榆溪河流域水源地地下水资源评价数值模拟研究

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(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065)

榆溪河流域水源地地下水资源评价数值模拟研究

何小亮，刘潇敏，王逸民

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065)

依据榆溪河流域水文地质条件构建水文地质概念模型，在此基础上基于可视化数值模拟软件建立流域三维地下水流数值模型，模型经识别与校验完成后，分别对流域地下水补给排泄量、地下水储量、可开采资源量进行计算评价，研究表明：(1)流域2006年、2009年和2010年在均衡期内地下水处于负均衡状态；2007年、2008年、2011年、2012年和2013年在均衡期内地下水处于正均衡状态。(2)区内第四系含水岩组地下水容积储存量为157.488×108m3，侏罗系含水岩组地下水弹性储存量为9.477×108m3。(3)全流域现状地下水开采率为16.40%，新增开采后总的地下水开采率为29.21%，属于较低～合理水平。

榆溪河；水源地；数值模拟；地下水资源

榆溪河位于榆阳区境内，全长98 km，流域面积近4 000 km2，发源于毛乌素沙漠南缘，由北向南，汇入无定河，是榆阳区的水资源命脉。榆溪河有十数条支流，流域分布有十余座中小型水库，根据地形地貌及支流分水岭等整个流域被划分为10个水源地。

近年来，随着社会经济的发展，特别是能源化工基地建设以及城市化水平的提高，区内用水量急剧增加。加之流域内水资源开发利用缺乏统筹安排，没有形成协调统一的水资源管理体制，无序采水、引水现象严重，水资源得不到合理利用开发和有效保护，导致榆溪河流域水资源供需矛盾日益突出，缺水已成为制约榆阳区经济社会发展的主要因素[1-6]。

本文依据流域水文地质条件构建水文地质概念模型，在此基础上基于可视化数值模拟软件(Processing Modflow)建立流域三维地下水流数值模型[7]，模型经识别与校验完成后，分别对流域地下水补给排泄量、地下水储量、可开采资源量进行计算评价，为后续研究提供参数和依据。

1 水文地质概念模型及数学描述

1.1 水文地质模型

研究区范围覆盖榆溪河流域陕西境内的牛家梁(红石峡)、小壕兔、金鸡滩、马合、芹河、头道河则、水掌湾、色草湾、沙河、赵家湾等十个水源地分布区，面积约3 600 km2；垂向上包含从地面到开采煤层底板之间的全部地层结构，主要包括第四系含水层(全区分布)、第三系极弱透水层(不连续分布)、白垩系含水层(西北局部分布)、侏罗系与煤层弱含水层(全区分布)。研究区垂向上剖分为5层，第一层为第四系含水层，第二层为新近系红土层或白垩系碎屑岩层或侏罗系碎屑岩层，第三层为导水裂隙带之上侏罗系原岩层，第四层为导水冒裂带及两侧原岩层，第五层为主采煤层及采空区。区内含水层为多层结构的非均质各向异性介质，存在时空分配不均的面状补给源(大气降水入渗补给、凝结水入渗补给、农灌水回归补给)和面状蒸发排泄，线状与点状的地下水溢出(泉集河与海子)，点状地下水开采(水井)，分层地下水流场与越流关系等。

1.2 数学模型

依据水文地质概念模型，地下水流数学模型可描述为：

式中：H，Hr为地下水位标高(m)，泉集河水位标高(m)；K，Kr为含水层渗透系数(m/d)，河床淤积层垂向渗透系数(m/d)；μ，Ss为潜水含水层给水度，承压含水层弹性释水率(1/m)；Q，W为水井开采量(m3/d)，矿井涌水量(m3/d)；δ为δ函数(分别对应水井、坑道位置坐标)；h0，h1为初始水位标高(m)，定水头边界水位标高(m)；q0，Qr为定流量边界流量(m3/d·m2)，泉集河流量(m3/d)；A，Mr为泉集河计算面积(m2)，河床淤积层厚度(m)；ε为潜水面垂向交换量(入为正、出为负)(m3/d·m2)；x，y，z，t为坐标变量(m)，时间变量(d)；Γ1，Γ2为一类边界，二类边界；n，Ω为二类边界外法线方向，计算区范围。

2 地下水流数值模型构建

2.1 模型构建

模型区水平方向上，北以公里网4310为界，南至4208，西以342为界，东至412，平面面积7 140 km2，模型区有效面积3 521.5 km2；垂直方向上，为地面至侏罗系22煤层之间的部分，总厚度100～770 m。

本次计算根据三维有限差分方法，对计算域采用规则网格进行剖分，根据数学模型建立研究区的三维有限差分数值模型并进行数值模拟。研究区为大地坐标x=342 000～412 000，y=420 8000～4 310 000范围内的矩形区域。平面上采用500×500 m的网格将计算区在平面上沿南北向剖分为204行，沿东西向剖分为140列；垂向上剖分为5层，第一层为第四系含水层，第二层为新近系红土层或白垩系碎屑岩层，第三层为导水裂隙带之上侏罗系原岩层，第四层为导水冒裂带及两侧原岩层，第五层为主采煤层及采空区。这样将整个模型区剖分为204行、140列、5层共142 800个单元，其中有70 430个为活动单元。

区内地形等高线依据1：10万地形图绘制，各层顶底面高程等值线依据前人工作资料绘制。

2.2 模型识别与校验

选用2005年10月—2006年10月区内地下水动态观测资料和各种源汇资料为依据进行模型的校正。其中选用潜水动态观测孔28个，各水源地内地下水溢出量进行了拟合。选用2006年—2013年研究区内地下水动态观测资料和各种源汇资料为依据进行拟合，其中潜水动态观测孔4个；2013年实测潜水位点228个，实测水位与计算水位拟合见图1。

图1 研究区2013年实测水位与计算水位拟合图

各观测孔的实测水位与计算水位拟合误差绝对值绝大多数小于1m，且水位变化趋势一致，各观测孔的水位拟合效果较好；各河流的实测流量与计算流量拟合误差绝对值较小，且流量变化趋势一致，各河流的流量拟合较好。计算区2013年实测水位与计算水位的相关系数R2=0.999，呈高度线性相关，表明数值模型拟合效果较好。

3 地下水资源计算

3.1 地下水补给量及排泄量

利用三维地下水流数值模型，计算了2006年～2013年榆溪河流域各水源地地下水补排量(限于篇幅，计算数据不再详列)，2006年～2013年流域水源地地下水总补给量为(136.220～224.410)×104m3/d，平均值为183.785×104m3/d，地下水总排泄量为(152.739～210.000)×104m3/d，平均值为180.263×104m3/d，总均衡差为(-16.519～19.722)×104m3/d，平均值为3.522×104m3/d。

图2为各水源地地下水的总补给量和总排泄量曲线图，可以看出，2006年、2009年和2010年的总补给量小于总排泄量，在均衡期内地下水处于负均衡状态；2007年、2008年、2011年、2012年和2013年的总补给量大于总排泄量，在均衡期内地下水处于正均衡状态。

图2 2006—2013年研究区地下水总补给量和总排泄量曲线图

3.2 地下水储存量

利用地下水流数值模拟模型，采用离散化的方法计算第四系含水岩组地下水容积储存量、侏罗系含水岩组弹性储存量，计算的各水源地地下水储存量列入表1。结果显示区内第四系含水岩组地下水容积储存量为157.488×108m3，侏罗系含水岩组地下水弹性储存量为9.477×108m3，总储存量为166.935×108m3。

3.3 可开采资源量预测

本次预测是在研究区地下水现状开采26.240×104m3/d的基础上，利用数值模型，在水源地增加开采的条件下进行地下水可开采资源量预测。现状地下水开采主要为农业分散式开采，研究区水源地地下水开采井分布见图3。

表1 榆溪河流域各水源地地下水储存量计算成果表 108 m3

图3 研究区水源地地下水开采井分布图

利用建立的三维地下水流数值模型，将大气降水入渗补给量、农灌水回归补给量、地下水现状开采量、水源地新增开采量、煤矿采空区范围等加入模型，以地下水流模型识别得到的拟稳定流场作为预测的初始流场，设置10个潜水位观测点，预测2030年的地下水末流场、末埋深场、末降深场、潜水位降深曲线以及地下水补排均衡量成果详见图4～图7，限于篇幅，计算数据不再详列。

图4 采水地下水末流场图 图5 采水地下水末埋深图

根据数值模拟结果，研究区地下水现状开采量26.240×104m3/d，水源地新增开采量20.500×104m3/d，水源地地下水总补给量160.013×104m3/d，总排泄量160.354×104m3/d，均衡差-0.341×104m3/d，地下水处于拟均衡状态。

榆溪河流域水源地新增开采量由增加的补给量、减少的排泄量和动用的储存量三部分组成。五个水源地的开采量25.0×104m3/d，主要来自增加的河水入渗量(牛家梁水源地)和减少的潜水蒸发量，其中河流入渗增补量占29.7%、潜水蒸发减少量占66.3%，潜水溢出减少量占4.0%，动用的储存量仅占0.1%。

图6 采水地下水末降深图 图7 采水地下水末净降深图

榆溪河流域各水源地现状开采率为7.72%～40.84%，其中开采率最小水源地为头道河则水源地，开采率最大为牛家梁水源地。牛家梁水源地为傍河取水，随着地下水开采量的增加，袭夺红石峡水库地表水量也会增加，相应地下水补给量也会增加，而本次计算是基于现状地下水总补给量，所以开采率计算结果偏大。各水源地在现状开采量的基础上，允许新增开采量后，地下水总开采率为7.72%～72.25%，其中开采率最小水源地为头道河则水源地，开采率最大为牛家梁水源地。同理，牛家梁水源地开采率偏高的原因为计算方法所至，实际开采率应在合理区间。榆溪河全流域现状地下水开采率为16.40%，新增开采后总的地下水开采率为29.21%，属于较低～合理水平。

4 结语

本文通过建立榆溪河流域水源地三维地下水流数值模型，对流域地下资源进行计算评价，结论包括：

(1)流域2006年、2009年和2010年的总补给量小于总排泄量，在均衡期内地下水处于负均衡状态；2007年、2008年、2011年、2012年和2013年的总补给量大于总排泄量，在均衡期内地下水处于正均衡状态。

(2)区内第四系含水岩组地下水容积储存量为157.488×108m3，侏罗系含水岩组地下水弹性储存量为9.477×108m3，总储存量为166.935×108m3。

(3)研究区地下水现状开采量26.240×104m3/d，水源地新增开采量20.500×104m3/d；全流域现状地下水开采率为16.40%，新增开采后总的地下水开采率为29.21%，属于较低～合理水平。

[1]榆林市水政水资源办公室.榆林市21世纪初期(2000年～2010年)水资源可持续利用规划.2001.

[2]西北农林科技大学.榆林市水资源开发利用综合规划.2006.

[3]陕西省水利电力勘测设计研究院.榆林市水资源综合规划.2009.

[4]江河水利水电咨询中心.陕北能源化工基地供水规划报告.2010.

[5]西北农林科技大学.榆溪河流域水资源综合规划.2011.

[6]榆林市水利电力勘测设计研究院.榆林市水资源综合规划.2011.

[7]付延玲,郭正法.Processing Modflow在地下水渗流与地面沉降研究中的应用[J].勘察科学技术.2006(4):19-23.

StudyonNumericalSimulationofgroundwaterresourcesassessmentofwatersourceinYuxiRiverBasin

HEXiao-liang，LIUXiao-min，WANGYi-min

(China Electric Power Construction Group Northwest Survey Design & Research Institute Co., Ltd., Shaanxi Xi’an,710065)

Based on the hydrogeological conditions of Yuxi River Basin Construction of hydro geological conceptual model, based on the simulation software to establish the three-dimensional basin groundwater flow numerical model based on the numerical model of the visualization, recognition and verification is completed, respectively for the basin groundwater recharge, groundwater storage and excretion of recoverable resources evaluation calculation. The results show that: (1) in 2006, 2009 and 2010, the inland water is in a negative equilibrium state; in 2007, 2008, 2011, 2012 and 2013, during the equilibrium period, the inland water is in a positive equilibrium state. (2) The volume storage of groundwater in the Quaternary aquifer group is 157.488×108m3, and the elastic storage of groundwater in the Jurassic aquifer group is 9.477×108m3. (3) The exploitation rate of groundwater in the whole basin is 16.40%. After the new mining, the total groundwater exploitation rate is 29.21%, which belongs to the low to reasonable level.

Yuxi River；water source；numerical simulation；groundwater resources

P641.12

A

1004-1184(2017)06-0024-03

2017-05-12

何小亮(1985-)，男，陕西延安人，工程师，主要从事地下水资源研究工作。