基于MODFLOW地下水开采对泉水溢出量的影响

严顺君，俞学森，武兰珍

(1.青海省水利水电勘测设计研究院，青海 西宁 810000；2.甘肃农业大学水利水电工程学院，甘肃 兰州 730000)

社会经济和城市化进程的快速发展，加剧了水资源供需矛盾[1]，作为水资源之一的地下水，水质较地表水不易受到污染，在一些地区被过度开采，使得资源环境问题日益突出[2- 3]。地下水相关研究已日趋成熟，张宏仁[4- 7]对地下水渗流有限差分法差分格式及边界条件进行了研究，地下水资源承载力[2，8- 10]的概念也受到广泛重视。且得益于计算机的快速发展，数值解法在地下水研究中得到广泛应用[11- 13]。格尔木河流域属青海省格尔木市，该流域生态脆弱，近年来，维持该流域生态绿洲需水的泉水溢出量受到人工地下水开采影响，绿洲面积呈缩小趋势，但相关研究不足。基于Modflow建立人工地下水开采对泉水溢出量影响模型，分析地下水开采量增加与泉水溢出量减少之间的相互关联。

1 模型构建

1.1 基本原理

当不考虑地下水密度变化，假定渗透系数的主轴方向与坐标轴的方向一致，则孔隙介质中地下水三维渗流偏微分方程为：

(1)

式中，Kxx、Kyy、Kzz—渗透系数在x，y和z方向的分量；h—水头；w—单位体积流量；Ss—孔隙介质的贮水率；t—时间。

渗流方程的离散化多用有限元法和有限差分法，Modflow是基于后者的地下水数值模拟软件，可用于孔隙介质中三维地下水数值模拟，由美国地质调查局开发。该软件在地下水渗流分析中的准确性已得到认可，陈皓锐[14]应用GMS-Modflow构建了不同情景下地下水运动模型，借此分析研究区潜水位在气候变化和人类活动影响下的变化趋势。雪力卡提·阿里木[15]利用Modflow软件构建了昌吉呼图壁河流域地下水模型，模拟结果与实测值吻合较好。

1.2 模拟区概况

格尔木河发源于昆仑山北坡，最终注入达布逊湖等盐湖。上游由雪水河、昆仑河两大支流组成，汇流后由南向北至格尔木市区再次分成东西两支。其地下径流呈现山区地下水向河谷或山间河谷方向流，河谷和山间盆地地下水沿河流方向流动的规律。流域地下水主要贮存在冲洪积扇，此处第四纪松散沉积物厚度较大，为地下水运动提供了空间。孔隙潜水一般由周边向高程较低的盆地中心渗流，其水平分带具有状分带规律，与流域内地貌、岩相规律一致。

格尔木河流域冲洪积平原可划分为三部分：山前至冲洪积扇中部、冲洪积扇中部及下部和冲洪积扇前缘。其中，冲洪积扇前缘含水层岩性以砂质为主，山前至冲洪积扇中部、冲洪积扇中部及下部主要为砂砾石、卵砾石含水层。地下水埋深从山前至冲洪积扇前缘依次减小，山前至中部地下水埋深不小于50m，中部至冲洪积扇前缘地下水埋深一般为15～35m，冲洪积扇前缘地下水埋深较浅，且由于砂质含水层透水性较好，地下水开采井大多建于此部位。格尔木流域含水层厚度较大，一般大于200m。表1为含水层特性表。

表1 含水层岩性特性

1.3 模型建立

流域泉水补给绿洲带植被生长需水及尾闾湖泊部分需水，格尔木河出山后，在绿洲带、盐化草甸带上边界形成两个明显的泉水溢出带，因此选取南起昆仑山前第四系基岩交界处，北至达布逊盐湖区上边界，东西两侧以格尔木河冲洪积扇边缘为界区域作为模拟范围，并根据特性将其划分为戈壁带、绿洲带和盐化草甸区三部分，整个研究区概化为一个均质含水层中夹有一个薄隔水层。模拟区总面积5400km2，在计算核心区，网格剖分为800m×1000m，其它区域网格剖分为1600m×1000m。模拟范围内戈壁区、绿洲区、盐化草甸区水文地质参数取值见表2。

表2 含水层参数分区与取值

由位于戈壁带和绿洲区上游1986年7个实测长观测孔资料，绿洲区下游以及整个盐化草甸区20世纪80年代末完成的水文地质图31个地下水埋深点数值，建立模拟区初始水位，如图1所示。绿洲区和盐化草甸区非地带性植被的蒸腾蒸发作为研究区主要的排泄项，其空间蒸发量分布如图2所示。

图1 模拟区初始水位

图2 模拟区蒸发排泄分布位置图

研究区多年平均降雨量约80～120mm，绿洲区降雨入渗补给量为0.0271亿m3。河流入渗主要考虑垂直向，不同分区河流入渗补给，经岩性、模型调试分析，荒漠戈壁区渗漏系数0.19，绿洲区0.15，盐化草甸区0.1。由遥感影像并考虑其季节性变化，确定河流宽度荒漠区为125m，河流进入绿洲区后，分东西两支，宽度分别为80、90m，盐化草甸区入流处为60m，出流处为30m。

1.4 地下水开采

研究区主要用水对象为格尔木市的工农业发展与生活用水。地下水开采主要取自潜水层，现状共133口开采井，设计最大供水能力28.41万m3/d。主要水源地有位于格尔木河西侧的格尔木市自来水公司二期水源地和位于格尔木河东侧的盐湖一期水源。概化现状地下水取水井抽水量自西向东分别为14.04万、15.75万、14.04万m3/d，开采井概化位置分布图如图3所示。为进一步研究地下水开采量与泉水溢出量关联性，假设在现状开采井井位不变的前提下，增大地下水开采量，分别取地下水开采量为1.6亿、2.0亿、2.5亿m3模拟计算泉水溢出量。

图3 模拟区人工开采井概化位置分布图

2 结果分析

现状地下水开采情况下，模型720d流场图如图4所示，从图4中可以得出：

(1)由于盐化草甸区蒸发强烈，而且植被分布呈现块状，地下水的流场并非似初始流场概化出完全平行的直线，局部地下水流场呈闭合状。通过模拟计算，模拟区储水量的变化量为-339万m3，结果为负均衡。

(2)山前戈壁区总补给量为3.32亿m3，其中，河道和灌渠测渗补给量为2.32亿m3；绿洲区的补给量2.04亿m3，其中，河道渗漏补给1.63亿m3，农田灌溉补给量0.41亿m3；盐化草甸区河流渗漏补给量0.492亿m3；绿洲区和盐化草甸区植被蒸发量为3.69亿m3；绿洲区和盐化草甸区泉水溢出量为0.443亿m3。

(3)地下水开采量为1.6亿、2.0亿、2.5亿m3时，洪积扇前缘泉水溢出量分别为0.443亿、0.224亿、0.068亿m3，地下水开采量与泉水溢出量呈现负相关，为满足流域生态绿洲需水，减小地下水开采量应是首要考虑因素。

图4 模拟720d流场图

3 结论

绿洲作为格尔木流域主要的植被生态系统，其生态脆弱，对水资源的依赖程度高。泉水溢出量减少，将直接威胁绿洲生态。基于Modflow地下水模型显示，现状地下水开采使得该区域储水量呈负均衡，且地下水开采量的增加会进一步减少研究区冲积扇前缘泉水溢出量，加剧绿洲退化趋势，此后，应采取挖掘节水潜力，严格地下水开采管理，利用其它水源替代地下水等措施，逐步减小地下水开采量。流域生态需水、耗水是一整体系统，地下水开采其响应因素应是泉水溢出量、径流量、蒸发量等，不仅仅是引起泉水溢出量变化，这是本文的不足之处，尚需进一步研究分析。