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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。其結果表明: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
目前,內布拉斯加州主要的水資源問題之一是如何保護普拉特河谷的水資源。該州在1936年只有1200眼水井,到1985年,注冊的水井數(shù)達到70701眼,是1936年水井數(shù)的近60倍,這些水井承擔著該州85%的灌溉任務。另外,中心井灌溉系統(tǒng)(the centerpivot irrigationsystem)數(shù)也從1972年的2757增加到1985年的27271個。該州開采的地下水,80%以上用于灌溉[1]。而普拉特河與相鄰的潛水含水層具有密切的水力聯(lián)系,所以為了農業(yè)灌溉而開采地下水,必然造成河流徑流量的衰減,并威脅到一些野生動物的生存及其棲息地的存在。研究河流徑流量的衰減不僅是該地區(qū),也是科羅拉多州、懷俄明州、聯(lián)邦政府內務部、地方政府及不同用水戶等共同關心的焦點之一。模擬地下水開采造成的河流徑流量的衰減是實現(xiàn)地表水和地下水聯(lián)合利用的重要步驟之一。
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[2~7],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,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)[8~10]。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,并將其應用于內布拉斯加州普拉特河谷的河流——含水層系統(tǒng)。
1 研究區(qū)簡介
研究區(qū)位于美國中部的內布拉斯加州普拉特河谷,包括布法羅縣(Buffalo County)南部和卡尼縣(Kearney County)的北部(圖1)�？偯娣e約1118km2。普拉特河橫穿研究區(qū)的中部,自西向東流。地面南北邊界處較高,中部河谷區(qū)較低。在西北部最高,約700m,東北部最低,約610m。
研究區(qū)多年(1981~1986)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1983~1986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組地層主要為各種粒徑的砂,呈半固結狀態(tài)。研究區(qū)有1000多眼農業(yè)灌溉的開采井,其開采集中在每年的6~8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
該研究中,河流流量衰減的計算采用的是美國地質調查局開發(fā)研制的Visual MODFLOW[11]。根據(jù)研究區(qū)的水文地質條件建立了相應的數(shù)學模型,并用1981年10月1日~1986年9月30日共5年(1825d),60個應力期的資料對模型進行了識別。模型識別結果表明:不但每個觀測孔的計算水位與觀測水位非常接近,而且全區(qū)計算的地下水等水位線與觀測的等水位線也擬合得很好。這說明所建立的數(shù)學模型正確,能較準確地代表實體的水文地質條件,可用于模擬抽水對河流流量的影響。
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,相鄰剖面之間的距離為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。計算點到河流的距離分別為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)灌溉的具體情況,將每個抽水過程設計成:每年的灌溉期(即6~8月)抽水5d,停抽5d,其抽水量為4000m3/d。
在研究河流流量的衰減過程中,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相同,或低于河水位時,則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,就必須要確定基流量減少和滲漏量增加這兩個體積。任一時段內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是抽水后的基流量;Δt是時間段的長度。
而任一時段內河流滲漏量增加的體積則可用下式計算:
(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;Δt是時間段的長度。本文分別計算了抽水期間(每年的6~8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為某一時段內總的基流減少量與總抽水量的比值;Vir為某一時段內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期5年內Vbr和Vir的平均值。
3 計算結果及分析
3.1 河流基流的減少 圖2為Vbr的空間分布特征,對比圖2(a)和圖2(b)可知,無論是在河流的南側,還是北側,Vbr2比Vbr1要大約3倍,這說明:當抽水井開采地下水時,抽水后期對河流基流量減少的影響約是抽水期間影響的3倍。這一信息提示人們:在設計地下水的優(yōu)化開采方案時,不僅要考慮抽水井開采地下水在抽水期間對河流基流量減少的影響,更要重視開采地下水在抽水后期對河流基流量減少的影響,即抽水的殘余影響(the residual effect)。
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(如抽水井離河流的距離相同、抽水量相同等),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
3.2 河流入滲的增加 圖3為Vir的空間分布特征,對比圖3(a)和圖3(b)可知,無論是在河流的南側,還是北側,Vir2也比Vir1要大,約大2~3倍。該信息表明:開采地下水在抽水后期對河流滲漏量增加的影響比抽水期間對河流滲漏量增加的影響要大2~3倍。
圖3 抽水期間的Vir(a),抽水后期的Vir(b)和總的Vir(c)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(如抽水井離河流的距離相同、抽水量相同等),應優(yōu)先選擇在河流南側開采地下水。
4 結 語
研究結果表明:隨著抽水井離河流的距離增大,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相同。如在該研究區(qū),抽水對河流基流減少和河流滲漏增加的影響在普拉特河南、北兩側截然相反。因河流兩側的含水層和包氣帶巖性相差不大,造成河流南、北兩側截然相反的主要原因是南側地下水位高出河水位的值要大于河流的北側。該研究成 地下水開采對河流流量衰減影響分析果對類似地區(qū)的水資源合理開發(fā)利用是極其重要的。同時,研究結果顯示Visual MODFLOW可成功地用于模擬地下水開采對河流流量衰減影響的詳細分析。
參 考 文 獻:
[1]Conservation and Survey Division.The groundwater atlas of Nebraska,Resource Atlas[M].University of NebraskaLincoln,1986
[2]Theis C V.The effect of a well on the flow of a nearby stream[J].American Geophysical Union Transactions 1941,22(3):734-738. [3]Glover R E,G G Balmer.River depletion resulting from pumping a well near a river[J].American Geophysical Union Transaction 1954,35(3):468-470.
[4]Hantush M S.Depletion of storage,leakance,and river flow by gravity wells in sloping sands[J].Journal of Geophysical Research 1964,69(12):2551-2560.
[5]Wallace R B,Y Darama,M D Annable. Stream depletion by cyclic pumping of wells[J].Water Resources Research,1990,26(6):1263-1270.
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[7]Darama Y. An analytical solution for stream depletion by cyclic pumping of wells near streams with semipervious beds[J].Ground Water,2001,39(1):79-86.
[8]Sophocleous M,A Koussis,J L Martin, S P Perkins.Evaluation of simplified streamaquifer depletion models for water rights administration[J].Gound Water,1995,33(4):579-588.
[9]Conrad L P,M S Beljin.Evaluation of an induced infiltrationmodel as applied to glacial aquifer systems[J].Water Resources Bulletin,1996,32(6):1209-1220.
[10]Chen X H,Y Yin.Streamflow depletion:modeling of reduced baseflow and induced stream infiltration from seasonally pumped wells[J].Journal of American Water Resources Association,2001,37(1):185-195.
[11]Harbaudg A W,M G McDonald.User's documentation for MODFLOW 96 an update to the U.S.Geological Survey modular finitedifference groundwater flow model[M].U.S.Geological Survey,openfile report 96-485,Reston,Virginia,1996.
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