基于Hydrus-Modflow的宝鸡峡灌区地下水运动特征研究

基于Hydrus-Modflow的宝鸡峡灌区地下水运动特征研究

宝鸡峡灌区作为我国西北黄土地区的重要灌区，面临着水资源短缺和生态环境脆弱的双重挑战。本文采用Hydrus-Modflow模型，对灌区的土壤水分和地下水运动特征进行了系统研究，为该地区的水资源管理和生态环境保护提供了科学依据。

研究背景与意义

我国西北黄土地区长期面临水分短缺的挑战，水分匮缺成为限制该区植被生长的关键因素。近年来，通过实施生态综合治理工程，该区植被覆盖和生态状况得到了显著改善，但整个生态系统的脆弱性依然显著。特别是在黄土灌区，土壤水分时空变动更加剧烈，相关研究需求愈发迫切。

研究区概况

宝鸡峡灌区地处陕西省关中地区中西部，西起渭河宝鸡峡口，东到泾河河畔，南临渭水，北抵渭北高原，与冯家山、羊毛湾灌区接壤，灌溉面积19.77万公顷。灌区属大陆性半干旱气候区，多年平均年降水量约600 mm，主要集中在79月，多年平均年蒸发量约1100 mm，集中在122月。灌区主要作物为小麦和玉米，冬小麦生育期11月次年5月，夏玉米生育期为69月。

图1. 宝鸡峡灌区地层钻孔分布图

模型构建与验证

本文采用Hydrus-Modflow模型，该模型结合了Hydrus模型在非饱和带土壤水模拟方面的优势和Modflow模型在区域尺度地下水计算方面的优势。通过分析黄土台塬84号钻孔的资料，发现研究区域地层可分为4层。模型验证结果显示，各土层土壤水分模拟精度较高，R2均在0.8以上，表明模型可靠。

研究结果分析

降雨量对土壤水分运移的影响

研究发现，降雨入渗难以到达深层土壤，对深层土壤水分的影响微乎其微。进一步分析模拟数据发现，入渗稳定后，25%降雨量条件下的各层土壤含水量均高于50%和75%降雨量条件下的土壤含水量。这表明土壤水分变化量与降雨量的大小成正比，即随着降雨量的增大，土壤水分入渗量增大。

图2. 不同降雨频率下的土壤含水量与时间变化图

降补给条件下的地下水运动特征

研究发现，在暴雨、大雨和中雨补给条件下，宝鸡峡灌区地下三层中的地下水流向均为西北至东南，与地面起伏趋势一致。但当水流经灌区中部时，由于下伏基底岩层的顶托作用，地下水面出现显著的上翘阻滞现象，不仅影响地下水的顺畅流动，还可能加剧地下水侵蚀作用，严重时甚至导致地下空洞和地面塌陷。

图3. 60 mm降水量时模型水头变化

图4. 30 mm降水量时模型水头变化

图5. 10 mm降水量时模型水头平面视图

结论与展望

1. 降雨入渗主要影响浅层土壤，对深层土壤水分的影响微乎其微。土壤水分变化量与降雨量的大小成正比。
2. 在暴雨、大雨和中雨补给条件下，宝鸡峡灌区地下三层中的地下水流向均为西北至东南，与地面起伏趋势一致。但当水流经灌区中部时，由于下伏基底岩层的顶托作用，地下水面出现显著的上翘阻滞现象。
3. 暴雨以下的天然降水对地下水运动状态的影响几乎可以忽略不计，地下水在垂向上的运动相对缓慢。
4. 基于Hydrus软件建立的典型黄土灌区多层土壤水分运移模型的决定参数R2大于0.8，验证了模型能够准确反映典型黄土灌区土壤水分运移的特征。同时，Modflow在模拟黄土灌区地下水运动特征方面也具有良好可行性。

未来研究可综合考虑植物蒸腾、地表水灌溉等各项条件对地下水的影响，不断提高模型模拟的精度。