新疆車爾臣河地下水資源量數(shù)值模擬分析

劉天超，曹大元，于 寧，李 通

(新疆地礦局第一區(qū)域地質(zhì)調(diào)查大隊(duì)，新疆 烏魯木齊 830013)

研究區(qū)南部為昆侖山-阿爾金山北麓，北部為塔克拉瑪干沙漠，總體地勢(shì)為南高北底，西高東低，向東北傾斜，地形坡降由南向北逐漸變緩，海拔高程925～4 700 m。區(qū)域內(nèi)地貌類型分為構(gòu)造侵蝕剝蝕地貌、侵蝕重力堆積地貌、堆積為主、微地貌。為了提出該研究區(qū)地下水合理開發(fā)利用與保護(hù)方案，本文在對(duì)研究區(qū)地質(zhì)條件分析的基礎(chǔ)上，并參考相關(guān)文獻(xiàn)[1-5]，建立了研究區(qū)水文地質(zhì)概念模型和數(shù)值模型，對(duì)研究區(qū)地下水的資源量進(jìn)行了計(jì)算分析，最后并對(duì)研究區(qū)的地下水水位進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

1 水文地質(zhì)概念模型

1.1 模擬區(qū)范圍

1.2 邊界條件概化

1.2.1 模擬區(qū)的側(cè)向邊界概化

依據(jù)收集的資料、水文地質(zhì)鉆探、物探等工作成果，從第四系及飽水帶厚度分布特征、含水層地下水位埋深以及研究區(qū)的地下水流場(chǎng)特征等方面將計(jì)算區(qū)邊界概化如下：南部邊界，分成兩段，一是車爾臣河谷地段，邊界接受河谷潛流補(bǔ)給，概化為流量邊界中的補(bǔ)給邊界；二是其余南部邊界為由于出山口阻水構(gòu)造影響概化為零流量邊界；由于地下水流向?yàn)檠剀嚑柍己臃较蛳驏|部排泄，故將車爾臣下游東部邊界概化為流量邊界中的排泄邊界；西部，北部邊界根據(jù)地下水流場(chǎng)圖，沒有水量流入或流出，概化為零流量邊界。

1.2.2 模擬區(qū)的上、下邊界概化

在垂向上模型的上邊界為潛水水面，接受河流入滲、暴雨洪流、灌溉入滲補(bǔ)給、地下水回歸補(bǔ)給、渠系入滲補(bǔ)給，地下水排泄以側(cè)向排泄、開采以及排堿渠蒸發(fā)和部分地區(qū)的潛水蒸發(fā)為主。項(xiàng)目鉆孔揭露深度為200 m，故本次將下界面設(shè)置在200 m，為隔水邊界。

1.3 含水層的概化

根據(jù)水文地質(zhì)條件，將計(jì)算區(qū)含水層概化如下：

(1)南段鉆孔揭露的200 m以上的含水層概化為單一結(jié)構(gòu)潛水，含水層巖性主要為砂卵礫石、砂礫石、砂石；主要分布于瓊庫勒鄉(xiāng)、阿熱勒鄉(xiāng)一線以南段，阿爾金山山前傾斜平原。

(2)計(jì)算區(qū)中部含水層概化為潛水-承壓水含水層，多層結(jié)構(gòu)地下水主要分布在且末縣城以北沿車爾臣河兩岸至塔提讓鎮(zhèn)東側(cè)、呈條帶狀展布，以及西側(cè)薩爾瓦敦開發(fā)區(qū)原故河道一帶。潛水含水層巖性由卵礫石，向東北漸變?yōu)樯暗[石、含礫砂、中粗砂，厚度50～110 m；淺層承壓水頂板埋深96～165 m，巖性為粉質(zhì)粘土、大厚度粉土，厚度2～21 m。承壓水水頭與潛水水位接近，含水層厚度20～50 m。

(3)計(jì)算區(qū)下游潛水含水層概化為潛水含水層，含水層巖性主要為巖性以粉砂為主，沒有明顯連續(xù)弱透水層。由于每層巖性均不同，故概化為非均質(zhì)、各向異性。

1.4 計(jì)算區(qū)水力特征概化

計(jì)算區(qū)內(nèi)地下水由南向北后向東側(cè)徑流，其中部潛水-承壓水分布地段由于潛水位與承壓水位一致，故越流補(bǔ)給。根據(jù)地表水地下水轉(zhuǎn)化規(guī)律，在沖洪積平原區(qū)河水補(bǔ)給地下水，在河谷平原區(qū)及其下游地段，地下水補(bǔ)給河水，上游以側(cè)向徑流方式排泄，而下游以蒸發(fā)排泄；承壓水接受上游側(cè)向徑流及以側(cè)向徑流排泄為主。

計(jì)算區(qū)地下水含水空間為第四系松散巖層，孔隙分布連續(xù)，呈漸進(jìn)式變化，孔隙中的地下水流動(dòng)狀態(tài)為層流，符合達(dá)西定律，但區(qū)內(nèi)地下水受人工條件影響，地下水呈非穩(wěn)定狀態(tài)，因此計(jì)算區(qū)地下水流態(tài)概化為三維非穩(wěn)定流。

2 數(shù)學(xué)模型的建立

2.1 數(shù)學(xué)模型表達(dá)式

根據(jù)計(jì)算區(qū)水文地質(zhì)概念模型，對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型選用非均質(zhì)各向異性三維非穩(wěn)定流數(shù)值模型，所建立的數(shù)學(xué)模型可表示為：

式中：Kxx、Kyy和Kzz分別為X、Y和Z方向的滲透系數(shù)[L/T]，Kxx=Kyy；H為水頭值[L]；ε為源匯項(xiàng)[L/T]；S為給水度[-]，取重力給水度μ，Ω為模擬范圍；n為邊界面的外法線方向；Γ為側(cè)邊界；B為底邊界。

2.2 模型的離散

2.2.1 空間離散

對(duì)計(jì)算區(qū)在空間上的離散包括平面上的網(wǎng)格剖分和垂向上的分層。平面上采用等間距矩形網(wǎng)格進(jìn)行剖分，采用等間距有限差分的離散方法，在地下水模型中進(jìn)行自動(dòng)剖分，剖分網(wǎng)格間距為1 000 m×1 000 m，每個(gè)單元面積1 km2，X方向上剖分201個(gè)網(wǎng)格，Y方向剖分223個(gè)網(wǎng)格，垂向上剖分為3層，共201×223×3=134 469個(gè)網(wǎng)格，有效模擬面積為20 000 km2。研究區(qū)內(nèi)網(wǎng)格數(shù)量為36 809個(gè)，所占面積為5 474.7 km2。

2.2.2 時(shí)間離散

本次模擬以2017年7月作為初始時(shí)刻，其中利用2017年8月至2018年7月作為模型識(shí)別期，根據(jù)均衡項(xiàng)計(jì)算將應(yīng)力期分為12期，根據(jù)地下水位的觀測(cè)時(shí)間，時(shí)間步長(zhǎng)以30天為單位，進(jìn)行模擬及識(shí)別。

2.3 模型的識(shí)別

2.3.1 邊界條件的處理

根據(jù)上述邊界條件概化結(jié)果在GMS軟件中將底邊界處理為隔水邊界；上邊界作為開放邊界，將垂向入滲及人工開采蒸發(fā)用Recharge模塊進(jìn)行處理，蒸發(fā)用Evapotranspiration模塊來處理；將側(cè)邊界條件概化為流量邊界，包括南部的河谷潛流補(bǔ)給流量邊界、東部的排泄流量邊界及北部、西部的零流量邊界用Spercific flow模塊。

2.3.2 初始流場(chǎng)

模型計(jì)算區(qū)地下水位初始值，以2017年7月統(tǒng)測(cè)水位資料，對(duì)每一個(gè)單元賦初始水位值。

2.3.3 模型參數(shù)選用

根據(jù)已有抽水試驗(yàn)資料，確定不同巖性的水平、垂向滲透系數(shù)和給水度。結(jié)合巖性的空間分布規(guī)律，采用參數(shù)分區(qū)的方法確定各單元滲透系數(shù)和給水度，分別賦初值。

2.3.4 源匯項(xiàng)的處理

河谷潛流、側(cè)向徑流量作為邊界流入量，在邊界進(jìn)行賦值。降水入滲、渠系入滲、田間入滲、降雨入滲、水庫入滲、地下水回歸按照面狀補(bǔ)給，采用Recharge模塊進(jìn)行模擬。河流上游脫節(jié)段入滲為線狀補(bǔ)給，采用Well模塊處理，將河流入滲量加至第一層含水層，河流下游段處理為定水頭邊界，模型自動(dòng)計(jì)算邊界流量。井開采量采用Well模塊處理。排堿渠蒸發(fā)量統(tǒng)一加至農(nóng)田范圍內(nèi)，采用Recharge模塊處理。潛水蒸發(fā)量在模型中，采用與此等效的線性關(guān)系用蒸發(fā)(ET)模塊進(jìn)行模擬。

2.4 源匯項(xiàng)數(shù)值模擬結(jié)果

(1)2017年區(qū)內(nèi)地下水資源處于均衡狀態(tài)，地下水補(bǔ)給以河道入滲補(bǔ)給量為主，地下水排泄以蒸發(fā)排泄量為主。二者均為天然補(bǔ)給或排泄因素，表明區(qū)內(nèi)地下水大體處于天然狀態(tài)，人類影響程度較小，僅在綠洲平原區(qū)地段人類影響較大。

(2)地下水總補(bǔ)給量為55 868.8×104m3/a。

其中河道入滲補(bǔ)給量為42 111.3×104m3/a，占總補(bǔ)給量75.3%，其余各項(xiàng)補(bǔ)給量均小于總補(bǔ)給量的10%，河道入滲補(bǔ)給量占有絕對(duì)的地位。表明項(xiàng)目區(qū)內(nèi)地下水主要來源為河流入滲補(bǔ)給，河流流量及入滲能力直接決定了區(qū)內(nèi)水資源總量。

(3)地下水總排泄量為55 558.7×104m3/a。

其中蒸發(fā)排泄量為42 230.4×104m3/a，占總排泄量76.3%。表明區(qū)內(nèi)地下水主要從上游補(bǔ)給區(qū)徑流至細(xì)土顆粒平原后，以蒸發(fā)方式排泄。細(xì)土平原區(qū)地下水埋深淺，地下水資源主要起到生態(tài)供水功能，保證胡楊、蘆葦?shù)忍烊恢脖桓邓治?，但地下水位埋深淺區(qū)范圍較大，導(dǎo)致潛水蒸發(fā)較強(qiáng)，區(qū)內(nèi)有較強(qiáng)鹽漬化現(xiàn)象發(fā)生。

模擬期水量均衡結(jié)果符合實(shí)際，進(jìn)一步驗(yàn)證了識(shí)別與校正后的模型具有較高的仿真度，可用于地下水資源的預(yù)測(cè)。

3 研究區(qū)地下水資源量分析

3.1 研究區(qū)地下水資源量模擬結(jié)果

研究區(qū)補(bǔ)給量為51 171.9×104m3/a，占到全區(qū)補(bǔ)給量的91.6%，排泄量為50 532.6×104m3/a，占到全區(qū)排泄量的91.3%。

3.2 研究區(qū)可采資源量模擬結(jié)果

本次模擬采用概化開采條件，給出一個(gè)相對(duì)優(yōu)化的開采水平，作為計(jì)算地下水可開采資源量的前提?？砷_采利用的地下水資源量的大小主要取決于補(bǔ)給來源及排泄方式，以河道入滲以及地下水的蒸發(fā)為主。增加地下水可開采資源量，使地下水蒸發(fā)消耗減小到最低限度，同時(shí)還增加了河流入滲量，減少了部分側(cè)向徑流出水量，三者與天然補(bǔ)給量之和即為可開采資源量，以生態(tài)環(huán)境需水量，需確定合理的開發(fā)水位埋深。計(jì)算得出研究區(qū)地下水可開采資源量為33 272.1×104m3/a。

4 研究區(qū)地下水預(yù)測(cè)

4.1 預(yù)測(cè)方案

方案一：以2017年為現(xiàn)狀年，在現(xiàn)狀基礎(chǔ)條件下預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)至下一個(gè)五年計(jì)劃，即2025年末結(jié)束，共計(jì)九年。主要預(yù)測(cè)其地下水位變化趨勢(shì)，輔助分析地下水資源開發(fā)利用合理性。

方案二：結(jié)合以下當(dāng)?shù)厥逡?guī)劃，配合工農(nóng)業(yè)發(fā)展對(duì)水資源供需要求，預(yù)報(bào)人類活動(dòng)情況下地下水演變趨勢(shì)，從2020年開始預(yù)測(cè)，2030年結(jié)束，共計(jì)十年。

其中十三五規(guī)劃具體涉及與地下水相關(guān)內(nèi)容如下為本次預(yù)報(bào)的具體內(nèi)容。

(1)在車爾臣上游新建水庫、建成高標(biāo)準(zhǔn)節(jié)水灌溉面積30萬畝，節(jié)水2 170×104m3的基礎(chǔ)上進(jìn)行水源地開采預(yù)測(cè)。

(2)本次預(yù)報(bào)選取了兩處水源地，分別為恰瓦勒墩開發(fā)區(qū)東側(cè)水源地和車爾臣河山前富水地段水源地，

4.2 預(yù)測(cè)定解條件

4.2.1 預(yù)測(cè)時(shí)段

方案一預(yù)測(cè)期為9年，共9個(gè)應(yīng)力期，模型計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)為30 d，預(yù)測(cè)期內(nèi)共計(jì)3 287 d；方案二預(yù)測(cè)期為10年，共10個(gè)應(yīng)力期，模型計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)為30 d，預(yù)測(cè)期內(nèi)共計(jì)3 652 d。

4.2.2 初始流場(chǎng)及邊界條件

方案一采用穩(wěn)定流模型識(shí)別后的流場(chǎng)為初始流場(chǎng)，方案二2020年初始流場(chǎng)采用現(xiàn)狀年預(yù)報(bào)的2020年流場(chǎng)，邊界條件不變。

4.2.3 源匯項(xiàng)處理

方案一源匯項(xiàng)將采用現(xiàn)狀年2017年條件下的源匯項(xiàng)，方案二采用十三五規(guī)劃具體設(shè)計(jì)的源匯項(xiàng)以及水源地設(shè)計(jì)開采量進(jìn)行預(yù)測(cè)。

4.2.4 預(yù)報(bào)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，各觀測(cè)孔水位降深在-0.03～7 m之間。大部分觀測(cè)孔均出現(xiàn)水位下降情況。水位下降觀測(cè)孔大多分布于車爾臣河中游地區(qū)，即且末縣及其周邊的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，局部地段人工開采量大于補(bǔ)給量，造成其地下水位下降。

5 結(jié)語

(1)2017年區(qū)內(nèi)地下水資源處于均衡狀態(tài)，地下水補(bǔ)給以河道入滲補(bǔ)給量為主，地下水排泄以蒸發(fā)排泄量為主。兩者均為天然補(bǔ)給或排泄因素，表明區(qū)內(nèi)地下水大體處于天然狀態(tài)，人類影響程度較小，僅在綠洲平原區(qū)地段人類影響較大。其中河道入滲補(bǔ)給量為42 111.3×104m3/a，占總補(bǔ)給量75.3%，蒸發(fā)排泄量為42 230.4×104m3/a，占總排泄量76.3%。

(2)研究區(qū)補(bǔ)給量為51 171.9×104m3/a，占到全區(qū)補(bǔ)給量的91.6%，排泄量為50 532.6×104m3/a，占到全區(qū)排泄量的91.3%；計(jì)算得出研究區(qū)地下水可開采資源量為33 272.1×104m3/a。

(3)根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，研究區(qū)各觀測(cè)孔水位降深在-0.03～7 m之間。大部分觀測(cè)孔均出現(xiàn)水位下降情況。水位下降觀測(cè)孔大多分布于車爾臣河中游地區(qū)，即且末縣及其周邊的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，局部地段人工開采量大于補(bǔ)給量，造成其地下水位下降。