中国北方大型灌区地下水数值模拟和预测

【摘要】中国北方地区,地表水资源难以满足农业发展和日益增长的用水需求,地下水已经成为当地工业、农业及生活的主要用水水源,致使地下水资源面临着严峻的挑战。因此,对中国北方灌区地下水资源进行有效评价很有必要。本文以北方典型灌区水文、气候和地下水实测数据为基础,结合参考蒸散量(ETo计算器软件),通过VisualMODFLOW软件数值模拟,对地下水进行评价和预测,并对该灌区灌溉水质的适宜度进行分析和评价。研究区为陕西省关中盆地西部的宝鸡峡灌区和羊毛湾灌区(以下简称宝、羊灌区)。灌区地处中国西北黄土高原的南缘,属于半干旱半湿润气候,是中国重要的农业生产区之一。研究利用地下渗流流的基本方程(达西定律)、三维地下水流方程、有限差分法、水平衡方程以及Penman-Monteith公式估算参考蒸散量(ETo),以不同的索引方式(如世界卫生组织标准方法来评估水质的方式)。最终提出了针对中国北方大型灌区实际的地下水模拟模型。研究收集了灌区1981年至2009年期间(进行瞬态仿真MODFLOW)的地下水观测数据,并将该组数据分为两部分,其中1981年至2000年的十年数据用来进行模拟计算；2001年至2009年9年数据用来验证预测。对模型的验证主要是通过水量输入模型,在参数估计包”PEST”的模式下进行处理,实现对参数优化结果的验证。模型运行的地下水场景为2009年至2048年,为期40年。考虑到由于气候变化,城市化等引起的降雨变化,盆地内地下水开采量和补给、蒸散量和灌溉排水等不同井渠组合方式以及其他参量的变化(如水力传导率和比产率等的变化)等因素。本文主要针对宝羊灌溉含水层系统(BIAS)的潜水进行研究。结果表明,由于雨季和旱季的影响,灌区内地下水水位是不稳定的,在区域内的富水程度是不均匀的。一般情况下,灌区中部水位高,东西两侧水位较低,地下水面总体北高南低,地下水流向由北至南(见文中44页)。地下水水位具有秋季时升高,冬季下降,春夏两季最低的总体趋势,这一趋势与当地农业用水开采过程基本一致。用MODFLOW中的相关系数(R)(R2决定系数),均方根误差(RMSE),归-化均方根误差(N.RMSE)的统计汇总和估计(SEE)标准误差来进行模型的校准、检验和预测,进而观察初始的估计值和计算值之间的良好配合。参数的优化结果显示,水平传导系数(Kx)和具体的收益率(sy)具有较高敏感性,因此,在模型中影响力较高。根据水量平衡原理,地下水系统主要有三个补给来源：降雨入渗补给,人工灌溉补给(灌溉渠道)及地下水流的侧向补给。而地下水的排泄量主要有：总蒸散量(ET),及地下水开采(存储流出)。在雨季,地下水系统的补给量主要来源于降雨入渗,从灌渠(流)渗水也为含水层提供显著地贡献,地下水排泄的主要来源是通过直接排泄流漏出去,还有地下水开采及蒸散。根据对气候变化和城市化进程的不同程度,设置三种不同变化程度的情境模式,研究在这三种情境下所引起的地下水位的动态变化。通过对三种不同情景下的模拟结果进行比较发现,灌区西部地下水位下降较快,三种情景下的最大平均跌幅分别为35.26米、44.34米和21.06米；灌区北部个别井在情景二下,水位下降值约43.2米,而在情景三条件下下降了15.99米。三个方案在2009年的水位大约为379.63～615.69米。预测结果说明,情景1的下降范围在343.22～604.11m之间,情景2的下降范围为354.76～590.12m,情景3的下降范围为351.73～604.16m。通过对地下水位的预测表明,灌区南北方向上三个情景下的等高线的变化范围为：情景一在382.26～595.09m之间,情景二为389.05～588.16m,情景三为404.62～589.71m。在冬、春和夏季枯水季节,由于水流速度的减小和农业用水的增加,地下水位下降；雨季反之亦然。预测结果还说明,在预测期内,情景3的精度最高。例如,情景3的N.RMSE为4.513%,而在情景1和情景2分别为7.001%和8.477%。此结果表明了在情景3条件下,地下水含水层具有较好的的补给和较大的存储量。尽管在场景3的条件下,地下水位下降率和蒸发量相比其它两种情况更高,但地下水位是相对稳定的。这种稳定性反映了含水层具有较大的给水度和渗透系数(sy和Kx),具有高效率的存储和补充功能。通过比较三种不同情景的结果可以得出,要保持宝羊灌区含水层地下水位的动态稳定,需要从降雨或人工回灌、及修建小水坝和增加蓄水,以及河流分流等多个方面进行补充。在研究中,通过对灌区作物需水量和水量平衡计算,揭示了农业是灌区水资源的主要用户,降水量的不足致使灌溉需水量增加。因此,地下水成为灌区重要的可用水资源。利用气象资料的参考作物蒸散量来估计1981年至2009年的作物蒸散量。结果表明,参考作物的蒸散量(ETo等)在干燥和炎热的季节比在寒冷季节的高。论文对宝羊灌区用于灌溉的地下水水质的适宜性进行了评估。根据收集的2002年至2009年期间十八口井的地下水潜水含水层水样样本,对主要的阳离子和阴离子的各种元素如钠(Na+),钙(Ca2+),镁离子(Mg2+),钾(K+),氯化物(Cl-),碳酸氢根(HCO3-)和硫酸(S042-)进行了分析。此外,针对一些重要的化学参数,如总溶解固体(TDS),钠吸附比(SAR),可溶性钠百分率(SSP),总硬度(TH)和残余碳酸钠(RSC)进行了灌溉水适宜度的评估。结果表明,灌区大多地区地下水适宜灌溉。但局部地区水质较差,有两个样品的SSP指标百分大于60%(62.89%和66.14%),不适合用于灌溉。依据TH值,灌区地下水可以归为中等硬度和硬水,东部局部地区极硬,作为灌溉水源要给予重视。
【作者】HusseinIbrahimAhmed；
【导师】刘俊民；
【作者基本信息】西北农林科技大学，水文学及水资源，2014，博士
【副题名】以宝羊灌区为例，中国陕西
【关键词】地下水；数值模拟；大型灌区；MODFLOW模型；Penman-Monteith公式；水量平衡；地下水质量；中国北方；

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