酒泉盆地地下水動(dòng)態(tài)模擬和開發(fā)利用分析

齊桂花，潘世兵，段 浩

(1.甘肅省水利廳討賴河流域水資源管理局，甘肅 酒泉 735000；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038)

酒泉盆地位于河西走廊中部的討賴河流域，盆地地表水和地下水轉(zhuǎn)化頻繁，人類活動(dòng)影響使得流域水循環(huán)極其復(fù)雜；另一方面，由于下游平原區(qū)降水稀少，生態(tài)植被依賴地下水或泉水，生態(tài)環(huán)境極其脆弱。上游來水變化導(dǎo)致流域地表水和地下水水循環(huán)的改變，不僅影響下游水庫入庫水量，也影響區(qū)域地下水及下游鴛鴦池水庫的調(diào)度和供用水等。魏國孝等和鯤鵬等開展了酒泉市肅州區(qū)水資源承載能力及優(yōu)化配置研究，開發(fā)了酒泉盆地地下水模型，并進(jìn)行了不同用水平地下水動(dòng)態(tài)模擬分析。潘世兵等依據(jù)河西走廊地下水系統(tǒng)的特點(diǎn)，探討了數(shù)值模型中幾個(gè)關(guān)鍵問題的處理方法，并以酒泉盆地為例，研究了數(shù)值模型在區(qū)域地下水系統(tǒng)演化與動(dòng)態(tài)預(yù)測中的應(yīng)用。甘肅省水利科學(xué)研究院等在甘肅省科技支撐計(jì)劃支持下，開展了基于MIKE BASIN模型的討賴河流域水資源優(yōu)化配置研究建立流域“二元”水循環(huán)轉(zhuǎn)換模型，分析了流域內(nèi)不同水文地質(zhì)單元的水分轉(zhuǎn)換關(guān)系及徑、補(bǔ)、耗、排關(guān)系，并評(píng)價(jià)了流域內(nèi)現(xiàn)狀水資源狀況。

研究區(qū)存在的主要問題是長期大規(guī)模引地表水和開采地下水灌溉，以及城市地下水水源地集中開采，引起了區(qū)域性地下水水位下降。但在近十幾年，由于上游地表來水增加，地下水水位又趨于穩(wěn)定或回升。如何評(píng)價(jià)地下水開采水平，地下水是否嚴(yán)重超采，是區(qū)域水資源配置需要回答的關(guān)鍵問題。本文開發(fā)了酒泉盆地地下水?dāng)?shù)值模型，定量分析盆地地表水和地下水轉(zhuǎn)換規(guī)律，以及地下水對(duì)地表來水和開采的響應(yīng)，分析了地下水動(dòng)態(tài)、泉水溢出量變化和鴛鴦池水庫來水組成與變化。

1 研究區(qū)概況

討賴河地處西北干旱區(qū)，水資源緊缺，生態(tài)環(huán)境脆弱。討賴河流域是河西走廊中部黑河流域的重要子流域，由討賴河(又稱北大河)、洪水河、紅山河等河流組成，統(tǒng)稱黑河流域西部子水系，均歸入鴛鴦池水庫后在下游金塔盆地潛入地下。討賴河干流是流域內(nèi)最大河流，發(fā)源于青海省祁連山中段，冰溝以上集水面積為6883km2，多年平均徑流量為6.48×108m3。討賴河從冰溝出山后，流經(jīng)甘肅省嘉峪關(guān)市、酒泉市肅州區(qū)后，納清水河、臨水河兩個(gè)中游泉集河后進(jìn)入金塔縣，經(jīng)鴛鴦池水庫調(diào)蓄后，大部分用于鴛鴦灌區(qū)的經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)，余水散耗在戈壁荒漠中。

酒泉盆地具有典型的山前傾斜平原自流斜地水文地質(zhì)特征，具有完整的補(bǔ)給、徑流和排泄過程的水文地質(zhì)單元，如圖1所示。從戈壁平原過渡到細(xì)土平原區(qū)域，含水層由單一厚層砂礫石含水層，過渡為雙層或多層細(xì)顆粒含水層。地下水主要接受河水滲漏補(bǔ)給、渠系滲漏和灌溉水回歸補(bǔ)給，少量的大氣降水和凝結(jié)水入滲補(bǔ)給、山前側(cè)向補(bǔ)給。地下水徑流受地形、含水層分布的影響。區(qū)域上由西南向東北和西方向徑流，局部地下水流場受河流切割影響。地下水排泄方式主要是下游泉水溢出(包括向河道溢出排泄)、潛水蒸發(fā)，以及北部低山河谷和鴛鴦池水庫也是地下水排泄通道。近幾十年來，城市工農(nóng)業(yè)和生活用水增加，地下水人工開采規(guī)模不斷增加，人工開采成為主要排泄方式之一。

1、2—第四系松散鹽類孔隙潛水，單井用水量分別為>5000、1000～5000m3/d；3、4、5—第四系松散鹽類孔隙潛水承壓水，潛水單井用水量<1000m3/d，承壓水單井用水量分別為>5000、1000～5000、<1000m3/d；6—富水性界線；7—潛水水位埋深等值線，m；8—承壓水邊界；9—基巖山區(qū)界線；10—斷層及推測隱伏斷層；11—地下水流向；12—泉；13—水庫圖1 酒泉盆地水文地質(zhì)圖

城市工業(yè)發(fā)展和人口增加，大規(guī)模開發(fā)利用地下水，加之農(nóng)業(yè)灌溉打井也逐步增加，到2012年年地下水開采量達(dá)到2.6×108m3，其中，嘉峪關(guān)城區(qū)和肅州區(qū)城區(qū)地下水開采量分別為0.59×108m3和0.36×108m3。近30年來區(qū)域地下水水位總體處于下降趨勢。位于金塔縣北部的北海子濕地是討賴河水系的尾閭，也是鴛鴦綠洲的自然生態(tài)保護(hù)屏障，由于地表水大量用于農(nóng)業(yè)灌溉，近30年沒有地表水流入濕地，加之區(qū)域地下水位逐年下降，導(dǎo)致荒漠植被退化和土地沙化。但近十年水文過程來看，討賴河來水處于豐水周期，區(qū)域地下水位總體處于緩慢上升趨勢，如圖2所示。

圖2 典型地下水觀測孔多年水位過程曲線(關(guān)鋪)

2 盆地水循環(huán)模擬模型

筆者利用MODFLOW地下水模擬軟件，開發(fā)了酒泉盆地準(zhǔn)三維地下水模型。區(qū)域采用1km×1km的矩形網(wǎng)格。計(jì)算區(qū)共有活動(dòng)計(jì)算單元3524個(gè)，模型計(jì)算范圍總面積為3524km2。本文利用本區(qū)2002—2009年地下水位長期觀測和地下水開采統(tǒng)計(jì)資料，進(jìn)一步對(duì)模擬模型參數(shù)和邊界進(jìn)行識(shí)別。水文地質(zhì)參數(shù)主要有滲透系數(shù)和給水度，主要根據(jù)該區(qū)水文地質(zhì)勘察、抽水試驗(yàn)資料確定初始值。

采用了2010—2012年共3年的水位實(shí)測數(shù)據(jù)，進(jìn)行模型驗(yàn)證。根據(jù)觀測資料的實(shí)際情況，共選取15個(gè)觀測井，水位擬合整體情況較好，平均誤差0.38m，多數(shù)點(diǎn)位于95%置信區(qū)間范圍，RMS誤差1.98%。模型可以應(yīng)用于未來不同情景方案分析模擬。模擬得到的酒泉盆地地下水流場如圖3所示。

圖3 酒泉盆地地下水流場(水位標(biāo)高：m)

3 情景模擬分析和結(jié)果討論

3.1 模擬方案

(1)多年平均來水和現(xiàn)狀開采情景

采用1992—2008年共17年討賴河來水系列，年平均徑流量為20.71m3/s，接近討賴河1956—2012多年平均來水20.6m3/s。地表引水和地下水開采保持2012年開采水平。地下水開采維持總開采量2.78億m3/a。

(2)考慮氣候變化影響來水變化情景

討賴河和洪水河來水，受全球氣候變暖和雪線退縮等因素影響。為了分析河流來水對(duì)地下水的影響，分析預(yù)測來水按不同比例增加和減少情形的地下水動(dòng)態(tài)趨勢。河流來水增加和減少比例分別為5%、10%、15%和20%，共8種情形(限于篇幅，只討論河流來水增加和減少比例為20%的極端情形)。

由2位研究者根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)好的納入與排除標(biāo)準(zhǔn)獨(dú)立篩選文獻(xiàn)和提取資料。首先閱讀文題，若內(nèi)容相關(guān)再閱讀摘要及查閱全文。所有文獻(xiàn)是否納入由2位研究者共同決定，如遇分歧，通過討論或交由第3位研究者裁決。采用自制Excel提取表提取資料，包括：（1）納入研究的一般資料，包括第一作者、發(fā)表時(shí)間、樣本量等；（2）納入患者的基本情況包括年齡、孕周等；（3）干預(yù)措施藥物的具體用法用量；（4）偏倚風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的關(guān)鍵要素；（5）結(jié)局指標(biāo)和結(jié)果測量數(shù)據(jù)。

以2013年1月1日地下水流場為初始流場，預(yù)測期到2030年，分析不同情景條件下區(qū)域地下水水位、泉水溢出量、河道溢出量和潛水蒸發(fā)量等變化，以及鴛鴦水庫來水組成變化。

3.2 結(jié)果討論

(1)多年平均來水和現(xiàn)狀開采水平下水循環(huán)分析

2013—2030多年平均地下水補(bǔ)給量為6.08×108m3/a，其中，河水滲漏補(bǔ)給、渠系和灌溉回歸(含井水和泉水灌溉)補(bǔ)給、降水和凝結(jié)水補(bǔ)給、山前側(cè)向補(bǔ)給分別為2.521×108m3/a、3.079×108m3/a、0.352×108m3/a和0.13×108m3/a。地下水排泄量為6.217×108m3/a，其中，地下水開采、潛水蒸發(fā)、泉水溢出(含河道排泄)和邊界流出分別為2.78×108m3/a、1.423×108m3/a、1.65×108m3/a和0.364×108m3/a。地下水補(bǔ)排差為-0.135×108m3/a，為負(fù)均衡，各均衡項(xiàng)變化如圖6和圖7所示。地下水水位下降導(dǎo)致泉水溢出量減少，預(yù)測期內(nèi)泉水流量相對(duì)于現(xiàn)狀年減少了5.17%。

模擬預(yù)測得到現(xiàn)狀條件下下游鴛鴦池水庫多年平均來水總量為3.37×108m3/a。其中，清水河和洪臨泉水、鴛鴦輸水渠輸水、討賴河和洪水河干流棄水和討賴河干流排泄地下水，分別為0.59×108m3/a、0.9×108m3/a、1.33×108m3/a和0.55×108m3/a。

城市地下水水源地集中開采區(qū)位于山前沖洪積扇，地下水開發(fā)勢必降低地下水位，以奪取向下游細(xì)土平原的徑流量。細(xì)土平原區(qū)因上游地下徑流補(bǔ)給減少，水位逐步下降。隨地下水位的下降，泉水溢出量和蒸發(fā)量也急劇減少，地下水位下降幅度變緩，趨于形成新的地下水平衡狀態(tài)，如圖4所示。從地下水補(bǔ)給量分析，河道滲漏補(bǔ)給量遠(yuǎn)大于城市地區(qū)地下水開采量，目前地下水沒有大幅度超采，尤其是南部混合灌區(qū)，并非超采區(qū)。本文情景模擬表明，地下水開采后需要一個(gè)長期的平衡過程，細(xì)土平原區(qū)地下水開采，可以襲奪潛水部分無效蒸發(fā)，合理控制水位，可以避免單純引地表水灌溉引起的土地鹽堿化。

圖4 多年平均來水和現(xiàn)狀開采水平地下水水位變幅圖(單位：m)

(2)考慮氣候變化來水增減條件下水循環(huán)模擬

模型模擬預(yù)測表明，河水來水增加和減少20%時(shí)，預(yù)測期末上游西盆地最大水位上升和下降達(dá)到3.4m和4.1m；下游灌區(qū)地下水水位受上游水位上升和下降影響，水位也小幅度抬升和下降，預(yù)測期末地下水水位上升和下降了0.6m和0.8m，如圖5所示。

河水來水增加和減少20%時(shí)地下水補(bǔ)給量分別為6.59×108m3/a和5.58×108m3/a；地下水總排泄量分別為6.216×108m3/a和6.158×108m3/a，如圖6、7所示；地下水均衡差分別為0.374×108m3/a和-0.578×108m3/a。

酒泉盆地地下水庫的調(diào)蓄作用巨大，天然來水的變化引起地下水水位和泉流量變化，對(duì)鴛鴦池水庫入庫水量影響不顯著。上游來水增加和減少20%的情形下，泉水流量分別僅增加和減少了2.67%和2.73%，來水變化引起的地下水儲(chǔ)量變化發(fā)生在東盆地。

4 結(jié)論與建議

(1)水循環(huán)模型模擬分析表明現(xiàn)狀來水和水資源開發(fā)利用水平下，地下水系統(tǒng)處于負(fù)均衡狀態(tài)，

圖5 考慮氣候變化來水增減條件下地下水水位變幅(單位：m)

圖6 不同情景地下水補(bǔ)給量變化圖7 不同情景地下水排泄量變化

區(qū)域地下水水位將持續(xù)下降，預(yù)測2030年泉水溢出量減少了5.17%。目前，把井渠混合灌區(qū)內(nèi)地下水水位下降趨勢的區(qū)域都劃分為超采區(qū)是不合理的，建議對(duì)劃分的地下水超采區(qū)進(jìn)行進(jìn)一步論證。同時(shí)，建議優(yōu)化控制城市集中供水水源地布局，避免大規(guī)模開發(fā)引起下游地下水水位的大幅度下降，而影響濕地生態(tài)。

(2)酒泉盆地地下水庫的調(diào)蓄作用巨大，上游討賴河和洪水河來水的變化引起地下水水位和泉流量變化，不會(huì)對(duì)鴛鴦池水庫入庫水量產(chǎn)生顯著影響。上游來水增加和減少20%的情形下，預(yù)測2030年泉水流量分別僅增加和減少了2.67%和2.73%。研究成果為區(qū)域水資源開發(fā)利用和管理提供科學(xué)依據(jù)。