南水北调输水对梁济运河区地下水情的影响机理及演变趋势研究

摘要

南水北调是为缓解我国北方地区严重缺水的局面，实现流域水资源的合理配置，保障经济、社会与人口、资源、环境的可持续发展而开展的一项国家战略工程。东线工程作为我国南水北调总体布局中的重要组成部分，主要负责对黄淮海平原东部以及胶东地区的供水。2013年，南水北调东线具备全线通水条件，截止到2015年6月已完成4次输水。输水后，由于输水河道长时段高水位输水，必将引起原有的河水与地下水补排关系发生变化，改变流经区域的地下水情势及变化动态。
　　本文以南水北调东线工程南四湖～东平湖段作为研究区，选取梁济运河以及柳长河为主要研究对象。本论文首先从定性分析的角度出发，选取输水河道沿岸8眼观测井，通过对比分析输水前后同期相同降水条件下地下水位变化状态，对于输水如何影响地下水位首先有一个定性的认知。进而采用灰色关联分析的方法，将各种影响地下水位的因素进行量化统计，得出各影响因素与地下水位之间的灰色关联度，通过关联度的大小来量化各影响因素对地下水位的影响程度，同时界定了受南水北调输水影响的区域范围。在定量分析的基础上，应用Visual MODFLOW软件建立起研究区的地下水数值模型，通过Kriging插值模型对模型精度进行优化之后，用4次输水的实测资料验证模型，并对历次输水期内的河道渗漏量进行了评价。最后，应用经验证的模型对研究区内未来5年的地下水位变化进行了预测。主要得到以下结论：
　　（1）梁济运河输水后，由于增加了输水这一因素对地下水的影响，降水与地下水变幅的关联度由输水前的0.8下降到0.69，输水与地下水变幅的关联度达到0.71，超过了降水对地下水位变幅的影响成为影响地下水变化的主要因素。所选4眼主要观测井在输水时间越长的情况下，r输水时间越大；而4眼对比观测井由于距离河道较远，其r输水时间均小于主要观测井的结果。通过对河心距与r输水时间分析发现，输水会对梁济运河两岸6.6 km区域内的地下水位产生影响，输水与地下水位变幅的关联度在0.60～0.8之间。而在6.6 km之外的区域内，地下水位受输水影响较弱。
　　（2）针对该区域，应用Kriging插值模型提出了增设7眼虚拟观测井的优化方案。优化后，标准差大致在0.5～0.8之间，较优化前有显著提升。优化后的观测站网所建立的地下水数值模型在精度上要优于利用原有的观测站网所建立的模型，说明利用Kriging插值模型优化后的站网有助于提高地下水数值模型的计算精度，可提供更为准确的计算结果，为地下水资源管理提供更为可靠的数据支撑。
　　（3）运用建立的模型通过水均衡计算结果分析河道渗漏量发现，在汛期前的输水期内，河道渗漏量较大，约为30～40万 m3/d；而在汛期后，河道渗漏量较小，为1.5万m3/d；且通过对河道分段分析发现，渗漏量主要集中于邓楼～长沟区间。
　　（4）运用经验证的模型对区域地下水位未来5年的变化趋势进行预测发现，到2020年，梁济运河区地下水流场变化趋势较小，总体流向仍由东北、东部向西南方向汇集。但地下水水力坡度变缓，水位得到整体抬升。水位抬升主要集中在邓楼～长沟泵站区间内靠近长沟泵站的区域，最大抬升高度达6.0 m，在八里湾～邓楼泵站区间内水位抬升约为0.5～1.5 m，长沟泵站以南至湖口区间内水位抬升约为1.5～2.0 m。预测得出2020年区域年内地下水位波动状态仍然是先降后升的趋势，且最低水位仍出现在7月份左右，与2015年较为一致。但2020年地下水的波动状态明显要比2015年趋于稳定，变幅也明显减小。在2015年地下水年变幅在1.5～2.0 m之间，而在2020年地下水年变幅在0.5～1.0 m之间。
　　通过本次研究，得出了南水北调输水对梁济运河区浅层地下水的影响，明晰了输水对地下水系统的补给程度、补给区域以及研究区地下水流场的变化趋势。相应研究成果对于合理开发利用南水北调输水影响区域内的地下水具有重要的指导意义。

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中文摘要

英文摘要

1 绪论

1.1研究背景

1.2研究目的及意义

1.3国内外研究概况

1.4研究内容

1.5技术路线图

2 研究区概况

2.1自然地理

2.2工程概况

2.3水文站网

2.4运行概况

3 影响区地下水位变化分析

3.1研究对象

3.2未输水期与输水期地下水位对比

3.3输水期河道沿岸观测井横向对比

3.4输水期沿岸观测井的纵向对比分析

3.5输水期地下水影响因素分析

3.6小结

4 输水对影响区地下水位影响分析

4.1研究方法分析

4.2灰色系统理论

4.3灰色关联分析

4.4计算结果与分析

4.5小结

5 影响区地下水数值模拟与地下水补给评价

5.1研究方法分析

5.2地下水流模型的建立

5.3水文地质参数

5.4模型建立

5.5模型优化

5.6数值模拟与成果

5.7小结

6 影响区地下水位预测

6.1预测期源汇项的确定

6.2地下水水情预测结果

6.3小结

7 结论与展望

7.1结论

7.2创新点

7.3展望

参考文献

附录

致谢

攻读学位期间发表论文情况