三江平原虎林灌区地下水开采致水位变化分析

赵子龙，刘正茂，韩　雪，马大男

(1.黑龙江农垦勘测设计研究院，哈尔滨 150090；2.黑龙江科技大学，哈尔滨 150022)



三江平原虎林灌区地下水开采致水位变化分析

赵子龙1，刘正茂1，韩雪2，马大男2

(1.黑龙江农垦勘测设计研究院，哈尔滨 150090；2.黑龙江科技大学，哈尔滨 150022)

摘要：以三江平原虎林灌区为例，根据现有的农业灌溉取水工程布置方案，运用Processing Modflow软件对未来10 a的地下水位状况进行数值计算，预测10 a后该区地下水水位情况。结果表明：10 a后模拟区承压水流场的整理形态和地下水流发生了较大改变，第四系承压水整体变化不大，局部中间地带出现了地下水降落漏斗，漏斗最深达3.6m。为区域生态绿色可持续发展，建议减小地下水开采，充分利用地表水资源，做到地表水与地下水联合调度。本研究为今后该区的农业灌溉取水工程合理化布井提供重要依据。

关键词：三江平原；农业灌溉；地下水；水位变化；数值计算

0引言

三江平原从20世纪后半叶至今，大力发展了“旱改水”政策，水稻面积从最初的26.67 万 hm2发展到173.33 万 hm2。在“旱改水”过程中，农业灌溉对地下水的开采量与日俱增，致使很多地区出现了地下水位降落漏斗，并且漏斗面积逐年扩大，甚至出现地面沉降等地质灾害现象。这不仅对工、农业生产产生了严重影响，同时也对人们的生活产生了严重影响。

因此，对区域地下水开采导致的水位变化进行预测，对预测结果进行分析，必要时采取改善生态环境的措施，具有重要的理论意义和现实意义，为促进区域环境绿色可持续发展作出贡献[1-2]。

本文以三江平原虎林灌区为背景，在勘测该区域水文地质、工程地质条件的基础上，根据现阶段该区农业灌溉取水工程布置情况，运用Processing Modflow软件建立地下水三维数值模型，对10 a后的地下水位进行数值计算，预测该区地下水位变化[3]，为今后的农业灌溉开采地下水工程提供理论指导和依据。

1虎林灌区概况及水文地质条件

虎林灌区位于黑龙江省虎林市境内，乌苏里江上游左岸，隶属于虎林市和黑龙江省农垦总局牡丹江分局八五四农场。灌区的范围为：北以阿布沁河为界，南至穆棱河，西与庆丰农场接壤，东至乌苏里江沿岸的珍宝岛湿地自然保护区。全区总土地面积478 km2，区内现有耕地37 340 hm2，其中：水田14 600 hm2(均为井灌)，旱田22 740 hm2。灌区设计水田面积达到34 440 hm2，工程规模大(2)型，为提水灌区，主要水源为乌苏里江[4-5]。

虎林灌区大地构造属老爷岭地块佳木斯隆起带虎林新断陷。构造层属喜马拉雅第三构造压层。本区古、中生代、长期裸露，到新生代始新开始断块下陷形成断陷盆地。新构造运动具有明显的承性，是在第三纪发展起来的与幼断盆地内堆积了很厚的新生代沉积，第四纪在边缘部分转为上升，幅度较小，其它部分在下降。

地下水位变化较明显，由北向南逐渐变浅，平原区地下水埋深4～8m。由于地下水埋藏较浅，因此，本区地下水不参与成涝因素，地下水化学类型主要为重碳酸盐类水，即重碳酸—钠钙镁型水，矿化度在0.03～0.26g/l。属低矿化淡水，pH值在6.20～7.5，为适宜农业灌溉用水，详见表1所示。

表1　典型区水文地质特征表

由于灌区内当地径流无法利用，而过境水又无水源及输水工程，在水稻利益的驱动下，近年来水田面积迅速发展，不得不开采地下水，致使当地的地下水严重超采，超采量为4 154 万 m3，从而破坏了地下水动态平衡。由于地下水位的下降，灌溉期抽不上水，农业用水得不到保证，致使水稻产量低。从水资源利用可见当地因蓄水条件地表水资源为充分利用，而过境水资源因缺少水源工程、骨干工程及田间配套工程，致使过境水不能充分利用。水资源结构性供需矛盾未能有效缓解[6]。

2数值计算

2.1水文地质概念模型及概化

本文采用Processing Modflow软件建立模型，模拟区的地质年代属于前第四系是由太古界的麻山群、黑龙江群、古生界二迭系、中生界侏罗、白垩系和新生界第三系组成。模拟区地下水类型为第四系孔隙潜水或弱承压水，含水层组成岩性为细砂、中粗砂及砂砾石，厚度>50m；地下水水位埋深4～8m，富水性强，单井涌水量3000m3/d。模拟区地层共分为五层，第一层土层为0～5m灰黄色的亚黏土，土层厚度为5m；第二层土层为5～7.6m灰绿黄色的淤泥质黏土,厚度为2.6m，为不含水土层；第三层土层为7.6～17.4m灰黄色的细砂，细砂夹中粗砂，土层厚度为9.8m，土层含水饱和；第四层土层为17.4～40.2m灰白及灰色的砂砾石，土层厚度为22.8m，土层含水饱和：第五层土层为40.2～51.5m灰绿灰黑色的淤泥质黏土，土层致密，不含水，见图1所示。

图1模拟区地层岩性图

模拟区在垂直方向上，模拟区可以概化为3层，第一层为浅部弱潜水含水层位于承压含水层顶部，该层厚度为7.6m，是0～7.6m为亚黏土和淤泥质黏土层，不含水，其渗透性差，概化为隔水边界；第二层为承压含水层，该层厚度为32.6m，是7.6～40.2m为细砂和砂砾石层，含水饱和；第三层为淤泥质黏土的不透水层分布于承压含水层底部，该层厚度为11.3m，是40.2～51.5m的淤泥质黏土层，致密不含水，其渗透性差，概化为隔水边界。

2.2边界条件

在地表水系上，虎林灌区邻近及内部河流都属于乌苏里江流域，灌区主要水源为乌苏里江干流，其他主要河流有穆棱河、七虎林河和阿布沁河。灌区北以阿布沁河为界，南至穆棱河，西邻庆丰农场，东至乌苏里江沿岸的珍宝岛湿地自然保护区。北部、南部均为虎林灌区的分水岭，可以概化为定水头边界；西部为庆丰农场平原区，浅层地下水不与外界进行水流交换，可概化为隔水边界；东部以乌苏里江为界，常年地下水位变化不大，可视为定水头边界；中部七虎林河河流穿越，通过系统分析表明，七虎林河为模拟区的优势河流，可视为河流边界，见图2所示。

图2　区边界条件概化图

2.3源汇项

灌区地下水补给来源，主要接受大气降水入渗补给、农田灌溉回渗补给及阿布沁河、穆棱河、七虎林河和乌苏里江渗漏补给。工农业及生活用水开采、浅层含水层的蒸发，越流排泄及植物蒸腾排泄是本区地下水的主要排泄方式。其中入渗和蒸发通过recharge程序包和蒸发包处理，人工开采在模型中以开采井的形式给入[7]。

2.4时空离散化

模型离散化包括水平方向上的网格离散化和垂向上的网格离散化。研究区域为平原农田灌溉区，平面范围为3000×4000m2，垂直深度设定为50m，建立地下水流含水层离散化模型；对研究区采用矩形网格划分，在平面方向上：按照50m×50m进行等距划分，将研究区剖分成60行，80列，在平面图上可划分形成4800个矩形网格单元。在垂直方向上：根据前面设定的概念模型，将研究区在纵向深度剖分成3层[8]。

3数值计算及结果分析

基于数值模拟软件Processing Modflow，建立了虎林灌区的地下水三维水流运移模型。模拟了2015年到2025年的地下水位变化及水流动态变化趋势，对研究区地下水位动态趋势及地下水开采引起的地面沉降进行预测，预测十年后2025年的各含水层水位变化，分10个时段，3600个时间歩长，得到模拟区地下水位线等值线图与地面沉降量等值线图[9]。

2026年模拟区第一含水层地下水位与2015年相比下降明显，中心区水位为47.8m，最低水位为46.4m，水位呈现中间低向四周逐渐升高的趋势，且水力坡度较大，见图3示。与初始水位相比较，地下水位下降最大值达到了3.6m。

图3　2026年模拟区第一含

2026年模拟区第二层承压水含水层中心区水位较2015年水位有所下降，局部井灌式开采水量减小，最低水位46.8m，且水力坡度减缓，而江河两侧水位最大值为48.8m，与初始水位相比较，地下水位下降最大值达到了3.2m，见图4示。

2026年模拟区第三层弱透水层中心区水位线为47.6m，较2015年末水位下降明显，最大降深达到3.3m，而中心区的沉降值变化明显，江河周边地带沉降量相对较小，沉降坡度从北到南逐渐降低，见图5示。

图4　2026年模拟区第二含

图5　2026年模拟区第三含

综合上述3个含水层水位等值线云图，可知模拟区经过10年地下水开采，与初始水位相比，水位降深最大值为3.6m，分布不均匀，地下水位等值线中间地带呈现出多处波谷，局部地下水位降深严重，整体上水位变化不大。地下水主要通过河流的入渗补给，且水位呈现北高南低的趋势。

3结语

本文以三江平原虎林灌区为例，通过调查该区域水文地质条件及现阶段该区农业灌溉取水工程布置方案，运用Processing Modflow软件建立地下水三维数值模型，对未来10 a后的地下水位进行计算，预测该区地下水位变化情况。结果显示：在现有的工程规模下经过10 a对地下水的开采，承压水流场的整体形态和地下水流发生了较大改变，导致该区域地下水位下降，形成地下水降落漏斗，在模拟区域中间地带出现了较大的水位降深，漏斗最深达到3.6m，且呈现北高南低的趋势，第四系承压水整体变化不大。由于承压水的封闭性较好，水资源再生能力较差，因此，建议对承压水的开采量不应超过承压水的补给资源量，减小地下水开采量，充分利用地表水资源，做到地表水与地下水的联合调度。为今后虎林灌区的农业灌溉发展提供一定的理论指导和依据。

参考文献：

[1]周宇渤.三江平原地下水循环环境演化研究[D].吉林大学,长春：2011.

[2]刘殿伟.过去50年三江平原土地利用/覆被变化的时空特征与环境效应[D].吉林大学,长春：2006.

[3]蒋秋香,付强,王子龙.三江平原水资源承载力评价及区域差异[J].农业工程学报,2011,27(09):184-191.

[4]刘正茂,夏广亮,吕宪国,陈志科.近50年来三江平原水循环过程对人类活动和气候变化的响应[J].南水北调与水利科技,2011(01):68-74.

[5]徐梦瑶,梁秀娟,王益良,李强,姜佳浃.三江平原地下水循环演化特征[J].人民黄河,2012(02):63-65.

[6]路瑞利,方树星,王红雨.基于Modflow的某水源区地下水开采三维数值模拟 [D].武汉大学,2011(05):618-623.

文章编号：1007-7596(2016)04-0140-04

[收稿日期]2016-03-29

[基金项目]黑龙江省自然科学基金项目(E201462)

[作者简介]赵子龙(1989-)，男，硕士研究生，助理工程师，从事水文与水资源方面研究；刘正茂(1973-)，男，湖南双峰人，高级工程师。

中图分类号：TV213.4

文献标识码：B