水资源优化模型下灌区地下水位研究

刘 军

（新疆塔里木河流域阿克苏管理局 新疆 阿克苏 843000）

水资源是指与人类生产生活相关的淡水资源，包括：地表水、地下水、土壤水等，水资源的补给主要依靠大气降水[1-2]。因此，地下水是珍贵的自然资源。随着工业、农业生产的发展，水资源供需矛盾凸显，加之我国地下水资源分布不均匀，塔里木河流域出现了严重的水资源与农场资源不匹配。受到当地现有水利工程调蓄能力和供水能力的制约，地下水合理开采研究势在必行。

从国内外的研究进展来看，水下水位测量主要经历了原始水下测量阶段、传统水下测量阶段、数字化测量阶段[3-5]。目前，国外一般采用卫星定位和探测仪对地下水进行勘探，勘探工作主要包括定位和探测。随着数值计算的发展，地下水位数值模拟研究成为研究热点。

地下水动态预测模型一般由连续性方程、运动方程、控制方程、边界条件方程组成[6]。根据国内外地下水数值模拟相关文献，结合塔里木河灌区水文地质条件，分析了灌区地下水分布情况。通过与测量数据对比，其数值模拟精度较高，可以反映出当地的地下水动态。

1 水位分布分析

由于过度开采，塔里木河流域地下水位连续下降，并导致了地面沉降、水利工程出现裂缝等危害。这些危害制约了当地经济发展，因此研究地下水时空分布差异，并据此提出合理建议具有重要意义。

塔河灌区地下水动态变化主要受到气候、地形、植被、地质条件等因素影响。灌区的地下水补给主要来源于降水和塔里木河渗漏，属于降水入渗补给类型。主要地下水类型为潜水和承压水，潜水位一般为2m～10m，承压水埋藏深度在90m以下。由于承压水开采成本高，目前灌区大量开采潜水作为灌溉水源，本文中的地下水位研究将主要针对潜水。

在塔河灌区选择42个地下水观测孔，每隔5天进行观测一次。根据现有资料，找到了1984年、2002年、2009年水利普查时的水资源埋藏深度分布图。将现有数据进行处理后进行克里克插值，发现这3年的数据均满足正态分布，1984年的数据虽有个别值偏离，但是经过检验后还是满足需求的。3年的数据中拟合程度最好的是2009年测量数据，运用Arcgis9.3软件对2009年的灌区水位进行分析，得出了灌区水位分布，见图1。

从水位分布情况看，随着时间的推移，深色区域逐渐变小，只分布在周边区域，浅色区域越来越多，说明地下水位在不断下降。灌区中部形成了地下水漏斗，而且成扩大趋势。

2 地下水位数值研究

2.1 模型建立

地下水位数值模拟建立在数学模型基础上，通过软件对数学模型进行分析得出地下水位的动态变化情况。数学模型是描述整个研究区域的数学物理方程和边界条件的集合，根据塔里木河灌区建立水文地质数学模型如下[7]：

式中，K——渗透系数；

H——含水层厚度；

N——外法线方向；

Q——出含水层流量；

S——储水系数；

P——潜水面上入渗量和蒸发量。

水文地质模型在研究过程中忽略了一些微小的影响因素，降低了研究的复杂性，研究中尽可能的将渗透系数、给水量、水力特性简化[8]。对于含水层，认为潜水层厚度和埋藏深度随时间和空间变化，潜水流向与塔河流域的地形一致，将潜水层简化为非均值、各项异性的三维非稳态流动。

2.2 模型求解

利用VisualMODFLOW软件对塔河灌区地下水文地质模型进行求解。首先将研究区域的地图进行扫描，并依据此建立数学模型，将建好的模型进行网格划分，本研究区域共划分为2700个计算网格。利用历史数据和边界条件计算灌区的地下水深度。根据计算数据绘制出当地地下水位等值曲线分布情况，见图2。

对该区域内42口观测井进行井点高程测量和初始水位监测，测量数据见表1。

表1是9月份测量的地下水位分布情况，依据这些数据绘制地形水位等值曲线，并与数值模拟结果进行对比。得出塔河灌区浅层地下水位测量值与模拟值对比图，见图3。

图1 灌区水位分布情况

图2 地下水位等值曲线

图3 浅层地下水位测量值与模拟值对比

图4 3号观测井测量与模拟对比

表1 观测井井点高程和初始水位（mm）

模拟地下水位分布时，将给水量和渗透系数作为主要识别参数，由于塔河灌区地下水流动模型为非均值各向异性模型，因此研究区域内不同测点的水位变化较大。特别的，从图3中取出3号观测井的数据，将测量结果与计算结果绘制成曲线，见图4。

由图4可知，测量结果比数值模拟结果偏高，相对误差在7%到10%之间。分析产生误差的原因，可能是测点周围人为活动较多，产生误差的具体原因为：

（1）水文地质参数由经验值确定，缺少最新资料，为了简化分析将含水层概化为非均值各向异性流动；

（2）边界条件选择不恰当，不能反映出灌区的真实情况；

（3）研究区域内有农场和居民区，这些区域用水频繁，建模时没有考虑人为影响因素。

尽管如此，数值模拟精度仍然很高，可以反映出当地的地下水动态情况，模拟结果可以直接指导当地地下水开采。

3 结语

随着工业、农业生产的发展，水资源供需矛盾凸显，加之我国地下水资源分布不均匀，塔里木河流域出现了严重的水资源与农场资源不匹配。地下水动态预测模型一般由连续性方程、运动方程、控制方程、边界条件方程组成。根据国内外地下水数值模拟相关文献，结合塔里木河灌区水文地质条件，分析了灌区地下水分布情况。通过与测量数据对比，其数值模拟精度较高，相对误差在7%到10%之间，因此数值模拟结果可以反映出当地的地下水位动态变化情况，分析结果可以指导当地地下水开采，从而实现水资源利用可持续发展。陕西水利

[1]钟瑞森,郝丽娜,包安明,等.干旱内陆河灌区地下水位调控措施及其效应[J].水力发电学报,2012,04：65-71.

[2]姜秀芳,张霞,张钦武,等.青铜峡灌区引黄用水与地下水位响应关系分析[J].水资源与水工程学报,2012,04：148-150.

[3]刘燕.泾惠渠灌区地下水位动态变化特征及成因分析 [J].人民长江,2010,08：100-103+107.

[4]李振玺,张万宝.宁夏引黄灌区渠道砌护对地下水位的影响[J].人民黄河,2010,11：81-83.

[5]赵新宇,费良军.LM算法的神经网络在灌区地下水位预测中的应用研究[J].沈阳农业大学学报,2006,02：213-216.

[6]杨海昌,王东方,邵建荣,等.干旱区大面积膜下滴灌对灌区地下水位及流场的影响[J].中国农村水利水电,2013,11：60-64.

[7]马欢,杨大文.引黄灌溉对位山灌区的保障作用及其节水途径分析 [J].海河水利,2013,01：6-10.

[8]高旭艳.泾惠渠灌区地下水利用经验的分析[J]陕西水利,2009,05：145.