊地下水間的動態(tài)補排模式。這種季節(jié)性變化導致地下水位和湖泊水位在年內(nèi)呈現(xiàn)不同的變化趨勢,從而影響地下水的補給和排泄過程。其地下水轉(zhuǎn)換可能還與地形地貌導致的地下水力梯度有關(guān)。地下水位的年內(nèi)變化幅度通常小于地表水,說明地下水文過程相對穩(wěn)定。地下水流速在不同季節(jié)有顯著差異,枯水期、退水期和漲水期的地下水流速較大,而豐水期流速較小。

        2.3 地下水均衡分析

        將整個鄱陽湖洪泛區(qū)作為研究對象,對地下水進行均衡分析。地下水變化量ΔS的計算過程如公式(2)所示。

        ΔS=DBin -DBout+NBin-NBout+Qp+Q1-Qe (2)

        式中:DBin為東方向補給水;DBout為西方向排出水;NBin為西方向補給水;NBout為輸出端有東方向排出水;Qp為輸入端有自然降水;Q1為蝶形湖補給地下水;Qe為自然蒸發(fā)水。

        分析地下水數(shù)值模擬結(jié)果,結(jié)果匯總見表1。

        從表1可見,該區(qū)域地下水的總輸入量和總輸出量基本持平。降雨是最主要的水源補給,占總補給量的52%,其次是湖泊對地下水的補給,占39%。碟形湖對地下水的補給相對較小,僅占3%。在水量輸出方面,地下水蒸發(fā)占總排泄量的72%,它是最主要的排泄途徑,其次是向湖泊的排泄,占24%。春季和夏季是地下水補給的主要時段,而秋季和冬季則是排泄的主要時段。這表明鄱陽湖主湖區(qū)對洪泛區(qū)地下水平衡有顯著影響,地形地貌和湖水位變化是影響地下水動態(tài)的關(guān)鍵因素。

        2.4 地下水敏感度分析

        同時,本文對給水度(μ)和滲透系數(shù)(K)進行敏感性分析,以評估這兩個參數(shù)對地下水模型模擬結(jié)果的影響。通過改變模型輸入?yún)?shù)的值(±10%,±20%)來觀察模型輸出結(jié)果的變化,從而判斷參數(shù)對模型結(jié)果的敏感程度,結(jié)果如圖5、圖6所示。

        根據(jù)圖5和圖6分析可得,當給水度和滲透系數(shù)增加或減少10%和20%時,地下水位發(fā)生了顯著變化,說明該洪泛區(qū)對給水度和滲透系數(shù)的變化非常敏感,小幅度調(diào)整也會對地下水位產(chǎn)生較大影響。

        3 結(jié)論

        本項目通過建立地下水流動數(shù)值模型,針對鄱陽湖洪泛區(qū)的地表水-地下水交互作用和動力學過程進行研究,并結(jié)合洪泛區(qū)的地質(zhì)、地質(zhì)、氣候、水文等因素,建立地下水流動數(shù)值模型,準確計算洪泛區(qū)地下水流動特性和對外界環(huán)境壓強的動力學響應。

        洪泛區(qū)主湖區(qū)與周圍地下水量的動態(tài)補充格局受洪泛區(qū)水位漲落影響較大,洪泛區(qū)主湖區(qū)與周圍地下水量的補充格局可大致分為地下水從流域內(nèi)流入主湖區(qū)和從主湖向洪泛區(qū)進行補充兩個階段。

        鄱陽湖主湖區(qū)對洪泛區(qū)地下水平衡有顯著影響,地形地貌和湖水位變化是影響地下水動態(tài)的關(guān)鍵因素。洪泛區(qū)對給水度和滲透系數(shù)的變化非常敏感,即小幅度調(diào)整也會對地下水位產(chǎn)生較大影響。

        參考文獻

        [1]劉春篁,董一慧,李佳樂,等.湖泊濕地系統(tǒng)地表水-地下水相互作用及“三氮”遷移轉(zhuǎn)化[J].江西科學,2022,40(3):484-491.

        [2]雷琨.圍湖造田驅(qū)動的湖水—地下水相互作用下氮的遷移轉(zhuǎn)化[D].北京:中國地質(zhì)大學,2022.

        [3]吳玲.地表水與地下水交互作用下簡易垃圾填埋場地下水污染特征及監(jiān)測方法[D].吉林:吉林大學,2022.

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        [5]徐力剛,謝永宏,王曉龍.長江中游通江湖泊洪泛濕地生態(tài)環(huán)境問題與研究展望[J].中國科學基金,2022,36(3):406-411.

        [6]邱彭華,鐘尊倩,辜曉虹,等.區(qū)域濕地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能變化對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的影響——以海口市為例[J].植物科學學報,2022,40(4):472-4.

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