杭 輝，蘇前龍

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,新疆 烏魯木齊 830000）

1 概況

和田縣行政區(qū)劃隸屬于新疆維吾爾自治區(qū)和田縣,縣域北部為塔克拉瑪干沙漠、南臨喀喇昆侖山,總地勢(shì)南高北低；縣域西部高山連綿,山勢(shì)陡峭,占全縣總面積的95%；北部地勢(shì)平坦,位于玉龍喀什河與喀拉喀什河的沖積平原地帶,占總面積的1.3%；沙漠占總面積的3.7%。和田縣屬典型的溫帶荒漠型氣候,主要特點(diǎn)：降水稀少,多年平均降水量為33.5 mm；氣候干燥,年平均氣溫11.5℃；蒸發(fā)強(qiáng)烈,多年平均蒸發(fā)量2602.1 mm。

評(píng)價(jià)區(qū)南鄰G315國(guó)道,北至北防護(hù)林,包括喀拉喀什河?xùn)|側(cè)和玉龍喀什河西側(cè),東西寬約5 km～9 km,南北長(zhǎng)約40 km,面積約300 km2。新區(qū)內(nèi)部無(wú)地表水過(guò)境水量,左側(cè)的喀拉喀什河上游渠首多年平均徑流量21.95億m3,下游吐直魯克水文站多年平均徑流量3.47億m3；玉龍喀什河渠首多年平均徑流量23.88億m3,下游艾格利亞水文站多年平均徑流量13.67億m3。

2 農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)新區(qū)水文地質(zhì)概況及概念模型的建立

（1）地質(zhì)概況

評(píng)價(jià)區(qū)位于塔里木盆地西南部,和田河沖積平原中下游玉龍喀什河與喀拉喀什河兩河河間地帶,區(qū)內(nèi)主要包括沖積平原和風(fēng)成沙漠兩個(gè)地貌單元,地形平坦,地勢(shì)總體走向由南西向北東傾斜,地形坡降平均1.5‰,海拔高程1250 m～1265 m,兩河流經(jīng)的沖積平原區(qū)呈條帶狀綠洲向北東伸入沙漠腹地。評(píng)價(jià)區(qū)在構(gòu)造上位于和田坳陷向北部的塔里木地臺(tái)隆起過(guò)渡帶,受喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)影響,昆侖山北緣山前褶皺帶被大幅抬升,山前坳陷帶相對(duì)大幅度沉降,在河流及冰川運(yùn)動(dòng)的共同作用下,在坳陷帶內(nèi)逐漸沉積了大厚度的第四紀(jì)堆積物,形成了寬廣的沖洪積平原,為地下水的儲(chǔ)存、運(yùn)移創(chuàng)造了有利的地質(zhì)條件。本區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活動(dòng)十分頻繁,表現(xiàn)為區(qū)域上升、下降的不均勻性,玉河因受東部阿其克背斜繼承性上升運(yùn)動(dòng)影響,河道由東向西擺動(dòng)；喀河受西側(cè)皮牙曼背斜繼承性上升運(yùn)動(dòng)影響,河道由西向東擺動(dòng)。

（2）含水介質(zhì)特征及含水層埋藏條件

評(píng)價(jià)區(qū)由南向北隨著地形坡度變緩,地層沉積顆粒變細(xì),地下水水力坡度逐漸變小,水位埋深變淺一般在2 m～8 m間,含水層類(lèi)型為單一的第四紀(jì)孔隙潛水,其巖性以粗砂、中砂、細(xì)砂和粉細(xì)砂為主,含水層富水性較強(qiáng),單位涌水量在1.96 L/（s·m）～14.25 L/（s·m）之間。東部沿玉河西岸一帶,地下水位埋深一般在3 m～5 m間,水化學(xué)類(lèi)型常以Cl·SO4-Ca·Na和Cl·HCO3-Na·Ca型水為主,礦化度在1 g/L～2 g/L之間,水質(zhì)普遍較差；西部沿喀河?xùn)|岸一帶,地勢(shì)較玉河略高,地下水埋深在3 m左右,水化學(xué)類(lèi)型以Cl·HCO3-Na·Ca型水為主,地下水礦化度多小于1 g/L,水質(zhì)較好。

區(qū)內(nèi)地下水補(bǔ)給方式主要依靠上游含水層的潛流側(cè)滲和河水、洪水、農(nóng)業(yè)灌溉引水渠系及農(nóng)田灌溉水的入滲,由于地層巖性顆粒較細(xì),地下徑流遲緩,而地下水的排泄方式則以向下游徑流、人工開(kāi)采、泉水出露、植物蒸騰、以及地下水的蒸發(fā)蒸騰為主。

（3）水文地質(zhì)概念模型

將評(píng)價(jià)區(qū)含水巖組特征、儲(chǔ)水構(gòu)造特征、水力特性、補(bǔ)、徑、排條件及邊界條件概化,通過(guò)建立模型來(lái)解決復(fù)雜多變的地下水運(yùn)動(dòng)情況[1]。概念模型含水層底板由鉆孔資料和水文地質(zhì)剖面圖確定,選取底板高程為1100 m,平均含水層埋深200 m。

（4）邊界條件概化

南部邊界有豐富的孔隙潛水流入模擬區(qū),概化為第二類(lèi)邊界條件,北部邊界為地下水排泄邊界,概化為第二類(lèi)邊界條件,南、北邊界單位長(zhǎng)度補(bǔ)給量、排泄量根據(jù)水資源評(píng)價(jià)的均衡分析結(jié)果給出；東、西部邊界分別為玉龍喀什河、喀拉喀什河,河流在此段常年有水,河道1.0 km～1.5 km,河流流量年內(nèi)變化較大,兩河邊界均按變水頭邊界處理；整個(gè)評(píng)價(jià)區(qū)面積約310 km2。

（5）水流特征

評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)含水層參數(shù)隨空間變化,基本為均質(zhì)性,隨方向沒(méi)有明顯的變化,呈現(xiàn)出各項(xiàng)同性；地下水各運(yùn)動(dòng)要素隨時(shí)間改變而不同,故地下水流為非穩(wěn)定流。評(píng)價(jià)區(qū)地形落差不大,水力坡度較為平緩,地下水流運(yùn)動(dòng)總體表現(xiàn)為非理想化的水平運(yùn)動(dòng),綜合滲流速度在垂向上的分量,最終將評(píng)價(jià)區(qū)地下水流概化為三維流。綜上,將評(píng)價(jià)區(qū)地下水流概化成均質(zhì)各向同性非穩(wěn)定三維地下水流系統(tǒng)。

（6）源匯項(xiàng)

評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)潛水主要補(bǔ)給源為河道滲漏、渠系滲漏,排泄項(xiàng)主要為潛水蒸發(fā)、地下水開(kāi)采。

根據(jù)評(píng)價(jià)區(qū)水井鉆探資料和抽水試驗(yàn)成果資料,以120 m深度計(jì)算河道側(cè)向滲漏補(bǔ)給量,補(bǔ)給通量為462.32×104m3/a；兩條河道在評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)長(zhǎng)約30 km,根據(jù)多年水文站觀測(cè)資料,水位變幅小于1.2 m,流量年內(nèi)不均,6月～9月流量大,其余月份較小,在冬季會(huì)出現(xiàn)斷流,本次評(píng)價(jià)采用變水頭邊界；渠系滲漏根據(jù)渠道多年平均引水量來(lái)計(jì)算,因渠系水位觀測(cè)資料較少,故將多年平均入滲量1798.89×104m3/a作為通量補(bǔ)給。

側(cè)向排泄按側(cè)向補(bǔ)給的方式進(jìn)行處理,概化為通量排泄,排泄量為586.53×104m3/a；潛水蒸發(fā)主要集中在河道兩側(cè)綠洲區(qū),沙漠區(qū)蒸發(fā)量受地下水埋深控制,不同地下水位埋深乘以相應(yīng)折算系數(shù),按面狀排泄處理,通量為3379.04×104m3/a；地下水開(kāi)采主要集中在每年6月～10月,開(kāi)采井分布較散（共226眼）,現(xiàn)狀開(kāi)采總量為4883.18×104m3/a,根據(jù)機(jī)電井工作時(shí)段,將開(kāi)采量按每年5月、6月～8月、9月、10月、10月～次年4月進(jìn)行分時(shí)段處理。評(píng)價(jià)區(qū)水文地質(zhì)概念模型見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 評(píng)價(jià)區(qū)水文地質(zhì)概念模型立體圖

3 地下水流數(shù)學(xué)模型及求解

根據(jù)水文地質(zhì)概念模型,采用Visual Modflow軟件建立初步的數(shù)值模型,通過(guò)參數(shù)識(shí)別與模型檢驗(yàn)后,對(duì)評(píng)價(jià)區(qū)地下水流系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析與預(yù)測(cè)。

（1）潛水含水層數(shù)學(xué)模型

水文地質(zhì)概念模型將評(píng)價(jià)區(qū)地下水流系統(tǒng)概化成均質(zhì)各向同性、三維非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)[2],潛水?dāng)?shù)學(xué)模型表示如下：

式中：Ω為模擬區(qū)范圍；k為潛水含水層滲透系數(shù),m/d；h為地下水位（或稱(chēng)水頭）,m；h0為初始地下水位 ,m；S1為第一類(lèi)邊界；S2為第二類(lèi)邊界；q為第二類(lèi)邊界單位面積流量,m3/d；n為第二類(lèi)邊界的外法線方向；μ為潛水含水層給水度；w（x,y,z,t）為垂直方向上地下水的抽出和入滲補(bǔ)給,m3/d。

（2）模型軟件的選取

本次選取Visual Modflow作為地下水建模軟件,軟件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、便捷高效,是目前國(guó)際上運(yùn)用較廣、功能十分全面的三維地下水流[3]。Visual Modflow主要由MODFLOW、MT3DMS4、MODPAT 和Zone Budge功能模塊組成。①M(fèi)ODFLOW模塊：主要用于模擬研究地下水流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；②MT3DMS：為模塊化三維傳輸模型,用于模擬地下水系統(tǒng)中溶解成分的平流,擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)的計(jì)算機(jī)模型；③MODPATH模塊：用來(lái)模擬模型中給定指點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡,尤其在觀察污染物的運(yùn)移范圍時(shí)是一個(gè)非常有效的工具,需要與MODFLOW、MT3DMS聯(lián)合運(yùn)行。④Zone Budget主要用于計(jì)算確定區(qū)域范圍的總水量及其與周邊區(qū)域的水量交換情況[4]。本次對(duì)評(píng)價(jià)區(qū)地下水流系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律模擬分析預(yù)測(cè)主要使用MODFLOW和Zone Budget這兩個(gè)模塊。

（3）模型網(wǎng)格剖分

垂向上將評(píng)價(jià)區(qū)概化為均質(zhì)含水層,平均厚度120 m,按40 m進(jìn)行分層,共3層。為了更精細(xì)刻畫(huà)流場(chǎng)運(yùn)移過(guò)程,平面上將評(píng)價(jià)區(qū)按照400 m×400 m剖分成網(wǎng)格,共11664個(gè)網(wǎng)格。

（4）模型參數(shù)分區(qū)及初值確定

評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)巖性以粗砂、中砂、細(xì)砂和粉細(xì)砂為主,北部和南部靠近喀河一帶滲透系數(shù)6.73 m/d～12.70 m/d,沙漠區(qū)滲透系數(shù)8.18 m/d～9.33 m/d,玉河河谷帶滲透系數(shù)8.71 m/d～10.1 m/d。區(qū)內(nèi)含水層滲透系數(shù)空間分異不明顯,因此將評(píng)價(jià)區(qū)劃分為3個(gè)參數(shù)區(qū),各區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)初值結(jié)合水文地質(zhì)資料、抽水試驗(yàn)等成果資料確定,喀河一帶、沙漠區(qū)、玉河一帶滲透系數(shù)初值分別取8.87 m/d、9.5 m/d、9.4 m/d,給水度初值分別取0.08、0.10、0.09,滲透系數(shù)、給水度分區(qū)圖見(jiàn)圖3。

圖3 滲透系數(shù)、給水度分區(qū)圖

4 數(shù)學(xué)模型的識(shí)別與驗(yàn)證

為保證所建立的數(shù)學(xué)模型在最大程度上反映評(píng)價(jià)區(qū)地下水流場(chǎng)實(shí)際情況,在正式模擬預(yù)報(bào)之前,需要對(duì)已建數(shù)學(xué)模型進(jìn)行識(shí)別和驗(yàn)證[5]。

根據(jù)評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)地下水位觀測(cè)資料,選取2015年6月地下水位初始流場(chǎng)作為模型初始條件,2016年6月地下水位作為模型的驗(yàn)證條件。區(qū)內(nèi)抽水孔分布密集,為便于建立模型將500 m范圍內(nèi)的抽水井整合為一個(gè)。通過(guò)觀測(cè)孔水位和模擬水位對(duì)比分析,各觀測(cè)孔水位擬合誤差均小于1m,經(jīng)過(guò)多次參數(shù)調(diào)整,最終確定了含水層參數(shù)：喀河一帶、沙漠區(qū)、玉河一帶滲透系數(shù)取9.7 m/d、10.2 m/d、9.8 m/d,給水度取0.09、0.10、0.09。

5 基于數(shù)值模擬的地下水資源分析預(yù)測(cè)

模擬區(qū)2015年地下水總補(bǔ)給量為9651.0×104m3/a,地下水總排泄量為8849.0×104m3/a ,其中河流補(bǔ)給量為6773.0×104m3/a,占補(bǔ)給量的70.2%,機(jī)民井開(kāi)采量為4883.18×104m3/a,占排泄量的55.2%。參考已審批的地下水2015年、2020年、2030年用水指標(biāo),采取2015年6月作為初始流場(chǎng),利用建立的地下水?dāng)?shù)值模型,按照4883.18萬(wàn)m3/a、6000萬(wàn)m3/a、8000萬(wàn)m3/a作為不同強(qiáng)度的開(kāi)采方案,對(duì)評(píng)價(jià)區(qū)連續(xù)開(kāi)采5年、15年后的地下水降深場(chǎng)進(jìn)行了模擬計(jì)算[6]。

（1）情景一：現(xiàn)狀開(kāi)采量4883.18萬(wàn)m3/a

通過(guò)Modflow軟件對(duì)驗(yàn)證好的地下水流數(shù)值模型進(jìn)行模擬預(yù)測(cè),見(jiàn)圖4～圖5。選取5年、15年（即2020年、2030年）作為預(yù)測(cè)時(shí)段,在開(kāi)采量為4883.18萬(wàn)m3/a時(shí),區(qū)域地下水位基本處于平衡狀態(tài),開(kāi)采15年后地下水位下降約3 m。

圖4 5年預(yù)測(cè)期地下水位將降深圖

圖5 15年預(yù)測(cè)期地下水位將降深圖

（2）情景二：開(kāi)采量6000萬(wàn)m3/a

開(kāi)采點(diǎn)為農(nóng)業(yè)灌溉機(jī)井,分散式開(kāi)采,開(kāi)采設(shè)計(jì)強(qiáng)度6000萬(wàn)m3/a,集中在每年6月～8月進(jìn)行灌溉開(kāi)采。選取5年、15年（即2020年、2030年）作為預(yù)測(cè)時(shí)段,開(kāi)采5年后區(qū)域地下水位下降約4 m～5 m,且基本處于平衡狀態(tài)略有下降趨勢(shì),見(jiàn)圖6,開(kāi)采15年后地下水位下降約6 m～8 m,見(jiàn)圖7。

圖6 5年預(yù)測(cè)期地下水位將降深圖

圖7 15預(yù)測(cè)期地下水位將降深圖

（3）情景三：開(kāi)采量8000萬(wàn)m3/a

開(kāi)采點(diǎn)為農(nóng)業(yè)灌溉機(jī)井,分散式開(kāi)采,開(kāi)采設(shè)計(jì)強(qiáng)度8000萬(wàn)m3/a,集中在每年6月～8月進(jìn)行灌溉開(kāi)采。選取5年、15年（即2020年、2030年）作為預(yù)測(cè)時(shí)段,開(kāi)采5年后區(qū)域地下水位下降約4 m～6 m,且尚未處于平衡狀態(tài)還有下降趨勢(shì),見(jiàn)圖8,開(kāi)采15年后地下水位下降約8 m～10 m,見(jiàn)圖9。

圖8 5年預(yù)測(cè)期地下水位將降深圖

圖9 15年預(yù)測(cè)期地下水位將降深圖

6 總結(jié)

本文在和田縣農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)新區(qū)水文地質(zhì)勘察工作詳實(shí)成果基礎(chǔ)上,通過(guò)Visual Modflow建立的地下水流數(shù)值模型,對(duì)120 m 以內(nèi)的地下水流系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析與預(yù)測(cè),預(yù)測(cè)了不同設(shè)計(jì)開(kāi)采強(qiáng)度下的5年、15年的水位降深,對(duì)經(jīng)濟(jì)新區(qū)地下水資源開(kāi)采具有指導(dǎo)性意義。為確保地下水資源合理、高效的開(kāi)采利用,提出以下建議：

1）對(duì)地下水降落漏斗分布的影響,對(duì)造成現(xiàn)狀地下水降落漏斗嚴(yán)重的區(qū)域要控制抽水量和抽水時(shí)間,抽水井盡量沿河分散均勻布置。

2）河流是區(qū)域地下水主要補(bǔ)給來(lái)源,井開(kāi)采總量不宜過(guò)大的超過(guò)河流補(bǔ)給量,避免對(duì)河道沿線的生態(tài)功能產(chǎn)生不利影響。

3）結(jié)合本次模型預(yù)測(cè)不同開(kāi)采強(qiáng)度下的水位降深,合理確定經(jīng)濟(jì)新區(qū)地下水開(kāi)采量,避免盲目開(kāi)采地下水而引發(fā)水土環(huán)境惡化。

4）以水定地,嚴(yán)格控制灌溉面積；經(jīng)濟(jì)新區(qū)氣候干燥且蒸發(fā)強(qiáng)烈,應(yīng)大力推行、發(fā)展高效節(jié)水灌溉措施。