青海省大小柴旦盆地塔塔棱河擬建水源地模擬分析

王萬平，汪生斌，賀海松，阿慧娟，楊占梅，袁有靖

(1. 青海省環(huán)境地質(zhì)勘查局，青海 西寧 810007； 2. 青海省環(huán)境地質(zhì)重點實驗室，青海 西寧 810007)

青海省大小柴旦盆地塔塔棱河擬建水源地模擬分析

王萬平1,2，汪生斌1,2，賀海松1,2，阿慧娟1,2，楊占梅1,2，袁有靖1,2

(1. 青海省環(huán)境地質(zhì)勘查局，青海 西寧 810007； 2. 青海省環(huán)境地質(zhì)重點實驗室，青海 西寧 810007)

大小柴旦盆地地下水資源豐富，境內(nèi)的塔塔棱河補給了該盆地地下水，針對大小柴旦盆地平原區(qū)水文地質(zhì)條件，建立地下水流數(shù)學模型，選用Processing Modflow集成系統(tǒng)對大小柴旦平原區(qū)極富水地段進行地下水數(shù)值模擬研究，并按設計開采量5.0×104m3/d對地下水水位進行預報，大小柴旦盆地分水比例得到明確，經(jīng)模型驗證預報結果可靠，水源地設計開采量是有保證的，下游水環(huán)境和生態(tài)環(huán)境在可接受范圍內(nèi)。

模擬分析；地下水位；資源評價

0 前 言

柴達木盆地是我國西北部干旱的內(nèi)陸盆地，礦產(chǎn)資源十分豐富，被譽為“聚寶盆”。大小柴旦地處柴達木盆地腹地，礦產(chǎn)資源豐富， 是國家批準建立的國家循環(huán)經(jīng)濟試驗區(qū)。大、小柴旦鹽化工業(yè)小區(qū)基本形成以鹽化工業(yè)為基礎的產(chǎn)業(yè)架構，形成多種系列產(chǎn)業(yè)并重的優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)格局。該地區(qū)地下水分布廣，水質(zhì)好、水量穩(wěn)定、蒸發(fā)損失小且不易污染，便于開發(fā)利用，其水資源量和保證程度將直接決定工業(yè)項目布局規(guī)劃和規(guī)模[1]。為保證地下水資源可持續(xù)利用，需對大小柴旦盆地平原區(qū)地下水進行數(shù)值模擬研究，以期獲得定量化結論，為擬建塔塔棱河水源地施工圖設計提供依據(jù)。

1 水文地質(zhì)概況

大小柴旦盆地屬典型的高原大陸性氣候。盆地內(nèi)氣候干旱，降水稀少，蒸發(fā)強烈。多年平均降水量81.84 mm，多年平均蒸發(fā)量2 115.10 mm。塔塔棱河發(fā)源于哈拉湖南山和庫爾雷克山，上游一級支流有11條，匯水面積8 125 km2，全長210 km。塔塔棱河干流在上游自東向西流出山口后急轉(zhuǎn)向南，河水在平水季節(jié)出山口后幾公里全部滲入地下，轉(zhuǎn)化為地下水，只有洪水季節(jié)才直抵小柴旦湖中。據(jù)塔塔棱河小柴旦(二)站1956～1969年測得河水多年平均流量為3.68 m3/s，年徑流量為1.16×108m3。塔塔棱河溝口以上山區(qū)不僅是山區(qū)基巖裂隙水排泄的通道，也是山區(qū)降水、融雪水補給的徑流區(qū)，河水流量在年內(nèi)變化大。河水出山口后全部或部分補給塔塔棱河沖洪積扇卵礫石層潛水。在平、枯水期河水多在塔塔棱河大橋附近全部入滲補給地下水。綠梁山以北地段均為河水入滲段，只是在不同部位，河水入滲率存在一定差異。塔塔棱河河水滲漏后，由于受地下水分水嶺影響，地下水分別向大、小柴旦湖排泄，少量河水滲漏補給了小柴旦湖。洪水季節(jié)的塔塔棱河河水是塔塔棱河沖洪積扇地表水的排泄歸宿[2-4](圖1)。

圖1 塔塔棱河與地下水的補排轉(zhuǎn)化關系

研究區(qū)屬于柴達木盆地次一級沉降帶。其內(nèi)沉積了巨厚的第四紀卵、礫石松散層，特別是第四紀中、上更新統(tǒng)的礫、卵石層、泥質(zhì)礫卵石層和上更新統(tǒng)的沖洪積卵石、礫石層，構成了該地區(qū)地下水賦存的良好介質(zhì)和空間場所，是地下水的主要含水層。雖然沖洪積扇地區(qū)降水稀少，蒸發(fā)強度大，地下水埋藏深淺不一，大氣降水對其潛水補給甚微，但塔塔棱河上游基巖山區(qū)匯水面積大，降水充沛，大氣降水、冰雪融水及基巖裂隙水的大量匯入，使得河水徑流量較大。河水出山口處現(xiàn)代河床沉積顆粒較粗，中上游多由卵石、漂石構成，粉、粘粒含量低，河水大量滲漏轉(zhuǎn)化為地下水。

據(jù)以往勘探資料，滲透系數(shù)變化在15.37～305.40 m/d之間，總的規(guī)律是洪積扇軸部及其中、下游透水性強，向洪積扇兩側及洪積扇前緣透水性逐漸減弱[5](圖2)。

圖2 塔塔棱河流域沖洪積扇地下水含水系統(tǒng)剖面

2 水文地質(zhì)概念模型建立

2.1 評價方法

采用地下水數(shù)值模擬法評價大小柴旦盆地平原區(qū)地下水允許開采量及開采潛力，選用有限差分法建立地下水數(shù)值模型。本次模擬采用Processing Modflow集成系統(tǒng)，對模塊進行了修改和完善。

數(shù)值模型計算范圍：大、小柴旦湖邊界；第四系與基巖接觸邊界；地下分水嶺邊界，總面積942 km2。

2.2 含水層系統(tǒng)的概化

計算區(qū)范圍內(nèi)，按含水層埋藏條件和水力特征，概化為單層潛水區(qū)和潛水—承壓雙層區(qū)(上部為潛水、下部為承壓水，兩層間水力聯(lián)系，以越流形式溝通)，后者分布在兩湖的湖濱地帶，塔塔棱河中間地區(qū)為單層潛水區(qū)。

2.3 邊界條件處理與補、排要素處理

建模區(qū)外圍所有邊界，均為自然邊界(山前接觸邊界、湖泊水位邊界)和易于處理的地下水分水嶺邊界，圍閉構成完整的水文地質(zhì)單元。

1)柴達木山、庫爾雷克山、綠梁山邊界：構成盆地周邊山區(qū)邊界，山區(qū)向平原區(qū)有少量地下徑流補給，與塔河滲漏、溝谷洪流入滲相比，其量甚微，概化為隔水邊界；忽略周邊基巖地下徑流，其概化誤差作為安全余量。

2)大、小柴旦湖水位邊界：兩湖是盆地最低洼地帶，為盆地東、西部的地下水排泄基準面。大柴旦湖主要靠地下水溢出和泉水匯流維系；小柴旦湖地下水溢出量比大柴旦湖少，主要靠汛期塔塔棱河洪水注入維系。擬建水源地開采后，不會影響塔塔棱河滲漏量(綠梁山以北，塔塔棱河均為懸河，水位變化不影響塔河滲漏量)，塔河汛期洪水注入小柴旦湖流量不會減少，入湖量基本不變。所以水源地開采后，兩湖的水位變化甚微。因此，大小柴旦湖處理為水位邊界，取現(xiàn)狀水位值。

建模區(qū)地下水補給、排泄要素主要有：塔塔棱河滲漏補給、溝谷洪流入滲、地下水開采、泉水排泄、湖濱淺埋區(qū)地下水蒸發(fā)、少量大氣降水與凝結水補給。

據(jù)塔河分段測流數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，綠梁山以北塔河滲漏量，可用經(jīng)驗公式描述：

式中Q0——河流出山口流量，m3/s；

Q1——河流滲漏量，m3/s。

上式表明，當塔河出山流量小于9.22 m3/s時，在綠梁山以北戈壁帶全部漏光；大于該值時，未滲漏剩余部分流向下游，注入小柴旦湖。

前已述及，在現(xiàn)狀條件下，以塔河多年平均流量推算，河水多年平均滲漏補給量為25.13×104m3/d(0.9172×108m3/a)。在汛期，沖過綠梁山的洪流，在山南側亦有部分滲漏，經(jīng)地下水數(shù)值模型識別，現(xiàn)狀年均滲漏量為1.086×104m3/d, 經(jīng)計算在塔塔棱河山前洪流滲漏量為0.3×104m3/d。

地下水蒸發(fā)：兩湖濱淺埋區(qū)地下水蒸發(fā)，發(fā)生在埋深小于4 m地帶。據(jù)勘查區(qū)包氣帶巖性特征，用柯夫達—阿維里楊諾夫經(jīng)驗公式估算蒸發(fā)量。

式中Evt——地下水的蒸發(fā)強度，m/d；

ε0(t)——水面蒸發(fā)能力，m/d；

△0——地下水極限蒸發(fā)深度，取4 m；

△——地下水埋藏深度，m。

泉水排泄地下水：在湖濱地帶，當潛水位高于泉水排泄高程時，潛水溢出地表，匯集成泉流注入湖區(qū)。用線性模型計算。

式中WS——泉水溢出強度，m/d；

αS——泉水溢出系數(shù)，1/d；

H——潛水含水層水位，m；

HTop——潛水溢出高程，m。

湖底越流排泄：與泉水機理類似，當?shù)叵滤桓哂诤粫r，存在湖底越流排泄，用以下式計算湖底越流排泄量。

式中εL——湖底溢出強度，m/d；

αL——湖水溢出系數(shù)，1/d；

H——潛水含水層水位，m；

HL——湖水位，m。

2.4 模型識別與校正

據(jù)盆地水文地質(zhì)特征與勘察資料擁有情況，擬定模型識別依據(jù)。模型識別原則為：以勘察中取得的各種可靠的水文地質(zhì)參數(shù)(實測數(shù)據(jù))為基礎，結合平地地下水循環(huán)規(guī)律、泉水溢出/蒸發(fā)排泄自適應特征，來識別少量難以獲取的模型參數(shù)。

結合勘察區(qū)水文地質(zhì)條件和水循環(huán)特征，分3步對模型參數(shù)進行識別。

1)開采性抽水試驗模擬

抽水試驗影響范圍有限，主要影響區(qū)內(nèi)含水層參數(shù)，近似認為是均勻的。據(jù)抽水數(shù)據(jù)，先利用半對數(shù)配線法得到含水層初始參數(shù)，建立局部區(qū)域開采性抽水試驗數(shù)值模型。局部模型范圍較小、待識別參數(shù)少，可識別出水源地附近含水層參數(shù)。

識別后的參數(shù)(導水系數(shù)、給水度)在全盆地模型中作為基準參數(shù)，始終保持不變，以抑制參數(shù)匹配過程中的多解性。

2)建立現(xiàn)狀盆地擬穩(wěn)定流數(shù)值模型

按含水層成因和斷陷盆地沉積規(guī)律對含水層參數(shù)進行分區(qū)，調(diào)整分區(qū)導水性參數(shù)(其間，基準參數(shù)保持不變)，利用塔河多年平均滲漏量和其他水均衡要素年均值，模擬全盆地地下水流場，與平水期統(tǒng)測流場進行擬合，在輔以水文地質(zhì)條件和水循環(huán)規(guī)律約束的基礎上，識別出全盆地含水層導水類參數(shù)。

3)利用水位動態(tài)資料識別給水度

含水層水位隨季節(jié)波動的原因是復雜的，其最主要的因素是河水滲漏量隨季節(jié)變化造成的。在已識別盆地導水類參數(shù)基礎上，以塔河多年月均滲漏量替代多年均值，模擬盆地非穩(wěn)定水位動態(tài)過程，使水位隨季節(jié)呈有規(guī)律變化。在塔河滲漏量與季節(jié)變化規(guī)律基本清楚的前提下，地下水位年變幅。主要受給水度大小控制，調(diào)整各分區(qū)給水度，擬合長觀孔水位變幅，識別含水層給水度[6]。

4)在模型調(diào)試過程中充分利用水文地質(zhì)

勘探資料中所獲得的各種信息及計算者對水文地質(zhì)條件的判斷，反復調(diào)試，直至模擬流場與觀測孔動態(tài)年變幅與實際觀測值基本吻合為止(圖3、圖4)。使識別后的模型參數(shù)、地下水流場及地下水資源量之間達到較合理的匹配，說明所建模型能夠較好地刻畫大小柴旦盆地地下水流動的基本規(guī)律。

圖3 平水期穩(wěn)定流場擬合圖

圖4 J1、J3、K1地下水動態(tài)觀測值和計算機擬合圖

5)預測模型環(huán)境設置

大小柴旦盆地地下水資源，絕大部分來自塔河滲漏(占80%以上)，滲漏量的大小完全取決于塔河年徑流量，水文科學尚不能預測塔河未來的年徑流量。為了論證水資源保證程度，考驗含水層調(diào)節(jié)能力，需人為設置塔河多年徑流量序列組合，以作為模型的外部水文環(huán)境。

塔塔棱河有13年實測流量數(shù)據(jù)，其多年平均徑流量為1.16×108m3/a，Cv=0.25，Cs=0.50。青海省水文水資源勘測局對塔河徑流數(shù)據(jù)插補延長至2010年(柴達木盆地地表水計算與評價，2011)，插補后多年平均徑流量1.261×108m3/a，Cv=0.30，Cs=0.60，比實測平均值略有增加；為安全起見，模型仍取較小的實測值1.16×108m3/a。

設置兩種塔河徑流序列：多年平均徑流序列和特枯年調(diào)節(jié)考驗序列。

多年平均徑流序列：徑流量取多年均值1.16×108m3/a，每年徑流量保持不變，系列長度取30年(屆時擬建水源地已達到擬穩(wěn)定)。施加此類水文徑流序列，可以分析水資源長期開采保證程度、水源地開采漏斗演化趨勢。

特枯年考驗序列：該序列以多年平均徑流序列為基礎，在序列尾端增加特枯年，其結構為：多年平均徑流(27年)+P=75%偏枯年+P=97%特枯年+平水年。前27年取多年平均徑流量，最后3年分別為特枯年、偏枯年、平水年。該序列可考研特枯年水位調(diào)節(jié)下降幅度、含水層是否有足夠的調(diào)節(jié)能力。通過對比特枯年與平水年之間的水位差值，分析出特枯年調(diào)節(jié)降深，判斷含水層是否有足夠調(diào)節(jié)厚度、開采技術條件是否合理等[7-8]。

2.5 數(shù)值法統(tǒng)計盆地平原區(qū)近年地下水資源量

利用地下水模型，對其各種補給、排泄要素進行分項統(tǒng)計，近年平均地下水均衡結果見表1。

提取現(xiàn)狀地下水模型各類水均衡要素，統(tǒng)計分析全盆地、小柴旦區(qū)、大柴旦區(qū)水資源量及均衡狀況，結果整理于表1。

表1 現(xiàn)狀地下水均衡分析 ×104 m3/d

在現(xiàn)狀條件下，全盆地多年平均地下水補給量為28.78×104m3/d(1.05×108m3/a)，其中塔河滲漏補給25.13×104m3/d，占總補給量的87.3%；山區(qū)溝谷洪流滲漏補給2.56×104m3/d，占總補給量的8.9%；塔河下游滲漏補給(綠梁山南側塔河洪水滲漏)1.09×104m3/d，牧場灌渠滲漏補給暫時為零(被洪水沖毀尚未修復)。

現(xiàn)狀條件下，盆地地下水排泄量與補給量相等，總排泄亦為28.78×104m3/d，除小柴旦湖北岸西部礦業(yè)水源地開采1.5×104m3/d、大柴旦鎮(zhèn)生活用水0.05×104m3/d外，其余排泄全部消耗于湖水溢出、湖濱泉水溢出和蒸發(fā)。全盆地水資源開發(fā)利用率僅5.4%，其中，小柴旦區(qū)開發(fā)利用率為15.6%，大柴旦區(qū)僅為0.3%，有較大開采潛力。

2.6 擬建水源地允許開采量評價

以現(xiàn)狀地下水狀態(tài)為初始條件，用“多年平均徑流+特枯年考驗序列”作為塔河水文環(huán)境，在西部礦業(yè)開采3×104m3/d、牧場灌渠引水1 m3/s的基礎上，增加擬建水源地開采3×104，4×104，5×104m3/d，進行為期30年數(shù)值模型分析。

2.6.1 模型預測結果分析

大小柴旦湖位于同一盆地，同屬一個水文地質(zhì)單元，盆地內(nèi)各水源地間相互影響，因此，既要論證局部水資源保證程度，也要論證盆地水資源保證程度。

盆地水資源補給保證程度：當擬建水源地分別開采3×104，4×104，5×104m3/d時，盆地地下水資源總量基本不變，為28.0×104～28.1×104m3/d，總開采量分別達到6.05×104，7.05×104，8.05×104m3/d，開采利用率分別為21.6%、25.2%、28.7%，遠小于65%。從整個盆地來看，當擬建水源地開采不超過5×104m3/d時，有充分的補給保證。

小柴旦湖區(qū)水資源補給保證程度：當擬建水源地分別開采3×104，4×104，5×104m3/d時，小柴旦地下水資源量分別為11.23×104，11.67×104，12.11×104m3/d，隨開采量的變化而變化，小柴旦開采總量分別為6×104，7×104，8×104m3/d，開采利用率分別為53.4%、60.0%、66.1%。若僅從小柴旦區(qū)來看，當開采5×104m3/d時，開采利用率達66.1%，有資源補給保證。若僅從開采利用率的角度論，當開采5×104m3/d時，小柴旦區(qū)開采率已接近上限約束70%，后備開采資源和安全余量已不多。

擬建水源地開采量不同，塔河滲漏量的分水比例亦隨之變化，開采每增加1×104m3/d，向東部小柴旦湖方向的分水量增加約0.4×104m3/d(向西部大柴旦湖方向的流量則等量減少)，分水比例提高約1.8%，即在擬建水源地開采量中，約有40%水量是奪取西部大柴旦湖的流量，其余60%奪取小柴旦區(qū)湖底越流、泉水溢出、潛水蒸發(fā)等。

當擬建水源地開采量在3×104～5×104m3/d范圍時，趨勢水位降深值為5.4～8.4 m之間，趨勢水位降深與開采量近似呈線性關系，開采量每增1×104m3/d，趨勢降深增加約1.5 m。平水年枯水期降深較趨勢降深值低3.3 m，為8.7～11.7 m之間，遇特枯年(P=97%)，枯水期降深較趨勢降深值低約5.7 m，為11.1～14.1 m之間，即當遇特枯年時，水位下降調(diào)節(jié)幅度不到6 m，遠小于含水層厚度，有足夠的調(diào)節(jié)能力，屆時最大地面參照揚程分別為55.1，56.5，58 m，小于設定的允許地面參照揚程60 m。

2.6.2 擬建水源地允許開采量評價

1)擬建水源地開采5×104m3/d后，盆地水資源開采利用率28.7%(見表2)，小柴旦湖區(qū)域開采利用率66.1%，擬建水源地和西部礦業(yè)水源地都有補給保證，但小柴旦區(qū)利用率已接近70%上限。平水年平均趨勢降深不超過10 m，地面參照揚程小于55 m，特枯年平均降深不超過15 m，地面參照揚程小于60 m，見圖5。

表2 水源地開采(5×104 m3/d)均衡分析

圖5 有限差分法數(shù)學模型預測水源地開采5×104 m3/d

2)擬建水源地開采5×104m3/d后，不影響西部礦業(yè)水源地的正常開采；西部礦業(yè)水源地和小柴旦湖之間仍存在分水嶺，平水期高出湖水位2.3 m，特枯年高出1.2 m，不會發(fā)生湖水倒灌。不影響汛期洪流流入小柴旦湖的流量，但小柴旦湖附近泉水溢出量、湖底越流量減少。與現(xiàn)狀相比，泉水與越流之和減少2.82×104m3/d，使小柴旦湖總入湖量減少，導致湖水面積有一定的萎縮。

3)現(xiàn)狀條件下，小柴旦湖濱湖帶地下水蒸發(fā)量(間接指示植被生態(tài)環(huán)境)為2.28×104m3/d。擬建水源地開采5×104m3/d、西部礦業(yè)水源地開采3×104m3/d后，地下水蒸發(fā)減少至1.08×104m3/d，減少量1.21×104m3/d。小柴旦區(qū)資源開采利用率為66.1%，大柴區(qū)為0.3%，全盆地為28.7%。鑒于湖濱地帶為鹽沼帶，生態(tài)環(huán)境不敏感，同時人工灌溉牧場對原生態(tài)環(huán)境有所改善，總體來說，不會發(fā)生明顯的生態(tài)環(huán)境問題。見表2。

3 分析討論

由上可知，盆地中部塔河滲漏量，向東(小柴旦)、西(大柴旦)兩方向分流，分水比例除與兩湖的距離、高程、含水層導水能力有關外，還與兩側地下水的開采量相關；當一側開采量增加時，會增加該側分水比例，另一側則減少。在現(xiàn)條件下，塔河滲漏25.13×104m3/d，其中，向小柴旦方向徑流8.24×104m3/d，占32.8%，向大柴旦方向16.89×104m3/d，占67.2%。粗略地說，塔河滲漏量，約1/3流向小柴旦湖方向，2/3流向大柴旦湖方向。

近幾年來，大小柴旦盆地經(jīng)濟發(fā)展較快，對地下水的需求逐年增加。盆地平原區(qū)有很大的開采潛力，含水層厚度大、有極強的導水能力與調(diào)節(jié)能力，具備了建立若干大型集中開采水源地的基本條件。擬建水源地在今后的擴采論證中，應充分考慮下游生態(tài)環(huán)境問題，并從整個盆地出發(fā)論證地下水保證程度，確保整個盆地生態(tài)環(huán)境可持續(xù)性。

4 結 論

本次運用數(shù)值模擬對擴建水源地開采做出評價，全盆地多年平均地下水補給量為28.78×104m3/d，而擬建水源地開采量僅為5×104m3/ d，盆地水資源開采利用率為28.7%，小柴旦湖區(qū)域開采利用率為66.1%，有充分的補給保證。無論從盆地水資源保證程度、井群開采能力、開采條件以及對環(huán)境影響程度等方面考慮都是可行的。此模型分析結論，可為擬建塔塔棱河水源地施工圖設計提供依據(jù)。

通過本次對大小柴旦盆地地下水數(shù)值模擬顯示，大小柴旦盆地地下水天然補給量豐富，具有較大的開采潛力，具備建立大型甚至特大型集中開采水源地的基本條件，地下水的進一步勘探，可為大柴旦地區(qū)工業(yè)布局提供重要的水資源保障，加快當?shù)亟?jīng)濟民生發(fā)展。

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[8] 青海柴達木綜合地質(zhì)勘查大隊. 格爾木河中下游沖洪積扇地下水數(shù)學模型及環(huán)境地質(zhì)研究[R]. 西寧: 青海省柴達木盆地綜合地質(zhì)勘查大隊, 1990.

A Simulation analysis of the Tata Leng water source in Qaidam Basins in Qinghai

WANG Wanping1,2, WANG Shengbin1,2, HE Haisong1,2, HE Huijuan1,2, YANG Zhanmei1,2, YUAN Youjing1,2

(1.EnvironmentGeologicalExplorationBureauofQinghaiProvince,Xining,Qinghai810007,China;2.KeyLaboratoryofEnvironmentalGeologyinQinghaiProvince,Xining,Qinghai810007,China)

Qaidam Basins have abundant groundwater resource which is mainly recharged by TataLeng River. A mathematical model for groundwater flow is built on the hydrogeological conditions of the plain area in basin aiming to have a discussion of groundwater numerical simulation on extremely rich water areas. Qaidam Basins will get a clearly water segrating proportion by forecasting the groundwater level with a design exploitation of 50,000 m3/d. Through the model validation, it turns out that the prediction results are reliable, and its design exploitation of water source is guaranteed. The water environment and ecological environment in down-streams is within an acceptable range.

Simulation analysis; Groundwater level; Resources evaluation

2017-04-21

國家自然科學基金項目(40576024)

王萬平(1983-)，男，青海剛察人，工程師，研究方向：水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)調(diào)查評價，手機：13897639825，E-mail:45568401@qq.com.

P641.8

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.04.014