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        新疆車爾臣河地下水資源量數(shù)值模擬分析

        2021-04-03 00:49:46劉天超曹大元
        地下水 2021年2期
        關(guān)鍵詞:概化排泄量補(bǔ)給量

        劉天超,曹大元,于 寧,李 通

        (新疆地礦局第一區(qū)域地質(zhì)調(diào)查大隊(duì),新疆 烏魯木齊 830013)

        研究區(qū)南部為昆侖山-阿爾金山北麓,北部為塔克拉瑪干沙漠,總體地勢(shì)為南高北底,西高東低,向東北傾斜,地形坡降由南向北逐漸變緩,海拔高程925~4 700 m。區(qū)域內(nèi)地貌類型分為構(gòu)造侵蝕剝蝕地貌、侵蝕重力堆積地貌、堆積為主、微地貌。為了提出該研究區(qū)地下水合理開發(fā)利用與保護(hù)方案,本文在對(duì)研究區(qū)地質(zhì)條件分析的基礎(chǔ)上,并參考相關(guān)文獻(xiàn)[1-5],建立了研究區(qū)水文地質(zhì)概念模型和數(shù)值模型,對(duì)研究區(qū)地下水的資源量進(jìn)行了計(jì)算分析,最后并對(duì)研究區(qū)的地下水水位進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

        1 水文地質(zhì)概念模型

        1.1 模擬區(qū)范圍

        1.2 邊界條件概化

        1.2.1 模擬區(qū)的側(cè)向邊界概化

        依據(jù)收集的資料、水文地質(zhì)鉆探、物探等工作成果,從第四系及飽水帶厚度分布特征、含水層地下水位埋深以及研究區(qū)的地下水流場(chǎng)特征等方面將計(jì)算區(qū)邊界概化如下:南部邊界,分成兩段,一是車爾臣河谷地段,邊界接受河谷潛流補(bǔ)給,概化為流量邊界中的補(bǔ)給邊界;二是其余南部邊界為由于出山口阻水構(gòu)造影響概化為零流量邊界;由于地下水流向?yàn)檠剀嚑柍己臃较蛳驏|部排泄,故將車爾臣下游東部邊界概化為流量邊界中的排泄邊界;西部,北部邊界根據(jù)地下水流場(chǎng)圖,沒(méi)有水量流入或流出,概化為零流量邊界。

        1.2.2 模擬區(qū)的上、下邊界概化

        在垂向上模型的上邊界為潛水水面,接受河流入滲、暴雨洪流、灌溉入滲補(bǔ)給、地下水回歸補(bǔ)給、渠系入滲補(bǔ)給,地下水排泄以側(cè)向排泄、開采以及排堿渠蒸發(fā)和部分地區(qū)的潛水蒸發(fā)為主。項(xiàng)目鉆孔揭露深度為200 m,故本次將下界面設(shè)置在200 m,為隔水邊界。

        1.3 含水層的概化

        根據(jù)水文地質(zhì)條件,將計(jì)算區(qū)含水層概化如下:

        (1)南段鉆孔揭露的200 m以上的含水層概化為單一結(jié)構(gòu)潛水,含水層巖性主要為砂卵礫石、砂礫石、砂石;主要分布于瓊庫(kù)勒鄉(xiāng)、阿熱勒鄉(xiāng)一線以南段,阿爾金山山前傾斜平原。

        (2)計(jì)算區(qū)中部含水層概化為潛水-承壓水含水層,多層結(jié)構(gòu)地下水主要分布在且末縣城以北沿車爾臣河兩岸至塔提讓鎮(zhèn)東側(cè)、呈條帶狀展布,以及西側(cè)薩爾瓦敦開發(fā)區(qū)原故河道一帶。潛水含水層巖性由卵礫石,向東北漸變?yōu)樯暗[石、含礫砂、中粗砂,厚度50~110 m;淺層承壓水頂板埋深96~165 m,巖性為粉質(zhì)粘土、大厚度粉土,厚度2~21 m。承壓水水頭與潛水水位接近,含水層厚度20~50 m。

        (3)計(jì)算區(qū)下游潛水含水層概化為潛水含水層,含水層巖性主要為巖性以粉砂為主,沒(méi)有明顯連續(xù)弱透水層。由于每層巖性均不同,故概化為非均質(zhì)、各向異性。

        1.4 計(jì)算區(qū)水力特征概化

        計(jì)算區(qū)內(nèi)地下水由南向北后向東側(cè)徑流,其中部潛水-承壓水分布地段由于潛水位與承壓水位一致,故越流補(bǔ)給。根據(jù)地表水地下水轉(zhuǎn)化規(guī)律,在沖洪積平原區(qū)河水補(bǔ)給地下水,在河谷平原區(qū)及其下游地段,地下水補(bǔ)給河水,上游以側(cè)向徑流方式排泄,而下游以蒸發(fā)排泄;承壓水接受上游側(cè)向徑流及以側(cè)向徑流排泄為主。

        計(jì)算區(qū)地下水含水空間為第四系松散巖層,孔隙分布連續(xù),呈漸進(jìn)式變化,孔隙中的地下水流動(dòng)狀態(tài)為層流,符合達(dá)西定律,但區(qū)內(nèi)地下水受人工條件影響,地下水呈非穩(wěn)定狀態(tài),因此計(jì)算區(qū)地下水流態(tài)概化為三維非穩(wěn)定流。

        2 數(shù)學(xué)模型的建立

        2.1 數(shù)學(xué)模型表達(dá)式

        根據(jù)計(jì)算區(qū)水文地質(zhì)概念模型,對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型選用非均質(zhì)各向異性三維非穩(wěn)定流數(shù)值模型,所建立的數(shù)學(xué)模型可表示為:

        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(xiàng)[L/T];S為給水度[-],取重力給水度μ,Ω為模擬范圍;n為邊界面的外法線方向;Γ為側(cè)邊界;B為底邊界。

        2.2 模型的離散

        2.2.1 空間離散

        對(duì)計(jì)算區(qū)在空間上的離散包括平面上的網(wǎng)格剖分和垂向上的分層。平面上采用等間距矩形網(wǎng)格進(jìn)行剖分,采用等間距有限差分的離散方法,在地下水模型中進(jìn)行自動(dòng)剖分,剖分網(wǎng)格間距為1 000 m×1 000 m,每個(gè)單元面積1 km2,X方向上剖分201個(gè)網(wǎng)格,Y方向剖分223個(gè)網(wǎng)格,垂向上剖分為3層,共201×223×3=134 469個(gè)網(wǎng)格,有效模擬面積為20 000 km2。研究區(qū)內(nèi)網(wǎng)格數(shù)量為36 809個(gè),所占面積為5 474.7 km2。

        2.2.2 時(shí)間離散

        本次模擬以2017年7月作為初始時(shí)刻,其中利用2017年8月至2018年7月作為模型識(shí)別期,根據(jù)均衡項(xiàng)計(jì)算將應(yīng)力期分為12期,根據(jù)地下水位的觀測(cè)時(shí)間,時(shí)間步長(zhǎng)以30天為單位,進(jìn)行模擬及識(shí)別。

        2.3 模型的識(shí)別

        2.3.1 邊界條件的處理

        根據(jù)上述邊界條件概化結(jié)果在GMS軟件中將底邊界處理為隔水邊界;上邊界作為開放邊界,將垂向入滲及人工開采蒸發(fā)用Recharge模塊進(jìn)行處理,蒸發(fā)用Evapotranspiration模塊來(lái)處理;將側(cè)邊界條件概化為流量邊界,包括南部的河谷潛流補(bǔ)給流量邊界、東部的排泄流量邊界及北部、西部的零流量邊界用Spercific flow模塊。

        2.3.2 初始流場(chǎng)

        模型計(jì)算區(qū)地下水位初始值,以2017年7月統(tǒng)測(cè)水位資料,對(duì)每一個(gè)單元賦初始水位值。

        2.3.3 模型參數(shù)選用

        根據(jù)已有抽水試驗(yàn)資料,確定不同巖性的水平、垂向滲透系數(shù)和給水度。結(jié)合巖性的空間分布規(guī)律,采用參數(shù)分區(qū)的方法確定各單元滲透系數(shù)和給水度,分別賦初值。

        2.3.4 源匯項(xiàng)的處理

        河谷潛流、側(cè)向徑流量作為邊界流入量,在邊界進(jìn)行賦值。降水入滲、渠系入滲、田間入滲、降雨入滲、水庫(kù)入滲、地下水回歸按照面狀補(bǔ)給,采用Recharge模塊進(jìn)行模擬。河流上游脫節(jié)段入滲為線狀補(bǔ)給,采用Well模塊處理,將河流入滲量加至第一層含水層,河流下游段處理為定水頭邊界,模型自動(dòng)計(jì)算邊界流量。井開采量采用Well模塊處理。排堿渠蒸發(fā)量統(tǒng)一加至農(nóng)田范圍內(nèi),采用Recharge模塊處理。潛水蒸發(fā)量在模型中,采用與此等效的線性關(guān)系用蒸發(fā)(ET)模塊進(jìn)行模擬。

        2.4 源匯項(xiàng)數(shù)值模擬結(jié)果

        (1)2017年區(qū)內(nèi)地下水資源處于均衡狀態(tài),地下水補(bǔ)給以河道入滲補(bǔ)給量為主,地下水排泄以蒸發(fā)排泄量為主。二者均為天然補(bǔ)給或排泄因素,表明區(qū)內(nèi)地下水大體處于天然狀態(tài),人類影響程度較小,僅在綠洲平原區(qū)地段人類影響較大。

        (2)地下水總補(bǔ)給量為55 868.8×104m3/a。

        其中河道入滲補(bǔ)給量為42 111.3×104m3/a,占總補(bǔ)給量75.3%,其余各項(xiàng)補(bǔ)給量均小于總補(bǔ)給量的10%,河道入滲補(bǔ)給量占有絕對(duì)的地位。表明項(xiàng)目區(qū)內(nèi)地下水主要來(lái)源為河流入滲補(bǔ)給,河流流量及入滲能力直接決定了區(qū)內(nèi)水資源總量。

        (3)地下水總排泄量為55 558.7×104m3/a。

        其中蒸發(fā)排泄量為42 230.4×104m3/a,占總排泄量76.3%。表明區(qū)內(nèi)地下水主要從上游補(bǔ)給區(qū)徑流至細(xì)土顆粒平原后,以蒸發(fā)方式排泄。細(xì)土平原區(qū)地下水埋深淺,地下水資源主要起到生態(tài)供水功能,保證胡楊、蘆葦?shù)忍烊恢脖桓邓治?,但地下水位埋深淺區(qū)范圍較大,導(dǎo)致潛水蒸發(fā)較強(qiáng),區(qū)內(nèi)有較強(qiáng)鹽漬化現(xiàn)象發(fā)生。

        模擬期水量均衡結(jié)果符合實(shí)際,進(jìn)一步驗(yàn)證了識(shí)別與校正后的模型具有較高的仿真度,可用于地下水資源的預(yù)測(cè)。

        3 研究區(qū)地下水資源量分析

        3.1 研究區(qū)地下水資源量模擬結(jié)果

        研究區(qū)補(bǔ)給量為51 171.9×104m3/a,占到全區(qū)補(bǔ)給量的91.6%,排泄量為50 532.6×104m3/a,占到全區(qū)排泄量的91.3%。

        3.2 研究區(qū)可采資源量模擬結(jié)果

        本次模擬采用概化開采條件,給出一個(gè)相對(duì)優(yōu)化的開采水平,作為計(jì)算地下水可開采資源量的前提??砷_采利用的地下水資源量的大小主要取決于補(bǔ)給來(lái)源及排泄方式,以河道入滲以及地下水的蒸發(fā)為主。增加地下水可開采資源量,使地下水蒸發(fā)消耗減小到最低限度,同時(shí)還增加了河流入滲量,減少了部分側(cè)向徑流出水量,三者與天然補(bǔ)給量之和即為可開采資源量,以生態(tài)環(huán)境需水量,需確定合理的開發(fā)水位埋深。計(jì)算得出研究區(qū)地下水可開采資源量為33 272.1×104m3/a。

        4 研究區(qū)地下水預(yù)測(cè)

        4.1 預(yù)測(cè)方案

        方案一:以2017年為現(xiàn)狀年,在現(xiàn)狀基礎(chǔ)條件下預(yù)報(bào),預(yù)報(bào)至下一個(gè)五年計(jì)劃,即2025年末結(jié)束,共計(jì)九年。主要預(yù)測(cè)其地下水位變化趨勢(shì),輔助分析地下水資源開發(fā)利用合理性。

        方案二:結(jié)合以下當(dāng)?shù)厥逡?guī)劃,配合工農(nóng)業(yè)發(fā)展對(duì)水資源供需要求,預(yù)報(bào)人類活動(dòng)情況下地下水演變趨勢(shì),從2020年開始預(yù)測(cè),2030年結(jié)束,共計(jì)十年。

        其中十三五規(guī)劃具體涉及與地下水相關(guān)內(nèi)容如下為本次預(yù)報(bào)的具體內(nèi)容。

        (1)在車爾臣上游新建水庫(kù)、建成高標(biāo)準(zhǔn)節(jié)水灌溉面積30萬(wàn)畝,節(jié)水2 170×104m3的基礎(chǔ)上進(jìn)行水源地開采預(yù)測(cè)。

        (2)本次預(yù)報(bào)選取了兩處水源地,分別為恰瓦勒墩開發(fā)區(qū)東側(cè)水源地和車爾臣河山前富水地段水源地,

        4.2 預(yù)測(cè)定解條件

        4.2.1 預(yù)測(cè)時(shí)段

        方案一預(yù)測(cè)期為9年,共9個(gè)應(yīng)力期,模型計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)為30 d,預(yù)測(cè)期內(nèi)共計(jì)3 287 d;方案二預(yù)測(cè)期為10年,共10個(gè)應(yīng)力期,模型計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)為30 d,預(yù)測(cè)期內(nèi)共計(jì)3 652 d。

        4.2.2 初始流場(chǎng)及邊界條件

        方案一采用穩(wěn)定流模型識(shí)別后的流場(chǎng)為初始流場(chǎng),方案二2020年初始流場(chǎng)采用現(xiàn)狀年預(yù)報(bào)的2020年流場(chǎng),邊界條件不變。

        4.2.3 源匯項(xiàng)處理

        方案一源匯項(xiàng)將采用現(xiàn)狀年2017年條件下的源匯項(xiàng),方案二采用十三五規(guī)劃具體設(shè)計(jì)的源匯項(xiàng)以及水源地設(shè)計(jì)開采量進(jìn)行預(yù)測(cè)。

        4.2.4 預(yù)報(bào)計(jì)算結(jié)果

        根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果,各觀測(cè)孔水位降深在-0.03~7 m之間。大部分觀測(cè)孔均出現(xiàn)水位下降情況。水位下降觀測(cè)孔大多分布于車爾臣河中游地區(qū),即且末縣及其周邊的鄉(xiāng)鎮(zhèn),局部地段人工開采量大于補(bǔ)給量,造成其地下水位下降。

        5 結(jié)語(yǔ)

        (1)2017年區(qū)內(nèi)地下水資源處于均衡狀態(tài),地下水補(bǔ)給以河道入滲補(bǔ)給量為主,地下水排泄以蒸發(fā)排泄量為主。兩者均為天然補(bǔ)給或排泄因素,表明區(qū)內(nèi)地下水大體處于天然狀態(tài),人類影響程度較小,僅在綠洲平原區(qū)地段人類影響較大。其中河道入滲補(bǔ)給量為42 111.3×104m3/a,占總補(bǔ)給量75.3%,蒸發(fā)排泄量為42 230.4×104m3/a,占總排泄量76.3%。

        (2)研究區(qū)補(bǔ)給量為51 171.9×104m3/a,占到全區(qū)補(bǔ)給量的91.6%,排泄量為50 532.6×104m3/a,占到全區(qū)排泄量的91.3%;計(jì)算得出研究區(qū)地下水可開采資源量為33 272.1×104m3/a。

        (3)根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果,研究區(qū)各觀測(cè)孔水位降深在-0.03~7 m之間。大部分觀測(cè)孔均出現(xiàn)水位下降情況。水位下降觀測(cè)孔大多分布于車爾臣河中游地區(qū),即且末縣及其周邊的鄉(xiāng)鎮(zhèn),局部地段人工開采量大于補(bǔ)給量,造成其地下水位下降。

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