地下水開采對河流流量衰減影響分析

1、地下水開采對河流流量衰減影響分析地下水開采對河流流量衰減影響分析 地下水開采對河流流量衰減影響分析 地下水開采對河流流量衰減影響分析摘要:以內(nèi)布拉斯加州普拉特河谷為例,詳細分析了地下水開采對河流流量衰減的影響。計算了從1981年10月1日1986年9月30日5年期間,普拉特河南、北兩側在抽水期間和抽水后期河流基流的減少和河流入滲的增加。其結果說明:無論是南側還是北側,抽水后期對河流流量影響的程度要明顯大于抽水期間的;在河流南、北側,抽水對河流基流的減少和河流入滲的增加影響恰恰相反。抽水在河流南側對河流基流量減少的影響要明顯大于河流的北側,對河流滲漏量增加的影響卻明顯小于河流的北側。這是因為在河

2、流南側,地下水水位高出河水位的值要大于河流的北側。地下水位高出河水位的值越大,抽水對河流基流量減少的影響越明顯,對河流滲漏增加的影響卻微弱。這些信息對該地區(qū),或類似地區(qū)水資源的合理開發(fā)利用是極其重要的。關鍵詞:地下水開采 河流基流的減少 河流入滲的增加 河流流量衰減 普拉特河谷 已有許多河流流量衰減的研究成果,其研究方法包括解析法和數(shù)值法。解析法的研究包括Theis(1941),Glover和Balmer(1954),Hantush(1964),Wallace等(1990),Hunt(1999);和Darama 2001等27,這些成果計算的都是簡化的河流含水層系統(tǒng)的河流流量的總衰減量。近年來

3、,數(shù)值法已廣泛應用于河流徑流量衰減的研究中(Sophocleous等,1995;Conrad和Beljin,1996;Chen和Yin,2001)810。數(shù)值模型法較解析法有許多優(yōu)點,它可以考慮實際河流含水層系統(tǒng)的復雜條件。但這些數(shù)值法與解析法一樣,都只是研究了一個理想的情況,并非實際問題。把河流流量衰減的過程分解成河流基流的減少和河流入滲的增加兩個過程,并分析各自在抽水期間和抽水后期的變化特征的研究尚不多見。而這些信息對每一個流域的水資源管理都是非常重要的。本文重點介紹了如何計算河流基流的減少和河流入滲的增加兩個過程在抽水期間和抽水后期的體積變化,并將其應用于內(nèi)布拉斯加州普拉特河谷的河流含水

4、層系統(tǒng)。1 研究區(qū)簡介 研究區(qū)多年(19811986)平均降水量為636.2mm,多年平均蒸發(fā)量為1076mm。根據(jù)普拉特河在卡尼站19831986年的觀測資料,河流的平均水位為651.7m,其變幅小于1m。地下水在河流附近埋深很小,只有1m左右。離河流越遠,其埋深值越大,在研究區(qū)的南北邊界處,埋深值大于5m。根據(jù)前人的研究成果,本區(qū)的極限埋深為4.6m。研究區(qū)的含水層系統(tǒng)包括上部的沖積層(潛水含水層)、中部的淤泥和粘土層(隔水層)和下部的Ogallala組的地層(承壓含水層)。隔水層將淺層的沖積層和Ogallala組的地層分開,沖積層主要由未固結的砂和礫石組成,而Ogallala組地層主要為

5、各種粒徑的砂,呈半固結狀態(tài)。研究區(qū)有1000多眼農(nóng)業(yè)灌溉的開采井,其開采集中在每年的68月間,開采井主要分布在普拉特河谷區(qū)。2 河流流量衰減的計算 為了研究普拉特河流量衰減的空間分布規(guī)律,設計了6個垂直河流的計算剖面,相鄰剖面之間的間隔 為7200m,每個剖面上有12個計算點,6個在河流的北側,6個在南側,河流南、北側的計算點兩兩對稱。計算點到河流的間隔 分別為400,800,1500,3000,5000和10000m(圖1)。在每個計算點上設計一個抽水井。根據(jù)研究區(qū)灌溉的詳細情況,將每個抽水過程設計成:每年的灌溉期(即68月)抽水5d,停抽5d,其抽水量為4000m3/d。在研究河流流量的衰

6、減過程中,當抽水前的地下水水位高于河水位時,地下水向河流排泄,此量稱為基流量。一旦地下水開采,地下水水位隨之下降,基流量也隨之減少,即河流流量衰減過程中的第一步,基流量的減少;當抽水繼續(xù)時,地下水水位不斷下降。當?shù)叵滤陆档降陀诤铀粫r,河流即發(fā)生滲漏,即河流流量衰減過程中的第二步,河流滲漏量的增加。當抽水前的地下水水位與河水位一樣,或低于河水位時,那么不存在基流量的減少,只有滲漏量的增加。在普拉特河谷這兩個過程都存在。要研究河流流量的衰減,就必需要確定基流量減少和滲漏量增加這兩個體積。任一時段內(nèi)河流基流量減少的體積可用下式計算:(1)式中:Vb是基流量減少的體積;R0為抽水前的基流量;R是抽

7、水后的基流量;t是時間段的長度。而任一時段內(nèi)河流滲漏量增加的體積那么可用下式計算:(2)式中:Vi是滲漏量增加的體積;q0為抽水前的滲漏量;q是抽水后的滲漏量;t是時間段的長度。本文分別計算了抽水期間(每年的68月)和抽水后期(本年的9月下一年的5月)的Vb和Vi,總的Vb和i之和,就是河流流量衰減的體積。研究河流流量衰減時,常用河流流量的衰減量與抽水井開采量的比值來表達3,8,10基流減少量、滲漏增加量與抽水量的比值分別為:(3)和(4)式中:Vbr為某一時段內(nèi)總的基流減少量與總抽水量的比值;Vir為某一時段內(nèi)總的滲漏增加量與總抽水量的比值;Q為抽水井的抽水量。本文分別計算了抽水期間和抽水后

8、期5年內(nèi)Vbr和Vir的平均值。3 計算結果及分析 從圖2(c)可以看出:河流南側的Vbr比北側的大。這說明:抽水井開采地下水在河流南側對河流基流量減少的影響要明顯大于在河流北側的影響。這是因為在河流南側,地下水水位高出河水位的值要大于河流的北側。地下水位高出河水位的值越大,抽水對河流基流量減少的影響越明顯。因此,從減少抽水對河流基流量減少的影響角度出發(fā),同等條件下(如抽水井離河流的間隔 一樣、抽水量一樣等),應優(yōu)先選擇在河流北側開采地下水。圖2 抽水期間的Vbr(a),抽水后期的Vbr(b)和總的Vbr(c)的平面等值線 圖3 抽水期間的Vir(a),抽水后期的Vir(b)和總的Vir(c)

9、的平面等值線從圖3(c)可以看出:河流南側的Vir比北側的小。這說明:抽水井開采地下水在河流南側對河流滲漏量增加的影響要明顯小于在河流北側的影響。這是因為在河流南側,地下水水位高出河水位的值要大于河流的北側。地下水位高出河水位的值越大,抽水對河流滲漏量增加的影響越小。因此,從減少抽水對河流滲漏量增加的影響角度出發(fā),同等條件下(如抽水井離河流的間隔 一樣、抽水量一樣等),應優(yōu)先選擇在河流南側開采地下水。4 結 語研究結果說明:隨著抽水井離河流的間隔 增大,開采地下水對河流流量衰減的影響迅速減少;抽水井無論對河流基流減少,還是對河流滲漏增加的影響,在抽水后期都比抽水期間的要大。本實例研究還顯示,在不同地點,因水文地質條件的差異,抽水對河流基流減少、河流滲漏增加的影響也不一樣。如在該研究區(qū),抽水