青海省大小柴旦盆地塔塔棱河拟建水源地模拟分析

王万平，汪生斌，贺海松，阿慧娟，杨占梅，袁有靖

(1. 青海省环境地质勘查局，青海 西宁 810007； 2. 青海省环境地质重点实验室，青海 西宁 810007)

青海省大小柴旦盆地塔塔棱河拟建水源地模拟分析

王万平1,2，汪生斌1,2，贺海松1,2，阿慧娟1,2，杨占梅1,2，袁有靖1,2

(1. 青海省环境地质勘查局，青海 西宁 810007； 2. 青海省环境地质重点实验室，青海 西宁 810007)

大小柴旦盆地地下水资源丰富，境内的塔塔棱河补给了该盆地地下水，针对大小柴旦盆地平原区水文地质条件，建立地下水流数学模型，选用Processing Modflow集成系统对大小柴旦平原区极富水地段进行地下水数值模拟研究，并按设计开采量5.0×104m3/d对地下水水位进行预报，大小柴旦盆地分水比例得到明确，经模型验证预报结果可靠，水源地设计开采量是有保证的，下游水环境和生态环境在可接受范围内。

模拟分析；地下水位；资源评价

0 前 言

柴达木盆地是我国西北部干旱的内陆盆地，矿产资源十分丰富，被誉为“聚宝盆”。大小柴旦地处柴达木盆地腹地，矿产资源丰富， 是国家批准建立的国家循环经济试验区。大、小柴旦盐化工业小区基本形成以盐化工业为基础的产业架构，形成多种系列产业并重的优势产业格局。该地区地下水分布广，水质好、水量稳定、蒸发损失小且不易污染，便于开发利用，其水资源量和保证程度将直接决定工业项目布局规划和规模[1]。为保证地下水资源可持续利用，需对大小柴旦盆地平原区地下水进行数值模拟研究，以期获得定量化结论，为拟建塔塔棱河水源地施工图设计提供依据。

1 水文地质概况

大小柴旦盆地属典型的高原大陆性气候。盆地内气候干旱，降水稀少，蒸发强烈。多年平均降水量81.84 mm，多年平均蒸发量2 115.10 mm。塔塔棱河发源于哈拉湖南山和库尔雷克山，上游一级支流有11条，汇水面积8 125 km2，全长210 km。塔塔棱河干流在上游自东向西流出山口后急转向南，河水在平水季节出山口后几公里全部渗入地下，转化为地下水，只有洪水季节才直抵小柴旦湖中。据塔塔棱河小柴旦(二)站1956～1969年测得河水多年平均流量为3.68 m3/s，年径流量为1.16×108m3。塔塔棱河沟口以上山区不仅是山区基岩裂隙水排泄的通道，也是山区降水、融雪水补给的径流区，河水流量在年内变化大。河水出山口后全部或部分补给塔塔棱河冲洪积扇卵砾石层潜水。在平、枯水期河水多在塔塔棱河大桥附近全部入渗补给地下水。绿梁山以北地段均为河水入渗段，只是在不同部位，河水入渗率存在一定差异。塔塔棱河河水渗漏后，由于受地下水分水岭影响，地下水分别向大、小柴旦湖排泄，少量河水渗漏补给了小柴旦湖。洪水季节的塔塔棱河河水是塔塔棱河冲洪积扇地表水的排泄归宿[2-4](图1)。

图1 塔塔棱河与地下水的补排转化关系

研究区属于柴达木盆地次一级沉降带。其内沉积了巨厚的第四纪卵、砾石松散层，特别是第四纪中、上更新统的砾、卵石层、泥质砾卵石层和上更新统的冲洪积卵石、砾石层，构成了该地区地下水赋存的良好介质和空间场所，是地下水的主要含水层。虽然冲洪积扇地区降水稀少，蒸发强度大，地下水埋藏深浅不一，大气降水对其潜水补给甚微，但塔塔棱河上游基岩山区汇水面积大，降水充沛，大气降水、冰雪融水及基岩裂隙水的大量汇入，使得河水径流量较大。河水出山口处现代河床沉积颗粒较粗，中上游多由卵石、漂石构成，粉、粘粒含量低，河水大量渗漏转化为地下水。

据以往勘探资料，渗透系数变化在15.37～305.40 m/d之间，总的规律是洪积扇轴部及其中、下游透水性强，向洪积扇两侧及洪积扇前缘透水性逐渐减弱[5](图2)。

图2 塔塔棱河流域冲洪积扇地下水含水系统剖面

2 水文地质概念模型建立

2.1 评价方法

采用地下水数值模拟法评价大小柴旦盆地平原区地下水允许开采量及开采潜力，选用有限差分法建立地下水数值模型。本次模拟采用Processing Modflow集成系统，对模块进行了修改和完善。

数值模型计算范围：大、小柴旦湖边界；第四系与基岩接触边界；地下分水岭边界，总面积942 km2。

2.2 含水层系统的概化

计算区范围内，按含水层埋藏条件和水力特征，概化为单层潜水区和潜水—承压双层区(上部为潜水、下部为承压水，两层间水力联系，以越流形式沟通)，后者分布在两湖的湖滨地带，塔塔棱河中间地区为单层潜水区。

2.3 边界条件处理与补、排要素处理

建模区外围所有边界，均为自然边界(山前接触边界、湖泊水位边界)和易于处理的地下水分水岭边界，围闭构成完整的水文地质单元。

1)柴达木山、库尔雷克山、绿梁山边界：构成盆地周边山区边界，山区向平原区有少量地下径流补给，与塔河渗漏、沟谷洪流入渗相比，其量甚微，概化为隔水边界；忽略周边基岩地下径流，其概化误差作为安全余量。

2)大、小柴旦湖水位边界：两湖是盆地最低洼地带，为盆地东、西部的地下水排泄基准面。大柴旦湖主要靠地下水溢出和泉水汇流维系；小柴旦湖地下水溢出量比大柴旦湖少，主要靠汛期塔塔棱河洪水注入维系。拟建水源地开采后，不会影响塔塔棱河渗漏量(绿梁山以北，塔塔棱河均为悬河，水位变化不影响塔河渗漏量)，塔河汛期洪水注入小柴旦湖流量不会减少，入湖量基本不变。所以水源地开采后，两湖的水位变化甚微。因此，大小柴旦湖处理为水位边界，取现状水位值。

建模区地下水补给、排泄要素主要有：塔塔棱河渗漏补给、沟谷洪流入渗、地下水开采、泉水排泄、湖滨浅埋区地下水蒸发、少量大气降水与凝结水补给。

据塔河分段测流数据统计分析，绿梁山以北塔河渗漏量，可用经验公式描述：

式中Q0——河流出山口流量，m3/s；

Q1——河流渗漏量，m3/s。

上式表明，当塔河出山流量小于9.22 m3/s时，在绿梁山以北戈壁带全部漏光；大于该值时，未渗漏剩余部分流向下游，注入小柴旦湖。

前已述及，在现状条件下，以塔河多年平均流量推算，河水多年平均渗漏补给量为25.13×104m3/d(0.9172×108m3/a)。在汛期，冲过绿梁山的洪流，在山南侧亦有部分渗漏，经地下水数值模型识别，现状年均渗漏量为1.086×104m3/d, 经计算在塔塔棱河山前洪流渗漏量为0.3×104m3/d。

地下水蒸发：两湖滨浅埋区地下水蒸发，发生在埋深小于4 m地带。据勘查区包气带岩性特征，用柯夫达—阿维里杨诺夫经验公式估算蒸发量。

式中Evt——地下水的蒸发强度，m/d；

ε0(t)——水面蒸发能力，m/d；

△0——地下水极限蒸发深度，取4 m；

△——地下水埋藏深度，m。

泉水排泄地下水：在湖滨地带，当潜水位高于泉水排泄高程时，潜水溢出地表，汇集成泉流注入湖区。用线性模型计算。

式中WS——泉水溢出强度，m/d；

αS——泉水溢出系数，1/d；

H——潜水含水层水位，m；

HTop——潜水溢出高程，m。

湖底越流排泄：与泉水机理类似，当地下水位高于湖水位时，存在湖底越流排泄，用以下式计算湖底越流排泄量。

式中εL——湖底溢出强度，m/d；

αL——湖水溢出系数，1/d；

H——潜水含水层水位，m；

HL——湖水位，m。

2.4 模型识别与校正

据盆地水文地质特征与勘察资料拥有情况，拟定模型识别依据。模型识别原则为：以勘察中取得的各种可靠的水文地质参数(实测数据)为基础，结合平地地下水循环规律、泉水溢出/蒸发排泄自适应特征，来识别少量难以获取的模型参数。

结合勘察区水文地质条件和水循环特征，分3步对模型参数进行识别。

1)开采性抽水试验模拟

抽水试验影响范围有限，主要影响区内含水层参数，近似认为是均匀的。据抽水数据，先利用半对数配线法得到含水层初始参数，建立局部区域开采性抽水试验数值模型。局部模型范围较小、待识别参数少，可识别出水源地附近含水层参数。

识别后的参数(导水系数、给水度)在全盆地模型中作为基准参数，始终保持不变，以抑制参数匹配过程中的多解性。

2)建立现状盆地拟稳定流数值模型

按含水层成因和断陷盆地沉积规律对含水层参数进行分区，调整分区导水性参数(其间，基准参数保持不变)，利用塔河多年平均渗漏量和其他水均衡要素年均值，模拟全盆地地下水流场，与平水期统测流场进行拟合，在辅以水文地质条件和水循环规律约束的基础上，识别出全盆地含水层导水类参数。

3)利用水位动态资料识别给水度

含水层水位随季节波动的原因是复杂的，其最主要的因素是河水渗漏量随季节变化造成的。在已识别盆地导水类参数基础上，以塔河多年月均渗漏量替代多年均值，模拟盆地非稳定水位动态过程，使水位随季节呈有规律变化。在塔河渗漏量与季节变化规律基本清楚的前提下，地下水位年变幅。主要受给水度大小控制，调整各分区给水度，拟合长观孔水位变幅，识别含水层给水度[6]。

4)在模型调试过程中充分利用水文地质

勘探资料中所获得的各种信息及计算者对水文地质条件的判断，反复调试，直至模拟流场与观测孔动态年变幅与实际观测值基本吻合为止(图3、图4)。使识别后的模型参数、地下水流场及地下水资源量之间达到较合理的匹配，说明所建模型能够较好地刻画大小柴旦盆地地下水流动的基本规律。

图3 平水期稳定流场拟合图

图4 J1、J3、K1地下水动态观测值和计算机拟合图

5)预测模型环境设置

大小柴旦盆地地下水资源，绝大部分来自塔河渗漏(占80%以上)，渗漏量的大小完全取决于塔河年径流量，水文科学尚不能预测塔河未来的年径流量。为了论证水资源保证程度，考验含水层调节能力，需人为设置塔河多年径流量序列组合，以作为模型的外部水文环境。

塔塔棱河有13年实测流量数据，其多年平均径流量为1.16×108m3/a，Cv=0.25，Cs=0.50。青海省水文水资源勘测局对塔河径流数据插补延长至2010年(柴达木盆地地表水计算与评价，2011)，插补后多年平均径流量1.261×108m3/a，Cv=0.30，Cs=0.60，比实测平均值略有增加；为安全起见，模型仍取较小的实测值1.16×108m3/a。

设置两种塔河径流序列：多年平均径流序列和特枯年调节考验序列。

多年平均径流序列：径流量取多年均值1.16×108m3/a，每年径流量保持不变，系列长度取30年(届时拟建水源地已达到拟稳定)。施加此类水文径流序列，可以分析水资源长期开采保证程度、水源地开采漏斗演化趋势。

特枯年考验序列：该序列以多年平均径流序列为基础，在序列尾端增加特枯年，其结构为：多年平均径流(27年)+P=75%偏枯年+P=97%特枯年+平水年。前27年取多年平均径流量，最后3年分别为特枯年、偏枯年、平水年。该序列可考研特枯年水位调节下降幅度、含水层是否有足够的调节能力。通过对比特枯年与平水年之间的水位差值，分析出特枯年调节降深，判断含水层是否有足够调节厚度、开采技术条件是否合理等[7-8]。

2.5 数值法统计盆地平原区近年地下水资源量

利用地下水模型，对其各种补给、排泄要素进行分项统计，近年平均地下水均衡结果见表1。

提取现状地下水模型各类水均衡要素，统计分析全盆地、小柴旦区、大柴旦区水资源量及均衡状况，结果整理于表1。

表1 现状地下水均衡分析 ×104 m3/d

在现状条件下，全盆地多年平均地下水补给量为28.78×104m3/d(1.05×108m3/a)，其中塔河渗漏补给25.13×104m3/d，占总补给量的87.3%；山区沟谷洪流渗漏补给2.56×104m3/d，占总补给量的8.9%；塔河下游渗漏补给(绿梁山南侧塔河洪水渗漏)1.09×104m3/d，牧场灌渠渗漏补给暂时为零(被洪水冲毁尚未修复)。

现状条件下，盆地地下水排泄量与补给量相等，总排泄亦为28.78×104m3/d，除小柴旦湖北岸西部矿业水源地开采1.5×104m3/d、大柴旦镇生活用水0.05×104m3/d外，其余排泄全部消耗于湖水溢出、湖滨泉水溢出和蒸发。全盆地水资源开发利用率仅5.4%，其中，小柴旦区开发利用率为15.6%，大柴旦区仅为0.3%，有较大开采潜力。

2.6 拟建水源地允许开采量评价

以现状地下水状态为初始条件，用“多年平均径流+特枯年考验序列”作为塔河水文环境，在西部矿业开采3×104m3/d、牧场灌渠引水1 m3/s的基础上，增加拟建水源地开采3×104，4×104，5×104m3/d，进行为期30年数值模型分析。

2.6.1 模型预测结果分析

大小柴旦湖位于同一盆地，同属一个水文地质单元，盆地内各水源地间相互影响，因此，既要论证局部水资源保证程度，也要论证盆地水资源保证程度。

盆地水资源补给保证程度：当拟建水源地分别开采3×104，4×104，5×104m3/d时，盆地地下水资源总量基本不变，为28.0×104～28.1×104m3/d，总开采量分别达到6.05×104，7.05×104，8.05×104m3/d，开采利用率分别为21.6%、25.2%、28.7%，远小于65%。从整个盆地来看，当拟建水源地开采不超过5×104m3/d时，有充分的补给保证。

小柴旦湖区水资源补给保证程度：当拟建水源地分别开采3×104，4×104，5×104m3/d时，小柴旦地下水资源量分别为11.23×104，11.67×104，12.11×104m3/d，随开采量的变化而变化，小柴旦开采总量分别为6×104，7×104，8×104m3/d，开采利用率分别为53.4%、60.0%、66.1%。若仅从小柴旦区来看，当开采5×104m3/d时，开采利用率达66.1%，有资源补给保证。若仅从开采利用率的角度论，当开采5×104m3/d时，小柴旦区开采率已接近上限约束70%，后备开采资源和安全余量已不多。

拟建水源地开采量不同，塔河渗漏量的分水比例亦随之变化，开采每增加1×104m3/d，向东部小柴旦湖方向的分水量增加约0.4×104m3/d(向西部大柴旦湖方向的流量则等量减少)，分水比例提高约1.8%，即在拟建水源地开采量中，约有40%水量是夺取西部大柴旦湖的流量，其余60%夺取小柴旦区湖底越流、泉水溢出、潜水蒸发等。

当拟建水源地开采量在3×104～5×104m3/d范围时，趋势水位降深值为5.4～8.4 m之间，趋势水位降深与开采量近似呈线性关系，开采量每增1×104m3/d，趋势降深增加约1.5 m。平水年枯水期降深较趋势降深值低3.3 m，为8.7～11.7 m之间，遇特枯年(P=97%)，枯水期降深较趋势降深值低约5.7 m，为11.1～14.1 m之间，即当遇特枯年时，水位下降调节幅度不到6 m，远小于含水层厚度，有足够的调节能力，届时最大地面参照扬程分别为55.1，56.5，58 m，小于设定的允许地面参照扬程60 m。

2.6.2 拟建水源地允许开采量评价

1)拟建水源地开采5×104m3/d后，盆地水资源开采利用率28.7%(见表2)，小柴旦湖区域开采利用率66.1%，拟建水源地和西部矿业水源地都有补给保证，但小柴旦区利用率已接近70%上限。平水年平均趋势降深不超过10 m，地面参照扬程小于55 m，特枯年平均降深不超过15 m，地面参照扬程小于60 m，见图5。

表2 水源地开采(5×104 m3/d)均衡分析

图5 有限差分法数学模型预测水源地开采5×104 m3/d

2)拟建水源地开采5×104m3/d后，不影响西部矿业水源地的正常开采；西部矿业水源地和小柴旦湖之间仍存在分水岭，平水期高出湖水位2.3 m，特枯年高出1.2 m，不会发生湖水倒灌。不影响汛期洪流流入小柴旦湖的流量，但小柴旦湖附近泉水溢出量、湖底越流量减少。与现状相比，泉水与越流之和减少2.82×104m3/d，使小柴旦湖总入湖量减少，导致湖水面积有一定的萎缩。

3)现状条件下，小柴旦湖滨湖带地下水蒸发量(间接指示植被生态环境)为2.28×104m3/d。拟建水源地开采5×104m3/d、西部矿业水源地开采3×104m3/d后，地下水蒸发减少至1.08×104m3/d，减少量1.21×104m3/d。小柴旦区资源开采利用率为66.1%，大柴区为0.3%，全盆地为28.7%。鉴于湖滨地带为盐沼带，生态环境不敏感，同时人工灌溉牧场对原生态环境有所改善，总体来说，不会发生明显的生态环境问题。见表2。

3 分析讨论

由上可知，盆地中部塔河渗漏量，向东(小柴旦)、西(大柴旦)两方向分流，分水比例除与两湖的距离、高程、含水层导水能力有关外，还与两侧地下水的开采量相关；当一侧开采量增加时，会增加该侧分水比例，另一侧则减少。在现条件下，塔河渗漏25.13×104m3/d，其中，向小柴旦方向径流8.24×104m3/d，占32.8%，向大柴旦方向16.89×104m3/d，占67.2%。粗略地说，塔河渗漏量，约1/3流向小柴旦湖方向，2/3流向大柴旦湖方向。

近几年来，大小柴旦盆地经济发展较快，对地下水的需求逐年增加。盆地平原区有很大的开采潜力，含水层厚度大、有极强的导水能力与调节能力，具备了建立若干大型集中开采水源地的基本条件。拟建水源地在今后的扩采论证中，应充分考虑下游生态环境问题，并从整个盆地出发论证地下水保证程度，确保整个盆地生态环境可持续性。

4 结 论

本次运用数值模拟对扩建水源地开采做出评价，全盆地多年平均地下水补给量为28.78×104m3/d，而拟建水源地开采量仅为5×104m3/ d，盆地水资源开采利用率为28.7%，小柴旦湖区域开采利用率为66.1%，有充分的补给保证。无论从盆地水资源保证程度、井群开采能力、开采条件以及对环境影响程度等方面考虑都是可行的。此模型分析结论，可为拟建塔塔棱河水源地施工图设计提供依据。

通过本次对大小柴旦盆地地下水数值模拟显示，大小柴旦盆地地下水天然补给量丰富，具有较大的开采潜力，具备建立大型甚至特大型集中开采水源地的基本条件，地下水的进一步勘探，可为大柴旦地区工业布局提供重要的水资源保障，加快当地经济民生发展。

[1] 青海省环境地质勘查局. 青海省大柴旦行委盐化工业园供水塔塔棱河水源地水文地质勘查报告[R]. 西宁: 青海省地质调查院, 2010.

[2] 王大纯, 张人权, 史毅虹, 等. 水文地质学基础[M]. 北京: 地质出版社, 1986.

[3] 蓝俊康, 郭纯清. 水文地质勘查[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2008.

[4] 曹剑锋. 专门水文地质学水文地质手册[M]. 北京: 科学出版社, 2006.

[5] 青海省地质局第一水文地质工程地质队. 中华人民共和国大柴旦幅区域水文地质普查报告(1：20万) [R]. 西宁: 青海省地质局, 1983.

[6] 薛禹群. 地下水动力学(第二版)[M]. 北京: 地质出版社, 1988.

[7] 寇文杰. 格尔木河流域地下水数值模拟[J]. 水文地质工程地质, 2013, 249(40): 35-39.

[8] 青海柴达木综合地质勘查大队. 格尔木河中下游冲洪积扇地下水数学模型及环境地质研究[R]. 西宁: 青海省柴达木盆地综合地质勘查大队, 1990.

A Simulation analysis of the Tata Leng water source in Qaidam Basins in Qinghai

WANG Wanping1,2, WANG Shengbin1,2, HE Haisong1,2, HE Huijuan1,2, YANG Zhanmei1,2, YUAN Youjing1,2

(1.EnvironmentGeologicalExplorationBureauofQinghaiProvince,Xining,Qinghai810007,China;2.KeyLaboratoryofEnvironmentalGeologyinQinghaiProvince,Xining,Qinghai810007,China)

Qaidam Basins have abundant groundwater resource which is mainly recharged by TataLeng River. A mathematical model for groundwater flow is built on the hydrogeological conditions of the plain area in basin aiming to have a discussion of groundwater numerical simulation on extremely rich water areas. Qaidam Basins will get a clearly water segrating proportion by forecasting the groundwater level with a design exploitation of 50,000 m3/d. Through the model validation, it turns out that the prediction results are reliable, and its design exploitation of water source is guaranteed. The water environment and ecological environment in down-streams is within an acceptable range.

Simulation analysis; Groundwater level; Resources evaluation

2017-04-21

国家自然科学基金项目(40576024)

王万平(1983-)，男，青海刚察人，工程师，研究方向：水文地质、工程地质、环境地质调查评价，手机：13897639825，E-mail:45568401@qq.com.

P641.8

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.04.014