（水文学及水资源专业论文）泉域地下水数值模拟及泉源保护对策研究.pdf

摘要 近年来受人类活动的影响，我国北方泉流量逐年减少，甚至断流，对生态环 境造成危害。因此，分析岩溶地区泉流量影响因素、模拟泉流量动态变化过程，对 泉域水资源保护具有重要意义，也是科学规划管理水资源、以满足当地生活与工农 业生产用水以及生态环境保护的重要前提之一。 本文以河南省安阳市小南海泉域岩溶地下水为研究对象，在收集和分析泉域地 质、水文地质资料基础上，利用地下水数值计算模型- - m o d f l o w ，建立了泉域地下水 数值模型。根据泉域水文地质特征，把岩溶地下水流系统概化为服从d a r c y 定律的 等效连续介质流系统，采用渗透能力较大的渗流计算方法逼近强径流带的地下水流 运动。利用地下水位和泉流量观测资料，率定了泉域水文地质参数。在水平衡量分 析基础上，对影响泉域地下水变化因素进行了全面分析，揭示了区域降水、河、渠、 库等地表水和地下水开采对泉流量的影响。计算结果表明，降雨入渗和河渠渗漏补 给地下水分别占总补给量的5 0 和4 4 。泉流量约占总排泄量的5 4 ，占总补给量 的4 4 。其次是地下水开采量和矿坑排水量，占总排泄量的3 1 、总补给量的1 2 。地下水开采对枯水期地下水影响较大，如在2 0 0 2 年枯水年，地下水丌采量约占 入渗补给量的4 4 。 在此基础上，分析了不同气候条件和人类活动对泉流量的影响，提出了增加引 水量、减少工农业开采量和矿坑排水量以维持小南海泉流量的措施。 关键词：岩溶地下水；数值模型；泉流量；地下水保护 a b s t r a c t s p r i n gd i s c h a r g ei sd e c r e a s e ds i g n i f i c a n t l yo re v e nd i s a p p e a r e di nt h en o r t hc h i n ai n r e c e n ty e a r sd u et oa r t i f i c i a li n f l u e n c e s ，w h i c he n d a n g e r se c o l o g ya n de n v i r o n m e n t si nt h e r e g i o n s t h e r e f o r e ，i ti sv e r yi m p o r t a n tf o rw a t e rr e s o u r c e sp r o t e c t i o na n dm a n a g e m e n t t o a n a l y z ei n f l u e n c e st os p r i n gd i s c h a r g ea n ds i m u l a t et h e i rv a r i a t i o n s t h es t u d yi s o n eo f t h ek e yp r e r e q u i s i t e st om e e tt h er e q u i r e m e n to fw a t e rr e s o u r c e sa n de c o l o g i c a la n d e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n s t h es t u d ya r e ai ss i t u a t e di nt h ex i a o n a n h a i s p r i n gc a t c h e m e n ti na n y a n gc i t y ， h e n a n p r o v i n c e an u m e r i c a lg r o u n d w a t e rm o d e l i sd e v e l o p e d u s i n gm o d f l o w a n di t s c a l c u l a t i o nw a sb a s e do n g e o l o g i c a l a n d h y d r o g e 0 1 0 9 i c a i d a t ai nt h e s t u d y a r e a ， g r o u n d w a t e rf l o ws y s t e mi sa s s u m e da s d a r c yf l o wi nt h ec o n t i n u u mo ft h ea q u i f e r ， a m o n gw h i c ht h ef a s tf l o wi sa p p r o a c h e db yt h es e e p a g ef l o ww i t ht h el a r g e rh y d r a u l i c c o n d u c t i v i t i e s t h eh y d r o g e 0 1 0 9 i c a lp a r a m e t e r sa r ec a l i b r a t e db yc o m p a r i n go b s e r v e da n d s i m u l a t e dg r o u n d w a t e rt a b l e sa n ds p r i n gd i s c h a r g e s i n f l u e n c e so f p r e c i p i t a t i o n ，s u r f a c e w a t e rf r o mr i v e r s ，c h a n n e l sa n dr e s e r v o i r sa n d g r o u n d w a t e rw i t h d r a w a l s t o s p r i n g d i s c h a r g ev a r i a t i o n s a r er e v e a l e d t h r o u g h w a t e rb a l a n c e a n a l y s i s t h es t u d y r e s u l t s d e m o n s t r a t et h a tp r e c i p i t a t i o nr e c h a r g ea m o u n ta n dr i v e rf l o wi n f i l t r a t i o na m o u n ta r e5 0 a n d4 4p e r c e n to ft h et o t a lw a t e rr e c h a r g e a m o u n t ，r e s p e c t i v e l y s p r i n gd i s c h a r g e i s a p p r o x i m a t e l y5 4p e r c e n to f t h et o t a lw a t e r d i s c h a r g ea m o u n ta n d4 4p e r c e n to ft h et o t a l r e c h a r g ea m o u n t t h es e c o n d a r yd i s c h a r g ei sg r o u n d w a t e rw i t h d r a w a lf o ra g r i c u l t u r a la n d i n d u s t r i a lu t i l i z a t i o n sa n dw i t h d r a w a lf o rl o w i n gg r o u n d w a t e rt a b l ei nt h em i n e s t h e i r a m o u n ti s31 p e r c e n to ft h et o t a lg r o u n d w a t e rd i s c h a r g ea m o u n to r 1 2p e r c e n to ft h e g r o u n d w a t e rr e c h a r g ea m o u n t m o r e o v e r ，g r o u n d w a t e rw i t h d r a w a lt a k e sm o r es i g n i f i c a n t i n f l u e n c et og r o u n d w a t e ri nt h ed r o u g h tp e r i o d s f o re x a m p l e s ，g r o u n d w a t e rw i t h d r a w a l a m o u n tc o u l de v e nb ea p p r o x i m a t e l y4 4p e r c e n to ft h et o t a l r e c h a r g ea m o u n ti n t h e d r o u g h t s e a s o no f 2 0 0 2 t h ei n f l u e n c e so fc l i m a t i cv a r i a t i o n sa n da r t i f i c i a la c t i v i t i e st os p r i n gd i s c h a r g e sa r e f u r t h e r a n a l y z e du s i n g t h em o d e l t h em e a s u r e st o m a i n t a i n s p r i n gd i s c h a r g e sb y i n c r e a s i n gi r r i g a t e dw a t e ra n dr e d u c i n ga g r i c u l t u r a la n di n d u s t r i a lg r o u n d w a t e ru t i l i z a t i o n a r es u g g e s t e di nt h es t u d y k e y w o r d s ：k a r s tg r o u n d w a t e r ，n u m e r i c a l g r o u n d w a t e rm o d e l ，s p r i n gd i s c h a r g e ， g r o u n d w a t e rp r o t e c t i o n 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实， 本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 学位论文使用授权说明 2 0 0 5 年月日 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。 论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：2 0 0 5 年月日 第一章绪论 1 1 研究背景及目的 第一章绪论 地卜- 水既是一。种宝贵的自然资源，又是环境的基奉要素。当今世界所面临的“人 口、资源、环境”三大问题，都直接或间接的与地f 水资源有关。对此，人们早就 预测，即将出现的全球性危机将是水资源危机。水资源问题将成为未来经济发展最 突出的重大问题。，。 随着人口的不断增长、城市及工农业的迅速发展，人类对水资源的需求量越来 越大。而地下水由于其具有分布广、水质好且不容易被污染等优点，从而被许多国 家作为主要的供水水源，因而被大量开采。在我国居民饮用水中，有7 0 以上为地 下水”1 。然而由于对地下水资源缺乏科学的评价与管理，常常盲目扩大开采，造成 区域地下水位下降、水质恶化、海水入侵、地面沉降及隐伏岩溶区地面塌陷等环境 问题。1 9 9 8 年，世界环境与发展委员会提出的文件指出：“水资源正在取代石油成 为在全世界引起危机的主要问题( w c e d ，1 9 9 9 ) ”。而1 9 9 4 年在芬兰赫尔辛基召开 的国际会议将“地下水资源未来危机作为大会主题。专家们一致认为：当前全球 出现的“超量开采”问题主要是由于人们对地下水资源缺乏正确评价、合理规划、 严密监测和科学管理m 。 我国岩溶水分布甚广，岩溶区总面积约为3 4 4 x 1 0 4k m 2 ，岩溶水资源总量为 2 0 3 9 x 1 0 8m 3 a ，占全国地下水燧总量的2 3 4 ，其中南方岩溶水占全国岩溶水的 9 1 6 ，北方岩溶水占9 4 。虽然北方岩溶水总量小，但分布比较集中，泉的流量 大，因此，岩溶水的开发利用在北方占有特殊的重要地位“1 。但是随着水资源开发 利用程度的加大，地下水位降低，我国北方泉水流量急剧减少，对生态环境造成危 害。因此，分析岩溶地区泉流量影响因素、模拟泉流量动态变化过程，对泉域水资 源保护具有重要意义，也是规划管理水资源、满足当地居民生活与工农业生产用水 以及水资源环境保护的重要前提之一。 对于地下水资源评价和泉流量计算可以采用地下水数值计算的方法，也可以采 用神经网络和时间序列分析等方法。目前岩溶地下水数值模型主要有等效连续介质 模型、离散裂隙网络模型、双重介质模型、离散一连续介质耦合模型“1 。 鹅一章绪论 本文以安阳市小南海泉域裂隙岩溶地下水为研究对象。安阳市位于洹河冲积扇 中上部，北起晋、冀、豫三省交界处，西依太行山与山西省相望，东与濮阳市相连， 南与鹤壁、新乡市接壤。目前安阳市已形成以冶金电子、电力、轻工、纺织、医药 等门类齐全的工业体系，是豫北重要工业城市。随着经济的发展，对水资源的需求 量f i _ | 益增长。小南海泉作为安阳市的主要供水水源之一，经彰武水库调蓄后，担负 着安阳市区近一半的供水任务，是安钢、电厂、化肥厂等氽业以及万金灌区的丰要 水源，同时也是市区生活用水的重要后备水源，被称为安阳的“生命泉”。近年来， 由于泉域内打井、挖煤、开矿等现象严重，水文地质条件发生了很大变化，同时植 被受到破坏，生态环境日趋恶化，泉流量逐年减少，不仅造成城市供水紧张，同时 也带来严重的社会问题。针对该地区岩溶地下水特点，本论文利用美国地质调查局 发布的地下水数值计算程序- - m o d f l o w ，建立等效连续介质地下水数值模型，以分析 泉域地下水运动规律和泉流量影响因素，为泉域地下水规划管理和保护提供决策依 据。本论文研究的主要内容包括： ( 1 ) 建立小南海泉域二维地下水流数值模型，利用地下水观测资料识别水文地 质参数； ( 2 ) 预测未来不同气象、开采量和红旗渠引水量条件下泉流量的变化趋势； ( 3 ) 提出小南海泉域地下水保护措施。 1 2 地下水数值模拟国内外研究概况 1 2 1 地下水数值模拟研究概况 地下水系统数值模型是基于地下水系统概念模型和抽象出来的数学模型，在对 数学模型识别和验证的基础上，进一步验证地下水系统的行为和功能的适应性，从 而深化对地下水系统特性的认识啪。 自然界中的地下水系统是非常复杂的系统，再加上人类活动的强烈干扰，就表 现得愈加复杂。地下水系统的边界不仅几何形状复杂，而且具有物理性质的时空多 变性。地下水系统的含水介质在本质上是非均质的，又是各向异性的。系统的补给、 径流和排泄等源和汇可以是点、线、面状的，又可以是多种形式的组合。面对如此 复杂的地下水系统，现有数学方程的解析解无法得到，更不能体现地下水系统的本 质特性，只能求助于计算机模拟技术。自8 0 年代初，地下水系统的数值模拟技术在 洲海人学坝 j 学位i _ 爸文第一章绪论 我国得到逐渐发展，二十多年来，随着计算机和数值方法的发展，数值模拟逐渐取 代传统的模拟技术，成为研究地下水运动规律和定量评价地下水资源的主要手段， 而且发展趋势已远远超出作为一种计算手段的原有范畴，成为模拟水文地质过程、 发生、发展的演变规律的主要方法8 1 。 地下水资源准确评价是其科学管理的前提。地下水资源评价就是“对某系统地 下水资源的数量、质量、时空分布特征和丌发利用条件作出科学、全面的分析和估 计”。1 。地下水资源评价方法最初主要集中于解析法、水均衡法等。随着计算机技 术的发展，地下水资源评价多采用地下水流运动的数值方法，数值法在模拟地下水 离散模型、连续性模型、混合模型以及耦合模型方面具有无可比拟的优越性“，同 时数值法在应用过程中也得到了发展，从最初的有限差分法( f d m ) 和有限单元法 ( f e m ) ，发展到后来的有限差分法( f d m ) 、有限单元法( f e m ) 、边界单元法( b e m ) 和有限分析法( f a m ) 等多种方法并存。每一种数值方法在解决地下水问题的过程中 被不断的发展和完善，如有限单元法派生出混合有限单元法( h f e m ) 、特征有限元 法( c f e m ) 以及随机有限元法( s f e m ) 等。然而，尽管数值计算方法不断的发展和 完善，但在解决具体问题时，往往会出现预测不准的问题。对此，著名地下水模拟 学者a n d e r s o n 和w e s s e n s e r 及我国学者薛禹群等均认为：“预测不准”并不在于模 型本身，而在于概化的水文地质概念模型与实际水文地质条件不符。1 。如何建立正 确的水文地质概念模型，仍是地下水流数值模拟的研究课题之一。 若要对某系统的地下水进行资源评价，在对其水文地质条件进行必要概化的基 础上，还必须建立能够准确描述该系统水流运动特征的数学模型，然后求解。描述 地下水运动特征的数学模型包括确定性模型和随机模型。确定性模型的发展渐臻成 熟，其应用最为广泛“”。由于岩体的非均质性与复杂性，使得建立在典型单元体 之上的确定性模型难以描述一些变量的随机变化过程，如降水量的预测，污染物在 复杂介质中运移过程等。利用确定性模型，特别是在溶质运移方面计算结果往往出 现较大的数值弥散或数值震荡“”。因此，近二三十年来，随机演化理论被迅速应用 于地下水资源评价与管理研究领域已取得了一批具有突破性的成果“”“。 1 2 2 裂隙岩溶水数值模拟研究进展 岩溶地下水系统( 见图1 1 ) 在空间上具有明显的非均质性和各向异性，水流 条件比较复杂，在建立地下水数值模型时，一般可概化为细小裂隙系统和管道流系 统。细小裂隙系统可概化为连续介质系统，地下水流符合达西定律：管道流系统空 3 河海大学硕士学位论文第一章绪论 问区域性很强，地下水流为层流或紊流，两者组合构成地下水复合系统。1 ( 图1 - - 2 ) 。 图1 1 岩涪地下水系统示意图 图1 - 2 岩溶地下水模拟耦合系统 洲海人学坝i j 学位i _ 8 ：义第一章绪论 自1 9 9 0 年以来，随着裂隙岩溶水流问题不断受到关注，在研究内容方面，最初 是应用基于平均运动的达西定律和达西定律推广公式来模拟裂隙水流运动，目前发 展到对裂隙水运动理论的研究，如非达两定律、非立方和定律等；在研究方法方面， 由一般较单一的定量分析计算发展到目前复杂的数值计算，实现了定性和定量的结 合，确定性研究和随机模拟研究的相结合。 在利用数值法进行水资源评价过程中，模型参数识别( 即解逆问题) 一直是一 个尚未很好解决的问题。逆问题通常是不适定的。不适定特征在于待估参数的非唯 一性和不稳定性。其中不稳定性表现为：水头的微小差别将引起所求参数的巨大误 差。“。这一特征决定了逆问题求解的复杂性。在模型的实际应用中，y e h 将参数识 别概括为两种方法：分区法和插值法“”。分区法较为简单实用，而插值法要求资料 丰富，且计算量较大。 由于地下水流运动方程的推导是以水流服从d a r c y 定律为前提的，而d a r c y 定 律又是在多孔介质中的实验定律，因此，早期用数值法进行地下水资源评价仅限于 孔隙介质中。随着水文地质学科的发展以及生产的需要，数值法逐渐被用于岩溶地 区。在我国北方裂隙岩溶水地区，虽然溶蚀裂隙发育不均，但地下水流具有统的 地下水面，水流运动基本服从d a r c y 定律，可以近似地运用裂隙流多孔介质理论模 型或双重裂隙介质模型进行资源评价。“。 近些年来，优势流己成为欧、美等国相关水、环境、土壤物理等领域的研究热 点之一。3 “1 。优势流一般是对土壤水运动而言，它是指土壤在整个入流边界上接受 补给，但水分和溶质绕过土壤基质，只通过少部分土壤体块快速运移“。在我国 北方广大岩溶地区介质具有强烈的非均匀性和各向异性，岩溶地下水沿着强径流带 运动。，表现出类似土壤优势流的特性。广义上，这种集中径流也可以称为优势流， 这种优势流于地质结构面密切相关。沿优势结构面一般形成优势参数。长期以来， 参数的最优分区是非均质介质中地下水流数值模拟一个重要而又尚未得到很好解决 的问题“”。 ( 1 ) 模型介质方面 由于裂隙岩溶水介质的复杂性，通常建立实验室模型较为困难，尤其是塑造近 似于客观实际含水层的实验室模型，因此国内外的众多学者正在逐渐重视模型介质 的建立。如德国斯图加特大学从1 9 9 5 年开始建立了开放型国家水环境模拟控制实验 室，其中v e g a s 大型实验室模型，用于模拟地下水流运动和溶质运移。目前模型介 5 1 】海人学f i l ! i 学位论史筇一章绪论 质的研究内容之一是在研究不同的地下水流运动介质，建立接近于地下水流场的实 验室模型。 ( 2 ) 模型理论研究方面 根据国内外关于基岩裂隙岩溶水的研究动向，预计今后岩溶地下水数值模拟的 发展趋势可归结以下方面。： 实验模型介质逼近客观实体； 逐步加强研究裂隙岩溶水流和溶质运移机理，构建实体实验模型以及研究试 验模型； 裂隙含水介质中非达西流和优势流产生机理的研究，将成为裂隙岩溶模拟的 关键： 建立符合实际的数学模型以及高效率的数值分析，需要研究开发自动剖分、 域内多点插值等技术集成化的计算功能软件； 裂隙含水介质的非均匀性以及水流和污染物运移尺度的研究将使地下水资源 管理和污染控制的重要研究课题； 数值模型的优化理论以及计算结果的可视化表现方式，是模拟结果直接体现 地下水时空演变规律的工具之一，这也将是地下水数值模拟在计算机领域中应用的 重点研究内容。 1 3 小南海泉域研究概况及研究的技术思路 1 3 1 泉域研究概况 自7 0 年代以来，小南海泉域先后开展了大量的地质、水文地质工作，主要的有 1 9 7 5 年山西省地质局与河北省地质局联合进行的中华人民共和国区域地质调查报告 长治市幅与邯郸市幅；1 9 8 1 年河南省水文地质一队完成的小南海泉、珍珠泉泉域 及洹河漏失段水文地质调查报告。”；1 9 8 8 年河南省地质矿产局水文地质一队与河 南省安阳市节约用水办公室联合完成的河南省安林地区岩溶水资源评价报告。”； 1 9 9 6 年河南省地质矿产厅第一水文地质队完成了河南省安阳市规划区地下水资源 评价报告 3 4 3o 在以上工作的基础上，2 0 0 0 - - 2 0 0 1 年安阳市水利局与河南省新乡水 文地质工程地质勘查院联合完成了河南省安阳市小南海泉域地下水资源评价报告 。确定了泉域范围与边界条件，全面阐述了泉域地层、构造、含水岩层分布规律 海大学坝i 。学位论文第一章绪论 以及确定了泉水补、径、排区域关系以及泉流量与降雨、丌采量和渠道引水量的关 系。 1 3 2 资料收集与整理 本项研究的所需资料由安阳市水利局小南海泉域管理处提供，并在此基础上进 行归纳、分析、整理。主要资料包括： 研究区内水位观测资料：泉域内及周围共有长期观测点1 4 眼，研究区内1 0 眼， 观测系列为2 0 0 2 年5 月2 0 0 3 年1 2 月，观测频率2 0 0 3 年7 月以前为5 次月， 2 0 0 3 年7 月以后为6 次月。 泉流量观测资料：泉流量年观测系列为1 9 7 1 2 0 0 0 年，月观测系列为2 0 0 1 年 1 月一2 0 0 3 年1 2 月，观测频率为3 6 次月。 洹河：洹河有横水站、安阳站两个流量观测站，观测的流量系列有1 9 7 6 - - 1 9 9 5 年月观测系列，1 9 9 6 - - 2 0 0 3 年日观测系列。 小南海水库：水库水位观测资料为2 0 0 2 年一2 0 0 3 年日观测系列。 蒸发量：1 9 9 6 年一2 0 0 3 年日蒸发量系列。 降水量：泉域内收集了9 个雨量站点观测资料，其中1 9 7 1 年一1 9 9 5 年为月观 测系列，1 9 9 6 年一2 0 0 3 年为日观测系列。 红旗渠引水量：具有1 9 7 1 年一1 9 9 5 年年观资料系列，1 9 9 6 - - 2 0 0 3 年日观测资 料系列。 1 3 3 研究思路与步骤 本文在掌握研究区水文地质条件的基础上，建立了小南海泉域非均质各向同性 二维非稳定流数学模型，运用有限差分法进行求解，同时用地下水位和泉流量观测 资料率定水文地质参数。并对泉域地下水资源进行了评价。然后对不同气候条件和 人类活动影响下的小南海泉流量可能变化进行了预测，为小南海泉域地下水资源管 理提供了科学依据。 研究的主要步骤： ( 1 ) 在水文地质调查和前人工作的基础上，在a r c v i e w3 2 平台上建立了水文 地质实体数值化模型和水文地质概念模型。水文地质概念模型来源于研究区的水文 地质条件，是对实际条件的概化，包括概化研究的范围和边界条件，概化含水层内 部结构和水力特征，概化研究区的初始条件等； ( 2 ) 建立了泉域地下水数值模型，用数学关系式描述地下水流场的数量和结构 7 鹅一章绪论 关系。 ( 3 ) 识别了模型参数。根据研究区的水文地质条件，结合前人关于研究区的研 究成果，将研究区进行参数分区，分别给每个参数分区赋初始值。利用初始参数及 方程定解条件，利用实际的地下水观测水位及小南海泉流量观测值予以拟合，通过 调整参数，尽可能减小误差。 ( 4 ) 利用建立的地下水数值模型，对泉域地下水资源进行了评价，模拟和预报 在不同的气候条件和地下水开采条件下，未来小南海泉的流量动态变化，提出泉源 保护措施。 岩溶地下水系统具有明显的非均质性和各向异性，水流条件复杂，而地质勘测 和水文地质观测资料有限，模拟技术难度大。本文针对小南海泉域岩溶含水层特点， 把岩溶地下水流系统概化为服从d a r c y 定律等效连续介质流系统，采用渗透能力较 大的渗流计算方法逼近强径流带的地下水流运动。实现泉域细小裂隙含水介质系统 和快速流系统的水动力模拟，建立了泉域地下水系统模拟模型。利用地下水平衡量 计算，揭示了泉流量变化的影响因素，提出了维持基本泉流量的保护措施。 河海人学硼一卜学位论文 第一币研究区概况 2 1 研究区地理位置 第二章研究区概况 安阳市位于洹河冲积扇中上部，北起晋、冀、豫三省交界处，西依太行山与山西 省相望，东与濮阳市相连，南与鹤壁、新乡市接壤( 图2 1 ) 。地理坐标为东经儿3 0 2 7 至1 1 4 0 5 8 3 0 ”，北纬3 5 0 1 3 至3 8 0 4 0 7 2 0 ”之间，南北长1 2 8 k m ，东西宽1 2 2 k m 。 一 f 斗，、。j j 1 弘 山 【 河 | r 。一、一一 彰 、。省 耐西戮铲夕籀蛹巍z荔 f 遵 霉商f i 西獭 鲥 o o v 巧杉杉，厂夕黝i 、 0 0 i 省两泛 、j 一- ， 、曳辉县市 i婿 j渤纨 l l d) r 图2 一l 区域地理位置图 y ”j 海凡学坝 ：学位论文 第二二聋研究区概况 2 2 区域经济 自五| _ 年代以来，安阳市人r 经历了六十年代的平缓增长期、七十年代的快速 增长期和八十年代的平缓增长期，以及九十年代的缓慢增长期，安阳市现有总人口 ( 1 9 9 8 年) 为5 0 9 万人，人口密度为6 8 6 人k m 2 ，城镇化水平为1 8 。 改革开放以来，安阳市g d p 保持年均增长1 0 6 的发展速度。从现状的产业结构分 析来看，第一产业占总g b p 的2 3 ，第二产业占总g d p 的4 6 ，第三产业占总g d p 的3 1 。 与沿海经济发达地区相比较，安阳市第一产业的比重过大，而第三产业的比重又过小。 近二十年来安阳市的社会经济得n t 长足的发展，人民生活水平有了较大的提高，全 市人均纯收入由1 9 7 8 年的7 7 元增长至 j 1 9 9 8 年的1 9 4 3 元。”1 。社会经济指标见表2 1 表2 5 。 表2 - - 1 安阳县、林州市主要社会发展指标表 分区名 1 9 9 5 - - 1 9 9 8 年平均 总人口农业人口非农业人口人口密度 称城镇化水平( ) ( 万人)( 万人)( 万人)( 人k m 2 ) 安阳县 1 1 0 9 11 0 3 1 27 7 97 4 07 林州市 9 7 7 l8 7 1 1l o 64 7 81 1 表2 2 安阳县、林州市近几年主要经济指标表 分 工业 农田 林渔面积( 万 牲畜( 万头) 国内 区 总产 实际 亩)有效粮食 粮食生产耕地 灌溉播种 产量 年份值 灌溉林果总值面积 面积面积 名 ( 亿 面积灌溉鱼塘大牲小牲 合计 ( g d p( 万( 万 称( 万面积面积畜畜) ( 亿亩) ( 万( 万 吨) 元)田j亩) 亩)元) 安 4 2 50 1 7 95 3 2 15 3 7 1 2 6 8 5 21 6 9 7 3 1 8 6 4 8o 7 95 5 23 1 3 3阳 8336 42856 1 9 9 5 县 1 9 9 8 林 6 4 80 3 4 66 4 1 7 7 74 8 81 1 4 3 9 6 年( 年州3 9 4 73 9 56 8 1 76 3 4 84 0 7 3 平均)市 596 1 7 2698 河海人学硕士学位论文第二市研究区概况 表2 3 安阳县、林州市主要农作物灌溉面积占总灌溉面积的比例单位： 1 分区名称小麦 玉米棉花油料作物蔬菜其他合计 l 安刚县 4 6 94 7 22o0 90 62 31 0 0 l 林卅i 市 5 5 13 6 9 1 3o 93 42 4l o o 表2 4 安阳县、林州市近几年农业灌溉面积统计表单位：万亩 总灌溉面积农田 分区农田有总节水 年份林地灌果园灌其他灌总灌溉实灌面早涝保 面积名称效灌溉 溉面积溉面积溉面积面积积收面积 面积 1 9 9 5 安阳县 8 5 2 8o1 2o8 6 4 88 6 4 86 7 4 96 7 2 4 1 9 9 8 正 林州市4 8 8 6 o 1 5l _ 9 9o 0 85 1 0 83 9 4 7 1 9 9 84 5 3 4 表2 5 安阳县、林州市主要农作物的毛灌定额统计表单位：m 3 亩 1 分区名称小麦 玉米 棉花油料作物蔬菜其他 i安阳县 3 0 02 7 02 3 02 l o9 0 01 7 0 i 林州市 1 7 01 5 01 5 01 3 06 0 01 2 0 在本研究区内，安阳县耕地面积约占该县总耕地面积的5 8 ，林州市耕地面 积约占该市总耕地面积的7 0 ，有效灌溉面积约占该市总有效灌溉面积的7 3 2 ( 见 表2 6 ) 。 州海人学坝，l 学位论艾 笫一章研究区概况 表2 - - 6 安阳市行政分区各乡镇耕地面积、有效灌溉面积统计表( 2 0 0 1 年) 耕地面积各乡镇所占有效灌溉面各乡镇所镇 分r 积称乡镇名称 ( 公顷)比例( )积( 公顷)比例( ) 合计 8 4 6 0 05 8 善应镇 1 1 0 713 0 安r i 县 竹象阎乡 2 1 4 52 5 4 马家乡 1 6 5 71 9 6 台计 5 0 4 1 27 03 4 7 6 07 32 城关镇 7 8 81 5 61 1 3 5 3 2 7 城郊乡 5 0 9 51 0 1 25 2 8 91 5 2 2 合涧镇 3 9 9 579 22 3 4 56 7 5 桂林镇 2 6 9 35 3 41 4 2 14 0 9 东姚镇 3 4 9 56 9 31 7 8 35 1 3 林州市 采桑镇 2 7 3 35 4 21 2 4 03 5 7 横水镇 5 7 3 5 。1 1 3 82 6 0 77 5 0 河顺镇 3 2 2 96 4 13 3 3 49 5 9 任村镇 1 8 3 83 6 59 9 22 8 5 姚村镇 4 4 5 58 8 44 5 0 71 2 9 7 陵阳镇1 1 7 32 3 38 0 12 3 0 2 3 气象 研究区属大陆性半干旱气候区。总体气候特点是四季变化明显，春早少雨，回暖 快；夏季炎热多雨且雨量集中；秋季雨量适中：冬季寒冷少雨雪。根据长系列气象资 料统计，多年平均气温1 3 4 ，水面蒸发量( e 6 0 ) 为1 0 7 5 m m ，相对湿度6 6 。极端气 温最高可达4 1 5 ，极端最低气温一2 3 6 ，区内多年降水量为5 7 4 m m ，年最小降水量 为2 3 0 m m ( 1 9 6 5 年) ，年最大降水量为1 3 7 7 m m ( 1 9 6 3 年) ，年内降水多集中在7 9 月 份，约占全年降水量的7 3 ，每年1 、2 、3 、1 2 月份降水量极少，仅占全年降水量的3 ， 形成明显的春早形势。 2 4 水文 工作区属海河流域卫河水系，区内主要河流为洹河，另外还有一些大、中、小型 水库及举世闻名的“人工天河”红旗渠。 红旗渠：红旗渠渠首位于山西省平顺县，于1 9 6 6 年建成开始引水，引浊漳河水入 i i f 圣人学硕十学位论文帮二幸研究区概况 林州，通过一干渠、二干渠、三干渠以及配套支渠、小型水库、提水站等水利工程向 林州市供水，供水范围基本覆盖了林州市，解决了林州的灌溉和人畜用水。由于近年 来水资源短缺，上游截流，使得红旗渠引水量越来越小。 洹河：亦称安阳河，属于卫河的一个支流，源于林州市清泉村，流经林州市、安 阳县、安阳市区和内黄县，总体自西向东流，在内黄县范羊口入卫河，是安阳市的重 要河流，洹河流经本区长度约5 0 k m 。洹河水主要来源是大气降水和红旗渠退水。根据 1 9 9 6 2 0 0 2 年实测数据进行相关分析( 表2 7 ) ，洹河安阳站年流量与红旗渠引水量 相关系数分布为0 7 8 ，与年降水量相关系数为0 6 7 ：横水站年流量与红旗渠引水量相 关系数为0 8 3 ，与年降水量相关系数为o 5 8 。因此，红旗渠退水是洹河流量第一来源， 其次是降雨径流量。 表2 7 洹河流量( 安阳站、横水站) 与降水量、红旗渠引水嚣相关系数 横水站流量安阳站流量红旗渠引水量降水量 安阳站流量 1 0 0 0 横水站流量 1 0 0 00 9 8 红旗渠引水量 0 8 3o 7 81 0 0 0 降水量 o 5 80 6 70 3 8 1 0 0 0 小南海水库：小南海水库坝址位于安阳县善应镇后驼村，是安阳市境内唯一一座 大型水库，该水库与彰武水库为洹河干流上的两座梯级水库。小南海泉水库控制流域 面积约8 5 0 k m 2 ，总库容为1 0 7 5 9 亿方，但由于诸多因素，水库漏失严重，使得水库不 能正常蓄水。另外，工作区内还建有磊口水库、五一水库等一些小型水库，这些水库 为当地人畜饮水及灌溉取水提供了条件。 小南海水库蓄水量取决于降水量和红旗渠引水量，根据2 0 0 1 2 0 0 3 年逐月降水 量、红旗渠引水量与小南海水库水位观测值，建立多元回归方程： h = o 4 6 1 q * + o 0 0 6 p t + o 0 1 3 p t - i + 0 0 2 2 p l 2 + 0 0 2 8 p t _ 3 + o 0 3 3 p t 4 + 1 4 8 9 3( 2 1 ) 式中：h 为水库水位( m ) ，q m 为红旗渠引水量( m 3 s ) ，p t 、p t l 、p t - 2 、p t - 3 、p 【- 4 分别 为当月、前一个月、前两个月、前三个月、前四个月降雨量( m m ) 。 | l 坶人学坝士学位论文第二章研究区概况 利用上述回归方程计算库水位与实测库水位结果见图2 - - 2 。 一“n 吲心卜。2 = 譬2 = 譬竺2 一3 02 高斟霜高 时问( 月) 图2 2 小南海水库水位计算与实测结果 表2 - 8 安阳市小南海水库主要工程参数表 水库所在所在 控制年均径校核洪水防洪校 设计洪 面积流标准( x核水位 水标准 防洪设计 名称县市河流( x 年一 水位 ( k m 2 ) ( 万m s )年一遇)( m )( m ) 遇) 小南海安阳县洹河 8 5 04 8 4 02 0 0 01 8 7 8 01 0 01 7 9 0 9 小南海泉：小南海泉位于善应镇北善应村西i k m 处的洹河河谷中，出露标高一般 _ 在1 3 1 1 3 5 m 之间。泉流量变化主要受降水量、工农业开采量、矿坑开采量及红旗渠 引水量的影响( 见第二、三章分析) 。从8 0 年代初期开始，由于泉域内工农业开采 量逐年增加，小南海泉流量年际变化下降趋势加速，年平均流量从七十年代初期 8 0 6 m 3 s 减少到九十年代4 4 8m 3 s ( 图2 3 ) 。泉流量变化表现为三个下降阶梯， 对应于同期开采量的增加( 见表2 9 ) 。 m m m 姗 | 墨 m m | ( ) 逍* 海大学顺i 。学位论文第二翠研咒区概况 蠹量豢器量系孽基 豪器吞誉誉累墨 一h 一一_ _ 一 图2 - 3 降雨量、地下水开采量、红旗渠引水量及泉流量变化过程 另外，红旗渠引浊漳河水入林州，通过渠道渗漏、渠灌回渗、以及退水到洹河 间接以河道渗漏方式补给地下水。红旗渠引水量的日益减少( 见表2 9 ) ，也是泉 流量减少的一个重要原因。 随着泉流量的减少，现状条件下开采潜力已显不足，严重影响了泉域水资源的 可持续玎发，给“生命泉”带来严重威胁。小南海泉一旦断流，将会严重阻碍安阳 市的经济发展。因此，研究泉流量动态变化规律，控制泉域地下水开采量、保护泉 域生态环境已经迫在屑睫。 表2 - 9 不同时段泉流量与降水量、渠引水量及工农业开采量对应表 降水擐r 农业开采姑( 万红旃渠引水苗( 万 顺f 1泉流域( i 1 1 ：s ) ( m r n ) m 。a ) m a ) 1 j 7 1 1q 7 ( f80 6 7 2 03 51 4 6 7 9 82 7 8 5 0o 19 7 7 一1 9 81 ) 年53 5 6 0 4 92 8 171 01 9 6 0 77 9 02 ( j ( ) 0f f_ 4 8 5 5 9 5 56 6 1 42 56 0 0 0 0 世 e 一t 善 联 趟 蚓 。 撇 伽 鲫 啪 啪 啪 0 2 4 6 8 o、t nt!i；一 。 ：一。n一：雪：静。 m 一。毛【)铡张欺*l嗣廿 河海大学硕士学位论文 第二章研究区概况 2 5 地形、地貌、地质条件 2 5 1 地形 研究区地处太行山东麓，决定了本区地势西高东低的总趋势，地面标高由西部的 四方脑1 6 0 5 9 m ，过渡到东部的南海泉口处1 3 1 o m 。西部为横贯南北基岩山区，山林 连绵起伏，山势险峻；中部为林州贫地，地势平坦；东部为低山丘陵，地势起伏不平， 沟壑纵横。泉域地形见图2 4 。 圈2 - 4 研究区地形图 2 5 2 地貌 泉域位于太行山与华北平原的过渡地带，地貌形态以中低山、丘陵为主。自新生 代以来，太行山山区继续隆起和华北平原相对持续下降是形成泉域区地貌的主要内应 力；洹河的侵蚀及剥蚀堆积是泉域区地貌的主要外应力，在地层岩性和构造格局的控 制下，内外应力共同作用塑造了本区地貌基本形态。 本区地貌分述如下： 河海大学硕士学位论文第二章研究区概况 ( 1 ) 中低山 侵蚀剥蚀中山区：分御在林州西部，走向近南北。大体以南北走向的林州大端 裂为其东部边界，西部与太行山主脉合为一体，海拔高度在8 0 0 1 7 0 0 m 之间，相对 高差5 0 0 - - 9 0 0 m ，山体下部系太古界正片麻岩，中部为震旦系石英砂岩，顶部为寒武 系碳酸岩。 山间盆地区：由林州山间断陷瓮地和东姚山间断陷盆地组成。前者分布于林州 市区所在的平旷地带，南北长2 7 k m ，东西宽8 一1 2 k m ，地面标高3 0 0 - - 4 0 0 m ：后者分 布于林州的东南东姚镇一带，地面标高3 0 0 - - 3 8 0 m 之间，地面稍有崎岖，为坡积和洪 积物堆积而成。 侵蚀溶蚀低山区：分布于林州市陵阳镇以东至安阳县善应镇以西地区，地面标 高3 0 0 - - 6 5 0 m 之间，相对高差1 0 0 3 5 0 m ，植被不发育。 侵蚀剥蚀低山区：分布于林州市北部任村以东的盘山到东岗一带，海拔6 0 0 一 8 0 0 m ，最高大寨脑达1 0 0 6 7 m ，相对高差3 0 0 - - 5 0 0 m 。主要由震旦系、寒武系和奥陶 系地层组成。植被不发育。 ( 2 ) 侵蚀剥蚀丘陵区 分布于善应镇以东地区，地面标高1 4 0 - - 2 5 0 m ，相对高差7 0 一1 0 0 m ，主要由上第 三系及石炭、二叠系地层组成。植被不发育。 ( 3 ) 冲洪积斜地区 分布于水冶以东，标高9 7 一1 1 2 m ，地势由西向东稍有倾斜，主要有第四系冲洪 积砂砾石、砂、粉土组成。植被较发育。 2 5 3 小南海泉域地质条件 研究区地处太行山东麓波状复式背斜至华北平原的过渡地带。区域出露的地层有 太古界、元古界和古生界寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系及新生界第三系、第四系， 现由老到新分述如下： ( 1 ) 太古界( a r ) 呈条状分布于林州