內蒙古臨河地區地下水水位預測研究

張 艷，王玉清，李 鐸，王昕洲

ZHANG Yan1,3,WANG Yu-qing2,LI Duo1,3,WANG Xin-zhou2

1.河北地質大學 水資源與環境學院，河北 石家莊 050031;2.河北省地質環境監測院，河北 石家莊 050031；3.河北省水資源可持續利用與開發重點實驗室，河北 石家莊 050031

1.Hebei GEO University,Shijiazhuang 050031,China;2.Hebei Geology Environmental Monitoring,Shijiazhuang 050031,China;3.Hebei Province Key Laboratory of Sustained Utilization and Development of Water Resources,Shijiazhuang 050031,China

臨河區是內蒙古巴彥淖爾市農業經濟開發區，周邊礦產資源豐富，隨著該區經濟的快速發展，對地下水資源的需求也日趨強烈。對臨河地區地下水水位進行預測，為避免不良環境地質問題發生提供理論依據。

目前，地下水位預測有很多方法，如：地下水均衡法、簡易類推法、數值法、周期分析法、地下水動力學法、小波分析法、馬爾科夫鏈模型、灰色GM(1,1)模型、神經網絡模型等，而每種方法都有其自身的優缺點和局限性，國內外許多學者在此領域進行了相關的研究。金菊良等[1]、Savic等[2]、Chen等[3]、杜超等[4]將數學模型應用于地質及水文地質預測和分類中，但這些模型的建立需要大量的參數和高質量的數據來刻畫其物理過程，因而沒有得到廣泛應用。Box與Jenkins提出的傳遞函數模型(Transfer noisemodel，TFN)[5]，Hipel和 Mcleod提出的環境系統和水資源的時間序列模型(Autoregressive exogenous variable model,ARX)等[6]，Knotters和 Van Walsum[7]運用隨機模型都是基于時間序列分析的模型。Ahn與Salas[8]在不同的時間間隔下用非穩定地下水水位數據建立了時間序列模型，但由于時間序列模型過于突出時間序列，而忽略了外界因素的影響。周振民等[9]利用GM(1 ,1)模型,對灤河下游灌區地下水水位進行了預測。梁斌梅等[10]利用神經網絡預測模型對地下水位進行預測,對預測過程進行優化,并用改進的BP算法提高了預測精度。劉博等[11]利用徑向基函數神經網絡(Radial basis function neuralnetwork ,RBFN)，模擬預測地下水水位，并達到了較高標準；喻黎明等[12]建立基于極限學習機(Extreme learning machine，ELM)的地下水位埋深時空分布預測模型，討論補排因子在不同缺失情況下對模型精度的影響。

論文采用數值法建立了研究區地下水流數值模擬模型，預測了未來開采狀態下近期和遠期地下水流場。

1 研究區水文地質概況

臨河區地處鄂爾多斯臺拗二級構造單元北部，河套斷陷盆地的南部邊緣。區域地層主要為第四系全新統、上更新統沖洪積層，巖性為中粗砂、中細砂、細砂、粉細砂，該層厚度大，分布穩定。

研究區主要含水層是第四系松散巖層，地下水為孔隙潛水，主要補給源為大氣降水、引黃河水、灌溉入滲等。區內地下水由西南向東北流動，最后泄于烏梁素海。但由于地勢平坦，水力坡度較小，地下水徑流滯緩。地下水排泄主要是蒸發、人工開采和側向徑流[13]。

2 研究區模型

2.1 水文地質概念模型

2.1.1 模擬區范圍及邊界條件

模擬區位于巴彥淖爾市臨河區境內，面積1 400 km2。根據研究區含水層結構和分布，含水層為單層結構，地下水為潛水。南部以黃河為界，構成側向補給邊界，可以概化為給定水頭邊界；西北側以黃濟渠為界，東部以趙粉房—張子高圪旦—黃芥壕為界，北部以馬家圪旦—永樂三社—西沙灣為界，區內外地下水有水量交換，均概化為流量邊界。

2.1.2 模型源匯項

研究區地下水主要接受降雨入滲、引黃灌溉入滲、井灌回歸入滲、渠系滲漏、黃河側滲和側向徑流補給，消耗于潛水蒸發、排水溝排水、側向流出和人工開采。依據區內實測降水量、實測蒸發量、調查開采量資料，按月進行統計，根據研究區水文地質條件進行參數分區，給出相應參數。按照模型所需數據格式，將參數和源匯量輸入模型。

地下水流模型概化為非均質各向同性二維非穩定流潛水流動系統。

2.2 數學模型

依據上述水文地質概念模型，相應數學模型為：

2.3 地下水流數值模型

2.3.1 空間離散

采用500 m×500 m的網格剖分，將模擬區剖分為110行89列，其中有效單元6 284個，含水層網格剖分見圖1。

圖1 模擬區網格剖分圖Fig.1 Simulation area meshing diagram

2.3.2 模型驗證

數值模型的驗證期盡可能選擇資料翔實齊全的水文年，綜合區內資料選2012年5月1日到2013年4月30日為模型驗證期，將整個模擬期劃分為12個應力期，每個應力期為相應的自然月。初始流場選擇2012年4月30日實際統測的地下水水位。

研究區源、匯項資料，按月進行整理輸入模型，經過反復調試模型參數等，使模擬區等水位線、觀測孔水位動態曲線的實測數據與計算數據有較好的擬合。2013年4月30日地下水等水位線實測與計算擬合結果見圖2，部分動態觀測孔地下水水位擬合結果見圖3。

圖2 2013年4月30日含水層流場擬合圖Fig.2 Fitting chart of aquifer flow field on April 30,2013

圖3 2013年5月淺層含水層流場擬合圖Fig.3 Fitting Chart of Shallow Aquifer Flow Field in May, 2013

2.3.3 均衡分析

對模擬期一個水文年內地下水均衡進行分析，模擬區地下水排干泄水、潛水蒸發和地下水開采占排泄總量的99.3%。補給項中，來自地表水的入滲補給(引黃田間灌溉、井灌、渠道入滲補給量)、降水入滲補給為模擬區地下水的主要補給來源。通過模型識別驗證，得出模擬區地下水系統水量均衡結果見表1。

表1 模擬期潛水含水層均衡表(104m3/a)

3 地下水水位預測

應用校正后的模型，對未來開采狀態下地下水流場進行預測，預測以2018年5月的流場作為初始流場，預測分近期和遠期，近期預測到2023年5月，遠期預測到2033年5月。

預測模型參數采用模型調試后的參數系列，降雨量、蒸發量取多年平均值，其它補排項資料數據則參考現有資料取多年平均值。

3.1 近期地下水水位預測結果

2023年5月地下水流場預測結果見圖4，多年平均地下水均衡預測結果見表2。

2018—2023年地下水呈負均衡。由圖知地下水總體流向未發生明顯變化，地下水位整體呈現不同程度的下降。因對水源井壓采方案的實施，臨河城區的水位降落漏斗面積變化不是很明顯，但仍有向南擴展的趨勢，漏斗中心水位標高為1 033.29 m，較2018年下降0.52 m，下降程度不明顯。陜霸水源地和永勝水源地水位降落漏斗仍呈向外擴展趨勢，漏斗中心水位標高分別為1 033.72 m和1 033.32 m，較2018年分別下降了0.9 m和1.18 m。

圖4 2023年5月模擬區地下水預測流場Fig.4 Groundwater Prediction Flow Field in the Simulated Area in May, 2023

表2 未來5年水資源均衡分析(104m3/a)

Table 2 Equilibrium Analysis of Water Resources in the Next Five Years(104m3/a)

補給項降雨入滲地表水補給黃河測滲補給地下水側向流入總補給量補給量8 034.2619 245.34218.37156.3627 654.30排泄項潛水蒸發排干泄水地下水開采側向排泄總排泄量排泄量9 667.3210 028.557 285.64213.6327 195.10均衡差-459.20

3.2 遠期地下水水位預測結果

2033年5月地下水流場預測結果見圖5，多年平均地下水均衡預測結果見表3。

2023—2033年地下水呈負均衡。由圖知地下水位整體呈現不同程度的下降。臨河市城區因壓采所有水源井，地下水位降落漏斗面積略有縮小，但仍呈向南偏移的趨勢，漏斗中心水位標高為1 033.32 m，較2023年回升了0.15 m。陜霸水源地和永勝水源地水位降落漏斗仍呈向外擴展趨勢，漏斗中心水位標高分別為1 031.82 m和1 031.12 m，較2023年分別下降了1.90 m和2.20 m。

圖5 2033年5月模擬區淺層地下水預測流場Fig.5 Prediction of Shallow Groundwater Flow Field in the Simulated Area in May, 2033

表3 未來15年水資源均衡分析(104m3/a)

Table 3 Equilibrium Analysis of Water Resources in the Next 15 Years(104m3/a)

補給項降雨入滲地表水補給黃河測滲補給地下水側向流入總補給量補給量8 034.2617 276.64218.37156.3625 685.60排泄項潛水蒸發排干泄水地下水開采側向排泄總排泄量排泄量9 667.3210 385.466 250.61213.6326 517.00均衡差-831.40

4 結 論

(1)在分析地質、水文地質條件的基礎上，概化出研究區水文地質概念模型為非均質各向同性二維非穩定流地下水潛水流動系統。

(2)對模型驗證期地下水資源水均衡進行了分析。研究區在模擬期內，地下水系統總補給量為3.01108m3/a，總排泄量為2.98108m3/a，補排差0.03108m3/a，其中大氣降水入滲、地表水入滲是主要補給來源，潛水蒸發、排干泄水和人工開采是主要排泄方式。

(3)對臨河地區2018—2033年地下水水位做出預測。研究區地下水呈負均衡，其中兩大水源地漏斗面積不斷向外擴大，且漏斗中心水位也有不斷下降的趨勢。