酒泉盆地地下水動態模擬和開發利用分析

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化頻繁，人類活動影響使得流域水循環極其復雜；另一方面，由于下游平原區降水稀少，生態植被依賴地下水或泉水，生態環境極其脆弱。上游來水變化導致流域地表水和地下水水循環的改變，不僅影響下游水庫入庫水量，也影響區域地下水及下游鴛鴦池水庫的調度和供用水等。魏國孝等和鯤鵬等開展了酒泉市肅州區水資源承載能力及優化配置研究，開發了酒泉盆地地下水模型，并進行了不同用水平地下水動態模擬分析。潘世兵等依據河西走廊地下水系統的特點，探討了數值模型中幾個關鍵問題的處理方法，并以酒泉盆地為例，研究了數值模型在區域地下水系統演化與動態預測中的應用。甘肅省水利科學研究院等在甘肅省科技支撐計劃支持下，開展了基于MIKE BASIN模型的討賴河流域水資源優化配置研究建立流域“二元”水循環轉換模型，分析了流域內不同水文地質單元的水分轉換關系及徑、補、耗、排關系，并評價了流域內現狀水資源狀況。

研究區存在的主要問題是長期大規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定或回升。如何評價地下水開采水平，地下水是否嚴重超采，是區域水資源配置需要回答的關鍵問題。本文開發了酒泉盆地地下水數值模型，定量分析盆地地表水和地下水轉換規律，以及地下水對地表來水和開采的響應，分析了地下水動態、泉水溢出量變化和鴛鴦池水庫來水組成與變化。

1 研究區概況

討賴河地處西北干旱區，水資源緊缺，生態環境脆弱。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最大河流，發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，流經甘肅省嘉峪關市、酒泉市肅州區后，納清水河、臨水河兩個中游泉集河后進入金塔縣，經鴛鴦池水庫調蓄后，大部分用于鴛鴦灌區的經濟生產，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特征，具有完整的補給、徑流和排泄過程的水文地質單元，如圖1所示。從戈壁平原過渡到細土平原區域，含水層由單一厚層砂礫石含水層，過渡為雙層或多層細顆粒含水層。地下水主要接受河水滲漏補給、渠系滲漏和灌溉水回歸補給，少量的大氣降水和凝結水入滲補給、山前側向補給。地下水徑流受地形、含水層分布的影響。區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，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，城市工農業和生活用水增加，地下水人工開采規模不斷增加，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 酒泉盆地水文地質圖

城市工業發展和人口增加，大規模開發利用地下水，加之農業灌溉打井也逐步增加，到2012年年地下水開采量達到2.6×108m3，其中，嘉峪關城區和肅州區城區地下水開采量分別為0.59×108m3和0.36×108m3。近30年來區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保護屏障，由于地表水大量用于農業灌溉，近30年沒有地表水流入濕地，加之區域地下水位逐年下降，導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(關鋪)

2 盆地水循環模擬模型

筆者利用MODFLOW地下水模擬軟件，開發了酒泉盆地準三維地下水模型。區域采用1km×1km的矩形網格。計算區共有活動計算單元3524個，模型計算范圍總面積為3524km2。本文利用本區2002—2009年地下水位長期觀測和地下水開采統計資料，進一步對模擬模型參數和邊界進行識別。水文地質參數主要有滲透系數和給水度，主要根據該區水文地質勘察、抽水試驗資料確定初始值。

采用了2010—2012年共3年的水位實測數據，進行模型驗證。根據觀測資料的實際情況，共選取15個觀測井，水位擬合整體情況較好，平均誤差0.38m，多數點位于95%置信區間范圍，RMS誤差1.98%。模型可以應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(水位標高：m)

3 情景模擬分析和結果討論

3.1 模擬方案

(1)多年平均來水和現狀開采情景

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地下水的影響，分析預測來水按不同比例增加和減少情形的地下水動態趨勢。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位研究者根據預先設計好的納入與排除標準獨立篩選文獻和提取資料。首先閱讀文題，若內容相關再閱讀摘要及查閱全文。所有文獻是否納入由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、發表時間、樣本量等；（2）納入患者的基本情況包括年齡、孕周等；（3）干預措施藥物的具體用法用量；（4）偏倚風險評價的關鍵要素；（5）結局指標和結果測量數據。

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

3.2 結果討論

(1)多年平均來水和現狀開采水平下水循環分析

2013—2030多年平均地下水補給量為6.08×108m3/a，其中，河水滲漏補給、渠系和灌溉回歸(含井水和泉水灌溉)補給、降水和凝結水補給、山前側向補給分別為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、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。地下水補排差為-0.135×108m3/a，為負均衡，各均衡項變化如圖6和圖7所示。地下水水位下降導致泉水溢出量減少，預測期內泉水流量相對于現狀年減少了5.17%。

模擬預測得到現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位于山前沖洪積扇，地下水開發勢必降低地下水位，以奪取向下游細土平原的徑流量。細土平原區因上游地下徑流補給減少，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，如圖4所示。從地下水補給量分析，河道滲漏補給量遠大于城市地區地下水開采量，目前地下水沒有大幅度超采，尤其是南部混合灌區，并非超采區。本文情景模擬表明，地下水開采后需要一個長期的平衡過程，細土平原區地下水開采，可以襲奪潛水部分無效蒸發，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模擬

模型模擬預測表明，河水來水增加和減少20%時，預測期末上游西盆地最大水位上升和下降達到3.4m和4.1m；下游灌區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%時地下水補給量分別為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量變化發生在東盆地。

4 結論與建議

(1)水循環模型模擬分析表明現狀來水和水資源開發利用水平下，地下水系統處于負均衡狀態，

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 不同情景地下水補給量變化圖7 不同情景地下水排泄量變化

區域地下水水位將持續下降，預測2030年泉水溢出量減少了5.17%。目前，把井渠混合灌區內地下水水位下降趨勢的區域都劃分為超采區是不合理的，建議對劃分的地下水超采區進行進一步論證。同時，建議優化控制城市集中供水水源地布局，避免大規模開發引起下游地下水水位的大幅度下降，而影響濕地生態。

(2)酒泉盆地地下水庫的調蓄作用巨大，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，不會對鴛鴦池水庫入庫水量產生顯著影響。上游來水增加和減少20%的情形下，預測2030年泉水流量分別僅增加和減少了2.67%和2.73%。研究成果為區域水資源開發利用和管理提供科學依據。