李景遠，吳 巍，周孝德，吳 皎，焦露慧

(西安理工大學 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室培育基地，陜西 西安 710048)

地下水由于自身動態(tài)穩(wěn)定、分布廣泛、水量豐富、水質優(yōu)良等特點［1］，在維持干旱區(qū)脆弱的生態(tài)環(huán)境中發(fā)揮著不可替代的生態(tài)調控作用，自20世紀70年代以后，國內外學者對地下水數值模擬進行了大量研究。目前國外地下水數值模擬領域的研究主要針對數值模擬法的薄弱環(huán)節(jié)，提出新的思維方法，采用新的數學工具，分析不同尺度下的變化情況，并開發(fā)了許多地下水系統(tǒng)數值模擬軟件［2］。如A.Mazzia等［3］提出用于求解重鹽地下水運移模擬的二維非線性動力學控制過程的特別的數值方法;Li Shu-guang等［4］指出數值模型還不能解決預報的不確定性因素問題，并開創(chuàng)性地提出一種可以解決均值分布和小尺度過程的不同尺度問題的隨機地下水模型等。國內學者更傾向于將地下水模型應用于實際工程，解決民生問題，在實際工程中將理論和方法不斷創(chuàng)新。如白利平等［5］應用GMS對臨汾盆地地下水進行了數值模擬;王宏等［6］應用GMS對石家莊地下水系統(tǒng)進行數值模擬;陳喜等［7］應用MODFLOW對美國Sand Hill地區(qū)地下水進行了模擬等。目前，地下水模擬主要針對溶質運移、地下水脆弱性以及地下水資源量等進行研究分析，而水利樞紐工程建設對下游地下水的擾動影響及其植被需水量的模擬分析還有待進一步提高。

水利樞紐工程在干旱區(qū)極為重要，為國家經濟發(fā)展服務的同時，也對天然生態(tài)系統(tǒng)產生巨大的影響［8-9］，對地下水流場的擾動影響也尤為突出。本文利用GMS軟件構建研究區(qū)的三維地下水模型［10－12］，通過模擬預測，獲得工程建設前后地下水流場的變化情況，為且末縣耕地的合理規(guī)劃，下游沿河林草帶的防護以及入湖口附近的生態(tài)治理提供科學依據。

1 研究區(qū)概況

車爾臣河是塔里木盆地東南緣年徑流量最大的河流，年平均徑流量約7.84億m3，河道全長813km，上游穿行于崇山峻嶺之中，中游貫穿于山前沖洪積扇礫質平原和沖洪積平原，下游為荒漠平原，流域下游入若羌縣境內，最終注入臺特瑪湖。流域總的地勢是南高北低，下游西高東低，自南向北劃分為基巖山區(qū)、沖積洪積扇礫質平原區(qū)、沖洪積細土平原和風積沙漠4個地貌單元。

大石門水利樞紐工程位于新疆巴州且末縣境內的車爾臣河干流上，壩址位于車爾臣河出山口與支流托其里薩依交匯口下游約300m處，工程距且末縣城約98km，距庫爾勒市約756km，交通較為便利。大石門水利樞紐工程是車爾臣河流域規(guī)劃中確定的近期開發(fā)的重點控制性樞紐工程，是一項承擔防洪、發(fā)電和灌溉任務的綜合利用水利樞紐工程。

2 地下水數值模擬

2.1 水文地質概念模型

模擬預測范圍為沿車爾臣河流向的一個條帶區(qū)域，南部邊界以車爾臣河南側約5km為界，條帶區(qū)西南角為大石門水利樞紐上壩址斷面處，北部以車爾臣河以北(約5km)與塔克拉瑪干沙漠流域的自然邊界為界的沿線邊界，西至自然流域邊界，東至靠近臺特瑪湖的入湖區(qū)斷面，整個模擬區(qū)面積總計約5821km2(見圖1)。

(1)含水層系統(tǒng)。研究區(qū)為單一結構的潛水含水層，主要分布的是大厚度的砂卵礫石，厚約200m，其中上部為第四系上更新統(tǒng)沖積砂卵礫石，下部為第四系中更新統(tǒng)沖積砂卵礫石。第四系存在一定的非均質特征，但不同方向上的滲透性差異較小，因而將第四系松散含水介質概化為非均質各向同性。

(2)水動力條件。模擬區(qū)含水層厚度大，第四系含水層分布較廣，同時地下水位隨時間變化而變化，因此將地下水運動概化為準三維的非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)［13］。

(3)邊界條件。①側向邊界:模擬區(qū)上游南側為山前側向補給邊界(EF)，大石門壩址斷面處(AG)設置為第二類流量補給邊界，F(xiàn)G段與區(qū)域地下水等水位線近于垂直，概化為零流量邊界;北側近于沙漠區(qū)自然邊界，分成兩段，BC段為北側荒漠區(qū)側向流出邊界，CD段與區(qū)域地下水等水位線近于垂直，側向交換微弱，概化為零流量邊界;西側AB段為流域自然邊界，概化為零流量邊界;DE段為東側入湖邊界，模型模擬區(qū)內的地下水均朝此處徑流排泄，故概化為側向流出邊界。②垂向邊界:模擬區(qū)上邊界為潛水面，底部邊界為第四系松散巖類孔隙水底板，該處地下水徑流滯緩，與下部基巖的基底間水交換微弱，故本次模擬研究對象為一層潛水含水層。

(4)水均衡計算。研究區(qū)多年平均降水量為25.43mm，此量級的降雨很難形成有效的地下水補給，故計算中忽略降雨入滲補給。地下水的補給項與排泄項及相應計算量值見表1。由表1可知，車爾臣河流域模擬區(qū)地下水多年均衡量為1170.74×104m3，表現(xiàn)為微弱正均衡，整個流域范圍內多年地下水上升約13mm，而局部地下水水位及流場變化還需要數值模型定量模擬計算。

圖1 模擬評價區(qū)范圍及邊界性質概化Fig.1 Simulated evaluation areas and a general graph of boundary property

表1 模擬區(qū)地下水均衡計算Tab.1 Equilibrium computation sheet of underground water in simulated areas 104m3

(5)水文地質參數。最大蒸發(fā)速率采用折算后的流域大水面蒸發(fā)速率;蒸發(fā)的極限深度根據巖性不同有所差異，根據前人研究成果可知，車爾臣河流域廣泛分布著兩種主要巖層:砂礫石層和粉細砂層，砂礫石含水層的極限蒸發(fā)埋深為3m，而粉細砂的極限蒸發(fā)埋深取值為6m，在模型中分為兩個區(qū)，分區(qū)給定;地面高程值源自30m的DEM數據;滲透系數和給水度在模型中的處理如表2所示。

2.2 地下水數學模型

根據前述概化的地下水概念模型及其地下水均衡計算結果可知，研究區(qū)為非均質、各向同性、準三維的非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)，可用如下微分方程的定解問題來描述［13－14］:

表2 水文地質參數分區(qū)賦值Tab.2 District assignment table of hydrogeologic parameters

其中:D為滲流區(qū)域;h為潛水水位(m);b為潛水含水層底標高(m);k為潛水含水層滲透系數(m/d);kn邊界面法向的滲透系數(m/d);μ潛水含水層在潛水面上的重力給水度(無量綱);ε含水層的源匯項(m/d);p潛水面的蒸發(fā)和降水等(m/d);Γ1滲流區(qū)域的水位邊界;Γ2滲流區(qū)域的流量邊界;n邊界面的法線方向;q(x，y，z)定義為二類邊界的單寬流量(m2/d/m)，流入為正，流出為負，隔水邊界為0。

2.3 地下水模型的識別與驗證

將野外實測地下水位作為現(xiàn)狀年模型識別和驗證的依據，因野外主要的工作集中在沿河谷段附近，故而將沿河實測的地下水位與河谷區(qū)的現(xiàn)狀年模擬流場進行擬合分析。經過多次運行模擬、調參、優(yōu)選，最終使得各觀測井水位值與實測值達到最佳擬合狀態(tài)。圖2為9月野外實測水位與現(xiàn)狀年9月份的模擬水位擬合。由圖可知，在河谷段，模擬水位與實測水位擬合情況較好，流場分布特征及趨勢正確，故構建的模型可用于設計水平年對地下水環(huán)境影響的預測和評價。

圖2 9月野外實測水位與現(xiàn)狀年9月份的模擬水位擬合Fig.2 A fitting chart of measured water level in September water levels in September

根據水均衡法計算的模擬區(qū)多年平均地下水均衡結果，對多年平均狀態(tài)下的穩(wěn)定流模型的水均衡進行驗證(表3)，對比可知模型的模擬值相對誤差較小，模型的構建符合后續(xù)模擬要求，故構建的模型可用于設計水平年對地下水環(huán)境影響的預測和評價。

表3 穩(wěn)定流模擬地下水均衡計算Tab.3 Underground water equilibrium computation sheet of steady flow simulation

3 地下水環(huán)境影響預測與評價

3.1 研究區(qū)地下水資源量分析

通過模擬得到每個應力期(月)的現(xiàn)狀年和設計年的整個模擬區(qū)地下水均衡量的主要結果如表4所示。由表可知，針對P=50%的設計水平年研究區(qū)而言，現(xiàn)狀年全年的總補給、總排泄、河流滲漏補給、潛水蒸發(fā)、儲變量分別為651749 900，－640092 500，263088 400，－598180 100和11657 400m3，設計年相對于現(xiàn)狀年的各項均衡要素的絕對變化量分別為 －10800 320，－9069 143，－4320 128，－8387 560和－1731 177m3，則相對變化率對應為－1.7%，－1.4%，－1.6%，－1.4%和－14.8%。可見，全區(qū)整體而言，水均衡各項要素的年變化量并不大，其變化幅度也較小。

表4 研究區(qū)現(xiàn)狀年和設計年(P=50%)地下水均衡對比Tab.4 Underground water equilibrium comparison of study area between actual year and design year(P=50%) m3

而不同月份由于受大石門斷面下泄水量不同的控制，其引起的地下水資源量的變化量和變化程度不同，其影響效應也不同。整體而言，各項均衡要素呈現(xiàn)出基本一致的“同增同減”變化趨勢，呈現(xiàn)增加的月份有1月、2月、6月和12月，而呈現(xiàn)減少的月份為3—5月和7—11月，這與工程設計時逐月下泄量的變化情況基本保持一致。具體而言，增加月份1月、2月、6月、12月的總補給量變化量分別為6389 900，6632 994，16889 246和833465m3，相應變化率為260.88%，229.86%，20.11%和5.64%，其中以6月份的總補給量增加最多，相應增幅為20.11%。而3—5月和7—11月總補給量的變化量依次為－3241 254，－2893 976，－2199 422，－57880，－24182 067，－5799 529，－1609 051和 －1562 747m3，相應地變化率對應為 －9.63%，－5.32%，－3.85%，－0.03%，－23.10%，－13.40%，－3.30%和－4.37%，其中以8月份的減水量(絕對量)最多，其余月份的減幅一般小于－10%，減幅并不大。

3.2 研究區(qū)地下水位及地下水流場變化

研究區(qū)地下水水位和流場變化主要受控于水量變化，根據大石門水利樞紐工程建設前后大石門斷面不同水平年河流下泄過程可知，工程建設前后下泄水量和研究區(qū)地下水儲量的變化量(絕對量)均呈現(xiàn)為6月增加量最大，8月減少量最大，而12月的變化量較小，故而選擇6月、8月、12月這3個月分別作為最大增量月、最大減量月、無明顯變化月的代表，用以說明工程建設前后對于研究區(qū)地下水水位和流場變化的影響。

繪制3個代表月份的應力期現(xiàn)狀年和設計年的模擬地下水流場對比圖，從圖3可知，從整個區(qū)域角度而言，地下水流場趨勢并沒有出現(xiàn)較大變化，但在局部地區(qū)(區(qū)段)流場變化較明顯，主要是灌區(qū)和下游入湖區(qū)段，南北兩側(垂直河道方向)可能受到的影響寬度范圍約為1km。

圖3 現(xiàn)狀年與設計年(P=50%)地下水流場對比Fig.3 A comparison diagram of groundwater flow field between actual year and design year(P=50%)

由于入湖段地下水位出現(xiàn)較大變化，同時該段生態(tài)環(huán)境脆弱易受地下水波動影響，故針對入湖段進行詳細分析，首先在臺特瑪湖入湖段依次選擇9個監(jiān)測井(圖4)，各監(jiān)測井水位變化情況如表5所示，對比分析現(xiàn)狀年和設計年兩個時期該區(qū)段的地下水位變化情況，根據設計年下泄流量的情況統(tǒng)計可知，P=50%的設計年，其下泄水量變幅最大的月份分別是1月和8月，其下泄流量變幅分別為480%和－42.50%，受影響的地下水位變幅一般在0.4～0.8 m。

圖4 臺特瑪湖入湖斷面地下水位監(jiān)測點位分布Fig.4 A distribution map of groundwater level’s monitoring sites at cross section of Taitema Lake

表5 臺特瑪湖入湖段水位監(jiān)測單元的水位變化統(tǒng)計(P=50%，1月)Tab.5 Water level fluctuation of Taitema Lake water level monitoring units(P=50%，January) m

4 結語

(1)車爾臣河流域模擬區(qū)地下水多年均衡量為1170.74×104m3，表現(xiàn)為微弱正均衡，整個流域范圍內多年地下水上升約13mm，地下水總體呈現(xiàn)微弱上升趨勢。

(2)車爾臣河流域模擬區(qū)范圍內總的地下水補給量約49440.58×104m3，主要的地下水補給項(由多到少順序)依次為河道滲漏補給(49.9%)、渠道水滲漏補給(21.7%)、降水入滲補給(12.9%)、渠灌田間入滲補給(11.9%)、山前基巖裂隙側向補給(3.5%);而地下水的排泄項(由多到少順序)依次為:潛水蒸發(fā)(－53061.84×104m3，占比73%)、人工開采(－17113.48×104m3，占比23.5%)、河道排泄、側向流出。

(3)工程建成后對于灌區(qū)和沿河林草帶的地下水位和水資源量具有一定影響，但影響程度不大，通過對P=50%設計水平年兩個極端月份(1月和8月)的初步分析結果可知，受影響的地下水位變幅一般在0.4～0.8 m，而南北兩側(垂直河道方向)可能受到的影響寬度范圍約1km。

(4)入湖段地下水位變化較大，P=50%的設計年，其下泄水量變幅最大的月份分別是1月和8月，其下泄流量變幅分別為480%和－42.50%。

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