哈密盆地绿洲带现状开采条件下及优化布局后的地下水位模拟预测

裴晶晶，郭 伟，奥斯曼

(新疆哈密水文勘测局，新疆 哈密 839000)

1 研究区概况

在我国内陆的干旱和半干旱地区，水资源的缺乏已成为制约当地经济和社会发展的瓶颈。哈密盆地位于新疆东部，东西长约400km，南北宽约240km，面积约为66140km2。哈密盆地整体为南北高、中间低，东高西低，北部为山区，中部为平原区，南部为低山丘陵区。本次选定哈密盆地绿洲带作为研究区域，面积约16160km2。研究区属大陆性干旱气候，属地形、地势影响较大，昼夜温差大，平原区多年平均气温为10℃，极端最高气温43.9℃，极端最低气温-31℃。研究区降雨稀少，时空分布极不均匀，平原区多年平均降雨量约37mm，随着地势增高降雨量逐渐增大，在北部山区高达300mm，中高山区可达400mm以上，是盆地水资源的主要来源和补给区，降雨主要为暴雨，主要集中在5～9月。研究区蒸发强烈，平原区多年平均蒸发量为3222mm，随着地势增高蒸发量逐渐降低，南部大于北部，平原区大于山区。研究区内径流主要来自于山区的降水，受北部、西部的冷空气及地形的影响，地表水表现为西部大于东部，北部大于南部，径流深随高程增加而加深，地表水主要来源于巴里坤山、喀尔里克山，共有28条河流、1处湖泊。研究区地下水类型主要为基岩裂隙水、第三系碎屑岩类孔隙裂隙水、第四系松散岩类孔隙水。基岩裂隙水主要赋存于石炭系砂岩、花岗岩中，富水性极不均匀，受构造影响强烈；第三系碎屑岩类孔隙裂隙水主要赋存于第三系砾岩、砂岩中，呈条带状分布与盆地边缘，由北向南逐渐变薄，一般水量较贫乏；第四系松散岩类孔隙水主要赋存于洪积、冲积砂砾石层、卵石层中，为研究区的主要含水层，尤其是在石城子河、八木墩沟中上段的山前冲洪积倾斜平原区，沙枣泉至八木墩沟以西一带潜水较为丰富；在三道岭-哈密市-大泉弯-骆驼圈子一带以南，鄯善-三道岭-回庄子大断裂以北的条带区域内下部承压水较为丰富。

2 水文地质概念模型

模拟计算区主要为巴里坤山、喀尔里克山平原区，侧向边界条件概化为第二类水文地质边界[1- 3]。计算区的北部边界为流入边界，东南部和东部边界定义为隔水边界，西北部边界定义为流出边界，西南部定义为已知水头边界。研究区地下水主要为互层结构的松散岩类孔隙水，模拟时含水层分为第四系和第三系含水岩组，当地下水位高于模拟层顶板时为承压水，低于顶板时为潜水。模型的上边界为潜水水面，接受降雨入渗、田间入渗、河渠等补给，人工开采和蒸发等排泄；下边界按最大钻孔深度确定，定为隔水边界。研究区地下水概念模型可概化为非均质、水平各向同性，垂直异性的空间三维非稳定流[4- 6]。

源汇项主要有暴雨洪流，山前侧向径流，河谷潜流，河流、渠道、田间、地下水回归和降雨入渗补给，水库渗漏补给等。由于该区暴雨洪流和山前侧向径流难以区别，因此合并计算，将边界分为11段，边界总长度368.58km，补给总量794349m3/d，年补给量28993.74万m3/a；河流入渗补给量为8423.8万m3/a；河谷潜流量为352.36万m3/a；渠道入渗补给量为2957万m3/a；井灌入渗补给量为8509万m3/a；降雨入渗补给量为350万m3/a；地下水人工开采量为54281万m3/a；水库补给入渗量根据水库所在区域的水均衡计算，以均质面状入渗计算，如图1a所示。潜水蒸发蒸腾量采用遥感方法，将潜水埋深较大的山前区域去除，使用遥感栅格数据作为模块的E0值，如图1b所示。

图1 研究区水库渗漏补给和潜水蒸发蒸腾量分布图

3 数值模型及其识别与校正

根据研究区地下水概念模型，采用MODFLOW软件构建数值模型并进行求解。根据勘查和模拟精度的要求，考虑研究区的面积以及模拟计算速度等方面，采用500m等间距平面剖分网格，其中南北方向为305格，东西方向为491格，分上下两层，共59408个有效单元。

模型模拟出的地下水流场、动态过程、均衡变化、水文地质参数均要与实际情况一致或相符。本模型尺寸较大，通过对33眼观测孔水位与模型模拟出区域地下水等水位线进行对比，模型的拟合精度满足模拟的要求。地下水位分布与地形变化基本一致，浅层水和深层水流场基本一致，水力坡度自北部山前地区向西部内陆平原地区逐渐减小，模拟结果与实际情况基本相符。图2为研究区地下水模拟流场图。

图2 研究区地下水模拟流场图

4 地下水模拟结果及分析

4.1 地下水资源总量及可采资源量分析

根据研究区(哈密盆地绿洲带)地下水模拟结果，研究区的地下水天然补给量为4.5亿m3/a，而目前地下水开采量却高达5.25亿m3/a，超出天然补给量16.7%，导致地下水出现降落漏斗并逐渐扩大。根据有关资料显示，哈密盆地绿洲带地下水埋深在20世纪90年代初期还处于稳定阶段，到了90年代中后期，随着人类开采量增大，地下水位开始明显下降，至本世纪初，开始出现地下水降落漏斗。为找出现阶段研究区地下水可开采资源量，在保持天然排水量不减少的情况下，通过调整开采量使模型地下水位保持相对稳定，以此开采量作为研究区可开采资源量。根据上述方法在模型中进行多次试算，得出研究区的可开采资源量为3.33亿m3/a，与目前研究区地下水开采量差距巨大，可见研究区在短期内开采量无法大幅减小，甚至会造成降落漏斗逐渐扩大，为此，需对现状开采条件下的地下水位进行预测。

4.2 现状开采条件下地下水位预测

在现状的开采条件下，预测2030年时地下水位及其埋深，如图3所示。

图3 研究区现状开采条件下2030年时水位预测结果

由图3可知：由于天然补给量小于开采量，地下水处于超采状态，在现状开采条件下，利用模型预测研究区2030年的地下水位在超采区域有一定程度的下降，在严重超采的西山乡和花园乡地下水位下降幅度超过10m。西山乡和花园乡均位于哈密盆地绿洲带，该区域工业、农业及社会用水需求很大，多采取人工集中井采地下水，导致地下水位下降迅速。

4.3 开采布局优化

开采量是影响研究区地下水位埋深的主要因素，而合理的开采布局可以减缓地下水降落漏斗。哈密盆地绿洲带开采比较集中、超采严重，导致西山乡和花园乡地下水位降幅过大。优化开采布局后研究区2030年时水位预测结果如图4所示。由图可知，通过优化布局，将部分开采量迁移至大泉湾乡开采，在保持绿洲带现状开采总量不变的前提下，西山乡可减少开采量8.6万m3/d，花园乡可减少开采量2.3万m3/d。根据预测的结果可以看出绿洲带地下水位降深超过10m的区域较未优化开采布局前有了明显的减少。

图4 优化开采布局后研究区2030年时水位预测结果

5 结论

采用MODFLOW软件对哈密盆地绿洲带研究区的地下水天然补给量、地下水开采量、可开采资源量进行了模拟计算，并对研究区2030年的地下水位变化情况进行了分析预测，研究区的地下水天然补给量为4.5亿m3/a，目前地下水开采量却高达5.25亿m3/a，超出天然补给量16.7%，可开采资源量为3.33亿m3/a，与目前研究区地下水开采量差距巨大。研究区2030年的地下水位在超采区域有一定程度的下降，在严重超采的西山乡和花园乡地下水位下降幅度超过10m。经优化开采布局后，西山乡和花园乡的地下水位降幅有了明显的减少。

[1] 魏胜利, 苏伟杰. 分布式地下水模拟模型MODFLOW介绍与应用[J]. 水利规划与设计, 2011(03): 30- 32．

[2] 全占东. 辽阳市地下水资源变化趋势模拟与预测研究[J]. 水利规划与设计, 2016(09): 51- 54．

[3] 周浩. 大小凌河地区地下水资源可利用量预测模拟研究[J]. 水利技术监督, 2015(02): 16- 20．

[4] 高慧琴, 杨明明, 黑亮, 等. MODFLOW和FEFLOW在国内地下水数值模拟中的应用[J]. 地下水, 2012, 34(04): 13- 15．

[5] 孙栋元, 赵成义, 魏恒, 等. 台兰河流域地下水系统数值模拟[J]. 自然资源学报, 2010, 25(04): 636- 645．

[6] 李琴, 叶水根, 高盼. 基于GMS的北京市房山平原区地下水数值模拟研究[J]. 中国农村水利水电, 2012(05): 1- 5．