高 源，沈春強(qiáng)，羅銀飛，王萬(wàn)平，高忠詠，張 媛

(1. 四川省華地建設(shè)工程有限責(zé)任公司 四川省地礦局成都水文地質(zhì)工程地質(zhì)中心，四川 成都 610000; 2. 陜西地礦九0八環(huán)境地質(zhì)有限公司 陜西地礦地質(zhì)工程勘查院有限公司，陜西 西安 710600； 3. 青海省環(huán)境地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青海省環(huán)境地質(zhì)勘查局，青海 西寧 810008； 4. 青海省水工環(huán)調(diào)查院青海省水文地質(zhì)及地?zé)岬刭|(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810081; 5. 寶鋼技術(shù)集團(tuán)有限公司 動(dòng)力事業(yè)部，上海 200000)

1 工程概況及地下水位上升治理監(jiān)測(cè)方案

1.1 自然環(huán)境概況

巴音河上游段蓄集峽口以上山勢(shì)陡峻，兩岸垂直陡崖高差約50～60 m，河谷深切，水流湍急，河道比降平均為13‰。柯魯柯鎮(zhèn)屬高原干旱區(qū)，年平均氣溫2.7℃，最冷月(1月)平均氣溫-13.8℃，最熱月(7月)平均氣溫16.6℃。年平均降水量82.4 mm。北部山區(qū)沒(méi)有絕對(duì)無(wú)霜期，海拔4 500 m以上的峰巒終年冰雪覆蓋。尕海是甘肅省甘南藏族自治州一個(gè)未被開(kāi)發(fā)的處女湖，海拔高程在3 000～4 000 m之間。年均降水量為600～800 mm，夏季氣溫12～20℃。

1.2 水文地質(zhì)條件

德令哈山前平原地下水，具有干旱內(nèi)陸盆地沖洪積扇地下水分布的一般規(guī)律，即沿著地貌相帶的水平分帶分布的特點(diǎn)，表現(xiàn)在第四系巖性、巖相及沉積特點(diǎn)上呈現(xiàn)明顯的分帶性[1-2]。地下水徑流于山前平原中、后緣。由于地形坡降大，含水層巖性單一，顆粒粗，屬溶濾型潛水；這些水繼而向平原前緣，直至沖湖積平原徑流，沉積地層從上游到下游逐漸由粗變細(xì)，地形漸緩，地下水位埋深由深漸淺，于平原中前緣帶進(jìn)入山前平原區(qū)，由于含水層厚度大，能匯集全盆地大部分地下水，是地下水的極富集地帶。

1.3 模型區(qū)范圍

勘查區(qū)范圍北面以宗務(wù)隆山為界，南抵德南丘陵，東至布赫特山，西至德令哈隆起，面積為1 200 km2。模型區(qū)以此為基礎(chǔ)，四周主要以山區(qū)自然分水嶺為界，包括勘查區(qū)內(nèi)的沖洪積平原及沖湖積平原，模型區(qū)有效面積1 015 km2。

1.4 地下水位上升治理監(jiān)測(cè)方案

為掌握地下水位淺埋區(qū)的地下水位時(shí)空變化規(guī)律和特征，應(yīng)對(duì)區(qū)內(nèi)地下水位開(kāi)展長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)工作。人工觀測(cè)每次需連續(xù)測(cè)量?jī)纱危∑淦骄惮F(xiàn)場(chǎng)記錄，不得追記。兩次測(cè)量數(shù)值相差不得大于0.5 cm，否則繼續(xù)測(cè)量至滿足要求為止。自動(dòng)觀測(cè)點(diǎn)記錄好測(cè)繩長(zhǎng)值，精確到毫米，并掌握當(dāng)?shù)卮髿鈮簲?shù)值；自記水位計(jì)同時(shí)測(cè)量水溫。區(qū)內(nèi)地下水位觀測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)頻率，人工觀測(cè)設(shè)定為每月2次，自動(dòng)觀測(cè)設(shè)定為每天1次。

2 地下水位上升數(shù)值模擬預(yù)測(cè)

基于模型區(qū)的水文地質(zhì)概念模型及建立的地下水流數(shù)學(xué)模型，依據(jù)水均衡原理，構(gòu)建模型區(qū)的地下水流數(shù)值模型。

2.1 模型結(jié)構(gòu)

本次計(jì)算采用二維有限差分方法，對(duì)計(jì)算域采用規(guī)則網(wǎng)格進(jìn)行剖分，據(jù)此建立二維地下水流數(shù)值模型[3-4]。模擬區(qū)平面上采用200 m×200 m的網(wǎng)格，將模型區(qū)在平面上沿南北向剖分為145行，沿東西向剖分為260列；垂向上剖分為1層。這樣將整個(gè)模型區(qū)剖分為145行、260列、1層共37 700個(gè)單元，其中活動(dòng)單元為24 841個(gè)。

2.2 數(shù)值模型識(shí)別

2.2.1 初始流場(chǎng)

根據(jù)模型區(qū)水文地質(zhì)勘察成果等資料，利用2009年末地下水位統(tǒng)測(cè)數(shù)值，繪制地下水等水位線圖，將地下水等水位線的數(shù)值導(dǎo)入模型作為模型模擬的地下水初始流場(chǎng)[5]。

2.2.2 模型識(shí)別成果

1)地下水均衡量。將2009-2013年巴音河水文數(shù)據(jù)(德令哈水文站年均流量)等加入所建立的數(shù)值模型，經(jīng)過(guò)模型識(shí)別與校驗(yàn)，獲得2009-2013年模型區(qū)地下水均衡量分別為1.876 2×105，1.959 73×105，1.768 59×105，5.411 2×105，-3.730 4×104m3/d。

2)渠道排水量。模型區(qū)渠道設(shè)置以實(shí)際渠道排水試驗(yàn)資料為基礎(chǔ)，對(duì)渠道溢出系數(shù)進(jìn)行模擬，尕海及柯魯柯地區(qū)渠道實(shí)測(cè)排水量分別為241.1，87.6 m3/d，計(jì)算排水量分別為252.7，83.5 m3/d。

3)模型參數(shù)。根據(jù)模擬模型區(qū)內(nèi)2012年5月至2014年12月地下水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與河水入滲量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)等，將模型區(qū)的各補(bǔ)排項(xiàng)加入地下水流數(shù)值模型，以井排抽水試驗(yàn)獲取的水文地質(zhì)參數(shù)為初值，通過(guò)反復(fù)調(diào)試水文地質(zhì)參數(shù)，使地下水位與河水入滲量等數(shù)據(jù)擬合的總體趨勢(shì)一致，實(shí)測(cè)值與計(jì)算值擬合良好。最終確定的模型區(qū)含水層水文地質(zhì)參數(shù)為：潛水含水層的導(dǎo)水系數(shù)為3 500～28 000 m2/d，給水度為0.025～0.060；大氣降水入滲系數(shù)的取值為0.13。

模型區(qū)參數(shù)分區(qū)詳見(jiàn)圖1，各分區(qū)參數(shù)值詳見(jiàn)表1。

圖1 模型區(qū)導(dǎo)水系數(shù)與給水度分區(qū)

表1 模型區(qū)參數(shù)分區(qū)

3 地下水位上升治理預(yù)案與結(jié)果

3.1 地下水位上升治理預(yù)警方案

根據(jù)地下水位數(shù)值模擬預(yù)測(cè)和制定的預(yù)警“警戒”地下水位埋深，尕海和柯魯柯地下水位上升災(zāi)害治理預(yù)警方案如下。

1)藍(lán)色預(yù)警區(qū)。淺層地下水位埋深大于3 m，地下水位未持續(xù)上升，水位上升區(qū)沒(méi)有災(zāi)害發(fā)生，無(wú)需采取預(yù)警措施。

2)黃色預(yù)警區(qū)。淺層地下水位埋深1～3 m，地下水位持續(xù)上升，水位上升區(qū)尚沒(méi)有災(zāi)害發(fā)生，對(duì)當(dāng)?shù)鼐用癜l(fā)出地下水位上升黃色預(yù)警警告。

3)紅色預(yù)警區(qū)。淺層地下水位埋深小于1 m，地下水位持續(xù)上升，水位上升區(qū)低洼地段出現(xiàn)地下水溢出，地面有積水現(xiàn)象，對(duì)當(dāng)?shù)鼐用癜l(fā)出地下水位上升預(yù)警警告，通報(bào)可能產(chǎn)生地下上升災(zāi)害的區(qū)段，并采取井排或井渠排的方式進(jìn)行地下水上升災(zāi)害治理。

4)預(yù)警解除。在地下水位埋深降至3 m以下，地下水位未持續(xù)上升的情況下，停止井渠排水，并解除地下水位上升災(zāi)害預(yù)警警告。

3.2 災(zāi)害治理方案及其治理結(jié)果

分別預(yù)測(cè)兩類(lèi)河水流量序列狀態(tài)、采取治理方案對(duì)模型區(qū)地下水水位在最大河流流量年(自然水文序列最大河流量20.54 m3/s，組合水文序列最大河流量19.41 m3/s)上升情況的控制效果。方案：預(yù)測(cè)地下水資源綜合開(kāi)發(fā)利用(水源地?cái)U(kuò)采、增采和井灌井排)條件下模型區(qū)地下水位上升情況。

井排工程布設(shè)以控制地下水淺埋區(qū)居民點(diǎn)和農(nóng)田的地下水位上升幅度為主要目標(biāo)，經(jīng)數(shù)值模型反復(fù)調(diào)整井?dāng)?shù)、井間距和抽水量進(jìn)行試算，最終模擬確定了控制地下水位合理升降幅度的井排+水源地開(kāi)采治理工程布局方案(見(jiàn)圖2)。在尕海及柯魯柯地下水上升重災(zāi)區(qū)需布設(shè)井灌井排工程，進(jìn)行長(zhǎng)期的排水治理，以達(dá)到降低地下水位和彌補(bǔ)引水渠灌區(qū)外不能灌溉的目地。

圖2 模型區(qū)地下水位上升治理井排+水源地方案工程布置

根據(jù)模型區(qū)進(jìn)行的井排試驗(yàn)(尕海試驗(yàn)場(chǎng)地TK13、TK13-1、TK13-2三井涌水量平均值為425.65 m3/h，柯魯柯試驗(yàn)場(chǎng)地TK5、TK5-1和TK5-2三井涌水量平均值為216.44 m3/h)，確定排水井的井徑為650 mm、管徑為377 mm、井深不小于150 m的井孔結(jié)構(gòu)，確定尕海地區(qū)井排工程的井間距為2 000 m，尕海地區(qū)擬布設(shè)排水井30眼，單井水量400 m3/h，排水量28.8×104m3/d；柯魯柯地區(qū)井排工程的井間距為1 000 m，地區(qū)布設(shè)排水井27眼，單井水量150 m3/h。排水量9.72×104m3/d。同時(shí)在第2水源地、第3水源地進(jìn)行開(kāi)采，開(kāi)采量31×104m3/d。

預(yù)測(cè)結(jié)果：兩種狀態(tài)下尕海及柯魯柯地區(qū)地下水位埋深顯著增加，狀態(tài)1(自然水文狀態(tài))的最大流量年末的地下水位埋深在3.7～5.3 m之間；狀態(tài)2(組合水文狀態(tài))的最大流量年末的地下水位埋深在3.5～5.2 m之間。模型區(qū)在實(shí)施井排和水源地開(kāi)采整治措施條件下，地下水位降幅2.0～3.0 m，地下水位埋深3.5～5.3 m，地下水位埋深較深，有效地控制了水位上升災(zāi)害的發(fā)生，治理效果明顯。

綜合治理方案預(yù)測(cè)結(jié)果，治理效果顯著，通過(guò)治理后，尕海及柯魯柯地區(qū)水位埋深大于4 m，地下水位上升狀況得到了有效控制，因此推薦地下水資源綜合開(kāi)發(fā)利用(水源地?cái)U(kuò)采、增采和井灌井排)治理措施為本地區(qū)地下水位上升治理工程措施。

4 結(jié) 論

河道歸流治理方案主要由河堤、擋水和分水建筑物組成，降低地下水位效果顯著，運(yùn)行、維護(hù)方便，綠化治理河道，提高城市防洪級(jí)別，美化市容市貌。綜合考慮模型區(qū)地下水位上升問(wèn)題，推薦井渠和河道歸流綜合治理工程進(jìn)行整治，可以達(dá)到最佳治理效果。

1)本次采用的預(yù)測(cè)治理方案有限，在條件允許的情況下，可以細(xì)化治理方案，更深入地研究巴音河地下水位數(shù)值模擬與災(zāi)害治理研究；

2)加強(qiáng)地下水位上升區(qū)地下水動(dòng)態(tài)長(zhǎng)期觀測(cè)，為地下水上升災(zāi)害預(yù)警和治理工作提供依據(jù)；

3)建議開(kāi)展巴音河沖洪積扇潛水蒸發(fā)、降雨入滲等基礎(chǔ)性、公益性的地下水均衡試驗(yàn)研究工作，為更合理評(píng)價(jià)和開(kāi)發(fā)利用本區(qū)地水資源提供科學(xué)依據(jù)。