劉 軍

（新疆塔里木河流域阿克蘇管理局 新疆 阿克蘇 843000）

水資源是指與人類生產(chǎn)生活相關(guān)的淡水資源，包括：地表水、地下水、土壤水等，水資源的補(bǔ)給主要依靠大氣降水[1-2]。因此，地下水是珍貴的自然資源。隨著工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，水資源供需矛盾凸顯，加之我國地下水資源分布不均勻，塔里木河流域出現(xiàn)了嚴(yán)重的水資源與農(nóng)場資源不匹配。受到當(dāng)?shù)噩F(xiàn)有水利工程調(diào)蓄能力和供水能力的制約，地下水合理開采研究勢(shì)在必行。

從國內(nèi)外的研究進(jìn)展來看，水下水位測量主要經(jīng)歷了原始水下測量階段、傳統(tǒng)水下測量階段、數(shù)字化測量階段[3-5]。目前，國外一般采用衛(wèi)星定位和探測儀對(duì)地下水進(jìn)行勘探，勘探工作主要包括定位和探測。隨著數(shù)值計(jì)算的發(fā)展，地下水位數(shù)值模擬研究成為研究熱點(diǎn)。

地下水動(dòng)態(tài)預(yù)測模型一般由連續(xù)性方程、運(yùn)動(dòng)方程、控制方程、邊界條件方程組成[6]。根據(jù)國內(nèi)外地下水?dāng)?shù)值模擬相關(guān)文獻(xiàn)，結(jié)合塔里木河灌區(qū)水文地質(zhì)條件，分析了灌區(qū)地下水分布情況。通過與測量數(shù)據(jù)對(duì)比，其數(shù)值模擬精度較高，可以反映出當(dāng)?shù)氐牡叵滤畡?dòng)態(tài)。

1 水位分布分析

由于過度開采，塔里木河流域地下水位連續(xù)下降，并導(dǎo)致了地面沉降、水利工程出現(xiàn)裂縫等危害。這些危害制約了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展，因此研究地下水時(shí)空分布差異，并據(jù)此提出合理建議具有重要意義。

塔河灌區(qū)地下水動(dòng)態(tài)變化主要受到氣候、地形、植被、地質(zhì)條件等因素影響。灌區(qū)的地下水補(bǔ)給主要來源于降水和塔里木河滲漏，屬于降水入滲補(bǔ)給類型。主要地下水類型為潛水和承壓水，潛水位一般為2m～10m，承壓水埋藏深度在90m以下。由于承壓水開采成本高，目前灌區(qū)大量開采潛水作為灌溉水源，本文中的地下水位研究將主要針對(duì)潛水。

在塔河灌區(qū)選擇42個(gè)地下水觀測孔，每隔5天進(jìn)行觀測一次。根據(jù)現(xiàn)有資料，找到了1984年、2002年、2009年水利普查時(shí)的水資源埋藏深度分布圖。將現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后進(jìn)行克里克插值，發(fā)現(xiàn)這3年的數(shù)據(jù)均滿足正態(tài)分布，1984年的數(shù)據(jù)雖有個(gè)別值偏離，但是經(jīng)過檢驗(yàn)后還是滿足需求的。3年的數(shù)據(jù)中擬合程度最好的是2009年測量數(shù)據(jù)，運(yùn)用Arcgis9.3軟件對(duì)2009年的灌區(qū)水位進(jìn)行分析，得出了灌區(qū)水位分布，見圖1。

從水位分布情況看，隨著時(shí)間的推移，深色區(qū)域逐漸變小，只分布在周邊區(qū)域，淺色區(qū)域越來越多，說明地下水位在不斷下降。灌區(qū)中部形成了地下水漏斗，而且成擴(kuò)大趨勢(shì)。

2 地下水位數(shù)值研究

2.1 模型建立

地下水位數(shù)值模擬建立在數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，通過軟件對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析得出地下水位的動(dòng)態(tài)變化情況。數(shù)學(xué)模型是描述整個(gè)研究區(qū)域的數(shù)學(xué)物理方程和邊界條件的集合，根據(jù)塔里木河灌區(qū)建立水文地質(zhì)數(shù)學(xué)模型如下[7]：

式中，K——滲透系數(shù)；

H——含水層厚度；

N——外法線方向；

Q——出含水層流量；

S——儲(chǔ)水系數(shù)；

P——潛水面上入滲量和蒸發(fā)量。

水文地質(zhì)模型在研究過程中忽略了一些微小的影響因素，降低了研究的復(fù)雜性，研究中盡可能的將滲透系數(shù)、給水量、水力特性簡化[8]。對(duì)于含水層，認(rèn)為潛水層厚度和埋藏深度隨時(shí)間和空間變化，潛水流向與塔河流域的地形一致，將潛水層簡化為非均值、各項(xiàng)異性的三維非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。

2.2 模型求解

利用VisualMODFLOW軟件對(duì)塔河灌區(qū)地下水文地質(zhì)模型進(jìn)行求解。首先將研究區(qū)域的地圖進(jìn)行掃描，并依據(jù)此建立數(shù)學(xué)模型，將建好的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，本研究區(qū)域共劃分為2700個(gè)計(jì)算網(wǎng)格。利用歷史數(shù)據(jù)和邊界條件計(jì)算灌區(qū)的地下水深度。根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)繪制出當(dāng)?shù)氐叵滤坏戎登€分布情況，見圖2。

對(duì)該區(qū)域內(nèi)42口觀測井進(jìn)行井點(diǎn)高程測量和初始水位監(jiān)測，測量數(shù)據(jù)見表1。

表1是9月份測量的地下水位分布情況，依據(jù)這些數(shù)據(jù)繪制地形水位等值曲線，并與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。得出塔河灌區(qū)淺層地下水位測量值與模擬值對(duì)比圖，見圖3。

圖1 灌區(qū)水位分布情況

圖2 地下水位等值曲線

圖3 淺層地下水位測量值與模擬值對(duì)比

圖4 3號(hào)觀測井測量與模擬對(duì)比

表1 觀測井井點(diǎn)高程和初始水位（mm）

模擬地下水位分布時(shí)，將給水量和滲透系數(shù)作為主要識(shí)別參數(shù)，由于塔河灌區(qū)地下水流動(dòng)模型為非均值各向異性模型，因此研究區(qū)域內(nèi)不同測點(diǎn)的水位變化較大。特別的，從圖3中取出3號(hào)觀測井的數(shù)據(jù)，將測量結(jié)果與計(jì)算結(jié)果繪制成曲線，見圖4。

由圖4可知，測量結(jié)果比數(shù)值模擬結(jié)果偏高，相對(duì)誤差在7%到10%之間。分析產(chǎn)生誤差的原因，可能是測點(diǎn)周圍人為活動(dòng)較多，產(chǎn)生誤差的具體原因?yàn)椋?/p>

（1）水文地質(zhì)參數(shù)由經(jīng)驗(yàn)值確定，缺少最新資料，為了簡化分析將含水層概化為非均值各向異性流動(dòng)；

（2）邊界條件選擇不恰當(dāng)，不能反映出灌區(qū)的真實(shí)情況；

（3）研究區(qū)域內(nèi)有農(nóng)場和居民區(qū)，這些區(qū)域用水頻繁，建模時(shí)沒有考慮人為影響因素。

盡管如此，數(shù)值模擬精度仍然很高，可以反映出當(dāng)?shù)氐牡叵滤畡?dòng)態(tài)情況，模擬結(jié)果可以直接指導(dǎo)當(dāng)?shù)氐叵滤_采。

3 結(jié)語

隨著工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，水資源供需矛盾凸顯，加之我國地下水資源分布不均勻，塔里木河流域出現(xiàn)了嚴(yán)重的水資源與農(nóng)場資源不匹配。地下水動(dòng)態(tài)預(yù)測模型一般由連續(xù)性方程、運(yùn)動(dòng)方程、控制方程、邊界條件方程組成。根據(jù)國內(nèi)外地下水?dāng)?shù)值模擬相關(guān)文獻(xiàn)，結(jié)合塔里木河灌區(qū)水文地質(zhì)條件，分析了灌區(qū)地下水分布情況。通過與測量數(shù)據(jù)對(duì)比，其數(shù)值模擬精度較高，相對(duì)誤差在7%到10%之間，因此數(shù)值模擬結(jié)果可以反映出當(dāng)?shù)氐牡叵滤粍?dòng)態(tài)變化情況，分析結(jié)果可以指導(dǎo)當(dāng)?shù)氐叵滤_采，從而實(shí)現(xiàn)水資源利用可持續(xù)發(fā)展。陜西水利

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