水闸对河水—地下水交互特征的影响与数值模拟研究

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地表水体与地下水体通常存在着紧密的水力联系,两者的交互作用是自然界水循环中的重要环节之一,该作用直接影响了水体的水量和水质。为了合理利用河流资源,有效调控河水流量,水闸成为了最为常见的人工水利工程之一。本研究选取安徽省宿州市的濉河符离段作为研究对象,对水闸河段上河水-地下水的水量交互、水化学特征以及污染物的分布转化情况开展了研究,利用数值模拟软件GMS(Groundwater Modeling System)对研究河段地下水搭建了数值模型,进一步探究河流水闸对河水-地下水交互特征的影响。结果表明:(1)水闸使得上下游河水与地下水的补排关系出现很大差异,河水对上游河段傍河地下水的补给率为15.36%~54.52%,平均补给速率为0.7077m3(d·m)-1,对水闸河段处地下水的补给率为43.18%~68.92%,平均补给速率为0.7710 m3(d·m)-1,对下游河段傍河地下水平均补给速率为-0.0089 m3(d·m)-1,水闸拦蓄功能使得水闸附近河水的补给作用最强烈,下游河段地表地下水全年单位长度河段交互量仅约其他河段的1/3。(2)3-11月河水水化学由SO4·Cl—Na型向HCO3·SO4—Na型水演化,傍河地下水由HCO3—Ca型向HCO3—Na型水演化,河水水化学受控于硅酸盐岩风化作用与蒸发作用,傍河地下水水化学受控于碳酸盐岩和硅酸盐岩风化作用;由于水闸作用,水闸附近的地下水与河水交互强烈,其混合作用使得该处地下水的水化学性质和主导因素与河水更接近;水闸至上游河段河水入渗量较大,地下水向氧化环境演化,提高了矿物的溶解度,导致TDS增大,地下水中K+、Na+、SO42-的浓度增大,而CO32-的溶出则抑制Ca2+和HCO3-的赋存。(3)水闸的调控作用通过影响不同河段的河水入渗强度,对研究区河段上河水-地下水污染物浓度分布与浓度变化趋势形成很大影响。河水入渗强度的改变使得地下水中的酸碱度与氧化还原电位受到影响,最终影响到铁锰在研究区河段地下水含水层中的赋存状态。由于水闸存在,水闸及上游河段在3、4月蓄水期对傍河地下水的污染物输入量最大,泄流期则有较大降低;水闸下游则在5~8月泄流期出现地下水污染物反向向河水输出的情况。(4)通过数值模型的模拟分析发现水闸的拦蓄作用对河流周边地下水流场产生显著影响,水闸上游地下水水位抬升,流速放缓,水闸下游地下水水位滞后性抬升,流速变快,河水的入渗量增加6.30×103m3/d,提高62.44%;将河流设为污染源的溶质运移模拟分析,由于水闸拦蓄作用,水闸及上游河段的河水污染物入渗后水闸上游附近地下水浓度最大达5.85 mg/L,相比增加了 0.70 mg/L,入渗污染物形成的污染羽最远距离达482.8 m,相比增加了 108.7m,水闸下游附近出现了较低浓度的区域。
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