新疆車爾臣河地下水資源量數值模擬分析

劉天超，曹大元，于 寧，李 通

(新疆地礦局第一區域地質調查大隊，新疆 烏魯木齊 830013)

研究區南部為昆侖山-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。區域內地貌類型分為構造侵蝕剝蝕地貌、侵蝕重力堆積地貌、堆積為主、微地貌。為了提出該研究區地下水合理開發利用與保護方案，本文在對研究區地質條件分析的基礎上，并參考相關文獻[1-5]，建立了研究區水文地質概念模型和數值模型，對研究區地下水的資源量進行了計算分析，最后并對研究區的地下水水位進行了預測。

1 水文地質概念模型

1.1 模擬區范圍

1.2 邊界條件概化

1.2.1 模擬區的側向邊界概化

依據收集的資料、水文地質鉆探、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的地下水流場特征等方面將計算區邊界概化如下：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給，概化為流量邊界中的補給邊界；二是其余南部邊界為由于出山口阻水構造影響概化為零流量邊界；由于地下水流向為沿車爾臣河方向向東部排泄，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，北部邊界根據地下水流場圖，沒有水量流入或流出，概化為零流量邊界。

1.2.2 模擬區的上、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、灌溉入滲補給、地下水回歸補給、渠系入滲補給，地下水排泄以側向排泄、開采以及排堿渠蒸發和部分地區的潛水蒸發為主。項目鉆孔揭露深度為200 m，故本次將下界面設置在200 m，為隔水邊界。

1.3 含水層的概化

根據水文地質條件，將計算區含水層概化如下：

(1)南段鉆孔揭露的200 m以上的含水層概化為單一結構潛水，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、阿熱勒鄉一線以南段，阿爾金山山前傾斜平原。

(2)計算區中部含水層概化為潛水-承壓水含水層，多層結構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東側、呈條帶狀展布，以及西側薩爾瓦敦開發區原故河道一帶。潛水含水層巖性由卵礫石，向東北漸變為砂礫石、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)計算區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，沒有明顯連續弱透水層。由于每層巖性均不同，故概化為非均質、各向異性。

1.4 計算區水力特征概化

計算區內地下水由南向北后向東側徑流，其中部潛水-承壓水分布地段由于潛水位與承壓水位一致，故越流補給。根據地表水地下水轉化規律，在沖洪積平原區河水補給地下水，在河谷平原區及其下游地段，地下水補給河水，上游以側向徑流方式排泄，而下游以蒸發排泄；承壓水接受上游側向徑流及以側向徑流排泄為主。

計算區地下水含水空間為第四系松散巖層，孔隙分布連續，呈漸進式變化，孔隙中的地下水流動狀態為層流，符合達西定律，但區內地下水受人工條件影響，地下水呈非穩定狀態，因此計算區地下水流態概化為三維非穩定流。

2 數學模型的建立

2.1 數學模型表達式

根據計算區水文地質概念模型，對應的數學模型選用非均質各向異性三維非穩定流數值模型，所建立的數學模型可表示為：

式中：Kxx、Kyy和Kzz分別為X、Y和Z方向的滲透系數[L/T]，Kxx=Kyy；H為水頭值[L]；ε為源匯項[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為側邊界；B為底邊界。

2.2 模型的離散

2.2.1 空間離散

對計算區在空間上的離散包括平面上的網格剖分和垂向上的分層。平面上采用等間距矩形網格進行剖分，采用等間距有限差分的離散方法，在地下水模型中進行自動剖分，剖分網格間距為1 000 m×1 000 m，每個單元面積1 km2，X方向上剖分201個網格，Y方向剖分223個網格，垂向上剖分為3層，共201×223×3=134 469個網格，有效模擬面積為20 000 km2。研究區內網格數量為36 809個，所占面積為5 474.7 km2。

2.2.2 時間離散

本次模擬以2017年7月作為初始時刻，其中利用2017年8月至2018年7月作為模型識別期，根據均衡項計算將應力期分為12期，根據地下水位的觀測時間，時間步長以30天為單位，進行模擬及識別。

2.3 模型的識別

2.3.1 邊界條件的處理

根據上述邊界條件概化結果在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用Recharge模塊進行處理，蒸發用Evapotranspiration模塊來處理；將側邊界條件概化為流量邊界，包括南部的河谷潛流補給流量邊界、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

模型計算區地下水位初始值，以2017年7月統測水位資料，對每一個單元賦初始水位值。

2.3.3 模型參數選用

根據已有抽水試驗資料，確定不同巖性的水平、垂向滲透系數和給水度。結合巖性的空間分布規律，采用參數分區的方法確定各單元滲透系數和給水度，分別賦初值。

2.3.4 源匯項的處理

河谷潛流、側向徑流量作為邊界流入量，在邊界進行賦值。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給，采用Recharge模塊進行模擬。河流上游脫節段入滲為線狀補給，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，模型自動計算邊界流量。井開采量采用Well模塊處理。排堿渠蒸發量統一加至農田范圍內，采用Recharge模塊處理。潛水蒸發量在模型中，采用與此等效的線性關系用蒸發(ET)模塊進行模擬。

2.4 源匯項數值模擬結果

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

(2)地下水總補給量為55 868.8×104m3/a。

其中河道入滲補給量為42 111.3×104m3/a，占總補給量75.3%，其余各項補給量均小于總補給量的10%，河道入滲補給量占有絕對的地位。表明項目區內地下水主要來源為河流入滲補給，河流流量及入滲能力直接決定了區內水資源總量。

(3)地下水總排泄量為55 558.7×104m3/a。

其中蒸發排泄量為42 230.4×104m3/a，占總排泄量76.3%。表明區內地下水主要從上游補給區徑流至細土顆粒平原后，以蒸發方式排泄。細土平原區地下水埋深淺，地下水資源主要起到生態供水功能，保證胡楊、蘆葦等天然植被根系水分吸收，但地下水位埋深淺區范圍較大，導致潛水蒸發較強，區內有較強鹽漬化現象發生。

模擬期水量均衡結果符合實際，進一步驗證了識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測。

3 研究區地下水資源量分析

3.1 研究區地下水資源量模擬結果

研究區補給量為51 171.9×104m3/a，占到全區補給量的91.6%，排泄量為50 532.6×104m3/a，占到全區排泄量的91.3%。

3.2 研究區可采資源量模擬結果

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

4 研究區地下水預測

4.1 預測方案

方案一：以2017年為現狀年，在現狀基礎條件下預報，預報至下一個五年計劃，即2025年末結束，共計九年。主要預測其地下水位變化趨勢，輔助分析地下水資源開發利用合理性。

方案二：結合以下當地十三五規劃，配合工農業發展對水資源供需要求，預報人類活動情況下地下水演變趨勢，從2020年開始預測，2030年結束，共計十年。

其中十三五規劃具體涉及與地下水相關內容如下為本次預報的具體內容。

(1)在車爾臣上游新建水庫、建成高標準節水灌溉面積30萬畝，節水2 170×104m3的基礎上進行水源地開采預測。

(2)本次預報選取了兩處水源地，分別為恰瓦勒墩開發區東側水源地和車爾臣河山前富水地段水源地，

4.2 預測定解條件

4.2.1 預測時段

方案一預測期為9年，共9個應力期，模型計算的時間步長為30 d，預測期內共計3 287 d；方案二預測期為10年，共10個應力期，模型計算的時間步長為30 d，預測期內共計3 652 d。

4.2.2 初始流場及邊界條件

方案一采用穩定流模型識別后的流場為初始流場，方案二2020年初始流場采用現狀年預報的2020年流場，邊界條件不變。

4.2.3 源匯項處理

方案一源匯項將采用現狀年2017年條件下的源匯項，方案二采用十三五規劃具體設計的源匯項以及水源地設計開采量進行預測。

4.2.4 預報計算結果

根據預測結果，各觀測孔水位降深在-0.03～7 m之間。大部分觀測孔均出現水位下降情況。水位下降觀測孔大多分布于車爾臣河中游地區，即且末縣及其周邊的鄉鎮，局部地段人工開采量大于補給量，造成其地下水位下降。

5 結語

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

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

(3)根據預測結果，研究區各觀測孔水位降深在-0.03～7 m之間。大部分觀測孔均出現水位下降情況。水位下降觀測孔大多分布于車爾臣河中游地區，即且末縣及其周邊的鄉鎮，局部地段人工開采量大于補給量，造成其地下水位下降。