德令哈市巴音河冲洪积扇地下水位数值模拟与灾害治理研究

高 源，沈春强，罗银飞，王万平，高忠咏，张 媛

(1. 四川省华地建设工程有限责任公司 四川省地矿局成都水文地质工程地质中心，四川 成都 610000; 2. 陕西地矿九0八环境地质有限公司 陕西地矿地质工程勘查院有限公司，陕西 西安 710600； 3. 青海省环境地质重点实验室 青海省环境地质勘查局，青海 西宁 810008； 4. 青海省水工环调查院青海省水文地质及地热地质重点实验室，青海 西宁 810081; 5. 宝钢技术集团有限公司 动力事业部，上海 200000)

1 工程概况及地下水位上升治理监测方案

1.1 自然环境概况

巴音河上游段蓄集峡口以上山势陡峻，两岸垂直陡崖高差约50～60 m，河谷深切，水流湍急，河道比降平均为13‰。柯鲁柯镇属高原干旱区，年平均气温2.7℃，最冷月(1月)平均气温-13.8℃，最热月(7月)平均气温16.6℃。年平均降水量82.4 mm。北部山区没有绝对无霜期，海拔4 500 m以上的峰峦终年冰雪覆盖。尕海是甘肃省甘南藏族自治州一个未被开发的处女湖，海拔高程在3 000～4 000 m之间。年均降水量为600～800 mm，夏季气温12～20℃。

1.2 水文地质条件

德令哈山前平原地下水，具有干旱内陆盆地冲洪积扇地下水分布的一般规律，即沿着地貌相带的水平分带分布的特点，表现在第四系岩性、岩相及沉积特点上呈现明显的分带性[1-2]。地下水径流于山前平原中、后缘。由于地形坡降大，含水层岩性单一，颗粒粗，属溶滤型潜水；这些水继而向平原前缘，直至冲湖积平原径流，沉积地层从上游到下游逐渐由粗变细，地形渐缓，地下水位埋深由深渐浅，于平原中前缘带进入山前平原区，由于含水层厚度大，能汇集全盆地大部分地下水，是地下水的极富集地带。

1.3 模型区范围

勘查区范围北面以宗务隆山为界，南抵德南丘陵，东至布赫特山，西至德令哈隆起，面积为1 200 km2。模型区以此为基础，四周主要以山区自然分水岭为界，包括勘查区内的冲洪积平原及冲湖积平原，模型区有效面积1 015 km2。

1.4 地下水位上升治理监测方案

为掌握地下水位浅埋区的地下水位时空变化规律和特征，应对区内地下水位开展长期监测工作。人工观测每次需连续测量两次，取其平均值现场记录，不得追记。两次测量数值相差不得大于0.5 cm，否则继续测量至满足要求为止。自动观测点记录好测绳长值，精确到毫米，并掌握当地大气压数值；自记水位计同时测量水温。区内地下水位观测点的监测频率，人工观测设定为每月2次，自动观测设定为每天1次。

2 地下水位上升数值模拟预测

基于模型区的水文地质概念模型及建立的地下水流数学模型，依据水均衡原理，构建模型区的地下水流数值模型。

2.1 模型结构

本次计算采用二维有限差分方法，对计算域采用规则网格进行剖分，据此建立二维地下水流数值模型[3-4]。模拟区平面上采用200 m×200 m的网格，将模型区在平面上沿南北向剖分为145行，沿东西向剖分为260列；垂向上剖分为1层。这样将整个模型区剖分为145行、260列、1层共37 700个单元，其中活动单元为24 841个。

2.2 数值模型识别

2.2.1 初始流场

根据模型区水文地质勘察成果等资料，利用2009年末地下水位统测数值，绘制地下水等水位线图，将地下水等水位线的数值导入模型作为模型模拟的地下水初始流场[5]。

2.2.2 模型识别成果

1)地下水均衡量。将2009-2013年巴音河水文数据(德令哈水文站年均流量)等加入所建立的数值模型，经过模型识别与校验，获得2009-2013年模型区地下水均衡量分别为1.876 2×105，1.959 73×105，1.768 59×105，5.411 2×105，-3.730 4×104m3/d。

2)渠道排水量。模型区渠道设置以实际渠道排水试验资料为基础，对渠道溢出系数进行模拟，尕海及柯鲁柯地区渠道实测排水量分别为241.1，87.6 m3/d，计算排水量分别为252.7，83.5 m3/d。

3)模型参数。根据模拟模型区内2012年5月至2014年12月地下水位监测数据与河水入渗量实测数据等，将模型区的各补排项加入地下水流数值模型，以井排抽水试验获取的水文地质参数为初值，通过反复调试水文地质参数，使地下水位与河水入渗量等数据拟合的总体趋势一致，实测值与计算值拟合良好。最终确定的模型区含水层水文地质参数为：潜水含水层的导水系数为3 500～28 000 m2/d，给水度为0.025～0.060；大气降水入渗系数的取值为0.13。

模型区参数分区详见图1，各分区参数值详见表1。

图1 模型区导水系数与给水度分区

表1 模型区参数分区

3 地下水位上升治理预案与结果

3.1 地下水位上升治理预警方案

根据地下水位数值模拟预测和制定的预警“警戒”地下水位埋深，尕海和柯鲁柯地下水位上升灾害治理预警方案如下。

1)蓝色预警区。浅层地下水位埋深大于3 m，地下水位未持续上升，水位上升区没有灾害发生，无需采取预警措施。

2)黄色预警区。浅层地下水位埋深1～3 m，地下水位持续上升，水位上升区尚没有灾害发生，对当地居民发出地下水位上升黄色预警警告。

3)红色预警区。浅层地下水位埋深小于1 m，地下水位持续上升，水位上升区低洼地段出现地下水溢出，地面有积水现象，对当地居民发出地下水位上升预警警告，通报可能产生地下上升灾害的区段，并采取井排或井渠排的方式进行地下水上升灾害治理。

4)预警解除。在地下水位埋深降至3 m以下，地下水位未持续上升的情况下，停止井渠排水，并解除地下水位上升灾害预警警告。

3.2 灾害治理方案及其治理结果

分别预测两类河水流量序列状态、采取治理方案对模型区地下水水位在最大河流流量年(自然水文序列最大河流量20.54 m3/s，组合水文序列最大河流量19.41 m3/s)上升情况的控制效果。方案：预测地下水资源综合开发利用(水源地扩采、增采和井灌井排)条件下模型区地下水位上升情况。

井排工程布设以控制地下水浅埋区居民点和农田的地下水位上升幅度为主要目标，经数值模型反复调整井数、井间距和抽水量进行试算，最终模拟确定了控制地下水位合理升降幅度的井排+水源地开采治理工程布局方案(见图2)。在尕海及柯鲁柯地下水上升重灾区需布设井灌井排工程，进行长期的排水治理，以达到降低地下水位和弥补引水渠灌区外不能灌溉的目地。

图2 模型区地下水位上升治理井排+水源地方案工程布置

根据模型区进行的井排试验(尕海试验场地TK13、TK13-1、TK13-2三井涌水量平均值为425.65 m3/h，柯鲁柯试验场地TK5、TK5-1和TK5-2三井涌水量平均值为216.44 m3/h)，确定排水井的井径为650 mm、管径为377 mm、井深不小于150 m的井孔结构，确定尕海地区井排工程的井间距为2 000 m，尕海地区拟布设排水井30眼，单井水量400 m3/h，排水量28.8×104m3/d；柯鲁柯地区井排工程的井间距为1 000 m，地区布设排水井27眼，单井水量150 m3/h。排水量9.72×104m3/d。同时在第2水源地、第3水源地进行开采，开采量31×104m3/d。

预测结果：两种状态下尕海及柯鲁柯地区地下水位埋深显著增加，状态1(自然水文状态)的最大流量年末的地下水位埋深在3.7～5.3 m之间；状态2(组合水文状态)的最大流量年末的地下水位埋深在3.5～5.2 m之间。模型区在实施井排和水源地开采整治措施条件下，地下水位降幅2.0～3.0 m，地下水位埋深3.5～5.3 m，地下水位埋深较深，有效地控制了水位上升灾害的发生，治理效果明显。

综合治理方案预测结果，治理效果显著，通过治理后，尕海及柯鲁柯地区水位埋深大于4 m，地下水位上升状况得到了有效控制，因此推荐地下水资源综合开发利用(水源地扩采、增采和井灌井排)治理措施为本地区地下水位上升治理工程措施。

4 结 论

河道归流治理方案主要由河堤、挡水和分水建筑物组成，降低地下水位效果显著，运行、维护方便，绿化治理河道，提高城市防洪级别，美化市容市貌。综合考虑模型区地下水位上升问题，推荐井渠和河道归流综合治理工程进行整治，可以达到最佳治理效果。

1)本次采用的预测治理方案有限，在条件允许的情况下，可以细化治理方案，更深入地研究巴音河地下水位数值模拟与灾害治理研究；

2)加强地下水位上升区地下水动态长期观测，为地下水上升灾害预警和治理工作提供依据；

3)建议开展巴音河冲洪积扇潜水蒸发、降雨入渗等基础性、公益性的地下水均衡试验研究工作，为更合理评价和开发利用本区地水资源提供科学依据。