基于数值模拟的西北地下水总量控制指标确定研究

王晓玮，邵景力，甘 雨

(中国地质大学(北京) 水资源与环境学院，北京 100083)

基于数值模拟的西北地下水总量控制指标确定研究

王晓玮，邵景力，甘 雨

(中国地质大学(北京) 水资源与环境学院，北京 100083)

针对目前西北内陆河流域地下水总量控制指标制定方法的不足，提出了一套完整的确定区域/流域地下水总量控制指标的技术方法，主要步骤包括：以生态保护/恢复为约束条件，转换为定量化的判据；使用数值模拟方法确定地下水可开采量；进行供需平衡分析，分阶段定量确定地下水总量控制指标。应用此方法在甘肃省石羊河流域下游的红崖山灌区进行了实例研究，评价得到研究区2020年中期规划地下水总量控制指标为10 833×104m3，2030年远期规划的指标为10 700×104m3，与已有的控制指标相比相对宽松，在技术方法上也具有合理性。

西北内陆河流域；地下水总量控制指标；生态地下水位；红崖山灌区

水是西北内陆河流域赖以生存和发展的重要战略资源，更是维持生态系统稳定的重要因子。20世纪70年代以来，对地下水资源的超采程度不断加大，超出了其合理承载能力。根据全国超采区评价结果，西北内陆河流域共有超采区46个，面积54 022.59 km2。超采区天然植被退化、土地沙漠化、湖面萎缩甚至干涸等生态环境问题日益凸显[1]，严重威胁着内陆河流域经济的可持续发展和生态安全。总量控制作为“三条红线”之首，是实施最严格水资源管理制度的基础，界定了基于水资源承载能力的经济社会系统取耗水的外部边界，体现了水资源配置管理要求[2]。《国务院关于实行最严格水资源管理制度的意见》明确提出，实行地下水取用水总量和水位双重控制管理。总量控制的核心是确定总量控制指标，而地下水总量指标的确定是地下水双重控制管理的重中之重。西北地区独特的水文地质特点决定了如果地下水总量控制指标偏大，将导致地下水超采；若指标偏小. 就难以充分发挥地下水的调蓄作用，并影响土壤盐渍化治理成效[3]。

理论界对如何设定合理的用水总量指标开展了大量的研究，已有研究主要针对国家层面、省市级和流域层面和县市级层面的用水总量指标自上而下的分解[4～9]。总体来说，对地下水总量控制指标确定的研究仍然较少，特别是在西北地区，虽然新疆、甘肃已经分解确定了市县级地下水取用水总量指标，但多是对省级指标的直接分解，如位于石羊河流域的民勤县，根据《石羊河流域重点治理规划》、《甘肃省石羊河流域水资源分配方案》及《2005—2006年度水量调度实施计划》等技术文件，直接确定出民勤县各灌区地下水开采量的控制指标[10]。

将数值模拟方法与供需平衡方法结合，可以较为合理的确定某一个区域/流域的地下水总量控制指标，但目前少有采用此类方法确定总量控制指标的研究。本研究针对西北内陆河流域的水文地质特点和水资源开发利用特殊情况，提出具体的地下水总量控制指标确定方法，以中下游的天然生态保护/恢复作为约束条件并转化为定量化的判据，采用数值模拟方法计算评价地下水允许开采量；考虑未来不同规划年对地下水需求量的变化，通过供需平衡分析确定地下水总量控制指标，指标的确定是通过公式定量化求取。以甘肃省石羊河流域下游的民勤盆地红崖山灌区为例进行验证。结果证明该方法确定的总量控制指标更为合理，有利于资源-社会-经济-生态系统的协调发展。该方法可以为今后开展地下水“双控”管理提供必要的技术保障，同时也为国家构筑西北生态安全屏障、坚持绿色发展、加强生态文明建设提供技术支撑。

1 技术方法

根据研究目的，结合数值模拟和供需平衡分析等技术，总量控制指标确定方法应遵循步骤见图1。

图1 西北地下水总量控制指标确定方法的概念模型Fig.1 Conceptual model for determine the control indicators of total groundwater use in northwest China

步骤1：依据“天然植被保护与恢复”这个生态目标，确定约束条件，并将其转化为定量化的判据用于筛选地下水可开采量；

步骤2：构建超采区的地下水流数值模型，采用数值模拟方法预测评价不同的地下水开采量情景下的流场、水位等的变化，并与判据进行对比，从中筛选做出最合理的地下水开采量作为地下水可开采量；

步骤3：结合国民经济发展对水资源的需求，对地下水资源进行供需平衡分析，确定最终的地下水总量控制指标。

1.1 确定判据

本研究以地下水生态需水量和地下水生态水位作为中下游天然生态保护/恢复的约束条件。将西北内陆河流域超采区绿洲带及过渡带范围内，可以被植被利用进行自然修复的地下水量定义为地下水生态需水量[11]。地下水生态水位可以理解为维持绿洲地带和过渡带范围内地带性自然植被生长所需水分的浅层地下水位。约束条件的满足程度应转换为量化的指标，才能代入数值模型中。本研究确定以下三个判定指标，作为下一阶段开采量筛选的判据：

(1)受区域流场控制的地下水位变幅

用λ1表示，在研究区选择有代表性的地下水位监测点，应分布在超采区漏斗中心和边缘地区及重要的生态敏感地区。当研究区范围较小时，可采用算术平均法计算区内地下水位变幅：

(1)

式中：n——选定的有代表性地下水位监测点个数； △hi——第i地下水位监测点多年平均水位变幅/m。

当研究区范围较大，地下水位变幅差异较大时，可对子流域/区域分别计算平均水位变幅，再对其赋予不同的权重：

(2)

式中：m——子流域/区域个数；ωj——第j子流域/区域的权重；λ1j——第j子流域/区域采用算数平均法计算的区内地下水位变幅。

(2)水位埋深小于5 m的空间范围

不同的开采量和开采方案会在区域内产生不同的地下水流场，特定区域内地下水流场的变化影响生态系统的健康程度。根据已有研究成果，在西北地区，当地下水埋深在4～6 m左右时，土壤含水量接近多数植被的凋萎系数[12]。以流域/区域内生态脆弱地区(通常为下游)规划期末地下水位埋深等值线5 m为边界圈定的闭合区域的空间范围作为判别指标，用λ2表示。

(3)规划期末年水量均衡状态

将规划期末，年度地下水均衡状态作为地下水系统的判别指标，以λ3表示。

1.2 评价地下水可开采量

地下水可开采量的计算评价主要采用数值模拟方法：

(1)建立地下水流数值模型，能够充分模拟研究区水文地质条件和地下水开发利用条件下地下水流场和动态变化趋势；

(2)首先假设规划期内年开采量不变，设置不同的年开采量情景条件进行预测，模拟稳定开采条件下地下水系统运行的情况，筛选出在模拟期末满足三个判据的开采情景条件；

(3)对筛选后的开采情景，以稳定开采量为初始开采量，设置等额减少情景模式(模拟逐年减采)进行第二轮模拟预测，模拟更接近实际情况的在人类影响下的地下水系统运行情况，筛选出在模拟期末满足三个判据的开采情景条件作为最终的可开采量。

1.3 确定总量控制指标

(1)预测规划期地下水的需水量

(3)

式中：W需水i——第i规划期地下水需水量/(104m3·a-1)；W总需水i——第i规划期总国民经济需水量/(104m3·a-1)，对于已有区域/流域水资源配置规划成果的，经合理性分析后，直接采用规划成果；

δ——现状地下水用水量占总用水量的比重。

(2)预测规划期地下水的可供应量

(4)

式中：W可供——地下水可供应量/(104m3·a-1)；W可采——评价的分阶段地下水可开采量/(104m3·a-1)。

(3)确定总量指标

(5)

式中：W总量指标i——第i规划期地下水总量控制指标/(104m3·a-1)；

k——计算系数，0 ≤k≤1。

(4)总量控制指标计算系数k的确定，应符合如下规定：

①当地下水可供应量大于等于地下水需水量时，则以需水量作为总量控制指标，即W总量指标=W需水。

②当地下水可供应量小于地下水需水量时，可参考表1分阶段设置k。

表1 k值设置参考Table 1 References for the threshold of k

2 实例研究

红崖山灌区位于甘肃省河西走廊东段，石羊河下游民勤盆地内，属典型的大陆性气候，多年平均降水量110 mm，年均蒸发量2 604.3 mm，是我国典型的荒漠绿州之一(图2)。石羊河是区内的唯一地表水源，盆地入口蔡旗断面过水量，二十世纪五十年代平均4.6×108m3，2005年为1.06×108m3，随着流域综合治理的实施，2014年恢复到3.19×108m3。地表来水量逐渐减少，使得区内对地下水资源的开发力度逐年加大。目前，民勤县城东北部，以羊路、六坝、双茨科为中心，已形成一长形降落漏斗，漏斗长达30 km，宽达15 km，中心与外围水位差5 m。民勤北部的湖区以中兴为中心，形成一降落漏斗，漏斗范围波及西渠、东镇一带。地下水位形成的漏斗型曲面下降，下降最严重的地区和开采最强烈的地区重合，各漏斗范围相对独立，相互之间没有重叠。各漏斗中心下降深度基本相同(20 m)，整个地下水下降区和灌区范围相符。

图2 红崖山灌区位置示意图Fig.2 Location of Hongyashan irrigation district

根据甘肃省最新的超采区划分成果，研究区所在的民勤盆地被划分为“武威市民勤浅层大型严重超采区”，超采区面积1 785.78 km2，可开采量12 143.3×104m3/a，超采量183.02×104m3/a。超采的结果是地下水位持续下降，并且带来了严重的生态和环境问题，自然生态被破坏后极难恢复原状。多年来国家有关部门以及许多专家学者对民勤盆地生态问题进行了大量的研究,最终认为中下游人类的不合理生产行为是导致生态环境质量下降的主要因素之一[13]，绿洲边缘天然植被的衰败和土地的荒漠化与绿洲地下水水位的下降有着直接的关系。

2.1 判据的确定

《石羊河流域重点治理规划》[14]确定民勤生态保护的水资源支撑目标具体为：“2020年水平年治理目标：……地下水开采量稳定在2010年的4.18×108m3左右。实现民勤盆地地下水位持续回升，北部湖区预计将出现总面积大约70 km2左右地下水埋深小于3 m的浅埋区，……全流域地下水采补实现正均衡0.94×108m3……下游民勤盆地实现正均衡0.26×108m3，……”。结合当地实际情况和计算需要，对上述目标进行定量化描述，可以得到如下判定指标(表2)，作为地下水资源评价的筛选依据。

表2 研究区地下水资源评价不同预测方式判定指标的设定Table 2 Criterion for assessment of groundwater resources in different scenarios for the study area

2.2 地下水资源评价

(1)地下水流数值模型

研究区含水层是由第四系松散堆积物构成的单一巨厚含水层-多层结构含水层。自上而下由潜水逐渐过渡为微承压含水层。潜水含水层的厚度自南向北从150 m变为120 m左右，导水性较弱。在潜水和微承压含水层之间存在总厚度约为50 m的分布比较完整的弱透水黏土层(图3)。含水层富水性较差，单井涌水量1 000～2 000 m3/d，西渠以北的山前地带单井涌水量小于1 000 m3/d，由潜水逐渐过渡到承压水。绿洲平原区地下水位15～40 m，绿洲边缘5～20 m，水位由南向北、由西向东渐浅。地下水接受渠系和田间灌溉水入渗及降水凝结水入渗等的补给，由南西向北东径流，以潜水蒸发蒸腾及机井开采为主要排泄方式，大部分开采集中在潜水含水层。

图3 研究区水文地质剖面图Fig.3 The hydrogeological cross of section of study area

数值模型模拟面积约为4 800 km2，西南部以红崖山水库坝基为界，西部以民勤盆地和昌宁盆地地下水分水岭为界，北部以低缓剥蚀山地山前为界，东部和东南部以腾格里沙漠边缘为界。模型的上边界为潜水面，地下水通过上边界获得降水入渗补给，以人工开采、蒸发等形式排泄地下水；底部边界根据水文地质资料，以弱透水层为底界，处理为隔水边界，模拟深度范围内概化为一个潜水含水层。根据已有成果[15]，经过计算校正拟合，将研究区划分为19个水文地质参数分区。

本次模拟采用有限差分法，进行矩形剖分，网格的大小为400 m×400 m，活动单元格30 029个。以2001—2010年数据作为模拟数据，共分120个应力期，每个应力期3个时间步长。模型经检验，流场和观测孔拟合情况较好(图4、图5)，可以用于预测模拟。

图4 2010年末流场拟合效果图Fig.4 Flow-filed fitting of the aquifer at the end of the verification period

图5 漏斗中心大滩附近典型长观孔DTBX水位拟合过程线Fig.5 Observation and simulation curves in borehole DTBX near the depression cone

(2)稳定开采量情景预测模拟结果

在现状模型的基础上，通过改变模型的应力期、源汇项等，建立预测模型。在预测模型中，降雨强度和蒸发强度根据气象资料，选取1953—2010年共58年的多年平均值。根据《甘肃省石羊河流域重点治理调整实施方案》[16]，在模型预测中，红崖山水库的入库量约为29 000×104m3/a，出库量约为24 800×104m3/a，研究区内渠道衬砌完成后渠系渗漏量约为4 228×104m3/a。稳定开采量预测模型以2011年1月—2030年12月为预测期，以月为应力期，共240个应力期，每个应力期一个步长。多年开采量为定值，将不同开采量水平代入模型测算判据满足情况，初始取值为当前年份的18 000×104m3/a，测算间距为1 000×104m3/a，渠灌和井灌渗漏量随着节水灌溉推广和研究区产业结构的调整，通过改变农业灌溉量和有效入渗系数来反映。

在坝区、湖区、泉山三个灌区各选取两个监测孔的水位波动值求取λ1；对模型运行得到的地下水流场使用surfer软件进行求解获得λ2；以2030年的地下水均衡量作为λ3。根据稳定开采量预测结果(表3)，当测算至开采量为13 000×104m3/a时，开始同时满足λ1≥0、λ2≥0和λ3≥0判据，以小于13 000×104m3/a的开采量进行阶段压采情景验证。

表3 稳定开采量情景预测模拟成果表Table 3 Assessment of criterions in the scenarios of steady abstraction

(3)阶段压采情景预测模拟结果

预测模型的其他源汇项设置与稳定开采量情景下相同。考虑国家实行最严格水资源管理制度，阶段压采预测模型以2011年1月—2020年12月为预测期，以月为应力期，共120个应力期，每个应力期一个步长。初始开采量为2010年的28 000×104m3/a，等差额压采到目标开采量。保险起见，最终开采量初始取值为12 500×104m3/a，测算间距缩小为500×104m3/a。

根据阶段压采情景预测结果(表4)，当测算至最终开采量为10 000×104m3/a时，开始同时满足λ1≥0.05、λ2≥100和λ3≥2 600的判据，因此选择此阶段最终开采量10 000×104m3/a作为地下水可开采量。

2.3 总量控制指标的确定

(1)确定规划期

以2020年为规划近期水平年，2030年为中期规划水平年，暂不考虑远期规划水平年。

(2)预测规划期地下水的需水量

本研究根据《民勤县水资源综合规划》[17]，对社会需水量采用情景分析法进行预测，民勤盆地近期和中期W总需水1=28 896×104m3/a，W总需水2=30 918×104m3/a。δ取0.38，得到研究区W需水1=10 980×104m3/a，W需水2=11 749×104m3/a。

表4 阶段压采情景预测模拟成果表Table 4 Assessment of criterions in the scenarios of limited abstraction

(3)预测规划期地下水的可供应量

根据民勤县水资源公报，2013年后，民勤盆地地下水开采量已经控制在8 636×104m3，本研究评价的地下水可开采量大于现状地下水开采量。根据现有开采能力不存在未来新增地下水供水设施的情况。研究区W可采=10 000×104m3/a，即W可供=10 000×104m3/a。

(4)确定计算系数k

研究区现状地下水开采90%以上用于农业灌溉，主要发展方向是提高二三产业增加值在国内生产总值中的比重，提高农业整体经济效益促进人与自然和谐相处。k的选取要既能保证地下水总量控制指标对产业结构调整的驱动力和压力，又不至于指标过于严格影响社会经济发展。研究区近期和中期的k分别选取为0.85和0.4。

(5)确定总量控制指标

经计算，研究区近期规划年2020年和中期规划年2030年的总量控制指标分别为：W总量指标1=10 833×104m3，W总量指标2=10 700×104m3。

3 结论和建议

(1)本研究以生态保护/恢复为约束条件，转换为定量化的判据用于评价地下水可开采资源量，并采用数值模拟方法进行评价，通过供需平衡分析，定量化确定西北内陆河流域分区地下水总量控制指标。以石羊河流域红崖山灌区为例进行了验证。计算得到的2020年和2030年地下水总量控制指标分别为10 833×104m3和10 700×104m3。

(2)本研究得到的指标与已有指标相比较为宽松。通过模型的验证，当开采量为大于10 000×104m3/a时，判据结果显示虽然存在一定的超采，但地下水基本处于采补平衡的区间。由于民勤已经在压减耕地、调整产业结构方面开展了大量的工作，继续大幅度压减耕地可能会产生粮食安全和社会安定等问题。所以在生态保证、地下水均衡、水位持续恢复的前提下，适度宽松的指标更有利于地方发展。本研究计算出的指标基本是合理的，也具有较强的可操作性。

(3)设定地下水总量控制指标是地下水总量管理工作的基础。应进一步研究完善地下水的监测和计量、地下水开采的优化布局、总量控制落实的监督考核等方面的管理制度，配合水市场、水权交易、水价改革等经济措施，完善地下水总量控制体系。今后，西北内陆河流域各地区应根据流域/区域社会经济发展情况和水资源综合利用推进情况，在适当的时候应对地下水取水总量控制指标体系进行进一步调整，以利于区域经济社会持续、协调发展。

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责任编辑：张若琳

Study on the determination of indicators of groundwater total amountcontrol in northwest of China based on numerical simulation

WANG Xiaowei, SHAO Jingli, GAN Yu

(SchoolofWaterResourcesandEnvironment,ChinaUniversityofGeosciences(Beijing),Beijing100083，China)

An integral methods were proposed to determine the indicators of groundwater total use amount control for one area/ basin in the arid & semiarid inland river basins of northwest of China with the problem of lacking of relational methods. The main procedure includes: identifying the ecosystem protection & restoration to the limited conditions and then transforming them to quantitative criterions; determining the groundwater safe yield by numerous simulation; calculating the periodicity total amount control index according to supply and demand balance analysis. The methods were applied in the Hongyashan Irrigation District in the down stream of Shiyang River Basin of Gansu Province. The calculated groundwater use total amount control index are 10 833×104m3for planning period 2020 and 10 700×104m3for 2030. The results are loose compared with current indicators and show that the methods are rational and functional.

inland river basins of northwest of China; indicators of groundwater total amount control; ecological groundwater level; Hongyashan Irrigation District

2016-10-05;

2016-12-16

水利部行政事业性项目“西北内陆河流域地下水超采区总量控制与管理制度建设”(1261521610010)

王晓玮(1982-)，男，博士研究生，主要从事地下水资源管理研究。E-mail: wangxw@cugb.edu.cn

邵景力(1959-)，男，教授，博士生导师,主要从事水文学及水资源专业的教学和科研工作。E-mail: jshao@cugb.edu.cn

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.03.03

P641.8

A

1000-3665(2017)03-0012-07