喀什三角洲地区地下水数值模拟与可持续利用

曲鹏飞,王小兵,张晓梅

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

地下水资源是中国水资源重要组成部分，尤其是水资源相对匮乏的西北地区，地下水资源更是成为人民生活、生产使用的重要资源之一[1]。随着城市发展与人口增长，地下水资源的需求量增多，相关地下水资源评价工作也逐步加大，合理开发利用地下水资源成为评价水资源的重要工作。喀什三角洲地区，位于中国西北部，光照长、气温变化大，降水衡少，蒸发旺盛；地下水成为该地区的主要水源之一[2]。同时，地下水空间分布不均，可开采量较少也是限制该地区发展的因素之一[3]。喀什三角洲地区及附近曾开展多次不同精度的水文地质勘查工作，获得了大量的资料。国内许多学者进行野外勘查，并进行相关数值模拟工作，最终对不同区域进行地下水资源评价及可持续利用都取得丰硕的成果[4]。周念清[5]等利用MODFLOW建立宿迁市地下水流数值模型，模拟的结果可制定合理的地下水开采方案，控制地下水位，得到最大允许开采量。钱会[6]等利用数值模拟对喀什市中心的地下水进行简单的水质分析、建立数学模型，选取最合适的地下水开采方案，满足城市用水需求。梁世川[7]通过GMS软件建立数学模型，分析了喀什三角洲地区盖孜河水源地的“跌水”成因分析。许多学者在地下水资源的评价和开发中，统一采用经济与生态环境协调发展的水资源开发管理模式[8-10]。目前对喀什噶尔河水系组成的冲洪积扇及冲积平原独特的水文地质特征取得了一定的理论认识和资料积累[11]，但并未对地质构造条件对地下水模拟进行相关研究，尽管有学者进行局部地区的研究模拟分析，但是针对全区域上的地下水资源模拟研究较少。因此，本文在不破坏当地生态环境的前提下，结合区内水文地质条件，利用Visual MODFLOW对喀什三角洲地区地下水进行数值模拟[12-15]，分析评价当地区域上的水资源，为解决喀什市水质型缺水供水问题提供科学依据。

1 研究区概况

1.1 区域概况

研究区位于塔里木盆地西部，北依西天山山脉，南靠西昆仑山山脉，西接帕米尔高原，东临塔克拉玛干沙漠，形成一个半封闭的喇叭形盆地[9]E75°09′42″-76°15′25″，N38°58′12″-39°35′21″，东西长94.0 km，南北宽68.0 km，总面积6392.0 km2，行政区隶属于喀什地区疏勒县、疏附县、阿克陶县管辖(见图1)。按成因可划分为5种地貌类型：第一种为侵蚀-剥蚀中高山；第二种为剥蚀低山丘陵，调查区南、西、北方向均有分布；第三种为山前冲洪积砾质平原，主要分布在山区与细土平原区的过渡地带；第四种为冲积细土平原，主要分布在调查区的中下游区；第五种为局部零星出露的风成砂丘，主要分布于山前冲洪积砾质平原和冲积细土平原。喀什区地貌略见图2。

1.2 区域水文地质条件

根据研究区地形地貌、构造条件，以中部库木塔格背斜、克孜勒河与盖孜河-库山河径流自然边界为分界线，结合遥感解译及地下水赋存分布与含水层特征、补径排条件、地下水水化学特征等调查成果，调查区可划分为3个水文地质单元，即北部克孜勒河-恰克马克河平原区水文地质单元、南部盖孜河-库山河平原区水文地质单元以及西部乌鲁阿特小河平原区水文地质单元。研究区水文地质单元划分卫星影像见图3。

本区域内地下水主要接受区内引水渠水入渗补给、田间灌溉入渗、侧向径流入渗，以及井泉水回归入渗、大气降水入渗、山前暴雨洪流入渗、潜流补给、河道入渗补给。地下水径流总体方向是由北西流向南东。区内地下水的主要排泄方式为人工开采、泉水溢出和地下水蒸发、植被的蒸腾以及侧向流出调查区。北部克孜勒河-恰克马克河平原区水化学类型以SO4-Ca·Mg(Na)型为主，硫酸盐含量最大可达3 900 mg/L；硬度最大可达3 160 mg/L；矿化度最大可达6 870 mg/L，水质很差。南部盖孜河-库山河平原区水化学类型以SO4·HCO3-Mg·Ca·Na型、HCO3·SO4-Na·Mg型为主，硫酸盐含量最大可达到260 mg/L；硬度含量最大可达340～610 mg/L；矿化度最大可达330 mg/L，水质较好。西部乌鲁阿特小河(流域)平原区水文地质概况水化学类型以SO4·HCO3-Ca·Mg·Na型、HCO3·SO4-Ca型为主，硫酸盐含量最大可达156 mg/L；硬度含量最大可达236 mg/L；矿化度最大可达424 mg/L，水质较好。

2 地下水流数值模拟

2.1 水文地质概念模型

(1) 模拟区范围

依据计算区域内地质、水文地质条件，将计算区边界概化，喀什地区水文地质概念模型如图4所示。

BCD边界概化为流量边界(第二类补给边界)，补给来源为乌鲁阿特小河单元上游河流入渗形成的地下水侧向径流补给；DEF、BAK边界概化为新近系透水性差的地层，概化为零流量边界；IJ、LM边界概化为流量边界，补给来源为克孜勒河上游河流入渗形成的侧向径流补给；HG边界概化为流量边界(第二类排泄边界)，为克孜勒河、盖孜河-库山河流域地下水向下游侧向径流排泄；根据本次调查及初始流场图，及边界地层为新近系透水性差的地层，IH、JL、AM、FG边界概化为零流量边界；区内边界主要为1区与2区，KF边界概化为流量边界，(第二类排泄与补给边界)。

2.2 地下水流数学模型

根据喀什水文地质概念模型，建立喀什地区地下水流数学模型为：

(1)

公式(1)中：H为地下水位标高,m;Kh为渗透系数,m/d;Kv为渗透系数，m/d；μ为给水度;SS为弹性储水系数,1/m；x,y,z为坐标变量,m；H0为初始水位标高，m；W为垂向水量交换强度，m3/(d·m2)；q为第二类边界上的单宽渗流量，m2/d；Qi为第i个单元的开采强度, m2/d；δi为第i个单元的狄克拉函数;n为边界外法线方向；h为定水头水位标高,m;Ω为模拟区范围。

2.3 参数分区

以地质地貌及含水层的结构为基础，结合前人资料和观测孔的动态曲线，进行参数分区。据此区内概化为58个渗透系数分区和58个给水度分区，潜水层渗透系数分区示意见图5、潜水层渗透系数分区见表1,承压水层概化为35个渗透系数分区和35个弹性储水率分区(如图6、表2)。各参数分区水文地质参数初值包括渗透系数K，给水度μ、弹性释水率SS等。

表1 潜水层渗透系数分区

表2 承压水层渗透系数分区

2.4 模型的识别与验证

在进行模拟预测之前，需要对模型进行识别与验证，即校正数学方程、地质参数及边界条件等一些反映计算区的实际水文地质条件[16-17]。结合前人的成果，选用2012年10月1日至次年3月31日模拟区内地下水动态观测资料和各种源汇项资料对模型进行模拟识别。利用识别的水文地质参数等对2013年4月1日至9月30日的区内地下水动态观测资料和地下水流场图(见图8)进行验证。模型识别与验证时应用了31个观测孔的水位实测值作为拟合对象，本文以典型观测孔A66作为分析对象如图7所示，验证期各观测孔的计算值与实测值拟合曲线，其中蓝线蓝点表示观测值，红点红线表示模拟值。

根据图7结果显示，所有混合水位观测井，在模型识别期与验证期内降速场的宏观形态效果较好，地下水位模拟值与实测值的形态基本一致。全部观测孔的拟合绝对误差平均值均小于1 m，满足误差精度的要求。从图8可知，模型验证期末时刻计算水位与实际水位拟合较好。从水均衡计算结果来看，模型计算的水均衡与采用均衡法计算的结果基本接近。分析结果表明，从水位降深、流场线和均衡量对比等3个方面看，观测孔拟合精度较高，流场线效果比较好，模型运行处的水均衡均衡与实际计算的均衡法结果相差不大，模型识别优化后的水文地质参数等于实际地质条件符合，基本反映区内的地下水流特征，说明模型具有较高的仿真性。

3 地下水资源的预测分析

研究区拟建两大水源地，西部乌鲁阿特小河水源地、东南部库山河水源地；本次预测方案在水源地内，进行科学分析评价。

3.1 水源地开采方案

方案一是在盖孜河补给区开采10万m3/d，主要考虑断裂带上盘乌鲁阿特小河研究区对其补给排泄是否会产生影响；方案二是在盖孜河补给区开采10万m3/d的基础之上，在断裂带上部乌鲁阿特小河研究区额外增加开采量30万m3/d；方案三是在盖孜河补给区开采10万m3/d的基础之上，在断裂带上部乌鲁阿特小河研究区额外增加开采量30万m3/d的同时，增加库山河水源地18万m3/d的开采量，此水源地作为喀什未来10 a的水源地之一。

3.2 不同方案下的流场变化

(1) 方案一地下水流场及降深场的变化

方案一是在盖孜河流域补给区进行的10万m3/d的现状开采，单井开采量为5 000 m3/d，共20眼井。计算末时刻地下水流场如图9，降深场如图10。

(2) 方案二地下水流场及降深场的变化

方案二是在盖孜河流域补给区进行的10万m3/d的现状开采的基础上，在西部乌鲁阿特小河研究区冲洪积平原处额外开采30万m3/d的资源量，此处单井开采量为5 000 m3/d，井间距为500 m，符合开采井的影响半径，共60眼井。计算末时刻地下水流场如图11，降深场如图12。

(3) 方案三地下水流场及降深场的变化

方案三是在盖孜河流域补给区进行的10万m3/d的现状开采以及西部乌鲁阿特小河研究区冲洪积平原处计划开采30万m3/d的资源量的基础上，在东南部库山河冲洪积带处额外开采18万m3/d的资源量，此处单井开采量为5 000 m3/d，井间距为500 m，符合开采井的影响半径，共36眼井。计算末时刻地下水流场如图13，降深场如图14。

3.3 最佳方案的确定

由表3可以看出，由上述3种方案分析可以看出，随着地下水开采强度的加大，在水源地附近会逐渐形成地下水位降落漏斗，在库山河洪积扇的水位降深达到7 m，在乌鲁阿特小河研究区降深达到28 m，但是由于是在冲洪积扇中部，且岩性颗粒较大，此降深不会对表生生态造成破坏性的影响；库山河水位降深达到7 m，已到生态警戒水位。开采量加大，面积增加，地下水开采夺取了35%的无效蒸发量，方案一与方案二夺取的无效蒸发量相对较少，同时，为满足喀什城区居民用水及农耕用水需求，为满足地下水可持续发展与表生生态协调发展等综合因素考虑，方案三推荐为可开采最佳方案。总体来讲，方案三开采条件和环境状况符合地下水资源可持续供给的约束条件。

表3 地下水可开采量、最大降深与蒸发泉水减少量统计

4 结 论

本文以喀什地区地下水项目为基础，并采用数值仿真模拟方法分析全区内的地下水资源量,确定区域地下水可采量，并提出可行性的开采方案。形成结论如下:

(1) 研究区内部构造发育、地层岩性结构复杂性、地貌单元面积大，通过忽略透镜体等方法概化地层结构；据此构建含水岩组的空间结构，该结构模型基本反映研究区内的水文地质条件，为建立数值仿真性模型奠定基础。

(2) 依据水文地质条件、地下水动力成因分析结果，对源汇项进行时间尺度的处理；基于Visual MODFLOW软件平台，建立地下水流数值仿真模型，并从流场、降深值和地下水均衡等方面对数值模型进行识别与验证；并对现有的渗透系数K(3～83.5 m/d)、潜水层给水度(0.01～0.23)等参数进行优化，使建立的数值模型具有较高的仿真性和可靠性。

(3) 以地下水资源与生态可持续发展为前提，以控制地下水位在一定范围内、地下水资源量控制、均衡、夺取无效蒸发量等原则，结合研究区内构件的数值仿真计算结果，在盖孜河补给区现状年开采10万m3/d的基础上，在研究区西部及东南部分别增加30万、18万m3/d的开采量，满足喀什市未来需水量的中长期规划与地下水资源的可持续利用。