基于數(shù)值模擬的博州地下水超采區(qū)治理預(yù)測

劉 誠

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，烏魯木齊 830000)

新疆氣候干旱，生態(tài)環(huán)境脆弱，地下水超采產(chǎn)生的后果較為嚴重，2015年新疆被納入全國地下水超采綜合治理與管理專項工作中[1]。博州是新疆的主要超采區(qū)之一，目前博州地下水超采已經(jīng)引發(fā)了地下水位持續(xù)下降、艾比湖面積縮小、艾比湖濕地萎縮和區(qū)域內(nèi)泉水流量衰減甚至斷流等環(huán)境地質(zhì)問題[2]，博州地下水超采區(qū)的治理工作刻不容緩。本文根據(jù)博州2016年地下水補給和排泄情況，利用MODFLOW建立了地下水數(shù)值模型[3]，對現(xiàn)狀年的水文地質(zhì)參數(shù)和模型進行了校核。依據(jù)《博州用水總量控制方案》，制定了分階段的地下水壓采計劃，并對壓采計劃實施以后的地下水流場變化趨勢進行了預(yù)測[4]，本次預(yù)測對博州地下水超采區(qū)治理有較強的理論指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況

博州地處亞歐大陸腹地，位于準噶爾盆地西緣，北天山西部，地理范圍是東經(jīng)79°53′～83°53′，北緯44°02′～45°23′，西、南、北三面環(huán)山，中部呈喇叭狀的谷底平原，西部狹窄，東部開闊，全州地表像一片海棠葉，東西長315 km，南北寬125 km?？傮w山脈走向與谷地基本成近平行的東西條帶狀分布，山勢由東向西逐漸升高，分水嶺呈階梯狀升起，海拔3 000～4 000 m以上終年冰雪覆蓋，1 500～2 400 m為森林帶，其下常有水草豐盛的山區(qū)牧場分布。流域北部為阿拉套山，南部為天山支脈別珍套山、崗吉尕山，其間為博爾塔拉谷地。谷地內(nèi)的平原區(qū)地形向東，向北北東傾斜，區(qū)域地形西高東低，南北兩側(cè)山地均高，中間博河谷底最低。

2 水文地質(zhì)條件

2.1 地下水的賦存條件

博州由博爾塔拉河流域、精河流域和艾比湖湖濱區(qū)組成，按地貌特征可分為山地、博樂谷地、精河盆地及精河東山前平原。博爾塔拉河沖洪積平原含水層為單一結(jié)構(gòu)的潛水含水層，89團以東至艾比湖一帶的含水層結(jié)構(gòu)演化為上部潛水下部多層承壓水的多層結(jié)構(gòu)。精河盆地地下水主要賦存于山前洪積平原至下游的沖湖積平原湖積層中。黑山頭東山前傾斜平原單一孔隙潛水分布于托托河沖洪積扇及西北烏伊公路以南地區(qū)，烏伊公路以北為多層結(jié)構(gòu)承壓水分布，精河火車站南坡洪積物分布一定范圍的承壓水。

2.2 地下水的補給、徑流、排泄規(guī)律

博州轄內(nèi)的地下水主要補給源為區(qū)域內(nèi)地表水，博爾塔拉河自西向東貫穿整個谷地，博樂谷地由于各地段松散沉積狀態(tài)不同，沿河水文地質(zhì)條件變化復(fù)雜，地表水與地下水存在幾次轉(zhuǎn)化現(xiàn)象。博州山區(qū)河流出山口后，除人工引水外，余水受徑流特征、河道巖性等影響以不同比例滲漏補給地下水。此外還有渠道的滲漏補給、灌溉水的入滲補給、泉水及開采井的灌溉入滲。地下水側(cè)向徑流補給主要包括博河上游溫泉斷面、博樂谷地兩側(cè)出山河流、精河盆地南黑山頭以東出山口后松散孔隙水潛流滲透補給和山前基巖裂隙水側(cè)向滲透補給。

博樂谷地地下水在南北側(cè)分別流向博爾塔拉河，并偏向東部下游，地下水總的徑流方向在精河盆地集中于北東向，東部平原則向北轉(zhuǎn)西，最后流入艾比湖。

博州平原區(qū)地下水排泄主要通過地表泄流、人工開采、地下水淺埋區(qū)蒸發(fā)及側(cè)向排泄。

博樂谷地及下游平原區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)及水態(tài)轉(zhuǎn)化關(guān)系見圖1。

圖1 博樂谷地及下游平原地質(zhì)結(jié)構(gòu)及水態(tài)轉(zhuǎn)化關(guān)系示意圖(水平比例:1∶50 000；垂直比例: 1∶1 000)

3 現(xiàn)狀地下水開發(fā)利用及超采評價

博州平原區(qū)地下水補給量10.859 9 億m3/a，地下水資源量9.548 1 億m3/a，可開采量5.630 1 億m3/a。據(jù)調(diào)查，博州機電井總數(shù)為3 704 眼， 2016年全州地下水開采量6.664 9 億m3。博州各超采區(qū)評價期(2008-2017年)內(nèi)水位持續(xù)下降，博樂超采區(qū)和精河超采區(qū)地下水可開采量為4.659 9 億m3/a ，2016年地下水實際開采量為7.031 3 億m3/a，總超采量為2.371 4 億m3，超采系數(shù)為0.509。兩個超采區(qū)情況分述如下：

(1)博州博樂超采區(qū)總面積為1 213.64 km2，為大型嚴重超采區(qū)，其中嚴重超采區(qū)面積961.04 km2，一般超采區(qū)面積252.6 km2，嚴重超采區(qū)位于博樂市、青德里鄉(xiāng)、烏圖布拉格鎮(zhèn)、達勒特鎮(zhèn)、貝林哈日莫頓鄉(xiāng)、81團、84團、89團、90團。

(2)博州精河超采區(qū)總面積為1 356.76 km2，為大型嚴重超采區(qū)，其中嚴重超采區(qū)面積822.28 km2，一般超采區(qū)面積534.48 km2，嚴重超采區(qū)位于托里鄉(xiāng)(含八家戶)、83團(含82團)。一般超采區(qū)位于芒丁鄉(xiāng)(含精河鎮(zhèn))、大河沿子鎮(zhèn)(含阿合奇)。

4 超采區(qū)壓采量核算

超采區(qū)地下水可供水量控制指標的制定，以《新疆博州用水總量控制方案》[5]為基礎(chǔ)。根據(jù)分解到縣市的地下水可供水量控制指標，統(tǒng)計超采區(qū)縣市的地下水可供水量控制指標，與地下水可開采量比較，取小值作為超采區(qū)地下水量控制指標。核定后的博州超采區(qū)地下水可供水量控制指標見表1。

表1 核定后的超采區(qū)地下水可供水量控制指標 億m3

以2016年為現(xiàn)狀年，采用超采區(qū)2016年實際開采量與2018年地下水可供水量控制指標相減，計算出2018年地下水壓采量；采用2018年地下水可供水量控制指標與2019年地下水可供水量控制指標相減，計算出2019年地下水壓采量；同理分別計算出2020、2021-2025、2026-2030年的壓采量[6]。超采區(qū)分階段壓采量核算詳見表2。

表2 超采區(qū)分階段壓采量核算表 億m3

5 三維地下水模型的構(gòu)建

5.1 水文地質(zhì)概念模型

構(gòu)建模型以博州超采區(qū)為研究區(qū)，研究區(qū)內(nèi)的含水體具有厚度有限、水平半無限延伸的特點，地下水運移符合達西定律[7]，水位隨時間變化，且由于該區(qū)位于地下水系統(tǒng)排泄區(qū)徑流滯緩、開采含水層為孔隙潛水—承壓水混合層，井深一般在100～160 m，抽水降深遠小于含水層厚度，故可采用“T值概化法”將計算區(qū)內(nèi)地下水水流運移可概化為一層二維非均質(zhì)各向同性的承壓水非穩(wěn)定水流。

5.2 邊界條件

博州超采區(qū)主要分布在博樂市和精河縣，模擬區(qū)東西以博樂市和精河縣的行政邊界為界，南北部分別以綠洲帶為界，東西長約105 km，南北寬約45 km，面積為3 780 km2。根據(jù)初始流場的流向與計算區(qū)邊界的關(guān)系，將計算區(qū)內(nèi)南北向邊界、西部邊界均處理為地下水側(cè)向徑流流入邊界，東北部則為地下水側(cè)向徑流流出邊界，與地下水流向平行或山丘區(qū)無側(cè)向徑流段處理為零流量邊界。

5.3 水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)

根據(jù)26個孔的抽水試驗資料及距離南北兩側(cè)的距離情況，將模型計算區(qū)的水文地質(zhì)參數(shù)(T、μ)按照特征差異情況劃分為9個參數(shù)區(qū)，在以上分區(qū)基礎(chǔ)上又劃分參數(shù)過渡區(qū)，共劃分水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)25個(表3)。

表3 含水層初始參數(shù)分區(qū)統(tǒng)計一覽表

5.4 源匯項處理

計算區(qū)底邊界采用鉆探與物探勘測的實際底板高程值，處理為隔水邊界；上邊界作為開放邊界，存在入滲、蒸發(fā)，分別用Rch和Evt模塊處理；流量概化時，將河渠入滲量處理成線狀的流量(RIV)，潛水蒸發(fā)處理成面狀流量(EVT)，已有的開采井視為點狀流量輸入(WELL)。將側(cè)邊界條件概化為變流量邊界，利用MODFLOW中的GHB(通用水頭邊界)計算側(cè)向徑流量，并根據(jù)邊界附近觀測井的水位動態(tài)按時段對邊界流量進行識別。潛水蒸發(fā)量在水位發(fā)生變動時會發(fā)生變化，程序中采用潛水蒸發(fā)臨界埋深為10 m，在計算過程中自動進行調(diào)整，不人工加以干涉。

5.5 模型識別及結(jié)果

扣除觀測序列不完整或波動異常的水位監(jiān)測井后，選用30個監(jiān)測井2016年1-12月的監(jiān)測水位數(shù)據(jù)進行模型擬合識別，誤差統(tǒng)計選用標準差、相對均方根差及相關(guān)系數(shù)三個指標進行模擬識別水位誤差分析，識別過程中對個別監(jiān)測井出現(xiàn)較大異常值時將不納入誤差統(tǒng)計計算。結(jié)果見圖2、圖3。

圖3 博州超采區(qū)典型水位擬合效果圖(BT9005長觀孔)

從水位擬合結(jié)果來看，模擬的地下水流場基本能夠反映地下水的流動規(guī)律和趨勢[8]，研究區(qū)總體水流方向為水流從西北、西南向東南、東北流動。研究區(qū)內(nèi)地下水位分布范圍215～692 m，初始流場最大水位差將近480 m，通過手動方法對模型進行了參數(shù)校核，模型識別期的平均水位擬合誤差范圍0.81～1.488 m，相對均方根差0.964%～1.732%，相關(guān)系數(shù)范圍0.998～0.999，整體擬合效果尚較理想，滿足統(tǒng)計檢驗。

5.6 研究區(qū)地下水預(yù)測結(jié)果

本研究建立了壓減開采量條件下的預(yù)報模型，以超采治理方案目標為依據(jù)進行了2020、2025及2030年的水量及水位變化預(yù)報，2020年、2025年、2030年研究區(qū)降速場分別見圖4、圖5、圖6，2020年、2025年、2030年埋深與現(xiàn)狀年埋深對比圖分別見圖7、圖8、圖9，從圖中可以看出壓采方案基本能夠滿足預(yù)期目標，大部分地區(qū)地下水下降趨勢得以不同程度的控制，全區(qū)地下水位下降速率減緩，特別是精河超采區(qū)(大河沿子鎮(zhèn)、芒丁鄉(xiāng)及82團)大部分地區(qū)地下水位得到恢復(fù)；博樂超采區(qū)東部(貝鄉(xiāng)、89團、90團)由于地下水壓采有限，地下水位仍持續(xù)下降，為嚴重超采區(qū)，局部地區(qū)地下水位得到恢復(fù)；至2020年超采區(qū)面積呈現(xiàn)逐漸縮小的趨勢，嚴重超采區(qū)僅分布于博樂超采區(qū)中東部，精河超采區(qū)為一般超采區(qū)，其余地段為非超采區(qū)，且地下水位呈現(xiàn)不同程度的回升；至2030年， 僅博樂超采區(qū)東部受地下水開采的影響，地下水位持續(xù)下降，為嚴重超采區(qū)，但是較2025年超采區(qū)面積呈現(xiàn)減小的趨勢，同時一般超采區(qū)面積明顯縮小，壓采方案對于控制地下水位下降(水位恢復(fù))具有明顯的效果，但由于博樂市東部的貝鄉(xiāng)和89團，由于地理位置特殊，無地表水可引用，同時需要保護基本農(nóng)田等原因，壓采量有限，所以該區(qū)域的地下水位仍為下降趨勢，壓采只是減緩了該區(qū)域地下水位的下降速率。

圖4 2020年研究區(qū)降速場(單位：m)

圖5 2025年研究區(qū)降速場(單位：m)

圖6 2030年研究區(qū)平均降速場(單位：m)

圖7 2020年研究區(qū)埋深等值線圖(單位：m)

圖8 2025年研究區(qū)埋深等值線圖(單位：m)

圖9 2030年研究區(qū)埋深等值線圖(單位：m)

6 結(jié) 語

(1)在數(shù)值模型二場(梯度場及降速場)識別驗證基礎(chǔ)上，對開采區(qū)所在行政單元進行了均衡水量計算統(tǒng)計，并與博州地下水資源規(guī)劃保護中水資源分區(qū)均衡水量進行了對比，均衡量補排關(guān)系結(jié)果一致。故該模型可真實反映當?shù)氐膶嶋H情況，超采區(qū)預(yù)測的結(jié)果具有較強的可參照性。

(2)博州東部地區(qū)由于長期超采，地下水位持續(xù)下降，已經(jīng)出現(xiàn)一些生態(tài)環(huán)境問題，超采區(qū)治理工作迫在眉睫。若博州人民政府能夠嚴格執(zhí)行上述治理方案的壓采量，博州地下水超采的問題將得到大幅度的緩解。

(3)對于博樂超采區(qū)東部地區(qū)的超采區(qū)問題，建議采用跨流域調(diào)水等措施協(xié)同治理。