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(1.中國地質(zhì)調(diào)查局 a.西安地質(zhì)調(diào)查中心;b.陜西省水資源與環(huán)境工程技術(shù)研究中心；c.干旱半干旱區(qū)地下水與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710054；2. 北京大學(xué) 水資源研究中心，北京 100871)

1 研究背景

水資源管理模型的研究，在國內(nèi)外已有成功實(shí)例和模擬模型，如美國德克薩斯州的流域水資源管理模型、澳大利亞半干旱流域水量平衡模型等[1]，另外，Martin Volka等人提出的水資源管理系統(tǒng)模型，并且以FLUMAGIS生態(tài)經(jīng)濟(jì)模塊作為的重要模塊來進(jìn)行模擬[2]。國內(nèi)的研究成果主要有：水資源系統(tǒng)模擬模型、黃河流域水資源規(guī)劃模擬模型、鑒江流域水資源供需平衡優(yōu)化決策模型等。

區(qū)域地表水和地下水的開發(fā)利用格局與方式會(huì)對水循環(huán)過程產(chǎn)生深刻的影響，從而引起地表水產(chǎn)匯流機(jī)制和地下水補(bǔ)排關(guān)系發(fā)生明顯的變化。然而，傳統(tǒng)的水資源管理模型在沒有深入地考慮地下水補(bǔ)給與利用問題，很少從地下水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的角度詳細(xì)探究水資源管理模型。因此，為了使水資源評價(jià)成果能真正應(yīng)用于水資源開發(fā)利用規(guī)劃和動(dòng)態(tài)管理，必須考慮地表水與地下水相互轉(zhuǎn)化問題，從不同的地下水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)出發(fā)進(jìn)行水資源的統(tǒng)一管理。在對地下水賦存特征和規(guī)律詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行三維數(shù)值模擬評價(jià)，進(jìn)一步開展水資源優(yōu)化開采設(shè)計(jì)研究就顯得尤為重要。目前，眾多學(xué)者，例如霍傳英等[3-6]從水流數(shù)值模擬的角度開展水資源可持續(xù)利用方面的研究。

面向生態(tài)的水資源管理問題，是一個(gè)涉及到多學(xué)科、多層次、多目標(biāo)和復(fù)雜理論結(jié)構(gòu)的綜合專業(yè)領(lǐng)域[7]。把水循環(huán)過程和水資源的優(yōu)化配置有機(jī)結(jié)合起來，權(quán)衡水資源利用的生態(tài)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，以水資源的生態(tài)經(jīng)濟(jì)綜合效益最大為目標(biāo)，研究內(nèi)陸河流域水資源合理配置的目標(biāo)、原則與機(jī)制。左其亭等[8-9]在做了不同程度的基于生態(tài)的水資源優(yōu)化配置研究，并取得了一系列的成果。

陜北能源化工基地風(fēng)沙灘地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，薩拉烏蘇組含水層地下水資源豐富，本次選擇薩拉烏蘇組地下水分布區(qū)建立地下水優(yōu)化開采管理模型。在薩拉烏蘇組地下水流數(shù)值模型的基礎(chǔ)上，以水源地詳細(xì)勘查資料和植被-地下水關(guān)系研究為基礎(chǔ)，開發(fā)構(gòu)建面向生態(tài)安全的水源地開采量優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。

2 陜北能源化工基地薩拉烏蘇組地下水概況

薩拉烏蘇組含水層地下水是陜北能源化工基地最主要的地下水類型之一，分布于榆林市榆陽區(qū)以及神木縣西北部沙漠灘地區(qū)，面積7 868 km2，含水層厚度一般為40～90 m，平均52 m，呈現(xiàn)從東向西、從北向南遞增的變化規(guī)律[10]。薩拉烏蘇組地下水賦存條件受現(xiàn)代地貌、古地理環(huán)境、含水層厚度、巖性特征等因素控制，富水性受含水層厚度、補(bǔ)給條件及河流水文網(wǎng)控制。在沙漠灘地區(qū)腹地和古河道中心部位，由于地形較為平坦，上覆大面積的現(xiàn)代風(fēng)積沙，極利于大氣降水入滲補(bǔ)給，加之四周地勢較高、中間低洼，含水層厚度大，儲(chǔ)水條件好，地下水豐富，單井涌水量一般在1 000 m3/d以上，最大可達(dá)4 000 m3/d左右。薩拉烏蘇組含水層被切割外露，甚至臨谷疏干，沙漠灘地邊緣部位因地勢較高，含水層較薄或地形切割較深，排泄作用強(qiáng)，儲(chǔ)水能力下降，含水層富水性較差。

圖1 陜北能源化工基地地下水資源及水源地分布圖

薩拉烏蘇組地下水主要接受大氣降水補(bǔ)給，在東部邊界附近局部接受白堊系地下水越流補(bǔ)給。受無定河、海流兔河、榆溪河、禿尾河、窟野河以及紅堿淖等內(nèi)流湖淖控制，地下水在河流與湖淖各自構(gòu)成的水流系統(tǒng)中徑流與排泄。泉和潛流是最主要的排泄形式，其次為蒸發(fā)和人工開采排泄。沙漠灘地邊緣的溝谷，常為地下水的排泄區(qū)，有諸多泉水產(chǎn)出，同時(shí)存在潛流而成為風(fēng)沙區(qū)河流的源頭。此外，在水位淺埋的灘地和湖淖周邊，薩拉烏蘇組地下水被蒸發(fā)排泄以及農(nóng)灌開采排泄。薩拉烏蘇組地下水系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力極強(qiáng)，泉流量較穩(wěn)定。由于循環(huán)路徑較短，地下水更新快，水質(zhì)良好，溶解性總固體含量一般在200～400 mg/L，水化學(xué)類型多為HCO3—Ca·Mg型。

本文將研究區(qū)劃分為33個(gè)集中供水水源地，集中水源地以及區(qū)域水文地質(zhì)情況如圖1。

3 基于生態(tài)約束的地下水資源優(yōu)化管理模型

3.1 模型構(gòu)建

地下水優(yōu)化管理模型由地下水流模擬和優(yōu)化2部分構(gòu)成。植被狀況的變化是反映區(qū)域性生態(tài)環(huán)境狀況的重要指標(biāo)[11]。在基于生態(tài)約束的地下水優(yōu)化管理模型中，地下水流模擬部分負(fù)責(zé)更新優(yōu)化管理問題涉及的狀態(tài)變量(如水位)，而優(yōu)化部分負(fù)責(zé)尋求滿足植被生態(tài)所決定的地下水位約束條件的決策變量，即各水源地開采量的最佳組合，以求得在這樣的約束條件下目標(biāo)函數(shù)的最大值，即各個(gè)水源地的最大地下水可開采量。

3.2 生態(tài)敏感性區(qū)劃

氣候和土壤條件控制著地帶性植被生態(tài)的大格局，導(dǎo)致區(qū)內(nèi)以旱生植物為主，僅在潛水埋深較淺的區(qū)域，植物生長依賴于地下水，地下水位的變化將會(huì)引起植被生態(tài)變化。并以潛水埋深閾值<1.2 m，1.2～3.8 m，3.8～8.0 m，>8.0 m為主要依據(jù)，將勘查區(qū)劃分為地下水開發(fā)的植被生態(tài)一級敏感區(qū)、二級敏感區(qū)、三級敏感區(qū)和非敏感區(qū)。

一級敏感區(qū)(地下水位<1.2 m的區(qū)域)：地下水位下降對該區(qū)植被生態(tài)條件的影響具有正、負(fù)生態(tài)效應(yīng)。該區(qū)域可適度開采地下水，用于當(dāng)?shù)厝罕娚钣盟娃r(nóng)業(yè)用水；適當(dāng)降低潛水位，以減少無效蒸發(fā)量，改善土壤鹽漬化，提高植被覆蓋度。二級敏感區(qū)(地下水位在1.2～3.8 m的區(qū)域)：植被生態(tài)長勢良好，地下水位下降會(huì)使?jié)裆椭猩参镩L勢受到抑制，生態(tài)環(huán)境向旱生植物方向變化。該區(qū)應(yīng)維持現(xiàn)狀地下水位，保護(hù)植被生態(tài)。三級敏感區(qū)(地下水位在3.8～8.0 m的區(qū)域)和非敏感區(qū)(地下水位<8.0 m的區(qū)域)植物生長對地下水的依賴程度比較弱，地下水位下降產(chǎn)生的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)在容許范圍之內(nèi)。但是，必須充分考慮該區(qū)地下水開采對同一地下水系統(tǒng)內(nèi)的相鄰一級敏感區(qū)和二級敏感區(qū)的影響。故將三級敏感區(qū)和非敏感區(qū)生態(tài)約束條件確定為對同一地下水系統(tǒng)內(nèi)的相鄰一級敏感區(qū)和二級敏感區(qū)不至于產(chǎn)生明顯影響。

3.3 數(shù)學(xué)模型

針對陜北能源化工基地水資源匱乏、生態(tài)環(huán)境脆弱等問題，建立了基于生態(tài)安全的地下水管理模型。在ArcGIS下，首先將模型離散網(wǎng)格單元與生態(tài)敏感性分區(qū)圖疊加，獲取模型各單元水位埋深約束值，然后將結(jié)果與地面高程DEM數(shù)據(jù)疊加，利用DEM地面高程數(shù)據(jù)減去水位約束埋深，得到各單元的約束水位高程。優(yōu)化管理所采用的目標(biāo)函數(shù)為

(1)

約束條件：

(2)

(3)

圖2 各水源地開采量優(yōu)化前后對比

3.4 結(jié)果分析

對植被生態(tài)敏感區(qū)水源地可開采量的優(yōu)化模擬，非敏感區(qū)的水源地沒有納入該優(yōu)化開采模型。各水源地優(yōu)化前、后的開采量對比見圖2。從圖中可以看出，在優(yōu)化的17個(gè)主要水源地中，優(yōu)化后地下水可采量都有不同程度的增多。其中檸條塔、麻家塔、河則溝、沙母河溝、小保當(dāng)、金雞灘、趙家灣、白界8個(gè)水源地優(yōu)化后可開采水量有明顯增多，這些水源地主要分布在風(fēng)沙灘地的東北部和東南部，而西部地區(qū)各水源地優(yōu)化后新增開采量比較小，一般不超過10%。從模擬結(jié)果(優(yōu)化前)與優(yōu)化結(jié)果的均衡計(jì)算可以得出如下的結(jié)論：

(1) 優(yōu)化方案均衡項(xiàng)(表1)中，各項(xiàng)補(bǔ)給量均未發(fā)生變化，說明風(fēng)沙灘地區(qū)薩拉烏蘇組地下水開采中不會(huì)得到新的補(bǔ)給水源，不必考慮增加的補(bǔ)給量。

(2) 增加的可采資源量均由減少的潛水蒸發(fā)量構(gòu)成:現(xiàn)狀條件下潛水蒸發(fā)量為177.53×104m3/d;模擬方案條件下潛水蒸發(fā)量為167.49×104m3/d;優(yōu)化方案條件下潛水蒸發(fā)量為149.43×104m3/d;在地下水位淺埋區(qū)又增加了開采量，其蒸發(fā)量較現(xiàn)狀減少28.10×104m3/d。

表1 優(yōu)化結(jié)果與模擬結(jié)果方案均衡項(xiàng)

(3) 優(yōu)化方案與模擬方案相比，地下水向河流的排泄量由171.32×104m3/d增大到173.43×104m3/d，增大了2.11×104m3/d，與現(xiàn)狀相比，河流排泄量由180.82×104m3/d減少到173.43×104m3/d，僅減少了7.39×104m3/d，風(fēng)沙灘地區(qū)采用管井在面上開采地下水所引起的河流排泄減少量僅占現(xiàn)狀河流排泄量的4.09%，各河流的基流減少量甚微。

(4) 在地下水現(xiàn)狀開采量34.76×104m3/d的基礎(chǔ)上，可采用管井方式新增地下水開采量35.68×104m3/d，優(yōu)化方案與模擬方案相比，地下水開采量增加了20.00×104m3/d。

結(jié)論表明，優(yōu)化方案既考慮了風(fēng)沙灘地區(qū)地表植被生態(tài)的約束，又保證了河流基流量不明顯減少，增加的開采資源量均來自減少蒸發(fā)量，所以，優(yōu)化方案是可行的。

4 結(jié)論與討論

本文針對薩拉烏蘇組含水層與植被生態(tài)環(huán)境空間分布特征，在地下水水流數(shù)值模擬模型的基礎(chǔ)上，以開采量最大化為目標(biāo)，以對生態(tài)環(huán)境破壞最小化為約束條件，開發(fā)了陜北能源化工基地薩拉烏蘇組地下水優(yōu)化管理模型。經(jīng)過優(yōu)化模擬可知，結(jié)果表明，考慮了風(fēng)沙灘地區(qū)地表植被生態(tài)約束后，全區(qū)開采量為70.44×104m3/d，其蒸發(fā)量較現(xiàn)狀減少28.10×104m3/d，引起的河流排泄減少量僅占現(xiàn)狀河流排泄量的4.09%，優(yōu)化方案既保護(hù)了生態(tài)環(huán)境的完整性，又保證了河流基流量不明顯減少，增加的開采資源量均來自減少蒸發(fā)量，優(yōu)化開采方案合理可行，為陜北能源基地水資源利用提供技術(shù)支撐。

本文對陜北能源化工基地薩拉烏蘇組地下水資源優(yōu)化管理模型進(jìn)行了深入研究，雖取得了一定的成果，但尚有一些工作仍需進(jìn)一步深入研究，主要有以下幾個(gè)方面：①模擬區(qū)觀測點(diǎn)位的動(dòng)態(tài)變化資料是限制地下水流模型模擬精度的最大制約因素，雖然模型整體上計(jì)算水位與實(shí)際水位基本吻合，但在局部上還有一定的偏差，還需長時(shí)間序列的檢驗(yàn)，精度有待進(jìn)一步提高；②地下水系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的、開放的系統(tǒng)，因此，已建立的地下水流模型還應(yīng)在具體的應(yīng)用運(yùn)行過程中進(jìn)行不斷的修正、補(bǔ)充和完善；③本次側(cè)重于水量和水位關(guān)系的研究，而對水質(zhì)未予考慮。資源與環(huán)境是相互依存、不可分割的，與地下水運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬相關(guān)的問題，如地下水污染及溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)尺度效應(yīng)的研究越來越被重視。

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