地下水开采对河流流量衰减影响分析

地下水开采对河流流量衰减影响分析 地下水开采对河流流量衰减影响分析 地下水开采对河流流量衰减影响分析

摘要:以内布拉斯加州普拉特河谷为例,详细分析了地下水开采对河流流量衰减的影响。计算了从1981年10月1日~1986年9月30日5年期间,普拉特河南、北两侧在抽水期间和抽水后期河流基流的减少和河流入渗的增加。其结果表明:无论是南侧还是北侧,抽水后期对河流流量影响的程度要明显大于抽水期间的;在河流南、北侧,抽水对河流基流的减少和河流入渗的增加影响恰恰相反。抽水在河流南侧对河流基流量减少的影响要明显大于河流的北侧,对河流渗漏量增加的影响却明显小于河流的北侧。这是因为在河流南侧,地下水水位高出河水位的值要大于河流的北侧。地下水位高出河水位的值越大,抽水对河流基流量减少的影响越明显,对河流渗漏增加的影响却微弱。这些信息对该地区,或类似地区水资源的合理开发利用是极其重要的。

关键词:地下水开采 河流基流的减少 河流入渗的增加 河流流量衰减 普拉特河谷 已有许多河流流量衰减的研究成果,其研究方法包括解析法和数值法。解析法的研究包括Theis(19

4

1),Glover和Balmer(19

5

4),Hantush(19

6

4),Wallace等(19

90),Hunt(19

9

9);和Darama 2001等[2~7],这些成果计算的都是简化的河流——含水层系统的河流流量的总衰减量。近年来,数值法已广泛应用于河流径流量衰减的研究中(Sophocleous等,1995;Conrad和Beljin,1996;Chen和Yin,200

1)[8~10]。数值模型法较解析法有许多优点,它可以考虑实际河流——含水层系统的复杂条件。但这些数值法与解析法一样,都只是研究了一个理想的情况,并非实际问题。把河流流量衰减的过程分解成河流基流的减少和河流入渗的增加两个过程,并分析各自在抽水期间和抽水后期的变化特征的研究尚不多见。而这些信息对每一个流域的水资源管理都是非常重要的。

本文重点介绍了如何计算河流基流的减少和河流入渗的增加两个过程在抽水期间和抽水后期的体积变化,并将其应用于内布拉斯加州普拉特河谷的河流——含水层系统。

1 研究区简介 研究区多年(1981~19

8

6)平均降水量为636.2mm,多年平均蒸发量为1076mm。根据普拉特河在卡尼站1983~1986年的观测资料,河流的平均水位为651.7m,其变幅小于1m。地下水在河流附近埋深很小,只有1m左右。离河流越远,其埋深值越大,在研究区的南北边界处,埋深值大于5m。根据前人的研究成果,本区的极限埋深为4.6m。研究区的含水层系统包括上部的冲积层(潜水含水层)、中部的淤泥和粘土层(隔水层)和下部的Ogallala组的地层(承压含水层)。隔水层将浅层的冲积层和Ogallala组的地层分开,冲积层主要由未固结的砂和砾石组成,而Ogallala组地层主要为各种粒径的砂,呈半固结状态。研究区有1000多眼农业灌溉的开采井,其开采集中在每年的6~8月间,开采井主要分布在普拉特河谷区。

2 河流流量衰减的计算 为了研究普拉特河流量衰减的空间分布规律,设计了6个垂直河流的计算剖面,相邻剖面之间的距离为7200m,每个剖面上有12个计算点,6个在河流的北侧,6个在南侧,河流南、北侧的计算点两两对称。计算点到河流的距离分别为400,800,1500,3000,5000和10000m(图

1)。在每个计算点上设计一个抽水井。根据研究区灌溉的具体情况,将每个抽水过程设计成:每年的灌溉期(即6~8月)抽水5d,停抽5d,其抽水量为4000m3/d。

在研究河流流量的衰减过程中,当抽水前的地下水水位高于河水位时,地下水向河流排泄,此量称为基流量。一旦地下水开采,地下水水位随之下降,基流量也随之减少,即河流流量衰减过程中的第一步,基流量的减少;当抽水继续时,地下水水位不断下降。当地下水下降到低于河水位时,河流即发生渗漏,即河流流量衰减过程中的第二步,河流渗漏量的增加。当抽水前的地下水水位与河水位相同,或低于河水位时,则不存在基流量的减少,只有渗漏量的增加。在普拉特河谷这两个过程都存在。要研究河流流量的衰减,就必须要确定基流量减少和渗漏量增加这两个体积。任一时段内河流基流量减少的体积可用下式计算:

(1)

式中:Vb是基流量减少的体积;R0为抽水前的基流量;R是抽水后的基流量;Δt是时间段的长度。

而任一时段内河流渗漏量增加的体积则可用下式计算:

(2)

式中:Vi是渗漏量增加的体积;q0为抽水前的渗漏量;q是抽水后的渗漏量;Δt是时间段的长度。本文分别计算了抽水期间(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,总的Vb和i之和,就是河流流量衰减的体积。研究河流流量衰减时,常用河流流量的衰减量与抽水井开采量的比值来表达[3,8,10]基流减少量、渗漏增加量与抽水量的比值分别为:

(3)

和

(4)

式中:Vbr为某一时段内总的基流减少量与总抽水量的比值;Vir为某一时段内总的渗漏增加量与总抽水量的比值;Q为抽水井的抽水量。本文分别计算了抽水期间和抽水后期5年内Vbr和Vir的平均值。

3 计算结果及分析 从图2(c)可以看出:河流南侧的Vbr比北侧的大。这说明:抽水井开采地下水在河流南侧对河流基流量减少的影响要明显大于在河流北侧的影响。这是因为在河流南侧,地下水水位高出河水位的值要大于河流的北侧。地下水位高出河水位的值越大,抽水对河流基流量减少的影响越明显。因此,从减少抽水对河流基流量减少的影响角度出发,同等条件下(如抽水井离河流的距离相同、抽水量相同等),应优先选择在河流北侧开采地下水。

图2 抽水期间的Vbr(a),抽水后期的Vbr(b)和总的Vbr(c)的平面等值线 图3 抽水期间的Vir(a),抽水后期的Vir(b)和总的Vir(c)的平面等值线

从图3(c)可以看出:河流南侧的Vir比北侧的小。这说明:抽水井开采地下水在河流南侧对河流渗漏量增加的影响要明显小于在河流北侧的影响。这是因为在河流南侧,地下水水位高出河水位的值要大于河流的北侧。地下水位高出河水位的值越大,抽水对河流渗漏量增加的影响越小。因此,从减少抽水对河流渗漏量增加的影响角度出发,同等条件下(如抽水井离河流的距离相同、抽水量相同等),应优先选择在河流南侧开采地下水。

4 结 语

研究结果表明:随着抽水井离河流的距离增大,开采地下水对河流流量衰减的影响迅速减少;抽水井无论对河流基流减少,还是对河流渗漏增加的影响,在抽水后期都比抽水期间的要大。本实例研究还显示,在不同地点,因水文地质条件的差异,抽水对河流基流减少、河流渗漏增加的影响也不相同。如在该研究区,抽水对河流基流减少和河流渗漏增加的影响在普拉特河南、北两侧截然相反。因河流两侧的含水层和包气带岩性相差不大,造成河流南、北两侧截然相反的主要原因是南侧地下水位高出河水位的值要大于河流的北侧。该研究成