中图分类号：P641.3 文献标示码：A 文章编号：

Study on Groundwater Recharge Model of Water Transfer from Yellow River –Case Study in Hulou Irrigation Area of Zouping County

Liu Qingyong1,2， Zhang Baoxiang1,2， Ma Chengxin3

(1.Water Conservancy Institute of Shandong Province，Jinan，Shandong 250013，China ；2.Water Resources and Environmental Engineering School, China University of Geosciences, Beijing 100083, 3. Water Conservancy Department of Shandong Province, Jinan ,Shandong 250013)

Abstract: There are many models of ground wateer recharge in Shandong province, divert water from yellow River to recharge ground water is one of the them. The hydrogeological conditions of northen Zouping city were analyzed, and a numerical model of groundwater reservoir recharge was established in the paper. By the method of quasi-tri-dimension FEM (finite element method) of groundwater unsteady flow, the exploitation of groundwater flow was simulated. The supply capability of groundwater reservoir under the different exploitation scheme are evaluated，and the trendy change of groundwater flow and the scheme of the groundwater reservoir exploitation are predicted. The research results show that: divert Yellow River water to recharge groundwater, decreasing the groundwater exploitation in north area of the city, increasing the groundwater exploitation in dyke net area, the demand of groundwater can be satisfied, the efficiency of the groundwater reservoir and dyke works can be enhanced, the decline of the groundwater table in the east-north area can be prevented.

Key words：groundwater reservoir; groundwater recharge; numerical model.

1 课题背景与研究区引黄补源条件

山东省是我国经济发展较快发展的地区之一，加之人口众多，人均占有量不到400m3，水资源短缺问题突出。另一方面，山东省水资源年内分配极其不均，年降水量的70％集中在6-9月份，由此造成汛期洪涝灾害频繁，大量弃水白白流走。针对山东省一方面干旱缺水、地下水超采严重（1999年超采面积为16032km2）的局面，山东省科厅下达“地下水回灌补源模式研究与示范”重点研究课题，研究提出山东省不同类型水文地质区回灌补源模式和关键技术。通过研究，该课题完整地提出了该省不同水源、不同类型区和不同工程形式的地下水回灌补源模式，取得了回灌补源关键技术的系列成果。该项目设置了位于胶东滨海、鲁西北平原和鲁中南山丘区的6个示范区。邹平引黄灌溉补给地下水研究区（补源区）作为引黄补源模式示范区位于胡楼引黄灌区的东南部，总面积346km2，设计灌溉面积36万亩。补源区主要靠过清一干区供水补源。全长46.46km，，干渠以下干支渠16条，长约64.9km；斗农渠330条。供水干支渠与区内的主要排水河道及支流相连，构成了均匀分布的蓄灌结合的补源工程体系。

邹平县引黄灌区远离黄河，其引黄不仅受到黄河水资源条件的影响，同时也受到自流区用水的限制，工农业用水得不到保证。为此通过一定的中间环节与自流区形成时间差，将黄河水蓄存于补源区，从而弥补补源区水资源不足的弱点。

2研究实例与区域概况

本区属北温带大陆性季风气候区，多年平均降水量为569.5mm。邹平县低山区至丘陵区地下水接受降水补给，并以侧渗和基流方式下泄，至山前倾斜平原前缘排泄入小清河，构成一个完整的水文地质单元。该单元还可具体分为低山丘陵基岩裂隙—孔隙水区、山前冲洪积扇孔隙水径流区和黄河泛滥平原孔隙水排泄区等3个子单元。在邹平县城以北的平原区主要是第四纪山前冲洪积地层的孔隙水。含水层岩性大多为细砂、粉砂或砂性粘土，东部富水程度大于西部，共有三个含水层组。

第一含水层组：为全新统与上更新统地层，上下各层间的水力联系密切，可作为一个统一潜水含水层。其中含典型砂层2~3层，总厚2~25m。水位降深 6m的涌水量一般达20~40m3/h，最大者可达 80m3/h。第二含水层组：为中更新统地层，埋深为60~150m，层厚0~80m不等，富水性各地不一，单孔出水量一般在20~40 m3/h。第三含水层组：以下更新统地层为主，为承压水，埋深一般大于150m。底板埋深从县城南部水库附近的120m到小清河一线则达到800m以上。以中砂含水层为主，次为细砂及粗砂，砂层间有粘土隔水层，补给条件差。

城区北部肖镇干渠以北地段，位于城区以外，也在现有水位降落漏斗之外，且地势平坦，无障碍物，输水条件好；加之松散地层总厚度达280~350m，砂层多，导水性强；已有的引黄渠系，还可通过引水期渠底下渗用来对地下水降落漏斗区进行人工补源，涵养含水层，实现地下水库的功效。因此被选作新地下水供水水源地，规划取水量2.0万m3/d左右(1,2)。规划面积约9 km2。

根据对肖镇试验区干渠为期3年的观测研究表明(1)，肖镇干渠引水后，渠两侧潜水位急剧上升，水位明显上升区的波及范围超过1km。据估算，肖镇干渠的年补给地下水总量可达到472.2万m3。近年来，邹平县城区范围迅速扩大，用水需求日益加大。邹平县城北地下水水源地就是为了满足这一需求而选定的新水源地。由于该水源地位于多条引黄渠网内，依据渠网条件、合理利用含水地层的容水和释水能力，可以形成地下水库。通过引黄期间渠道渗漏对地下水的自由补给，是防止地下水降落漏斗急剧扩展，实现水源地的稳定、高效和持续开发的技术关键。根据1997年至1998年在补源区东部的小店试验区的渠系对地下水的渗漏补给观测研究(2)，新民河以东、西杜支渠以南、小店干渠以北3个渠段向地下水的直接渗漏补给量达238.5万m3/a，表明在此基础上扩大地下水开发是可行的。

（注：1.黄委会引黄灌溉局.深沟远引、蓄灌结合、地下水回灌补源技术在胡楼引黄灌区的推广. 黄委会制黄基金项目,1997.11

2.山东省邹平县水利局，邹平县地下水资源开发利用与研究，1998.6）

3地下水库渗流模型

3.1边界条件处理

3.1.1计算区范围与潜水边界类型

本次计算区范围面积995m2，见图1。外部边界为：

①北部小清河，取为分时段水头已知边界，水头值平时取河床标高，汛期（7～8月）按水头高出河床1.5m计。②马四干渠作为西部边界，潴龙河—孝妇河—胜利河作为东部边界, 在汛期（7～8月）取定水头边界，其他时间取隔水边界。④南部边界（自东向西）分别为35m等高线、黄山、黛溪河横截面及长白山脉北部50m等高线，其中以长白山、黄山作为隔水边界，皆取为分时段变水头边界。

3.1.2潜水内部边界

计算区范围内有杏花河向NE方向斜穿过；且众多水渠交错，其中南北方向的有：肖镇干渠、四干东延、利民河、长白沟、安袁河等；南北向的有马四干渠、六六河、新民河、青梅大沟等。计算中将考虑这些地表水体对地下水的补给作用，引黄期均作为定水头边界，其他时段则作为隔水边界。

3.1.3承压含水层边界与底部边界

与潜水含水层内外边界对应的第一、第二承压含水层边界都按隔水边界处理，以保证模拟结果留有较安全余地。

将基岩视为孔隙含水层的底部边界，并统一将基岩设为定水头边界，水头值取当地地面标高值。

3.2定解问题

为充分反映三个含水层组的划分原则，采用准三维流模型，即把每个含水层组视为一个整体化水平侧向流动系统，水流纵向运动用层组间的越流来表示[1-2]，其结构如图2所示。设潜水运动满足Dupuit假定，并假设深部基岩的水位保持不变。这样可分层建立微分方程，并与已给定的各种边界条件及初始条件相配合[3-4]，获得一组定解问题如(1)式。

3.3水均衡因素、含水层介质参数

3.3.1源汇项

①降水与蒸发项。据该县气象部门多年系列资料统计，得出不同保证率P条件下年度降水量分别为：P=95%，291.2mm；P=75%，426.0mm；P=50%，528.4mm。并根据近15年的分月统计数据，用样条光滑插值函数给出各所需时刻的降水强度p和水面蒸发强度值ew。预报年份则按这15年的月度平均值计算。

试验表明，降雨入渗系数a 和潜水蒸发系数C及潜水位埋深d之间存在如下关系：

②灌溉项。本县灌溉水量既随时间变化，又随地域变化。灌溉回归系数取0.1~0.3。

③抽水项。系指地下水水源地和集中抽水地域，在计算区内主要涉及县城城北新水源地、城东北企业集中开采区、城南黛溪河水源地以及几个乡镇集中开采区。其中：城北新水源地按照供水规模规划动态地增加抽水点及水量。

3.4.2含水层参数

据水动态拟合结果进行适当调整，得到：潜水含水层渗透系数，南部为0.6~0.8m/d，北部为0.3~0.5m/d；给水度，南部取0.10，北部取0.05。第一承压含水层渗透系数，南部为0.6~0.8m/d，北部为0.3~0.5m/d；储水系数，统一取0.0005。第二承压含水层渗透系数，南部为0.6~0.8m/d，北部为0.2~0.3m/d；储水系数，统一取0.000 5。纵向渗透系数：统一取KC 1 = 0.02m/d，KC 2 = 0.02m/d，基岩与上覆含水层间的越流系数统一取 bC 3 = 0.000 012/d。

4、地下水库引黄补源数值模拟计算

4．1 补源方式

4.1.1 补源时段的设定

以10d（即1旬）作为时间步长，补源时段分为两种类型：①灌溉型：完全按照农作物灌溉基本需求分配引黄时间（累计有12旬/年），并假定除补源期和雨季（7月中旬~8月份）之外，渠道不具有补源作用。②常年型：渠道内保证常年有水，也假定雨季（7月中旬~8月份）不需补源，即引黄时间为31旬/a。

4.1.2 新井位设置与计算阶段划分

新井位全部设在肖镇干渠以北的渠网内，全部计算过程设定为10年，并分成两个阶段：①新水源地供水能力增加期（2001~2004）：鉴于19200m3/d供水能力是通过施工逐步达到的，模拟中也对供水能力进行了动态调整。②新水源地供水均衡期（2005-2010）：本阶段用于揭示水源地形成后在正常供水条件下的水源地稳定性。

4.2 不同补源条件下的水源地开发能力

将上述各要素代入数值模型方程求解，得到2001年底的地下水库与周边地区地下水(包括潜水与两层承压水)的水头分布值。模拟表明，在用水集中的乡镇和县城区，都产生明显的水位降落漏斗。最大最深的降落漏斗，位于县城东北企业密集区，最大降深值为55.127m。具体潜水面形态见图3，从图3中可清晰看出县城东北与礼参、韩店、朱套几个地域型降落漏斗。

4.2.1 不进行引黄补源

当不进行引黄灌渠补源时，地下水水源地的补给仅有大气降水与地层的内侧向及深部的水流运动，会出现水位持续下降、水源枯竭的现象。县城东北部企业集中开采区的水位埋深可从2001年底的55.127m下降到2005年底的61.529m，到2010年底时则达到70.890m，10年下降15.763m；而新水源地水位埋深从2001年底的11.014m下降到2010年底时的46.308m，10年下降35.294m（参见图4）。

4.2.2 灌溉型补源

即在农作物生长的关键时期进行有限度的引黄补源，每年只有4个月的补源期。在此条件下，几个关键点的地下水潜水位变化如图5所示。由图5可见，渠网内新水源地的最低水位随季节有所起伏，2001年底埋深为10.915m；到2005年底水源地形成时，降至18.603m，4年下降了7.712m；2010年底又降至19.385m，6年降幅只有0.782m。这样的水位值与降落速度基本上可满足水源地开发的正常要求。

4.2.3 常年型补源

保持引黄灌渠内常年有水，即通过灌渠向水源地进行常年补源,如图6所示。从图6可见，渠网内新水源地抽水点2001年底水位埋深10.915m，2005年底17.415m，5年下降6.500m；2010年底17.774m，5年仅下降0.359m。显示出新水源地成孔期水位呈一定下降趋势，但后期水位下降非常微弱，基本达到平衡状态，且季节性起伏波动也比灌溉型的明显减弱。县城东北部常年补源条件下的地下水位降落漏斗，虽然继续下降，但水位下降速度非常缓慢，其中水位埋深最大的413号点由2000年底的55.127m下降至2004年底55.968m (4年下降0.841m)；2010年底降至56.656m，10年只下降1.529m，说明常年引黄补源条件下，县城东北水位漏斗下降得到基本遏制。

4.2.4 改造型补源

减少城北企业开采区的开采量是阻止潜水位降落漏斗继续下降的理想途径，其可选方式之一是在减少城东北开采水量的同时，通过增加渠网内开采，保证总开采量的平衡或进一步增大。

仍采用灌溉型引黄补源方式，并从2005年开始，将城东北集中开采区的开采量减少1/4，从28 800m3/d降为21 600m3/d；同时在渠网内增设6口井的供水量7 200m3/d，几处关键点的地下水位变化如图7所示。从水位变化效果看，城东北开采区在减少开采量之后，潜水位持续回弹，6年内由埋深56.632m减少到46.917m，上升了9.715m；而渠网内最大降深处水位埋深从18.603m下降为19.463m，6年只下降了0.860m。这种现象说明，采取减少城东北地下水开采量，扩大渠网内地下水开采的方针，既能激发引黄渠道对地下水源地的补给，提高水源地的产出效率，又能有效地抑制城东北老开采区地下水位降落漏斗急剧下降的势头。

5 结 语

（1）在山东省引黄灌溉补源区充分利用与自流区灌溉用水形成的时间差，在自流区不引水的时期，将黄河水蓄存在补源漏斗区可以有效解决区域缺水的矛盾，是适时引黄灌溉、蓄灌结合、以井保丰的典型模式。

（2）在城区北部肖镇干渠以北，马四干东延渠及曹家支渠以南约9 km2面积内圈定新地下水供水水源地是适宜的。建立的模拟模型可以用于地下水调蓄水库的供水能力和开发利用模式的预报和评价。

（3）不同的补源方式模拟，为该区的地下水资源规划与管理提供了理论基础。研究表明，坚持引黄补源，在保证总开采量平衡前提下，减少地下水开采量，扩大渠网内地下水开采，将激发引黄渠道对地下水源地的补给、提高水源地效率、抑制开采区地下水位降落漏斗的急剧下降。

参考文献

[1]薛禹群主编，《地下水动力学》[M]，地质出版社，1997.9

[2]孙讷正，《地下水流的数学模型和数值方法》[M]，地质出版社，1981.5

[3]薛禹群、谢春红，《水文地质学数值法》[M]，煤炭工业出版社， 1980.9

[4]陈崇希、唐仲华，《地下水流问题数值方法》[M]，武汉：中国地质大学出版社，1990.6

[5]朱伯芳，《有限单元法原理与应用》（第二版）[M]，北京：中国水利电力出版社，1998.10

[6] R.David G.Pyne, Ground Water Recharge and Wells, A Guide to Aquifer Storage Recovery, Lewis Publishers,2000 [M]

[7] 刘青勇，马承新，张保祥，地下水回灌补源模式研究与示范，水利水电技术，2004(2):57-59.

注：原文见《灌溉排水学报》2005年第2期，70-74

作者简介：刘青勇（1956.10-）男, 青岛人，工学博士，研究员，主要从事水资源与环境保护研究。

作者单位：

刘青勇：山东省水利科学研究院；

张保祥：中国地质大学 水资源与环境学院；

马承新：山东省水利厅；