熊 偉

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊830000）

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)以臺(tái)蘭河流域?yàn)橹鳎?臺(tái)蘭河流域位于新疆阿克蘇地區(qū)溫宿縣境內(nèi)， 距溫宿縣縣城22km，距阿克蘇市25km。 臺(tái)蘭河發(fā)源于天山西南托木爾峰南麓，大臺(tái)蘭河、小臺(tái)蘭河在山口前8km處匯合后稱臺(tái)蘭河，出山口后，支流塔克拉克河由西向東匯入臺(tái)蘭河，最終匯入山前洪積扇地帶。 臺(tái)蘭河全長(zhǎng)90km，流向自北向南，水系為樹(shù)枝狀水系，流域形狀為羽狀系。

2 模型簡(jiǎn)介

2.1 概化邊界

研究區(qū)北起古木別孜背斜，南至荒漠帶，西起柯克牙總干渠，東至喀拉玉爾滾河。區(qū)內(nèi)地下水主要賦存于沖洪積扇及沖積平原的第四系松散含水層中［1］。如圖1，北部的古木別孜背斜通過(guò)物探證明為隔水邊界，IA、BC 概化為零通量邊界；臺(tái)蘭河上游河谷斷面為補(bǔ)給邊界，AB 概化為水頭邊界；東北部依各溪、喀拉玉爾滾河為山間洼地的排泄口， 即為研究區(qū)的側(cè)向補(bǔ)給源，CD 概化為水頭邊界；DE 為山體基巖概化為零通量邊界；結(jié)合穩(wěn)定流場(chǎng)，選取天然狀況下兩條流線IH、EF 為零通量邊界； 南部 （FG） 及西南部（GH）排泄概化為水頭邊界。 臺(tái)蘭河沖洪積扇處以基巖為底部邊界。 平原區(qū)以南區(qū)域沒(méi)有足夠的物探資料，以天然流場(chǎng)為基準(zhǔn)向下延伸400m作為底部邊界。

圖1 邊界條件概化

2.2 水均衡分析計(jì)算

研究區(qū)內(nèi)主要河流除臺(tái)蘭河外， 還有西部的帕克勒克蘇河、東部的依各溪及喀拉玉爾滾河。由于資料缺乏，本研究主要對(duì)已有資料的區(qū)域（圖2，依各溪以西地區(qū)）進(jìn)行水均衡分析計(jì)算。無(wú)資料地區(qū)根據(jù)水文氣象條件進(jìn)行類(lèi)比。 水均衡計(jì)算邊界如圖2。 地下水補(bǔ)給項(xiàng)包括山前側(cè)向補(bǔ)給、渠系滲漏補(bǔ)給、河道滲漏補(bǔ)給、田間入滲補(bǔ)給和降水入滲補(bǔ)給；排泄項(xiàng)包括側(cè)向排泄、潛水蒸發(fā)蒸騰、渠道排泄、河道排泄、泉水溢出和人工開(kāi)采［2］。

圖2 水均衡計(jì)算邊界

臺(tái)蘭河流域的水均衡分析結(jié)果如表1。 1999～2009年，臺(tái)蘭河流域地下水動(dòng)態(tài)基本處于均衡狀態(tài)，儲(chǔ)量變化率均小于10%；2009年地下水開(kāi)采量較大，使地下水處于負(fù)均衡狀態(tài)。

表1 水均衡數(shù)據(jù) 單位：萬(wàn)m3

2.3 數(shù)值模擬過(guò)程

數(shù)值模擬過(guò)程如圖3。

圖3 數(shù)值模擬過(guò)程

3 模擬結(jié)果

3.1 模型校正

在確定初始參數(shù)及流場(chǎng)的基礎(chǔ)上， 運(yùn)用Visual Modflow 對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行求解，進(jìn)行模型的識(shí)別與驗(yàn)證。模型的識(shí)別期為1999年8月至2006年8月，應(yīng)力期以月為單位， 初始水位為1999年6～9月的實(shí)測(cè)流場(chǎng)。在模型識(shí)別階段，不斷調(diào)整各分區(qū)參數(shù)，進(jìn)行模擬期末流場(chǎng)與2006年6～8月實(shí)測(cè)等水位線圖對(duì)比，通過(guò)反復(fù)調(diào)整，得到比較理想的流場(chǎng)。

在平面上，將研究區(qū)剖分為200行，200列，網(wǎng)格縱橫向大小為456m×523m。 在研究區(qū)臺(tái)蘭河及周邊水系對(duì)地下水主要補(bǔ)給區(qū)， 進(jìn)行網(wǎng)格局部加密， 加密后研究區(qū)共剖分網(wǎng)格大小為240行，290 列， 剖分后網(wǎng)格大小為278m×140m［3］。 在垂向上，根據(jù)區(qū)域內(nèi)地質(zhì)鉆孔資料及含水層埋藏條件，概化為三層。

根據(jù)物探資料及地層巖性對(duì)滲透系數(shù)和給水度進(jìn)行分區(qū)。 研究區(qū)北部單一結(jié)構(gòu)潛水區(qū)含水層由砂卵礫石組成，徑流條件好，自北向南顆粒逐漸變細(xì)，含水層巖性由卵礫石變?yōu)橹屑?xì)砂，徑流條件變差。 南部為塔里木河沖積平原地帶，地層巖性以粉細(xì)砂、粉土、粉質(zhì)黏土為主。 依克溪河流域沉積相帶為含紅土的粗砂沉積相帶， 東西向?qū)?～5km， 從沖溝天然剖面可看出地層結(jié)構(gòu)為薄層紅黏土和含土粗砂互層， 延伸范圍不大， 透水性較差，具有相對(duì)阻水作用。該細(xì)顆粒沉積相帶把山間洼地和下游的洪積礫質(zhì)傾斜平原分割成東西兩個(gè)水文地質(zhì)單元， 使喀拉玉爾滾河流域地下水系統(tǒng)自成體系。參數(shù)初值設(shè)置主要參考已有機(jī)井抽水試驗(yàn)參數(shù)，如表2。

表2 山前平原洪積扇帶高程1180～1260m已有機(jī)井抽水試驗(yàn)參數(shù)

3.2 水均衡對(duì)比

為了與常規(guī)方法的水均衡分析結(jié)果可比［4］，用數(shù)值模型對(duì)依各溪以西地區(qū)的水均衡進(jìn)行模擬， 模擬結(jié)果如表3和表4。在模擬期內(nèi)，數(shù)值模擬得到的地下水動(dòng)態(tài)基本處于均衡狀態(tài)。多年平均情況下，常規(guī)方法計(jì)算的水均衡與數(shù)值模擬水均衡的均衡差都小于10%，表明結(jié)果符合規(guī)定的率差范圍。 從數(shù)值模擬水均衡與常規(guī)方法計(jì)算水均衡對(duì)比可見(jiàn)， 模擬的側(cè)向補(bǔ)給較常規(guī)方法的大約30%， 其原因是由于在常規(guī)方法計(jì)算水均衡時(shí)， 處理的邊界與數(shù)值模擬的邊界不同，在常規(guī)方法計(jì)算時(shí)，依各溪上游作為零通量水力邊界來(lái)處理的，而實(shí)際情況，依各溪上游段的地下水是對(duì)依各溪以西地區(qū)有一定補(bǔ)給作用， 因此數(shù)值模擬的側(cè)向補(bǔ)給較大符合實(shí)際情況。同理，數(shù)值模擬的側(cè)向排泄較計(jì)算的大25%左右也是合理的。

表3 數(shù)值模擬與常規(guī)方法水均衡計(jì)算結(jié)果 單位：萬(wàn)m3

表4 2005年8月至2006年7月各月模擬水均衡結(jié)果 單位：萬(wàn)m3

從表4中可知， 在模擬期2005年8月至2006年7月內(nèi)，整個(gè)區(qū)域處于負(fù)均衡狀態(tài)，年內(nèi)7，8，9三個(gè)月處于正均衡狀態(tài)， 其原因是這三個(gè)月垂向補(bǔ)給較大，其中主要的補(bǔ)給源是臺(tái)蘭河，這與臺(tái)蘭河的天然來(lái)水情況符合。

3.3 含水層參數(shù)的率定

含水層參數(shù)率定結(jié)果如圖4，率定得到含水層的滲透系數(shù)范圍在5～65m/d，與王琴、孫棟元［5］等人的研究結(jié)果相近， 局部地區(qū)所得結(jié)果與單孔抽水試驗(yàn)及臺(tái)蘭河大型抽水試驗(yàn)結(jié)果吻合。 滲透系數(shù)變化趨勢(shì)基本符合自北向南逐漸減小。 依各溪周邊的滲透系數(shù)較兩側(cè)的值小，驗(yàn)證了薄層紅黏土和含土粗砂互層，透水性較差，具有相對(duì)阻水作用。

圖4 含水層參數(shù)分區(qū)

3.4 模型驗(yàn)證

模型驗(yàn)證期為2007年9月至2009年8月， 應(yīng)力期以月為單位。在整個(gè)流域內(nèi)，沒(méi)有足夠的長(zhǎng)觀孔的水位動(dòng)態(tài)資料， 因此在模型驗(yàn)證時(shí)主要依據(jù)2009年6月抽水試驗(yàn)觀測(cè)孔的自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。 數(shù)據(jù)系列長(zhǎng)度為1年， 從2008年6月至2009年5月， 盡管抽水試驗(yàn)有13個(gè)孔，但由于抽水試驗(yàn)范圍與整個(gè)研究區(qū)相比相當(dāng)小，因此選取G06和ZK1兩個(gè)具有代表性的觀測(cè)孔進(jìn)行驗(yàn)證。

G06和ZK1模擬水位及實(shí)測(cè)水位對(duì)比如圖5，模擬水位的變化趨勢(shì)與實(shí)測(cè)的變化趨勢(shì)一致， 模擬的水位除個(gè)別時(shí)段誤差較大外， 其余基本能夠滿足模擬精度要求。

圖5 觀測(cè)孔模擬水位與實(shí)測(cè)水位對(duì)比

模型驗(yàn)證期水均衡對(duì)比如表5。

表5 模型驗(yàn)證期水均衡對(duì)比 單位：萬(wàn)m3

表6 各鄉(xiāng)場(chǎng)地下水可開(kāi)采量 單位：萬(wàn)m3

3.5 地下水可開(kāi)采量分析計(jì)算

地下水可開(kāi)采量通過(guò)開(kāi)采試驗(yàn)法和可開(kāi)采系數(shù)法確定。利用開(kāi)采試驗(yàn)法確定可開(kāi)采量時(shí)，考慮到當(dāng)?shù)氐叵滤臉O限埋深為5m， 為了不影響該區(qū)域植被的生存，開(kāi)采的最大埋深也確定為5m，得到的各鄉(xiāng)場(chǎng)可開(kāi)采量。

由于依希來(lái)木其鄉(xiāng)及佳木鎮(zhèn)的地下水埋深較大，不能較好地確定開(kāi)采埋深，因此采用可開(kāi)采系數(shù)法，參考前人研究，確定可開(kāi)采系數(shù)為0.6。 盡管臺(tái)蘭河的來(lái)水量不足8億m3，但研究區(qū)較臺(tái)蘭河流域范圍大， 包含了臺(tái)蘭河流域周邊水系。 數(shù)值模擬結(jié)果表明，平水年這9個(gè)分區(qū)的地下水補(bǔ)給量約8.4億m3，根據(jù)可開(kāi)采系數(shù)法， 得到全區(qū)地下水可 開(kāi) 采 量5.04 億m3，開(kāi)采試驗(yàn)法計(jì)算結(jié)果略大約5.7889億m3，各分區(qū)的地下水可開(kāi)采量如表6。

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用抽水試驗(yàn)所采集的數(shù)據(jù)，利用MODFLOW軟件對(duì)臺(tái)蘭河流域的地下水流進(jìn)行數(shù)值模擬，模型驗(yàn)證期為2006年9月至2010年8月， 最終的模擬水位的變化趨勢(shì)與實(shí)測(cè)的變化趨勢(shì)一致。 并且采用可開(kāi)采系數(shù)法計(jì)算得到地下水可開(kāi)采量約5.7889億m3。