地表水和地下水转化关系

3地表水和地下水转化关系分析由于近年来挠力河流域水田面积不断增加，人工开采地下水资源量大于地下水可开采量，导致地下水位下降明显，湿地面积不断萎缩、结构破坏及功能退化，生态环境状况发生不可逆转的破坏，水循环模式发生着相应的改变，径流的产汇过程和时空分布规律发生着相应的变化、地表水和地下水资源之间转化关系同样会有所改变，因此研究本流域地表水和地下水之间的转化关系及转化量，对于研究本区域水资源循环机理以及对水资源合理配置和可持续利用具有很重要的实际意义。挠力河为乌苏里江左岸的较大支流之一，发源于完达山脉北坡，勃利县境内七里嘎山。干流由西南流向东北，经勃利、宝清，于饶河县东安镇从左岸注入乌苏里江，主要支流有七星河、外七星河、蛤蟆通河等。挠力河上游为山丘区，坡度较陡，中下游为平原区和平洼区，流经的是三江平原腹地。从1956年开始，10万转业官兵开发北大荒。先后在宝清县境内外建起国营农场群。在县境内有4个国营农场，其中八五二农场场部设在南横林子，在境内开荒约10万hm2，八五三农场场部设在小清河，在境内开荒7万hm2，五九七农场场部设在双柳河，境内开荒6万hm2，龙头农场场部设在龙头乡，在县境内开荒1万hm2。合计县内国营农场开荒共约24万hm2。另外，县外的国营农场也进入县境抢开了大量荒地。到1980年代初期，挠力河流域中宝清站和保安站以上的沼泽率分别降到20%和17%，宝清站至莱咀子站间的沼泽率为43%。到1990年代末，挠力河上游的沼泽率已不足10%，中下游已降至17.1%。四个年代挠力河流域湿地面积的状况：1965年为97.46万hm2，1981年68.2万hm2，1989年59.60万hm2，1996年52.26万hm2，可以看出，1960到1980年代，湿地面积变化非常明显，1980年代以后，变化比较缓慢。天然状态下区内地下水主要通过蒸发、排向沼泽和江河等方式排泄。在人类活动影响下，主要城市和以地下水为主要灌溉水源的灌区，地下水位下降明显，改变了河水与地下水的天然补排关系，增大了江河水向地下水的转化量。3.1主要江河代表性测站地表径流变化特征分析根据挠力河流域菜咀子水文站1956-2014年系列资料，1956-1964年期间以丰水年为主，年平均径流量28.97亿m3；1965-2000年径流量减少，多年平均仅为11.82亿m3，年径流量平均每年减少了17.15亿m3，相对减少了59.2%。2001-2014年平均径流为8.05亿m3，相对于1965-2000年这一时间系列径流量减少了3.77亿m3，相对减少31.9%，速率相对减小。根据挠力河上游宝清水文站1955-2014年系列资料，1956-1964年期间以丰水年为主，年平均径流量8.32亿m3；1965-2000年径流量减少，多年平均仅为3.77亿m3，年径流量平均每年减少了4.55亿m3，相对减少了54.69%。2001-2014年平均径流为2.82亿m3，相对于1965-2000年这一时间系列径流量减少了0.95亿m3，相对减少25.2%。根据七星河保安水文站1957-2014年系列资料，1957-1964年期间以丰水年为主，年平均径流量3.07亿m3；1965-2000年径流量减少，多年平均仅为1.47亿m3，年径流量平均每年减少了1.6亿m3，相对减少了52.12%。2001-2014年平均径流为1.08亿m3，相对于1965-2000年这一时间系列径流量减少了0.52亿m3，相对减少32.5%。综合上述计算分析，根据挠力河流域多年降水资料及流域地下水开发利用程度来看，地表径流减少是有一定原因的，一是降水量减少，相应径流量也有所减少；二是大规模开荒种田，土地利用类型大大改变，原有湿地系统遭到破坏，水循环方式也随之变化，径流量明显减少；三是大规模开发水田，通常打井种稻，地下水开采量增大，由于地下水位下降，也增大了地表水向地下水的转化量，而大量开发利用于农田灌溉的水量，有多数通过蒸发方式消耗于大气中，回到河道的水量有限，也加剧了河道径流量的衰减。通过菜咀子水文站与上游宝清水文站、保安水文站地表径流量减小速率的对比来看，由于挠力河中游地段大面积开荒种稻，大量开采地下水，改变中游地段的水循环模式，导致地表水补给地下水的资源量随之变大，故地表径流减小的幅度较上游地表径流减小的幅度大。大规模开采地下水资源，而且挠力河中游地区地形平坦开阔，河谷地段岩性为Q4卵砾石，颗粒较粗，地表水和地下水之间的水力联系十分密切，会导致天然条件下江河水季节性补给地下水的状况，即地表水和地下水互补型，转化为江河水常年补给地下水的状况，随着地下水资源的不断开采，这种转化趋势还会进一步增强。图3.1挠力河干流菜咀子测站年径流量变化曲线图3.2挠力河干流宝清测站年径流量变化曲线图3.3七星河保安测站年径流量变化曲线3.2地表水和地下水资源的转化量010000020000030000040000050000060000019561959196219651968197119741977198019831986198919921995199820012004200720102013年径流量/万m³年份年径流量(万立方米)02000040000600008000010000012000014000019551958196119641967197019731976197919821985198819911994199720002003200620092012年径流量/万m³年份年径流量(万立方米)01000020000300004000050000600001957196019631966196919721975197819811984198719901993199619992005200820112014年径流量/万m³年份年径流量(万立方米)3.2.1计算方法河流渗漏补给地下水的水量大小不仅与河水位、地下水位的高低有关，而且与河床沉积物及浅层含水层的岩性有关。本次研究的目的层是河床沉积物和潜水含水层，河流横向剖面概化如图3.4所示。在挠力河及其支流不断流的情况下，河流渗漏补给地下水为饱和流运动，根据地下水动力学的基本定律—达西定律，河流渗漏补给地下水单宽流量及总量可表示为:q=K∙M∙IQ=q∙L∙T式中：q—河流补给地下水的单宽流量（m3/d）；K—河床沉积物与含水层的等效渗透系数（m/d）；I—垂直于断面的水力坡度；M—断面含水层平均厚度（m）；L—断面的宽度（m）；T—河流补给地下水时间（d）。河水位潜水水位井M2河床沉积物渗透系数K1M1潜水含水层渗透系数K2图3.4河流横剖面示意图图中，𝐾1及𝐾2分别为河床沉积物、潜水含水层的垂向、水平渗透系数，𝑀1为河床沉积物的平均厚度，𝑀2为透过河床沉积物的河水在潜水含水层中渗流至长观井所经过的路径长度，取为河床沉积物底板至长观孔的距离。垂直于河床沉积物与含水层层面的等效渗透系数K则可采用公式(4-3)计算得到:K=𝑀1+𝑀2𝑀1𝐾1+𝑀2𝐾23.2.2河段概化计算河段的划分将会直接影响着计算精度。河水的垂直入渗是通过河段内上、下断面的水面宽所构成的水体，与河床相接触而完成的，因此，在划分河段时，应尽可能使同一河段具有形态均匀、河床处于同一地质单元的特点。本次研究中，根据挠力河河床沉积物透水性、河道形态以及河道两侧农作物种植情况分别将挠力河及其主要支流七星河划分为若干个子河段，每个子河段包括地下水动态观测井，以直线作为子河段的范围界定标志，并给予编号，如图3-5所示。对于第i个子河段，取中点处水位作为子河段i的河水位，取该河段内离河流最近的观测孔的地下水位作为子河段i的地下水位，K取中点横断面处的等效渗透系数，根据达西定律，即可计算出子河段i单位河长转化水量，依此类推，可以计算得到其它子河段的单位河长转化量，单位河长交换量乘以每个子河段的河长即可得到整个河流的地下水与地表水的转化量。子河段河长见表3-1。图3-5河流分段及编号表3-1子河段河长及编号子河段编号1234567891011河流名称挠力河挠力河挠力河挠力河挠力河挠力河挠力河七星河七星河七星河七星河子河段长（Km）44.331.648.230.842.742.424.119.89.259.195.3大量研究表明，河床沉积物较薄，厚度一般在0.3~0.6m左右，且较难测定，由于条件限制，本次研究未进行测定。采用经验估算河床沉积物厚度，即假设河床沉积物平均厚度为0.3m，0.6m，0.8m，1.2m，1.5m，2m。分别计算各厚度对应的K和河水和地下水水量，结果如表所示。垂直于层面的等效渗透系数主要取决于渗透系数最小，即阻力最大的分层，如有一层为不透水层，则K=0。虽然研究区河床沉积物的渗透系数较低，而潜水含水层的渗透系数较高，在之间。从表4-6可以看出，沉积物厚度对K影响很小，这是由于𝑀2≫𝑀1，沉积物的厚度与渗透系数的比值𝑀1𝐾1⁄远小于含水层的𝑀2𝐾2⁄。不同的沉积物厚度对K的影响很小，因此未测沉积物厚度对结果的影响也很小。地下水和地表水转化关系可以分为3种类型：1）地下水常年补给地表水此转化类型主要分布在挠力河上游山前地带非水田种植区域，此地区位于山前平原地带，地下水接受山区地下水侧向径流补给，补给条件较好，而且此区域水田较少，地下水开采量较小，根据地下水观测井水位资料及附近水文站水位资料，地下水位常年高于地表水位，地下水位及河水位高程图见图3-6。80797877767574737272737475767778798081828384858182838485高程（m）横向比例尺：1:25000纵向比例尺：1:10075°图3-6宝清镇永发路观测井地下水位与河水位关系剖面图2）地表水常年补给地下水此转化类型主要分布于挠力河下游红卫农场、胜利农场等区域，由于此地区水田种植面积广大，而且水田灌溉方式以地下水灌溉为主，只有红卫农场极少部分区域引用别拉洪河水进行灌溉，这导致地下水位常年低于地表水位，改变地下水和地表水原有分季节性相互补给的规律。根据观测井水位资料及附近河流水文站水位资料，可以得出地下水位与地表水位关系剖面图，见图3-7。49484746454443424141424344454647484950515253545051525354高程（m）横向比例尺：1:25000纵向比例尺：1:100351°图3-7红卫农场观测井地下水位与河水位关系剖面图3）地下水和地表水因季节变化而互相补给此转化类型主要分布于挠力河干流红旗岭农场及八五三四分场部分地区，地下水位与河水位关系剖面图见图3-8、图3-9。此区域位于山前地带，地下水补给条件较好，红旗岭农场主要的灌溉方式主要为地表水灌溉，开采地下水的量较少，但由于大兴农场主要灌溉方式为地下水灌溉，大量开采地下水，导致此段区域并没有地表水常年补给地下水或地下水常年补给地表水，而是地下水和地表水因季节不同而相互转化。51504948474646474849505152535455565253545556高程（m）横向比例尺：1:25000纵向比例尺：1:100110°图3-8红旗岭农场16队观测井地下水位与河水位关系剖面图（春冬季）51504948474646474849505152535455565253545556高程（m）横向比例尺：1:25000纵向比例尺：1:100110°图3-8红旗岭农场16队观测井地下水位与河水位关系剖面图（夏秋季）本次计算以2014年为现状基准年份，主要计算挠力河及七星河，根据河床淤泥厚度不同，可计算在不同厚度的淤泥条件下河水与地下水的转化量，河水与地下水的转化量计算结果见表3-2。表3-2河水和地下水之间的转化量（万m3）淤泥厚度（m）0.30.60.81.21.52河流补给地下水1593.21573.41560.61535.81518.01489.4地下水补给河流685.1675.3669.0656.8647.9633.8转化量908.1898.1891.6879.0870.1