干旱灌區長時間尺度地下水數值模擬及預測

王志勇，蔣夢瑤

(1.黃河水利委員會河南水文水資源局，河南 鄭州 450000;2.蘭州大學資源環境學院，甘肅 蘭州 730000)

E-mail：2072802457@qq.com

20世紀以來隨著世界經濟的快速發展，許多干旱地區地下水開采量越來越大，以滿足日益增長的用水需求。2012年12月12日，國務院發布并實施了最嚴格水資源管理制度[1]。數值模擬作為地下水資源研究領域中，定量分析水量、水質不可或缺的手段，被廣泛應用于最嚴格水資源管理制度的落實和預測[2-4]。本文運用目前國際上應用最廣泛的三維地下水模擬系統軟件GMS(Groundwater Modeling System)，建立了焉耆盆地地下水數值模型，并利用15個觀測井的地下水位監測數據及遙感反演數據[5]進行驗證和校準，分析了現狀地下水均衡狀態。最后，采用減少地下水開采量、提高地表水引水量的處理方案，設計了5種不同的情景模式，并依據數值模擬結果提出焉耆盆地灌溉農業的可持續開采量。

1 研究區概況

焉耆盆地位于中國西北部的新疆，如圖1所示，地理坐標為41°23′—43°31′N，86°39′—88°20′E，隸屬焉耆縣、和靜縣、和碩縣、博湖縣以及8個兵團[9]，平均高程約為1050～1200m，占地總面積為1.32×106ha2，盆地最洼處為中國最大的內陸淡水湖—博斯騰湖，面積約為1.0×105ha2[6]。

作為典型的中溫帶大陸性氣候區，年蒸發量約為2000～2450mm，而年降雨量只有50～80mm。開都河是盆地內最大的河流，也是最主要的地表水補給來源，多年平均徑流量為36.4×108m3[7]。焉耆盆地地下水開采量的85.08%用于農業灌溉[8]，且用水效益低，屬于典型的干旱綠洲灌區。隨著高效節水技術的深入推廣，焉耆盆地高效節水面積已從2000年的160ha2上升為2016年的1.47×105ha2，其中高效節水灌區每增加10000ha2，地下水位降低0.25m[9]，盆地內地下水年開采量達6.76×108m3，處于過度開發狀態[10]。

焉耆盆地是一個完整的地下水系統，四周環山，西北、北部山地斷塊隆起強烈，形成高山區。盆地內可大致劃分為三大地貌單元：洪積一沖積傾斜平原、開都河三角洲以及博斯騰湖湖積平原[11]。

2 建立MODFLOW模型

本文基于GMS軟件建立干旱綠洲灌區地下水流數值模擬模型。模擬面積為10880km2，包括了盆地內的5個灌區和博斯騰湖泊。

2.1 水文地質概念模型

2.1.1含水層概化

根據地質鉆孔資料、第四系巖性結構特征以及含水層埋藏條件，將研究區內模型模擬深度定為150～200m，模擬深度以上的含水介質分為四層，區內地下水主要開采層在第四層。地下水流系統通過模型上邊界，即潛水含水層自由水面與外部發生垂向水量交換，模型的底部為第四系松散堆積物的下邊界。含水層巖性呈現非均勻的變化特征，地下水水力坡度較大，滲流速度隨著方向不同而發生變化，且具有垂直分量；地下水流的各運動要素隨時間而發生變化。綜上所述，研究區概化為四層非均質各向異性的三維非穩定流數值模型。

圖1 研究區地理位置圖

2.1.2邊界條件和源匯項處理

依據模擬區內的水文地質條件資料，模型底邊界為隔水邊界；上邊界參與入滲和蒸發過程，概化為開放邊界。補給方式主要有山前側向補給、河道滲漏、渠系滲漏、灌溉入滲和少量降水入滲。主要排泄方式有農業灌溉開采、蒸發蒸騰、排水渠排水、河流排泄和向博斯騰湖排泄。區內的北部和西部為接受山區側向徑流補給的山前地帶，其邊界概化為變流量邊界(GHB)；東部和南部以被看作等勢體的博斯騰湖為界，將其邊界概化為已知水頭邊界，其水頭值由博斯特湖實測水位指定，如圖2所示。

圖2 模型側邊界條件示意圖

2.2 數學模型

根據上述地下水流場、地下水運動定律及水文地質條件等的系統分析，本文所建立的四層結構的非均質三維非穩定流數值模型的數學表達式見式(1)。

(1)

式中，Kxx、Kyy、Kzz—X、Y、Z方向的滲透系數，m/d；Kxx=Kyy；H—水頭值，m；H0—初始水位，m；ε—源匯項，1/d；S—給水度，1/m；潛水含水層指重力給水度μd，第四層含水層在發生地下水開采活動時，會出現由承壓轉無壓的狀況，當呈現承壓含水層時，模型計算使用彈性釋水系數，而含水層在無壓狀態下時，模型計算使用重力給水度，其它含水層則使用彈性釋水系數μe；Ω—模型模擬區域的范圍；n——邊界面的外法線方向；Г—側邊界；B—底部邊界。

2.3 地下水數值模型

根據研究區現有資料將模擬時間定為2000—2016年，劃分為17個應力期，時間步長為1天。在模型區域空間離散化的基礎上，采用GMS中1000m×1000m的三維網格將模擬區劃分為80個東西向和136個南北向的網格，如圖2所示，上下分共4層，共計有效計算單元數43520個。求解數值模型的過程中，根據研究區相關勘察報告、水文地質條件和已有的抽水試驗數據賦值模型中各分區參數的初值。在瞬態模型中，初始水頭等于2000年1月穩定流模型生成的解。

2.4 模型識別與驗證

以2001年1月1日到2007年12月31日作為模型參數的率定期，通過參數區劃和試點法相結合的方法，依據不同時段的水位實測值對模型含水層參數反復調整，見表1，得到含水層的滲透系數范圍為0～90m/d，給水度范圍為0.1～0.25。以2007年1月1日到2016年12月31日作為模型參數的驗證期。本文選取圖2所示的15個觀測井進行參數的率定及驗證。選用3眼典型的長觀井，對比分析其模擬水位與實測水位，如圖3所示，各個觀測點地下水位模擬值與實測值擬合程度較高，相關系數為0.89，水位動態變化趨勢基本一致。且依據相關勘察報告可知，自2000年以后，地下水位不斷下降，降幅度在2～3m之間，部分地區水位下降超過5m，與模擬結果相符?？梢娝Ｐ湍茌^為真實地反映焉耆盆地地下含水層的實際情況，可以用來進行預測分析。

表1 含水層特性及水文地質參數取值

圖3 部分觀測井水位動態擬合圖

圖4 實測水位與模擬將結果擬合圖

3 地下水開采方案及預測

3.1 地下水量均衡分析

灌區地下水的過度開采將會對農業生產和生態產生不利影響，破壞水資源平衡。在保持其他源匯項不變條件下，以現狀年(2016年)6.75×108m3/a的開采量運行MODFLOW模型至2050年，得到地下水變化均衡表，見表2。

3.1.1現狀水均衡

區內模擬所得現狀年地下水總補給量為143658×104m3/a，入滲補給作為主要補給來源的補給量是77862.6×104m3/a，其他補給來源為河流滲漏補給、山前側向補給、和湖泊補給，補給量分別為16664.3、46114.2和3016.8×104m3/a；區內地下水排泄量為144466×104m3/a，其中地下水開采量為67566.0×104m3/a，占總排泄量的46.2%，排水渠排泄量為7926.0×104m3/a，河流排泄量為12535.0×104m3/a，蒸發蒸騰量為56439.0×104m3/a。該數值模擬結果與已有的焉耆盆相關工作報告中均衡法計算的水均衡結果和補排關系相一致。

3.1.2水均衡量變化

運行到2050年，發現盆地內的博斯騰湖北部和開都河南部部分區域出現疏干現象，地下水位不斷下降，地下水儲量也減少。這也是為什么2025年的地下水開采量還沒有發生變化，但到2050年已經減少到了64258.0×104m3；蒸散發量增加至2025年后也開始減小。

由此表明，焉耆盆地地下水處于嚴重超采的狀態。為防止研究區內地下水位進一步下降，減少地下水開采量是最有效的手段。

3.2 開采情景下的地下水模擬

考慮高效節水灌溉工程的實施、控制地下水超采和用水紅線指標[12]3個方面，通過減少地下水開采，結合地表水置換地下水的原理設置了5個開采方案，各開采方案的年開采量分別為6.38×108、5.35×108、4.52×108、4.29×108、4.12×108和3.83×108m3，并以2016年為現狀年，將該方案及現狀年的開采規模輸入識別后的模型，在保持其他源匯項不變的情況下，根據各方案開采量僅對Well和Recharge參數作相應修改，運行數值模擬至規劃年(2050年)，得到各開采方案下的地下水流場圖，如圖5所示。

表2 焉耆盆地地下水均衡表 單位：104m3

圖5 2050年各開采方案下地下水流場圖

本文將焉耆盆地合理地下生態水位埋深下限設為4.5m，上限埋深定為3.2m[13]。按照方案1的開采規模運行到2050年，有超過65%的區域地下水埋深大于生態水位下限；方案2和方案3在規劃年的地下水埋深有較為明顯的上升，但只有超過45%左右的區域地下水埋深介于合理的生態水位范圍內。方案4和方案5在規劃年的地下水埋深60%以上都在合理生態水位之間，且與初始地下水流向及流態基本保持一致，地下水系統的流入流出量基本均衡。但考慮到國務院下達的最嚴格用水制度對地下水和地表水利用指標的要求，認為在有限的水資源情況下應最大限度的利用地表和地下水資源，方案4開采規模為4.12×108m3/a時，地表水引水量達12.63×108m3，下水位不會再持續降低，且逐漸恢復穩定，滿足焉耆盆地用水紅線指標。

4 結語

(1)本文所建立的焉耆盆地的地下水數值模擬模型可真實反映當地的實際情況，預測的結果具有較強的參照性。其中，滲透系數范圍為0～90m/d，給水度范圍為0.1～0.25，典型觀測孔的實測與模擬水位擬合的相關系數為0.89。

(2)方案4的地下水開采情景運行模型至2050年，研究區內的地表水引水量達12.63×108m3，60%以上的地下水埋深都在合理的生態水位之間，確定焉耆盆地符合灌溉農業可持續發展需求的地下水可持續開采量為4.12×108m3/a。

(3)本文主要對盆地內不同開采規模下的地下水位進行了預測，在往后的科研中應綜合、系統的研究地下水開采量和分布對各補排項及水位的影響。