三江平原典型区河水与地下水水量交换的时空变化规律分析

地下水与河水之间的水量交换具有复杂的过程,受地形地貌、水文及水文地质条件等的影响。以松花江、黑龙江、挠力河及乌苏里江4条河流作为边界的三江平原典型区为例,通过补充水文地质勘察,结合2000—2018年河水位及地下水位动态的空间分布,对该地区河流代表性河段河水与地下水水量交换的时空变化规律进行深入分析。结果表明：三江平原典型区四周河流代表段的河水与地下水的水力联系较强,研究期内50%以上的年份两者的水位变化呈显著或高度相关,其中松花江富锦段地下水位与河水位相关性最强,挠力河菜咀子段和乌苏里江海青段次之,黑龙江勤得利段最弱;多年平均背景下,挠力河菜咀子段为地表水补给地下水,松花江富锦段、乌苏里江海青段及黑龙江勤得利段皆为地下水补给地表水;松花江富锦段多年平均地表水地下水单宽交换量为10^-2m³/（d·m）量级,黑龙江勤得利段为10^-5m³/（d·m）量级,挠力河菜咀子段为10^-3m³/（d·m）量级,乌苏里江海青段为10^-3m³/（d·m）量级;相关系数与地表水地下水单宽交换量大小存在正相关,相关系数越大,单宽交换量越大,MK趋势检验结果表明,各河流代表性河段单宽交换量均存在减小趋势,其中乌苏里江海青段趋势显著,松花江富锦段趋势最小;松花江富锦段单宽交换量年际和年内波动强烈且均占主导地位,年内尺度下仅6月份为显著减小趋势,未构成年际尺度下显著减小的整体趋势,水量交换变化频繁、规律性较弱;黑龙江勤得利段年际及年内尺度波动均占主导地位,与松花江情况类似但波动程度较弱,年内尺度下不存在显著变化趋势,因此未构成显著减小的整体趋势;挠力河菜咀子段主要以年际尺度波动,1—5月存在显著减小趋势,但未增大年内尺度波动,且未构成显著减小的整体趋势;乌苏里江海青段主要为年内尺度波动,6—9月及12月的显著减小趋势增大了年内波动,且构成了显著减小的整体趋势。研究结果可为三江平原典型区水资源评价提供科学依据,为该地区水资源的科学开发利用提供理论参考。     

陕西省吴堡县岔上水源地地下水允许开采量评价

根据陕西省吴堡县岔上水源地水文地质条件,确定了研究范围和边界条件,建立了研究区水文地质概念模型和地下水二维非稳定流数学模型,利用基于有限差分法的Visual MODFLOW进行地下水流数值模拟计算。经过模型的识别和验证,获取可靠的水文地质参数,然后对水源地地下水资源进行定量评价。通过对比设计了9种开采方案,选取了最为合理的开采方案,最终得到岔上水源地平枯期允许开采量均为6 880m3/d。根据模型预报结果,水源地目前的设计开采量是可行的。研究结果为研究区地下水资源的合理开发利用提供了依据。     

干旱区库坝工程对地下水的影响

为揭示干旱区库坝工程对车尔臣河中下游地下水位的影响,基于水文地质、气候变化以及当地灌溉等相关数据,应用GMS构建地下水模型,对地下水流场的变化进行了模拟预测研究。结果表明:①车尔臣河流域模拟区地下水多年均衡量为1 170.74×10~4m~3,表现为微弱正均衡,多年地下水水位上升约13 mm,地下水水位总体呈现微弱上升趋势; ②从整个区域角度而言,建坝前后地下水流场趋势并没有出现显著变化,但是局部地区流场变化较明显,主要是灌区和下游入湖区段,受影响的地下水位变幅为0.4~0.8 m,而南北两侧可能受影响宽度范围约1 km。     

青海省盐湖集团供水二期水源地数值模拟

针对山前冲洪积扇傍河水源地共有的水文地质条件,建立地下水流数学模型,采用Visual Modflow软件,选取极富水地段进行地下水数值模拟研究。在综合分析格尔木河冲洪积扇水文地质条件基础上,确定三维边界条件,建立水文地质条件概念模型及数学模型,通过对地下水梯度场、降速场与实测资料的识别与验证,模拟的流场形态与观测值及地下水动态拟合度较高,符合研究区水文地质条件。模型对10年内丰、平、枯水期降水频率下的开采方案结果及水均衡状态进行了预测,结果表明,拟建水源地所需的可开采水量(新增13.2万m3/d)基本可行。     

Using MODFLOW and GIS to Assess Changes in Groundwater Dynamics in Response to Water Saving Measures in Irrigation Districts of the Upper Yellow River Basin

The irrigation districts of the upper Yellow River basin are highly productive agricultural areas of North China. Due to the severe water scarcity, application of water-saving practices at both farm and district levels are required for sustainable agricultural development. An integrated methodology was developed adopting loose coupling of the groundwater flow model MODFLOW with ArcInfo Geographic Information System to assess the impacts of irrigation water-saving practices and groundwater abstraction foreseen for the year of 2020 on the groundwater dynamics of the Jiefangzha Irrigation System (JFIS) in Hetao Irrigation District, upper Yellow River basin. The model was calibrated and validated with datasets of years 2004 and 2005; the model efficiency EF was respectively 0.98 for calibration and 0.99 for validation. Results of the simulation of the groundwater dynamics of the study area show that water-saving practices referring to canal lining and upgrading hydraulic structures applied in 60% of the area, and upgraded farm irrigation technology in 50% of the area may consist of a reasonable solution. Their implementation would lead to reduce groundwater evaporation by 43 mm and the total diversions from the Yellow River by 208 mm, i.e. about 20% of present volumes diverted. Most of routines and strategies for model construction may also be used for other regions, especially for irrigation districts in the upper Yellow River basin.     

改进的WEAP模型在水资源管理中的应用

在水资源评价和规划模型(WEAP)的基础上耦合多边形网格地下水三维流有限差分模拟系统,建立了WEAP-Tsinghua模型。该模型既能反映各水文测站的径流情况和水资源供需关系与分配,也能反映地下水位动态变化。以石羊河流域为例,建立了该流域的水资源管理模型,并利用2000年用水结构、水文测站径流数据和地下水位观测数据进行参数率定和模型验证,模拟和实测地下水水头差值小于1.0m的观测孔达到总监测点数的50%,模拟和实测蔡旗同金川峡站流量年误差小于1％,模拟的用水结构符合实际,预测分析说明石羊河流域现状用水模式不合理。改进WEAP模型具有友好的用户界面和易于使用的功能,可用于区域水资源规划模拟分析。     

江坪河水利枢纽库首右岸河间地块岩溶渗漏分析

Ｌｏｕ水江坪河河间地块地质结构简单，碳酸盐岩分布广，岩溶发育，河间地块内存在六个相互独立的岩溶地下水系统，各系统进口高程均在６４０米以上，地质分析及物探证实，在近Ｌｏｕ水河岸处，分布一高程为７００米左右，宽约８００米的地下水分水岭，因此水库蓄水后不可能通过岩溶地下水系统向库外产生岩溶渗漏。     

华北典型灌区气候变化条件下地下水响应研究

基于MODFLOW模型,以华北平原人民胜利渠灌区为例,结合研究区水文地质条件,建立地下水运动数值模拟模型,通过参数校准和模型验证,表明建立的地下水运动模型能够合理地反映研究区2012-2013年的地下水运动状况,模拟结果表明该灌区地下水处于负均衡状态。基于模拟结果,进一步预测了气候情景(选取RCP4.5情景NorESM1-M模式)下灌区2030年地下水水位情况。结果表明与1997-2013年相比,2030年灌区地下水位持续下降,漏斗面积逐渐扩大。以此为基础,开展地下水开采量情景分析,将开采量分别增加和减少20%,预测2030年在不同开采量情景下地下水水位变化情况。最后根据预测结果初步提出地下水开采量减少20%的调控方案,以保证地下水水位有所上升,漏斗面积减少。     

Design of Managed Aquifer Recharge for Agricultural and Ecological Water Supply Assessed Through Numerical Modeling

The Walla Walla Basin, in Eastern Oregon and Washington, USA, faces challenges in sustaining an agricultural water supply while maintaining sufficient flow in the Walla Walla River for endangered fish populations. Minimum summer river flow of 0.71 m³/s is required, forcing irrigators to substitute groundwater from a declining aquifer for lost surface water diversion. Managed Aquifer Recharge (MAR) was initiated in 2004 attempting to restore groundwater levels and improve agricultural viability. The Integrated Water Flow Model (IWFM) was used to compute surface and shallow groundwater conditions in the basin under water management scenarios with varying water use, MAR, and allowable minimum river flow. A mean increase of 1.5 m of groundwater elevation, or 1.5 % of total aquifer storage, was predicted over the model area when comparing maximum MAR and no MAR scenarios where minimum river flow was increased from current level. When comparing these scenarios a 53 % greater summer flow in springs was predicted with the use of MAR. Results indicate MAR can supplement irrigation supply while stabilizing groundwater levels and increasing summer streamflow. Potential increase in long-term groundwater storage is limited by the high transmissivity of the aquifer material. Increased MAR caused increased groundwater discharge through springs and stream beds, benefiting aquatic habitat rather than building long-term aquifer storage. Judicious siting of recharge basins may be a means of increasing the effectiveness of MAR in the basin.     

北方浅层地下水超采区地下水预测模型

针对北方地区地下水动态特征,选定河北省大清河地下水系统的大沙河-磁河冲洪积扇孔隙地下水系统小区作为研究区。研究区地下水动态主要受降水影响,年内变化较大,根据这一特点,利用神经网络等工具建立了研究区浅层地下水分月地下水预测模型。模型采用1991年-2000年数据进行参数率定,采用2001年-2005年数据对模型进行了验证。通过该模型的建立,解决了北方地下水预测中预测精度差、模型不稳定的难题,为水资源管理提供了科学依据,为其他类似地区地下水动态预测奠定了坚实的基础。     

李官堡水源地地下水流场数值模拟及预测

随着工业规模的发展,各城市都面临着地下水资源如何科学利用的难题,北方缺水城市沈阳李官堡水源地就面临着新增工业造成的用水压力,如何对该水源地的水资源进行科学评价是合理取用水的前提。在对模拟区范围、边界条件和孔隙水介质进行概化和对水文地质参数及其他参数确定的基础上,将该区域地下水流系统概化为均质、各向同性、二维、潜水非稳定地下水流系统,运用GMS模型软件对研究区的地下水流场进行了数值模拟预测。通过模型识别和可靠性分析认为,所率定的模型参数符合实际且模型边界条件合理;预测认为该区域地下水资源量不能满足新增企业用水量9.8万m3/d的需求。该评价方法不仅具有应用和推广价值,而且具有为地下水资源科学规划提供科学依据的重要作用。     

不同土地利用模式下绿洲地下水响应预测模拟

将GIS与专业计算地下水运动的FEFLOW模型结合,建立地下水模型预测不同土地利用模式对干旱区绿洲地下水资源的时空分布产生的影响。研究区域选取三工河流域绿洲区,模型模拟显示绿洲上部主要城镇聚居区地下水位逐渐下降,下部地下水位呈现缓慢上升趋势。耕地作为显著变化的土地利用类型,成为影响区域地下水资源的决定性因素。     

内陆河流域植被变化与地下水运动的耦合关系

以流域水量均衡为基础，以植被变化对地下水的影响作为源汇项，建立了内陆河流域二维地下水运动模拟模型。根据荒漠植被区的气候条件，依地下水埋深划分并合并植被变化方式为几种类型，以面状因子处理源汇项。绿洲区的灌水、抽水等源汇因子对地下水影响最大，根据不同作物的灌溉制度详细计算随时间变化的源汇量。其他植被变化类型上的源汇因子相对次要，主要是有限的降水和凝结水入渗及蒸散，具体数量分配在某一时段。用GIS处理区域植被变化的空间数据，与专业计算地下水流的FEFLOW软件结合，模拟了植被变化对地下水位的影响。结果表明：扇缘带上部地下水位仍然保持下降，冲洪积平原地下水位继续上升的趋势；其结果将是扇缘带上部植被有趋于退化，冲洪积平原土壤盐化进一步发展的趋势。     

哈头才当水源地地下水位模拟与预测

采用MODFLOW软件对哈头才当水源地地下位进行数值模拟,经数值模型识别与验证,所取参数基本合理,水位拟合情况良好,模型能够真实地反映水源地地下水位的变化特征。在模型识别与验证的基础上,给出预测模型的初始条件、边界条件及其源汇项,对2009年10月—2029年10月地下水位进行了预测。结果表明:水源地按照设计开采方案开采,地下水位不会持续下降,计算区内大部分区域水位降深小于6 m,总体降深较小,不会对生态造成明显的影响。     

基于逐步回归的地下水超采区水位预测及控制指标研究

为确定丰、平、枯不同水文条件下岩溶区域地下水位的控制指标,本文基于地下水开采利用情况和地下水位动态变化特征的分析,构建基于逐步回归的地下水位统计预测模型,应用于广西南宁市宾阳县黎塘镇地下水超采区。研究表明：地下水开采量控制在实现区域采补平衡和填平历史超采引起的地下水亏空中已发挥重要作用。所建模型对区域地下水位的拟合效果较好,基于模型预测确定该超采区平水年控制埋深、最大控制埋深、最小控制埋深分别为4.97 m、5.47 m、2.26 m。与考虑地下水位自然波动特点确定的控制指标值对比表明逐步回归法的计算成果合理。本文成果为该区域地下水管控指标考核提供了依据,可供我国南方其他类似地下水超采区参考。     

Exploring the Mechanism of Surface and Ground Water through Data-Driven Techniques with Sensitivity Analysis for Water Resources Management

The over extraction of groundwater in central-western and southwestern Taiwan has resulted in serious land subsidence for decades. For making countermeasures in response to land subsidence, this study collects long-term hydrological data to explore the relationships between surface water and groundwater in various monitoring stations, and then constructs one-month-ahead forecast models by using data-driven techniques for the water resources management of the Zhuoshui River basin in Taiwan. The results demonstrate that the constructed models can accurately forecast monthly groundwater levels. The sensitivity analysis is next conducted on the input variables of the constructed models by using the partial derivative method. The analysis results reveal that streamflow is a predominant factor for groundwater level variation, and therefore streamflow management made by the upstream weir of the river would influence groundwater level variations. This study further implements several scenario analyses based on the interactive mechanism between groundwater and surface water in response to future climatic conditions and weir discharge management, respectively. The results of scenario analyses indicate that the groundwater recharge zone spreads along the Zhuoshui River while lateral and vertical recharge sources would cause different quantities and distribution patterns of groundwater recharge. Besides, an increase in weir discharge would improve groundwater recharge quantities with groundwater level variations at 0.12 m and 0.06 m in wet and dry seasons, respectively. As a consequence, the operation of weir discharge would play an import role in sustainable development of water resources management in the study area.     

新疆玛纳斯河流域典型剖面地下水位动态分析

新疆玛纳斯河流域是水资源开发力度较大、经济发展水平较高的地区。对玛纳斯河流域13眼监测井组成典型剖面的2010年-2014年监测数据进行趋势性分析得出,整个监测剖面地下水位呈持续下降趋势,上部冲洪积平原单一潜水区地下水位下降速率为0.65~0.83m/a(平均0.74m/a);中部潜水溢出带地下水位下降速率为1.12m/a;冲积细土平原区上部、下部地下水位下降速率分别为0.59~3.07m/a(平均1.77m/a)和0.35~3.98m/a(平均2.41m/a);地下水位年下降速率由上游至下游呈增大趋势。在年内变化上,冲洪积平原单一潜水区埋深变化为"降-升-降";潜水溢出带及以北区域为"升-降-升"。地下水动态类型除上部冲洪积平原单一潜水区为入渗-径流型外,潜水溢出带至冲积细土平原区均为开采型。区域地下水位持续下降使现状地下水埋深(5.89~67.46m)远大于6.0m荒漠化临界埋深,生态环境面临恶化。通过对石河子市、玛纳斯县水资源利用分析得出,地下水位持续下降的因素是地下水超采、区域水资源高效利用使地下水补给量减小双重作用下形成的。提出必须科学规划用水,缩减灌溉面积和地下水开采量,开展生态补偿机制,使流域经济社会可持续发展。     

不同回灌补源模式下石川河富平地下水库数值模拟

石川河富平地区地下水长期处于采补失衡状态,大范围含水层被疏干,形成区域性降落漏斗,针对拟建的石川河富平地下水库,设置5种开采回灌方案,建立地下水流数值模型模拟不同方案下地下水库水位和蓄水库容变化情况。结果表明：各回灌方案在消除降落漏斗的同时,均能较好地恢复地下水水位,且不超过地下水库的调蓄上限水位;回灌量相同、回灌方式不同时,逐日回灌方式的水位恢复效果优于灌期+非灌期回灌方式,较2018年地下水水位平均抬升13.55 m,蓄水库容增加2.99×10⁸ m³;回灌量不同时,较大回灌量对地下水水位的影响大于回灌方式,即泾惠渠水源回灌时,水位抬升程度最大,为19.77 m,蓄水库容相应增加4.36×10⁸ m³。模拟结果可为地下水库的调蓄与运行提供参考。     

灌区地表水—地下水耦合模型的构建

为了定量描述灌区水平衡要素及其转化关系,构建了灌区地表水-地下水分布式模拟耦合模型。通过改进SWAT模型的稻田及旱作物水分循环、蒸发蒸腾量和渠系渗漏计算等模块,建立了灌区地表水分布式模拟模型;以SWAT模型中的水文响应单元(HRU)和MODFLOW模型中的有限差分网格(cells)作为基本交换单元,将改进SWAT模型的地下水补给量计算值加载到MODFLOW模型的地下水补给模块,实现了灌区地表水-地下水分布式模拟模型的耦合。耦合模型在柳园口灌区的应用结果表明,该模型能够准确模拟和预测灌区地表水和地下水的动态变化,为灌区水管理提供了科学依据。     

灌区地下水开采条件下数值模拟分析

运用Visual Modflow建立了某灌区地下水三维非稳定流模型.经过模型检验、参数反演,确定了水力参数和入渗补给系数.进而对灌区地下水的集中可持续开采进行了数值模拟和预测,在满足地下水位控制标准的前提下,确定最佳的开采方案.结果显示,该方法计算方便,结果合理,且预测精度较高,可为灌区地下水开采提供参考.