馬 堯，吳 彬

(新疆農(nóng)業(yè)大學 水利與土木工程學院，新疆 烏魯木齊830052)

準東基地水源地地處天山博格達峰北麓，水磨河沖洪積扇區(qū)。由于水源地的現(xiàn)狀供水量(2.192 3×104m3/d)，不能滿足需水量要求，要求新增至3.176 4×104m3/d。為合理評價水源地可開采量，預測分析開采后水位、水量變化，建立了基地水源地數(shù)值模型。

1 水文地質條件及概念模型

準東基地水源地位于新疆昌吉回族自治州阜康市城關鎮(zhèn)，總面積53.92 km2，地處歐亞大陸腹地，屬干旱氣候區(qū)。年平均氣溫僅4.2℃，多年平均降水量380 mm，多年平均蒸發(fā)量1 463.0 mm。

項目區(qū)所在的水磨河流域包括水磨河及西側的互爾薩依溝和小紅溝，東部毗鄰三工河，流域呈狹長狀，河流流向由南向北。河流主要接受冰川融水及大氣降水的補給。水源地跨越不同的地貌單元，南起博格達山區(qū)，北端接近水磨河沖洪積扇前緣，地形南高北低，地下水沿水磨河匯集由南向北徑流，形成一個較完整的地下水流系統(tǒng)(見圖1)。

由沖洪積扇后緣至扇前地層巖性主要為砂卵礫石、砂、亞砂土等。水源地為單一巨厚的潛水系統(tǒng)，南部山區(qū)與平原區(qū)分界處發(fā)育有山前大斷裂。此處地貌特征明顯，地表形成數(shù)十米高的陡坎。流域內出露的地層由老至新有二疊系、侏羅系和第四系。地下水主要賦存于第四系中上更新統(tǒng)砂卵礫石潛水含水層，巖性主要為沖洪積相的砂卵礫石，黃土梁頂部為風積黃土。該層厚度一般30～80 m，從沖洪積扇上部到中、下部，顆粒逐漸變細。

圖1 水磨河流域地形地貌圖

水源地地下水含水層水力坡度0.24%，滲透系數(shù)16.4～38.54 m/d，揭露含水層厚度 130～150 m，單井涌水量1 000～4 860 m3/d，含水層在橫向和縱向上分布較均勻，主要為卵礫石潛水含水層，結構單一，透水性較強，是地下水開采較為有利地段。地下水類型為HCO3·SO4-Na·Ca型，礦化度0.71 g/L，是良好的生活飲用水。

計算區(qū)的南部滲流補給來源于每年500 mm左右的大氣降水及高山冰雪消融水滲入基巖裂隙側向徑流補給。據(jù)水文站多年(1985-2004年)統(tǒng)計資料:水磨河多年平均徑流量為2 455×104m3，地表徑流年際變化不大，年內變化較大。每年6～8月為洪水期，11月～翌年3月為枯水期。6～8月洪水期流量占全年徑流量的76%，而春季來水僅占全年徑流量的15%，時空分布不均。由中山帶徑流下來的河水及側向補紿的地下水可直接下滲到卵礫石河床中或補給兩岸基巖裂隙內。

北部邊界為側向排泄邊界，由于蒸發(fā)量大于降水量，地下水排泄的主要方式是蒸發(fā)，局部受開采影響，形成小型、暫時性的降落漏斗。由于水源地項目區(qū)內地下水位埋深均大于20 m，因而地下水排泄方式除人工開采外，其余均向下游側向排泄。

西側邊界取一條垂直等勢線的流線作為零流量邊界，模型范圍53.92 km2。

根據(jù)含水層空間結構特征，含水層概化為非均質各向同性含水層。在平面上，按含水層結構變化進行參數(shù)分區(qū)，在垂直方向上，將整個含水系統(tǒng)分為一層，為潛水含水層。模擬深度大多在200～300 m之間，底部為隔水邊界，模擬范圍的底面高程在524～660 m之間。

2 數(shù)學模型

建立的有一層結構的非均質三維非穩(wěn)定流數(shù)學模型的表達式為:

式中:Kxx、Kyy和 Kzz分別為 X、Y和 Z方向的滲透系數(shù)[L/T]，Kxx=Kyy;H 為水頭值[L];ε為源匯項[L/T];μ 重力給水度;Ω為模擬范圍;n為邊界面的外法線方向;Γ1為側向邊界;B為底邊界;H0為初始水位[L]。

采用等間距有限差分方法離散地下水模型，自動剖分，模擬范圍內將含水層離散為72行、110列，差分網(wǎng)格的大小為100 m×100 m，網(wǎng)格平均單元面積0.01 km2。模型計算區(qū)單元數(shù)(有效單元數(shù))為5 392個，面積為53.92 km2。本次模擬以2007年1月作為初始時刻，根據(jù)地下水位的觀測時間，模擬到2009年12月，以月為單位，將整個模擬時間分成36個時段。利用Processing MODFLOW 7.0中的交替方向隱式差分格式，利用預處理共軛梯度法(PCG2)求解差分方程。

3 模型率定與參數(shù)識別

模型率定的依據(jù):一是水源地2007年8月到2009年9月15個開采井的水位觀測資料;二是水源地實際抽水量資料，用2009年8月實測平面流場驗證模型，需要率定的參數(shù)有:含水層的滲透系數(shù)、給水度及側向徑流量。

采用自動與手動相結合的方法，通過計算水位和實際水位的擬合分析，反復修改參數(shù)，當兩個水頭間的誤差達到最小后，此時認為求得的參數(shù)值可代表含水層的參數(shù)。表示計算水頭和實測水頭誤差的目標函數(shù)如下:

式中:m為時段總數(shù);n為觀測孔總數(shù);Wj為權系數(shù)，當目標函數(shù)E“最小”時的參數(shù)值即為待求的參數(shù)[1]。

3.1 流場與觀測孔水位擬合

模型的識別以2007年1月的流場作為初始流場。根據(jù)水源地實際開采量，運行模型，一直運行到2009年12月，對比分析2009年8月模擬流場與實測流場(見圖2)。地下水徑流總體趨勢一致，但在開采區(qū)差異較大，主要表現(xiàn)為模擬流場水位較低，等水位線向后退，而實測流場水位較高。

圖2 基地水源地2009年8月實測流場與計算流場對比圖

根據(jù)上述模型率定的方法，得到初步的水文地質參數(shù)，由此初始值經(jīng)過重復多次的調試與擇優(yōu)，最終運行得到模擬觀測井水頭與實測水頭的差異較小。參數(shù)分區(qū)見圖3，調試后的含水層參數(shù)見表1。

圖3 各觀測孔模擬示意圖

表1 數(shù)值模擬參數(shù)分區(qū)表

模擬計算的流場形態(tài)與觀測值和地下水動態(tài)基本吻合，見圖4，擬合的精度較高，研究區(qū)的水文地質條件相符與模型模擬條件，水文地質參數(shù)及其分區(qū)與水文地質條件基本相符，模型可以再現(xiàn)水文地質規(guī)律，可以用來預測分析。

4 地下水動態(tài)預測

用2010年地下水均衡預報，選定兩個方案，每年的補給量是定值，為1 659×104m3/a。方案一的開采量為1 373×104m3/a，比2009年的實際開采量(1 268×104)增加了105.04×104m3/a;方案二的開采量為1 450×104m3/a，比方案一增加了77.41×104m3/a。

圖4 Jk2觀測井水位擬合

模擬兩方案開采至2020年，由于3月份地下水開采量較小，等水位線稀疏，水力坡降較小，地下水位基本為徑流型動態(tài);8月份地下水開采量較大，受開采影響，水位下降較快，等水位線較密，水力坡降較大，地下水位呈開采型動態(tài)。

從不同年份同月等水位線來看，水位呈持續(xù)下降狀態(tài)，地下水流向變化不大。方案一運行至2020年3月，水位下降了9～10 m，最大降深10.5 m;2020年8月，水位下降了9～12 m，最大降深13 m，平均每年下降1.2 m。方案二運行至2020年3月，水位下降了12～13 m，最大降深13.5 m;2020年8月，水位下降了13～15 m，最大降深16.0 m，平均每年下降1.5 m左右(見圖5)。

圖5 兩方案中JK2觀測井水位變化曲線

根據(jù)基地用水需求和水源地更新改造后的供水能力，擬定出兩個地下水預報方案，并將方案一和方案二分別進行數(shù)值模擬計算，通過模擬計算數(shù)據(jù)對比可知，兩方案開采計劃均適用于該水源地水資源變化。

5 結語

在分析研究區(qū)水源地的水文地質條件后，建立并利用有限差分法求解了研究區(qū)三維地下水非穩(wěn)定流數(shù)值模型。經(jīng)過率定參數(shù)與模型識別、檢驗后，表明模型模擬水文地質結構、參數(shù)、邊界條件均符合區(qū)內水文地質條件，地下水觀測井水位變化動態(tài)，宏觀流場擬合較好，模型正確可靠，具有較高的仿真度。因此運用地下水動態(tài)擬合后的此模型進行水資源預測分析，通過分析適合該地區(qū)開采計劃的方案，得出符合該地區(qū)水資源長期發(fā)展的可行性實施方案。為該地區(qū)用水需求和水源地供水能力的協(xié)調具有重要意義。