三江平原撓力河流域地下水均衡分析

三江平原撓力河流域地下水均衡分析

三江平原是中國重要的商品農(nóng)產(chǎn)資源基地之一。近年來，由于三江平原農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整和灌溉方式的擴(kuò)大，“官水—水-地”之間的水轉(zhuǎn)化關(guān)系變得越來越復(fù)雜。對(duì)三江平原撓力河流域地下水的均衡進(jìn)行分析,尤其是“大氣水—地表水—地下水”之間的水量轉(zhuǎn)化,分析撓力河流域地下水系統(tǒng)的補(bǔ)給量和排泄量隨時(shí)間和空間的變化規(guī)律。撓力河流域地下水與地表水、大氣水及土壤水之間存在著連續(xù)的水循環(huán),要系統(tǒng)分析撓力河地下水系統(tǒng)的變化,應(yīng)該從“四水”轉(zhuǎn)化的角度來對(duì)撓力河流域地下水進(jìn)行地下水水均衡分析。在地下水均衡分析中,地下水系統(tǒng)變化量等于地下水補(bǔ)給量減去地下水排泄量。其中補(bǔ)給量包括大氣降水入滲補(bǔ)給量、灌溉農(nóng)田回滲補(bǔ)給量、河渠滲漏補(bǔ)給量、洪水淹沒入滲補(bǔ)給量、相鄰含水層間越流補(bǔ)給地下水量和地下含水層側(cè)向補(bǔ)給量;排泄量包括淺層含水層蒸發(fā)量、地下水向河流排泄量、地下含水層側(cè)向徑流排泄量和人工開采量。以三江平原撓力河流域作為研究對(duì)象,對(duì)撓力河流域地下水進(jìn)行水均衡分析。1撓力河流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展現(xiàn)狀撓力河流域位于黑龍江省東部地區(qū),為烏蘇里江一級(jí)支流。地理坐標(biāo)為東經(jīng)131°15′20″～134°9′38″,北緯45°43′22″～47°19′24″。流域總面積23219km2,占三江平原總面積近1/4,其中山區(qū)面積為8320km2,占總面積的33.5%;丘陵區(qū)面積為1197km2,占總面積的4.8%;平原區(qū)面積為15346km2,占總面積的61.75%。撓力河流域在行政區(qū)上包括寶清縣全部,友誼、富錦、集賢、雙鴨山、饒河5縣市部分和國營農(nóng)場(chǎng)總局的建三江、紅興隆2個(gè)國營農(nóng)場(chǎng)管理局所屬五九七、八五二、八五三、八五九、紅旗嶺、紅衛(wèi)、大興、勝利等共17個(gè)大型農(nóng)場(chǎng)。根據(jù)地質(zhì)巖性、水位變動(dòng)帶、地形地貌、行政單元等,將撓力河流域劃分為4個(gè)區(qū),各區(qū)的地理位置如圖1所示。2流域地下水充灌量2.1地下水位不高,影響大氣降水降水入滲補(bǔ)給是流域的主要補(bǔ)給方式。大氣降水補(bǔ)給地下水的數(shù)量受到很多因素的影響,與降水的強(qiáng)度、形成、植被、包氣帶巖性、地下水的埋深等密切相關(guān)。一般降水量大、降水過程長(zhǎng)、地形平坦、植被茂盛、上部巖層透水性好、地下水埋藏深度不大時(shí),大氣降水才能大量的補(bǔ)給地下水。這些影響因素中起主導(dǎo)作用的常常是包氣帶的巖性。一般認(rèn)為,當(dāng)?shù)叵滤宦裆畲笥?m,降水入滲補(bǔ)給量為零。根據(jù)淺層地下水位觀測(cè)資料,約有10%左右的降水量對(duì)地下水補(bǔ)給不明顯,根據(jù)這個(gè)比例以及水平年各地區(qū)的降水量,求得各水平年有效降水量,將有效降水量代入式(1)中,計(jì)算大氣降水入滲補(bǔ)給量。其各分區(qū)降水入滲補(bǔ)給量計(jì)算值如表1所示。Q降=ρi·α·F(1)式中:ρi—有效降水量,m;α—降水入滲系數(shù);F—撓力河流域的面積,m2。2.2洪水大土地利用計(jì)算撓力河行洪期間,撓力河流域的灘地被淹沒,多年平均淹沒天數(shù)為15d,一般洪水發(fā)生在7-8月份,其洪水淹沒入滲補(bǔ)給量按式(2)計(jì)算,在調(diào)研資料搜集過程中,只獲得了寶清縣洪水的資料,其洪水淹沒入滲補(bǔ)給量計(jì)算結(jié)果如表2所示。Q洪=ΔH·γ·F(2)式中:Q洪—洪水淹沒入滲補(bǔ)給量,m3·a-1;ΔH—淹沒區(qū)地表水深度,m;γ—洪水淹沒入滲系數(shù);F—洪水淹沒面積,m2。2.3增加量和加加量撓力河流域隨著近幾年的種植結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整,灌溉面積的不斷加大,開采地下水的灌溉量也不斷加大,灌溉回滲量有所增加。灌溉回滲量包括地下水灌溉回滲量和地表水灌溉回滲量。灌溉回滲量的大小受包氣帶巖性、地下水埋深和灌溉水量大小和氣象等因素的影響。灌溉回滲量按式(3)計(jì)算,其計(jì)算結(jié)果如表3所示。Qt=Qg·β(3)式中:Qt—田間灌溉入滲量,m3·a-1;Qg—田間灌溉用水量,m3·a-1;β—田間灌溉入滲系數(shù)。2.4流量計(jì)算及斷面撓力河流域地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給邊界為撓力河流域的東南、南和西南深層地下水邊界。根據(jù)達(dá)西定律得到地下水側(cè)向徑流量的計(jì)算公式,其式如(4)所示,撓力河流域各斷面如圖2所示。按式(4)計(jì)算各個(gè)斷面的地下水側(cè)向徑流量。Qc=K·I·B·M·△T(4)式中:Qc—地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給量,m3·a-1;K—各斷面含水層滲透系數(shù),m·d-1;I—垂直于斷面的水力坡度;B—斷面的寬度,m;M—斷面含水層平均厚度,m;T—時(shí)間,d。3流域內(nèi)的地下水排放量3.1地下水蒸發(fā)量計(jì)算蒸發(fā)是水由液態(tài)變成氣態(tài)的過程,特別是地下潛水可通過土壤蒸發(fā)、植物蒸騰而消耗,成為地下水的一種重要排泄方式。影響地下水蒸發(fā)的因素有很多,但主要取決于溫度、濕度、風(fēng)速、潛水位埋深和包氣帶巖性等因素有關(guān),一般認(rèn)為水位埋深大于最大極限深度的地區(qū)地下水蒸發(fā)為零。淺層地下水地下水蒸發(fā)量可用式(5)計(jì)算。Qe=F·ε(5)式中:Qe—淺層地下水蒸發(fā)量,m3·a-1;F—地下水位埋深小于最大極限深度的區(qū)域面積,萬m2;ε—地下水蒸發(fā)強(qiáng)度,mm·a-1。為了研究方便,將撓力河流域按各分區(qū)的平均蒸發(fā)強(qiáng)度計(jì)算,其各分區(qū)的蒸發(fā)量如表5所示。3.2工業(yè)降水量和人肉水資源量撓力河流域農(nóng)業(yè)開采量等于流域內(nèi)各種作物的實(shí)際灌溉面積乘以各種作物灌溉用水定額;工業(yè)用水量根據(jù)各市縣的統(tǒng)計(jì)資料查得;人畜用水量根據(jù)調(diào)查資料,按人均每天用水量0.1m3計(jì)算人畜用水量。其工農(nóng)業(yè)及生活用水量如表6所示。3.3河流側(cè)滲補(bǔ)給量撓力河流域內(nèi)主要河流有撓力河、七星河和烏蘇里江,他們與淺層地下水存在著密切的水力關(guān)系,當(dāng)河流的水位高于淺層地下水位時(shí),則河水補(bǔ)給淺層地下水;當(dāng)河流水位低于淺層地下水位時(shí),則淺層地下水向河流排泄。依據(jù)河流和淺層地下水的水力關(guān)系和各均衡區(qū),將撓力河兩側(cè)補(bǔ)給斷面劃分為3段;七星河兩側(cè)補(bǔ)給斷面劃分為2段;烏蘇里江1段。計(jì)算時(shí)考慮了河流洪水期間水力坡度的變化。根據(jù)達(dá)西定律可按式(6)計(jì)算河流側(cè)滲補(bǔ)給量Q河補(bǔ)=K·M·I·L(6)式中:K—含水層的滲透系數(shù),m·d-1;M—含水層厚度,m;I—地下水流水力坡度;L—河段長(zhǎng)度,m。在不考慮河流彎曲系數(shù)的影響下,主要考慮計(jì)算端點(diǎn)間平均最短流向長(zhǎng)度。所選擇的斷面位置如圖2所示,其計(jì)算結(jié)果如表7所示。3.4徑流排泄量計(jì)算在撓力河流域西北、北和東北部邊界深層地下水向流域外進(jìn)行地下水徑流排泄,是該流域的主要徑流排泄邊界,其各邊界分區(qū)如圖2所示,根據(jù)達(dá)西定律利用式(6)進(jìn)行各斷面徑流排泄量的計(jì)算,其計(jì)算結(jié)果如表8所示。4地下水開采量結(jié)果將2005年地下水各區(qū)的補(bǔ)給量、排泄量、均衡差和水位變幅列于表9中,從表9中可以看出,研究區(qū)地下水總補(bǔ)給量為208838萬m3,總排泄量為212644萬m3,均衡差為-3826.1萬m3。撓力河流域內(nèi)河谷平原區(qū)和丘陵地區(qū)出現(xiàn)了地下水位下降,丘陵地區(qū)地下水位降深較大。2005年屬平水年,由于地下水開采量較大,地下水大量補(bǔ)給河流,使河谷平原區(qū)地下水位產(chǎn)生降落。丘陵地區(qū)由于開采量大,區(qū)域地下水補(bǔ)排不平衡,在枯水年水位降深更為嚴(yán)重,2005年丘陵地區(qū)地下水降深達(dá)0.79m。5地下