流域综合水管理是国际性的普遍趋势，以流域为单元进行综合管理是实现资源、环境与经济发展的最佳途径，这一观点已成为各国政府和科学界的共识。流域综合水管理是指将水的自然单元作为整体来实施管理，使决策过程综合考虑水管理的各方面要素，就流域地下水系统而言，主要包括水资源涵养系统、水资源利用系统、流出系统和水生态系统，从信息、规划、工程三方面进行管理^[1]。

　　三江平原位于黑龙江省东北部，面积10.88×10⁴km²，水土资源总量比较丰富，适于大规模的耕作，增产潜力很大，是我国未来粮食安全的重要保障，近年来该区地下水严重超采，地下水位下降速率达0.3～0.6m/a，水资源供需矛盾十分突出。地下水系统评价能够综合反映该区地下水补给、排泄和地下水动态变化规律，因此重新评价三江平原地下水资源系统，合理制定水资源开发利用方案，有助于逐步实现区域生态良性发展。

　　挠力河流域地处我国东北边疆，位于三江平原腹地，地理坐标东经131°15＇20〃～134°9＇38〃，北纬45°43＇22〃～47°19＇24〃，是乌苏里江的一级支流。挠力河流域南部为山区，高程一般在200～600m左右，北部为平原，高程为55～70m，地形自西南向东北倾斜，由于挠力河沿岸新构造运动的作用，在松花江阶地基础上，挠力河下切，又发育了挠力河一级阶地，但坡度很小，地势低平，并有碟形洼地、线形洼地分布，形成岗洼相间、微波状起伏的地貌形态，地形比降在1/4000～1/10000左右。目前该区已成为重要的商品粮基地，现有耕地3.51×10⁴hm²；不同类型自然保护区9处，随着经济社会的发展和人们对生态环境认识的不断深化，该地区的涉水矛盾日益突出，近年来气候条件和下垫面因素变化较大，重新评估挠力河流域地下水资源，已成为农业生产的一项重要课题。

2.基于物理过程分布式地下水资源评价模型的构建

　　2.1 模型结构

　　分布式地下水资源评价模型从水平方向上把流域面分解为若干均匀的栅格单元，在第四系含水层——隔水泥岩——第三系含水层垂直方向上分层实现气象、岩性、工农业布局等参数的空间分布。

　　从宏观角度来看，挠力河流域应该属于一个大型的含水层系统。在这个大型含水层系统内，埋藏有第四系松散岩类孔隙水、第三系碎屑岩类孔隙裂隙水和前第四系基岩裂隙水的多个含水层单位。各含水层之间，在平面上或剖面上相互连接，存在直接或间接的水力联系，并共同构成区内地下水的储存空间与径流通道。根据流域的含水层结构物理性质将其自上而下分为三层，：浅层含水层组、弱透水层、深层含水层组。

　　模型流程分为两步：（1）栅格内水均衡计算，确定某一时段内的水量变化；（2）整个流域水文网的地下水动态计算。地下水系统的水量总和满足连续性原则。

　　采用国际通用的Visual MODFLOW3.1模拟三江平原挠力河流域地下水系统，MODFLOW采用有限差分法对地下水流进行数值模拟。为防止有限单元法在解决非稳定的地下水流运动问题时，时间步长Δt较小的情况，某些单元可能出现的质量不守恒，我们采用有限差分法求解，这样可以避免有限单元法引起的个别点的水头反常^[3]。实际情况中这些水头异常点往往出现在变化较为剧烈的源汇项附近，而这些地方又经常是我们重点关心的地带。

　　从空间上看，流域地下水流整体上以水平运动为主、垂向运动为辅，为了准确模拟挠力河对浅层地下水的补给量和浅、深层之间的越流量，较真实地再现挠力河流域地下水动力场演变，将研究区的地下水流作为三维非稳定流处理，

　　挠力河流域地下水系统包括孔隙介质和裂隙介质，为了更好地解决地下水在不同介质中的流动问题，对研究区地下水系统按输入模块进行如下概化：

　　（1）基本模块考虑研究区范围和精度的要求，全区按照5km×5km正方形网格剖分，40行、45列，共48685个计算单元。由于很难获得研究区2001年流场分布的资料，考虑5月份为地下水动态变化转折点^[2]，选择2000年11月1日～2001年4月30日时段先进行稳定流计算，确定枯水期流域地下水流场，结果作为非稳定流计算的初始条件。模拟时期为2000年11月到2001年10月，共分为七个时段模拟，考虑北方冻土期无蒸发、入渗，选定2000年11月～2001年4月为第一个计算时段，以后各月以一个月为一个时间段，每个时间段内包括若干时间步长，时间步长为模型自动控制，严格控制每次迭代的误差。一类边界的水位资料与地下水动态观测资料同步选取。

　　（2）计算单元间渗流模块第四系含水层选择含水层类型1（LAYCON=1）：这种类型仅用于单层结构或多层结构的最上层，并且该含水层具有潜水含水层的特征；弱透水层既具有承压含水层性质又具有非承压含水层的性质，故选择含水层类型2（LAYCON=2）处理弱透水层；含水层类型0（LAYCON=0）多用于模拟承压含水层，与第三系含水层性质一致。

　　（3）井流模块计算区域的城镇开采量、工业开采量、农村生活开采量，按行政分区和所属含水层类型分配给指定计算单元，抽水量不超过该区的单井最大出水量。

　　（4）边界模块对于浅层含水层：研究区东南、南、西南部是完达山山麓，与外界第四系水没有交换，可视为隔水边界；东北、北部及西北均为流域分水岭，可概化为定水头边界考虑。对于深层含水层：研究区深层地下水与外界存在一定水力联系，东南、南部、西南接受外界径流补给，为径流补给边界；东北、北部、西北为地下水排泄边界。利用达西定律计算出边界流量,然后根据边界附近的观测井的水位动态,按时段调整边界流量，以井流形式分配给边界计算单元。

　　（5）补给模块补给项包括降水、灌溉回渗、农业灌溉开采等，各项均换算成相应分区的开采强度，然后分配到相应的单元格。补给方式选择第三种“假若计算单元上方没有定水头计算单元，补给指定到位于最上层的有效计算单元”。

　　（6）蒸发模块研究区蒸发非常强烈，为地下水的重要排泄途径。蒸发量主要与潜水位埋深、包气带岩性、地表植被和气候因素有关，一般认为水位埋深大于5m的地区潜水蒸发很小。潜水蒸发量由下式计算：

（1）

式中：——地下水蒸发排泄量（）；——埋深小于5m的平均水位埋深（m）；——地下水蒸发极限埋深4m（m）；——地下水位埋深小于5m的区域面积（10⁴m²）；——地下水蒸发强度（mm/a）（自然水体水面蒸发强度即实际水面蒸发强度，为蒸发皿测得蒸发强度的60%）；——与岩性有关的指数（粉土、粉质粘土取1.5，粉砂取1.0）。

　　2.2模型校正与结果分析

　　2.2.1水文地质参数

　　根据前述水文地质条件，将潜水含水层分为4个区，主要的水文地质参数有：浅层含水层的渗透系数和包气带的给水度（图1），水文地质分区底图利用Arcinfo8.3制作，便于最大精度控制各分区面积。

图1. 挠力河流域第四系水文地质参数分区图

Figure1. Hydrological parameter subarea of Naolihebasin Quaternary groundwater

深层由于研究程度低，本研究只粗略分区，主要的水文地质参数有：渗透系数、释水系数（图2）。各区的水文地质参数初值主要参考有关的水文地质报告。

图2. 深层含水层水文地质参数分区

Figure2. Hydrological parameter subarea of Naolihebasin Tertiary groundwater

　　2.2.2模型校正由于研究区面积大，有些地方的研究程度较低，故模型不可能准确刻画出研究区的地下水流系统，模型的识别和检验主要遵循以下原则：①模拟的地下水流场要与实际地下水流场基本一致，即要求地下水模拟等值线与实测地下水位等值线形状相似；②模拟地下水的动态过程要与实测的动态过程基本相似，即要求模拟与实际地下水过程线形状相似；③从均衡的角度出发，模拟的地下水均衡变化与实际要基本相符；④识别的水文地质参数要符合实际水文地质条件。采用试估－校正法间接反演参数，识别后的水文地质参数见表1。

表1 研究区模拟模型识别后水文地质参数

Table1.Simulatedmodel recognized hydrological parameter

　　注：垂向渗透系数k_z=0.1×水平渗透系数k_x/k_y

　　计算与观测水头图提供根据模型结果得出的观测数据与计算数据之间拟合程度的图形描述，表明模型模拟研究区水文地质条件的程度。

图3. 观测水位与计算水位拟合图

Figure3. Calculated head vs. observed head

　　模型平均残差16.953m，标准误差2.745m，观测值与计算值误差在±95％置信区间占总观测井的89.55％，相关系数0.962，模型识别和检验结果证明所建立的数学模型、边界条件、水文地质参数和源汇项的确定都是符合实际情况的。

3.流域地下水系统分析

　　从全区均衡计算结果来看，2001年上游地区为枯水年向湿润年的过渡，中下游地区为枯水年向平水年过渡，整个地下水系统是负均衡，为。流域地下水位比常年下降0.4m，具体流场分布详见图4。

图4. 2001年10月挠力河流域第四系流场图

Figure4. Quaternary groundwater water headdistribution of Naolihe basin at Oct. 2001

4.结语

　　本文研究所建立的流域基于物理过程的分布式地下水管理模型参数较少、容易获取且均具有明确的物理意义。利用该模型较好地解决了孔隙、裂隙水并存地区的地下水模拟问题，能模拟降雨、地形、蒸发、人类活动对地下水系统水文过程的影响，综合考虑研究区第四系和第三系地下水资源，通过改变模型中降雨补给、蒸发强度及开采量可以探讨未来流域水文过程对降雨、蒸发和人类活动的响应。基于物理过程分布式参数的流域地下水模型侧重于对地下水水文过程本身的物理描述，进而可以用来模拟和预测水资源利用发展变化对水文过程的影响，为实现流域可持续管理提供有力的依据。

参考文献

　　[1] 余新晓,程根伟,赵玉涛等. 森林流域分布式模型研究[J].中国水土保持科学, 2003年,(1): 35-40

　　[2] 郭龙珠,王福林. 基于PLS的气象因子对三江平原地下水动态影响研究[A].见:河海大学.2004全国博士生论坛[C].南京:2004年.卷1:159-163