新疆车尔臣河地下水资源量数值模拟分析

刘天超，曹大元，于 宁，李 通

(新疆地矿局第一区域地质调查大队，新疆 乌鲁木齐 830013)

研究区南部为昆仑山-阿尔金山北麓，北部为塔克拉玛干沙漠，总体地势为南高北底，西高东低，向东北倾斜，地形坡降由南向北逐渐变缓，海拔高程925～4 700 m。区域内地貌类型分为构造侵蚀剥蚀地貌、侵蚀重力堆积地貌、堆积为主、微地貌。为了提出该研究区地下水合理开发利用与保护方案，本文在对研究区地质条件分析的基础上，并参考相关文献[1-5]，建立了研究区水文地质概念模型和数值模型，对研究区地下水的资源量进行了计算分析，最后并对研究区的地下水水位进行了预测。

1 水文地质概念模型

1.1 模拟区范围

1.2 边界条件概化

1.2.1 模拟区的侧向边界概化

依据收集的资料、水文地质钻探、物探等工作成果，从第四系及饱水带厚度分布特征、含水层地下水位埋深以及研究区的地下水流场特征等方面将计算区边界概化如下：南部边界，分成两段，一是车尔臣河谷地段，边界接受河谷潜流补给，概化为流量边界中的补给边界；二是其余南部边界为由于出山口阻水构造影响概化为零流量边界；由于地下水流向为沿车尔臣河方向向东部排泄，故将车尔臣下游东部边界概化为流量边界中的排泄边界；西部，北部边界根据地下水流场图，没有水量流入或流出，概化为零流量边界。

1.2.2 模拟区的上、下边界概化

在垂向上模型的上边界为潜水水面，接受河流入渗、暴雨洪流、灌溉入渗补给、地下水回归补给、渠系入渗补给，地下水排泄以侧向排泄、开采以及排碱渠蒸发和部分地区的潜水蒸发为主。项目钻孔揭露深度为200 m，故本次将下界面设置在200 m，为隔水边界。

1.3 含水层的概化

根据水文地质条件，将计算区含水层概化如下：

(1)南段钻孔揭露的200 m以上的含水层概化为单一结构潜水，含水层岩性主要为砂卵砾石、砂砾石、砂石；主要分布于琼库勒乡、阿热勒乡一线以南段，阿尔金山山前倾斜平原。

(2)计算区中部含水层概化为潜水-承压水含水层，多层结构地下水主要分布在且末县城以北沿车尔臣河两岸至塔提让镇东侧、呈条带状展布，以及西侧萨尔瓦敦开发区原故河道一带。潜水含水层岩性由卵砾石，向东北渐变为砂砾石、含砾砂、中粗砂，厚度50～110 m；浅层承压水顶板埋深96～165 m，岩性为粉质粘土、大厚度粉土，厚度2～21 m。承压水水头与潜水水位接近，含水层厚度20～50 m。

(3)计算区下游潜水含水层概化为潜水含水层，含水层岩性主要为岩性以粉砂为主，没有明显连续弱透水层。由于每层岩性均不同，故概化为非均质、各向异性。

1.4 计算区水力特征概化

计算区内地下水由南向北后向东侧径流，其中部潜水-承压水分布地段由于潜水位与承压水位一致，故越流补给。根据地表水地下水转化规律，在冲洪积平原区河水补给地下水，在河谷平原区及其下游地段，地下水补给河水，上游以侧向径流方式排泄，而下游以蒸发排泄；承压水接受上游侧向径流及以侧向径流排泄为主。

计算区地下水含水空间为第四系松散岩层，孔隙分布连续，呈渐进式变化，孔隙中的地下水流动状态为层流，符合达西定律，但区内地下水受人工条件影响，地下水呈非稳定状态，因此计算区地下水流态概化为三维非稳定流。

2 数学模型的建立

2.1 数学模型表达式

根据计算区水文地质概念模型，对应的数学模型选用非均质各向异性三维非稳定流数值模型，所建立的数学模型可表示为：

式中：Kxx、Kyy和Kzz分别为X、Y和Z方向的渗透系数[L/T]，Kxx=Kyy；H为水头值[L]；ε为源汇项[L/T]；S为给水度[-]，取重力给水度μ，Ω为模拟范围；n为边界面的外法线方向；Γ为侧边界；B为底边界。

2.2 模型的离散

2.2.1 空间离散

对计算区在空间上的离散包括平面上的网格剖分和垂向上的分层。平面上采用等间距矩形网格进行剖分，采用等间距有限差分的离散方法，在地下水模型中进行自动剖分，剖分网格间距为1 000 m×1 000 m，每个单元面积1 km2，X方向上剖分201个网格，Y方向剖分223个网格，垂向上剖分为3层，共201×223×3=134 469个网格，有效模拟面积为20 000 km2。研究区内网格数量为36 809个，所占面积为5 474.7 km2。

2.2.2 时间离散

本次模拟以2017年7月作为初始时刻，其中利用2017年8月至2018年7月作为模型识别期，根据均衡项计算将应力期分为12期，根据地下水位的观测时间，时间步长以30天为单位，进行模拟及识别。

2.3 模型的识别

2.3.1 边界条件的处理

根据上述边界条件概化结果在GMS软件中将底边界处理为隔水边界；上边界作为开放边界，将垂向入渗及人工开采蒸发用Recharge模块进行处理，蒸发用Evapotranspiration模块来处理；将侧边界条件概化为流量边界，包括南部的河谷潜流补给流量边界、东部的排泄流量边界及北部、西部的零流量边界用Spercific flow模块。

2.3.2 初始流场

模型计算区地下水位初始值，以2017年7月统测水位资料，对每一个单元赋初始水位值。

2.3.3 模型参数选用

根据已有抽水试验资料，确定不同岩性的水平、垂向渗透系数和给水度。结合岩性的空间分布规律，采用参数分区的方法确定各单元渗透系数和给水度，分别赋初值。

2.3.4 源汇项的处理

河谷潜流、侧向径流量作为边界流入量，在边界进行赋值。降水入渗、渠系入渗、田间入渗、降雨入渗、水库入渗、地下水回归按照面状补给，采用Recharge模块进行模拟。河流上游脱节段入渗为线状补给，采用Well模块处理，将河流入渗量加至第一层含水层，河流下游段处理为定水头边界，模型自动计算边界流量。井开采量采用Well模块处理。排碱渠蒸发量统一加至农田范围内，采用Recharge模块处理。潜水蒸发量在模型中，采用与此等效的线性关系用蒸发(ET)模块进行模拟。

2.4 源汇项数值模拟结果

(1)2017年区内地下水资源处于均衡状态，地下水补给以河道入渗补给量为主，地下水排泄以蒸发排泄量为主。二者均为天然补给或排泄因素，表明区内地下水大体处于天然状态，人类影响程度较小，仅在绿洲平原区地段人类影响较大。

(2)地下水总补给量为55 868.8×104m3/a。

其中河道入渗补给量为42 111.3×104m3/a，占总补给量75.3%，其余各项补给量均小于总补给量的10%，河道入渗补给量占有绝对的地位。表明项目区内地下水主要来源为河流入渗补给，河流流量及入渗能力直接决定了区内水资源总量。

(3)地下水总排泄量为55 558.7×104m3/a。

其中蒸发排泄量为42 230.4×104m3/a，占总排泄量76.3%。表明区内地下水主要从上游补给区径流至细土颗粒平原后，以蒸发方式排泄。细土平原区地下水埋深浅，地下水资源主要起到生态供水功能，保证胡杨、芦苇等天然植被根系水分吸收，但地下水位埋深浅区范围较大，导致潜水蒸发较强，区内有较强盐渍化现象发生。

模拟期水量均衡结果符合实际，进一步验证了识别与校正后的模型具有较高的仿真度，可用于地下水资源的预测。

3 研究区地下水资源量分析

3.1 研究区地下水资源量模拟结果

研究区补给量为51 171.9×104m3/a，占到全区补给量的91.6%，排泄量为50 532.6×104m3/a，占到全区排泄量的91.3%。

3.2 研究区可采资源量模拟结果

本次模拟采用概化开采条件，给出一个相对优化的开采水平，作为计算地下水可开采资源量的前提。可开采利用的地下水资源量的大小主要取决于补给来源及排泄方式，以河道入渗以及地下水的蒸发为主。增加地下水可开采资源量，使地下水蒸发消耗减小到最低限度，同时还增加了河流入渗量，减少了部分侧向径流出水量，三者与天然补给量之和即为可开采资源量，以生态环境需水量，需确定合理的开发水位埋深。计算得出研究区地下水可开采资源量为33 272.1×104m3/a。

4 研究区地下水预测

4.1 预测方案

方案一：以2017年为现状年，在现状基础条件下预报，预报至下一个五年计划，即2025年末结束，共计九年。主要预测其地下水位变化趋势，辅助分析地下水资源开发利用合理性。

方案二：结合以下当地十三五规划，配合工农业发展对水资源供需要求，预报人类活动情况下地下水演变趋势，从2020年开始预测，2030年结束，共计十年。

其中十三五规划具体涉及与地下水相关内容如下为本次预报的具体内容。

(1)在车尔臣上游新建水库、建成高标准节水灌溉面积30万亩，节水2 170×104m3的基础上进行水源地开采预测。

(2)本次预报选取了两处水源地，分别为恰瓦勒墩开发区东侧水源地和车尔臣河山前富水地段水源地，

4.2 预测定解条件

4.2.1 预测时段

方案一预测期为9年，共9个应力期，模型计算的时间步长为30 d，预测期内共计3 287 d；方案二预测期为10年，共10个应力期，模型计算的时间步长为30 d，预测期内共计3 652 d。

4.2.2 初始流场及边界条件

方案一采用稳定流模型识别后的流场为初始流场，方案二2020年初始流场采用现状年预报的2020年流场，边界条件不变。

4.2.3 源汇项处理

方案一源汇项将采用现状年2017年条件下的源汇项，方案二采用十三五规划具体设计的源汇项以及水源地设计开采量进行预测。

4.2.4 预报计算结果

根据预测结果，各观测孔水位降深在-0.03～7 m之间。大部分观测孔均出现水位下降情况。水位下降观测孔大多分布于车尔臣河中游地区，即且末县及其周边的乡镇，局部地段人工开采量大于补给量，造成其地下水位下降。

5 结语

(1)2017年区内地下水资源处于均衡状态，地下水补给以河道入渗补给量为主，地下水排泄以蒸发排泄量为主。两者均为天然补给或排泄因素，表明区内地下水大体处于天然状态，人类影响程度较小，仅在绿洲平原区地段人类影响较大。其中河道入渗补给量为42 111.3×104m3/a，占总补给量75.3%，蒸发排泄量为42 230.4×104m3/a，占总排泄量76.3%。

(2)研究区补给量为51 171.9×104m3/a，占到全区补给量的91.6%，排泄量为50 532.6×104m3/a，占到全区排泄量的91.3%；计算得出研究区地下水可开采资源量为33 272.1×104m3/a。

(3)根据预测结果，研究区各观测孔水位降深在-0.03～7 m之间。大部分观测孔均出现水位下降情况。水位下降观测孔大多分布于车尔臣河中游地区，即且末县及其周边的乡镇，局部地段人工开采量大于补给量，造成其地下水位下降。