喀什三角洲地區(qū)地下水數(shù)值模擬與可持續(xù)利用

曲鵬飛,王小兵,張曉梅

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

地下水資源是中國水資源重要組成部分，尤其是水資源相對匱乏的西北地區(qū)，地下水資源更是成為人民生活、生產(chǎn)使用的重要資源之一[1]。隨著城市發(fā)展與人口增長，地下水資源的需求量增多，相關(guān)地下水資源評價工作也逐步加大，合理開發(fā)利用地下水資源成為評價水資源的重要工作。喀什三角洲地區(qū)，位于中國西北部，光照長、氣溫變化大，降水衡少，蒸發(fā)旺盛；地下水成為該地區(qū)的主要水源之一[2]。同時，地下水空間分布不均，可開采量較少也是限制該地區(qū)發(fā)展的因素之一[3]。喀什三角洲地區(qū)及附近曾開展多次不同精度的水文地質(zhì)勘查工作，獲得了大量的資料。國內(nèi)許多學者進行野外勘查，并進行相關(guān)數(shù)值模擬工作，最終對不同區(qū)域進行地下水資源評價及可持續(xù)利用都取得豐碩的成果[4]。周念清[5]等利用MODFLOW建立宿遷市地下水流數(shù)值模型，模擬的結(jié)果可制定合理的地下水開采方案，控制地下水位，得到最大允許開采量。錢會[6]等利用數(shù)值模擬對喀什市中心的地下水進行簡單的水質(zhì)分析、建立數(shù)學模型，選取最合適的地下水開采方案，滿足城市用水需求。梁世川[7]通過GMS軟件建立數(shù)學模型，分析了喀什三角洲地區(qū)蓋孜河水源地的“跌水”成因分析。許多學者在地下水資源的評價和開發(fā)中，統(tǒng)一采用經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的水資源開發(fā)管理模式[8-10]。目前對喀什噶爾河水系組成的沖洪積扇及沖積平原獨特的水文地質(zhì)特征取得了一定的理論認識和資料積累[11]，但并未對地質(zhì)構(gòu)造條件對地下水模擬進行相關(guān)研究，盡管有學者進行局部地區(qū)的研究模擬分析，但是針對全區(qū)域上的地下水資源模擬研究較少。因此，本文在不破壞當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的前提下，結(jié)合區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件，利用Visual MODFLOW對喀什三角洲地區(qū)地下水進行數(shù)值模擬[12-15]，分析評價當?shù)貐^(qū)域上的水資源，為解決喀什市水質(zhì)型缺水供水問題提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 區(qū)域概況

研究區(qū)位于塔里木盆地西部，北依西天山山脈，南靠西昆侖山山脈，西接帕米爾高原，東臨塔克拉瑪干沙漠，形成一個半封閉的喇叭形盆地[9]E75°09′42″-76°15′25″，N38°58′12″-39°35′21″，東西長94.0 km，南北寬68.0 km，總面積6392.0 km2，行政區(qū)隸屬于喀什地區(qū)疏勒縣、疏附縣、阿克陶縣管轄(見圖1)。按成因可劃分為5種地貌類型：第一種為侵蝕-剝蝕中高山；第二種為剝蝕低山丘陵，調(diào)查區(qū)南、西、北方向均有分布；第三種為山前沖洪積礫質(zhì)平原，主要分布在山區(qū)與細土平原區(qū)的過渡地帶；第四種為沖積細土平原，主要分布在調(diào)查區(qū)的中下游區(qū)；第五種為局部零星出露的風成砂丘，主要分布于山前沖洪積礫質(zhì)平原和沖積細土平原。喀什區(qū)地貌略見圖2。

1.2 區(qū)域水文地質(zhì)條件

根據(jù)研究區(qū)地形地貌、構(gòu)造條件，以中部庫木塔格背斜、克孜勒河與蓋孜河-庫山河徑流自然邊界為分界線，結(jié)合遙感解譯及地下水賦存分布與含水層特征、補徑排條件、地下水水化學特征等調(diào)查成果，調(diào)查區(qū)可劃分為3個水文地質(zhì)單元，即北部克孜勒河-恰克馬克河平原區(qū)水文地質(zhì)單元、南部蓋孜河-庫山河平原區(qū)水文地質(zhì)單元以及西部烏魯阿特小河平原區(qū)水文地質(zhì)單元。研究區(qū)水文地質(zhì)單元劃分衛(wèi)星影像見圖3。

本區(qū)域內(nèi)地下水主要接受區(qū)內(nèi)引水渠水入滲補給、田間灌溉入滲、側(cè)向徑流入滲，以及井泉水回歸入滲、大氣降水入滲、山前暴雨洪流入滲、潛流補給、河道入滲補給。地下水徑流總體方向是由北西流向南東。區(qū)內(nèi)地下水的主要排泄方式為人工開采、泉水溢出和地下水蒸發(fā)、植被的蒸騰以及側(cè)向流出調(diào)查區(qū)。北部克孜勒河-恰克馬克河平原區(qū)水化學類型以SO4-Ca·Mg(Na)型為主，硫酸鹽含量最大可達3 900 mg/L；硬度最大可達3 160 mg/L；礦化度最大可達6 870 mg/L，水質(zhì)很差。南部蓋孜河-庫山河平原區(qū)水化學類型以SO4·HCO3-Mg·Ca·Na型、HCO3·SO4-Na·Mg型為主，硫酸鹽含量最大可達到260 mg/L；硬度含量最大可達340～610 mg/L；礦化度最大可達330 mg/L，水質(zhì)較好。西部烏魯阿特小河(流域)平原區(qū)水文地質(zhì)概況水化學類型以SO4·HCO3-Ca·Mg·Na型、HCO3·SO4-Ca型為主，硫酸鹽含量最大可達156 mg/L；硬度含量最大可達236 mg/L；礦化度最大可達424 mg/L，水質(zhì)較好。

2 地下水流數(shù)值模擬

2.1 水文地質(zhì)概念模型

(1) 模擬區(qū)范圍

依據(jù)計算區(qū)域內(nèi)地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，將計算區(qū)邊界概化，喀什地區(qū)水文地質(zhì)概念模型如圖4所示。

BCD邊界概化為流量邊界(第二類補給邊界)，補給來源為烏魯阿特小河單元上游河流入滲形成的地下水側(cè)向徑流補給；DEF、BAK邊界概化為新近系透水性差的地層，概化為零流量邊界；IJ、LM邊界概化為流量邊界，補給來源為克孜勒河上游河流入滲形成的側(cè)向徑流補給；HG邊界概化為流量邊界(第二類排泄邊界)，為克孜勒河、蓋孜河-庫山河流域地下水向下游側(cè)向徑流排泄；根據(jù)本次調(diào)查及初始流場圖，及邊界地層為新近系透水性差的地層，IH、JL、AM、FG邊界概化為零流量邊界；區(qū)內(nèi)邊界主要為1區(qū)與2區(qū)，KF邊界概化為流量邊界，(第二類排泄與補給邊界)。

2.2 地下水流數(shù)學模型

根據(jù)喀什水文地質(zhì)概念模型，建立喀什地區(qū)地下水流數(shù)學模型為：

(1)

公式(1)中：H為地下水位標高,m;Kh為滲透系數(shù),m/d;Kv為滲透系數(shù)，m/d；μ為給水度;SS為彈性儲水系數(shù),1/m；x,y,z為坐標變量,m；H0為初始水位標高，m；W為垂向水量交換強度，m3/(d·m2)；q為第二類邊界上的單寬滲流量，m2/d；Qi為第i個單元的開采強度, m2/d；δi為第i個單元的狄克拉函數(shù);n為邊界外法線方向；h為定水頭水位標高,m;Ω為模擬區(qū)范圍。

2.3 參數(shù)分區(qū)

以地質(zhì)地貌及含水層的結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，結(jié)合前人資料和觀測孔的動態(tài)曲線，進行參數(shù)分區(qū)。據(jù)此區(qū)內(nèi)概化為58個滲透系數(shù)分區(qū)和58個給水度分區(qū)，潛水層滲透系數(shù)分區(qū)示意見圖5、潛水層滲透系數(shù)分區(qū)見表1,承壓水層概化為35個滲透系數(shù)分區(qū)和35個彈性儲水率分區(qū)(如圖6、表2)。各參數(shù)分區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)初值包括滲透系數(shù)K，給水度μ、彈性釋水率SS等。

表1 潛水層滲透系數(shù)分區(qū)

表2 承壓水層滲透系數(shù)分區(qū)

2.4 模型的識別與驗證

在進行模擬預測之前，需要對模型進行識別與驗證，即校正數(shù)學方程、地質(zhì)參數(shù)及邊界條件等一些反映計算區(qū)的實際水文地質(zhì)條件[16-17]。結(jié)合前人的成果，選用2012年10月1日至次年3月31日模擬區(qū)內(nèi)地下水動態(tài)觀測資料和各種源匯項資料對模型進行模擬識別。利用識別的水文地質(zhì)參數(shù)等對2013年4月1日至9月30日的區(qū)內(nèi)地下水動態(tài)觀測資料和地下水流場圖(見圖8)進行驗證。模型識別與驗證時應用了31個觀測孔的水位實測值作為擬合對象，本文以典型觀測孔A66作為分析對象如圖7所示，驗證期各觀測孔的計算值與實測值擬合曲線，其中藍線藍點表示觀測值，紅點紅線表示模擬值。

根據(jù)圖7結(jié)果顯示，所有混合水位觀測井，在模型識別期與驗證期內(nèi)降速場的宏觀形態(tài)效果較好，地下水位模擬值與實測值的形態(tài)基本一致。全部觀測孔的擬合絕對誤差平均值均小于1 m，滿足誤差精度的要求。從圖8可知，模型驗證期末時刻計算水位與實際水位擬合較好。從水均衡計算結(jié)果來看，模型計算的水均衡與采用均衡法計算的結(jié)果基本接近。分析結(jié)果表明，從水位降深、流場線和均衡量對比等3個方面看，觀測孔擬合精度較高，流場線效果比較好，模型運行處的水均衡均衡與實際計算的均衡法結(jié)果相差不大，模型識別優(yōu)化后的水文地質(zhì)參數(shù)等于實際地質(zhì)條件符合，基本反映區(qū)內(nèi)的地下水流特征，說明模型具有較高的仿真性。

3 地下水資源的預測分析

研究區(qū)擬建兩大水源地，西部烏魯阿特小河水源地、東南部庫山河水源地；本次預測方案在水源地內(nèi)，進行科學分析評價。

3.1 水源地開采方案

方案一是在蓋孜河補給區(qū)開采10萬m3/d，主要考慮斷裂帶上盤烏魯阿特小河研究區(qū)對其補給排泄是否會產(chǎn)生影響；方案二是在蓋孜河補給區(qū)開采10萬m3/d的基礎(chǔ)之上，在斷裂帶上部烏魯阿特小河研究區(qū)額外增加開采量30萬m3/d；方案三是在蓋孜河補給區(qū)開采10萬m3/d的基礎(chǔ)之上，在斷裂帶上部烏魯阿特小河研究區(qū)額外增加開采量30萬m3/d的同時，增加庫山河水源地18萬m3/d的開采量，此水源地作為喀什未來10 a的水源地之一。

3.2 不同方案下的流場變化

(1) 方案一地下水流場及降深場的變化

方案一是在蓋孜河流域補給區(qū)進行的10萬m3/d的現(xiàn)狀開采，單井開采量為5 000 m3/d，共20眼井。計算末時刻地下水流場如圖9，降深場如圖10。

(2) 方案二地下水流場及降深場的變化

方案二是在蓋孜河流域補給區(qū)進行的10萬m3/d的現(xiàn)狀開采的基礎(chǔ)上，在西部烏魯阿特小河研究區(qū)沖洪積平原處額外開采30萬m3/d的資源量，此處單井開采量為5 000 m3/d，井間距為500 m，符合開采井的影響半徑，共60眼井。計算末時刻地下水流場如圖11，降深場如圖12。

(3) 方案三地下水流場及降深場的變化

方案三是在蓋孜河流域補給區(qū)進行的10萬m3/d的現(xiàn)狀開采以及西部烏魯阿特小河研究區(qū)沖洪積平原處計劃開采30萬m3/d的資源量的基礎(chǔ)上，在東南部庫山河沖洪積帶處額外開采18萬m3/d的資源量，此處單井開采量為5 000 m3/d，井間距為500 m，符合開采井的影響半徑，共36眼井。計算末時刻地下水流場如圖13，降深場如圖14。

3.3 最佳方案的確定

由表3可以看出，由上述3種方案分析可以看出，隨著地下水開采強度的加大，在水源地附近會逐漸形成地下水位降落漏斗，在庫山河洪積扇的水位降深達到7 m，在烏魯阿特小河研究區(qū)降深達到28 m，但是由于是在沖洪積扇中部，且?guī)r性顆粒較大，此降深不會對表生生態(tài)造成破壞性的影響；庫山河水位降深達到7 m，已到生態(tài)警戒水位。開采量加大，面積增加，地下水開采奪取了35%的無效蒸發(fā)量，方案一與方案二奪取的無效蒸發(fā)量相對較少，同時，為滿足喀什城區(qū)居民用水及農(nóng)耕用水需求，為滿足地下水可持續(xù)發(fā)展與表生生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展等綜合因素考慮，方案三推薦為可開采最佳方案。總體來講，方案三開采條件和環(huán)境狀況符合地下水資源可持續(xù)供給的約束條件。

表3 地下水可開采量、最大降深與蒸發(fā)泉水減少量統(tǒng)計

4 結(jié) 論

本文以喀什地區(qū)地下水項目為基礎(chǔ)，并采用數(shù)值仿真模擬方法分析全區(qū)內(nèi)的地下水資源量,確定區(qū)域地下水可采量，并提出可行性的開采方案。形成結(jié)論如下:

(1) 研究區(qū)內(nèi)部構(gòu)造發(fā)育、地層巖性結(jié)構(gòu)復雜性、地貌單元面積大，通過忽略透鏡體等方法概化地層結(jié)構(gòu)；據(jù)此構(gòu)建含水巖組的空間結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)模型基本反映研究區(qū)內(nèi)的水文地質(zhì)條件，為建立數(shù)值仿真性模型奠定基礎(chǔ)。

(2) 依據(jù)水文地質(zhì)條件、地下水動力成因分析結(jié)果，對源匯項進行時間尺度的處理；基于Visual MODFLOW軟件平臺，建立地下水流數(shù)值仿真模型，并從流場、降深值和地下水均衡等方面對數(shù)值模型進行識別與驗證；并對現(xiàn)有的滲透系數(shù)K(3～83.5 m/d)、潛水層給水度(0.01～0.23)等參數(shù)進行優(yōu)化，使建立的數(shù)值模型具有較高的仿真性和可靠性。

(3) 以地下水資源與生態(tài)可持續(xù)發(fā)展為前提，以控制地下水位在一定范圍內(nèi)、地下水資源量控制、均衡、奪取無效蒸發(fā)量等原則，結(jié)合研究區(qū)內(nèi)構(gòu)件的數(shù)值仿真計算結(jié)果，在蓋孜河補給區(qū)現(xiàn)狀年開采10萬m3/d的基礎(chǔ)上，在研究區(qū)西部及東南部分別增加30萬、18萬m3/d的開采量，滿足喀什市未來需水量的中長期規(guī)劃與地下水資源的可持續(xù)利用。