Visual Modflow在和田县农业经济新区地下水资源评价中的应用

杭 辉，苏前龙

（新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司,新疆 乌鲁木齐 830000）

1 概况

和田县行政区划隶属于新疆维吾尔自治区和田县,县域北部为塔克拉玛干沙漠、南临喀喇昆仑山,总地势南高北低；县域西部高山连绵,山势陡峭,占全县总面积的95%；北部地势平坦,位于玉龙喀什河与喀拉喀什河的冲积平原地带,占总面积的1.3%；沙漠占总面积的3.7%。和田县属典型的温带荒漠型气候,主要特点：降水稀少,多年平均降水量为33.5 mm；气候干燥,年平均气温11.5℃；蒸发强烈,多年平均蒸发量2602.1 mm。

评价区南邻G315国道,北至北防护林,包括喀拉喀什河东侧和玉龙喀什河西侧,东西宽约5 km～9 km,南北长约40 km,面积约300 km2。新区内部无地表水过境水量,左侧的喀拉喀什河上游渠首多年平均径流量21.95亿m3,下游吐直鲁克水文站多年平均径流量3.47亿m3；玉龙喀什河渠首多年平均径流量23.88亿m3,下游艾格利亚水文站多年平均径流量13.67亿m3。

2 农业经济新区水文地质概况及概念模型的建立

（1）地质概况

评价区位于塔里木盆地西南部,和田河冲积平原中下游玉龙喀什河与喀拉喀什河两河河间地带,区内主要包括冲积平原和风成沙漠两个地貌单元,地形平坦,地势总体走向由南西向北东倾斜,地形坡降平均1.5‰,海拔高程1250 m～1265 m,两河流经的冲积平原区呈条带状绿洲向北东伸入沙漠腹地。评价区在构造上位于和田坳陷向北部的塔里木地台隆起过渡带,受喜马拉雅运动影响,昆仑山北缘山前褶皱带被大幅抬升,山前坳陷带相对大幅度沉降,在河流及冰川运动的共同作用下,在坳陷带内逐渐沉积了大厚度的第四纪堆积物,形成了宽广的冲洪积平原,为地下水的储存、运移创造了有利的地质条件。本区新构造运动活动十分频繁,表现为区域上升、下降的不均匀性,玉河因受东部阿其克背斜继承性上升运动影响,河道由东向西摆动；喀河受西侧皮牙曼背斜继承性上升运动影响,河道由西向东摆动。

（2）含水介质特征及含水层埋藏条件

评价区由南向北随着地形坡度变缓,地层沉积颗粒变细,地下水水力坡度逐渐变小,水位埋深变浅一般在2 m～8 m间,含水层类型为单一的第四纪孔隙潜水,其岩性以粗砂、中砂、细砂和粉细砂为主,含水层富水性较强,单位涌水量在1.96 L/（s·m）～14.25 L/（s·m）之间。东部沿玉河西岸一带,地下水位埋深一般在3 m～5 m间,水化学类型常以Cl·SO4-Ca·Na和Cl·HCO3-Na·Ca型水为主,矿化度在1 g/L～2 g/L之间,水质普遍较差；西部沿喀河东岸一带,地势较玉河略高,地下水埋深在3 m左右,水化学类型以Cl·HCO3-Na·Ca型水为主,地下水矿化度多小于1 g/L,水质较好。

区内地下水补给方式主要依靠上游含水层的潜流侧渗和河水、洪水、农业灌溉引水渠系及农田灌溉水的入渗,由于地层岩性颗粒较细,地下径流迟缓,而地下水的排泄方式则以向下游径流、人工开采、泉水出露、植物蒸腾、以及地下水的蒸发蒸腾为主。

（3）水文地质概念模型

将评价区含水岩组特征、储水构造特征、水力特性、补、径、排条件及边界条件概化,通过建立模型来解决复杂多变的地下水运动情况[1]。概念模型含水层底板由钻孔资料和水文地质剖面图确定,选取底板高程为1100 m,平均含水层埋深200 m。

（4）边界条件概化

南部边界有丰富的孔隙潜水流入模拟区,概化为第二类边界条件,北部边界为地下水排泄边界,概化为第二类边界条件,南、北边界单位长度补给量、排泄量根据水资源评价的均衡分析结果给出；东、西部边界分别为玉龙喀什河、喀拉喀什河,河流在此段常年有水,河道1.0 km～1.5 km,河流流量年内变化较大,两河边界均按变水头边界处理；整个评价区面积约310 km2。

（5）水流特征

评价区内含水层参数随空间变化,基本为均质性,随方向没有明显的变化,呈现出各项同性；地下水各运动要素随时间改变而不同,故地下水流为非稳定流。评价区地形落差不大,水力坡度较为平缓,地下水流运动总体表现为非理想化的水平运动,综合渗流速度在垂向上的分量,最终将评价区地下水流概化为三维流。综上,将评价区地下水流概化成均质各向同性非稳定三维地下水流系统。

（6）源汇项

评价区内潜水主要补给源为河道渗漏、渠系渗漏,排泄项主要为潜水蒸发、地下水开采。

根据评价区水井钻探资料和抽水试验成果资料,以120 m深度计算河道侧向渗漏补给量,补给通量为462.32×104m3/a；两条河道在评价区内长约30 km,根据多年水文站观测资料,水位变幅小于1.2 m,流量年内不均,6月～9月流量大,其余月份较小,在冬季会出现断流,本次评价采用变水头边界；渠系渗漏根据渠道多年平均引水量来计算,因渠系水位观测资料较少,故将多年平均入渗量1798.89×104m3/a作为通量补给。

侧向排泄按侧向补给的方式进行处理,概化为通量排泄,排泄量为586.53×104m3/a；潜水蒸发主要集中在河道两侧绿洲区,沙漠区蒸发量受地下水埋深控制,不同地下水位埋深乘以相应折算系数,按面状排泄处理,通量为3379.04×104m3/a；地下水开采主要集中在每年6月～10月,开采井分布较散（共226眼）,现状开采总量为4883.18×104m3/a,根据机电井工作时段,将开采量按每年5月、6月～8月、9月、10月、10月～次年4月进行分时段处理。评价区水文地质概念模型见图1、图2。

图1 评价区水文地质概念模型立体图

3 地下水流数学模型及求解

根据水文地质概念模型,采用Visual Modflow软件建立初步的数值模型,通过参数识别与模型检验后,对评价区地下水流系统进行模拟分析与预测。

（1）潜水含水层数学模型

水文地质概念模型将评价区地下水流系统概化成均质各向同性、三维非稳定地下水流系统[2],潜水数学模型表示如下：

式中：Ω为模拟区范围；k为潜水含水层渗透系数,m/d；h为地下水位（或称水头）,m；h0为初始地下水位 ,m；S1为第一类边界；S2为第二类边界；q为第二类边界单位面积流量,m3/d；n为第二类边界的外法线方向；μ为潜水含水层给水度；w（x,y,z,t）为垂直方向上地下水的抽出和入渗补给,m3/d。

（2）模型软件的选取

本次选取Visual Modflow作为地下水建模软件,软件结构简洁、便捷高效,是目前国际上运用较广、功能十分全面的三维地下水流[3]。Visual Modflow主要由MODFLOW、MT3DMS4、MODPAT 和Zone Budge功能模块组成。①MODFLOW模块：主要用于模拟研究地下水流的运动状态；②MT3DMS：为模块化三维传输模型,用于模拟地下水系统中溶解成分的平流,扩散和化学反应的计算机模型；③MODPATH模块：用来模拟模型中给定指点的运动轨迹,尤其在观察污染物的运移范围时是一个非常有效的工具,需要与MODFLOW、MT3DMS联合运行。④Zone Budget主要用于计算确定区域范围的总水量及其与周边区域的水量交换情况[4]。本次对评价区地下水流系统运动规律模拟分析预测主要使用MODFLOW和Zone Budget这两个模块。

（3）模型网格剖分

垂向上将评价区概化为均质含水层,平均厚度120 m,按40 m进行分层,共3层。为了更精细刻画流场运移过程,平面上将评价区按照400 m×400 m剖分成网格,共11664个网格。

（4）模型参数分区及初值确定

评价区内岩性以粗砂、中砂、细砂和粉细砂为主,北部和南部靠近喀河一带渗透系数6.73 m/d～12.70 m/d,沙漠区渗透系数8.18 m/d～9.33 m/d,玉河河谷带渗透系数8.71 m/d～10.1 m/d。区内含水层渗透系数空间分异不明显,因此将评价区划分为3个参数区,各区水文地质参数初值结合水文地质资料、抽水试验等成果资料确定,喀河一带、沙漠区、玉河一带渗透系数初值分别取8.87 m/d、9.5 m/d、9.4 m/d,给水度初值分别取0.08、0.10、0.09,渗透系数、给水度分区图见图3。

图3 渗透系数、给水度分区图

4 数学模型的识别与验证

为保证所建立的数学模型在最大程度上反映评价区地下水流场实际情况,在正式模拟预报之前,需要对已建数学模型进行识别和验证[5]。

根据评价区内地下水位观测资料,选取2015年6月地下水位初始流场作为模型初始条件,2016年6月地下水位作为模型的验证条件。区内抽水孔分布密集,为便于建立模型将500 m范围内的抽水井整合为一个。通过观测孔水位和模拟水位对比分析,各观测孔水位拟合误差均小于1m,经过多次参数调整,最终确定了含水层参数：喀河一带、沙漠区、玉河一带渗透系数取9.7 m/d、10.2 m/d、9.8 m/d,给水度取0.09、0.10、0.09。

5 基于数值模拟的地下水资源分析预测

模拟区2015年地下水总补给量为9651.0×104m3/a,地下水总排泄量为8849.0×104m3/a ,其中河流补给量为6773.0×104m3/a,占补给量的70.2%,机民井开采量为4883.18×104m3/a,占排泄量的55.2%。参考已审批的地下水2015年、2020年、2030年用水指标,采取2015年6月作为初始流场,利用建立的地下水数值模型,按照4883.18万m3/a、6000万m3/a、8000万m3/a作为不同强度的开采方案,对评价区连续开采5年、15年后的地下水降深场进行了模拟计算[6]。

（1）情景一：现状开采量4883.18万m3/a

通过Modflow软件对验证好的地下水流数值模型进行模拟预测,见图4～图5。选取5年、15年（即2020年、2030年）作为预测时段,在开采量为4883.18万m3/a时,区域地下水位基本处于平衡状态,开采15年后地下水位下降约3 m。

图4 5年预测期地下水位将降深图

图5 15年预测期地下水位将降深图

（2）情景二：开采量6000万m3/a

开采点为农业灌溉机井,分散式开采,开采设计强度6000万m3/a,集中在每年6月～8月进行灌溉开采。选取5年、15年（即2020年、2030年）作为预测时段,开采5年后区域地下水位下降约4 m～5 m,且基本处于平衡状态略有下降趋势,见图6,开采15年后地下水位下降约6 m～8 m,见图7。

图6 5年预测期地下水位将降深图

图7 15预测期地下水位将降深图

（3）情景三：开采量8000万m3/a

开采点为农业灌溉机井,分散式开采,开采设计强度8000万m3/a,集中在每年6月～8月进行灌溉开采。选取5年、15年（即2020年、2030年）作为预测时段,开采5年后区域地下水位下降约4 m～6 m,且尚未处于平衡状态还有下降趋势,见图8,开采15年后地下水位下降约8 m～10 m,见图9。

图8 5年预测期地下水位将降深图

图9 15年预测期地下水位将降深图

6 总结

本文在和田县农业经济新区水文地质勘察工作详实成果基础上,通过Visual Modflow建立的地下水流数值模型,对120 m 以内的地下水流系统进行模拟分析与预测,预测了不同设计开采强度下的5年、15年的水位降深,对经济新区地下水资源开采具有指导性意义。为确保地下水资源合理、高效的开采利用,提出以下建议：

1）对地下水降落漏斗分布的影响,对造成现状地下水降落漏斗严重的区域要控制抽水量和抽水时间,抽水井尽量沿河分散均匀布置。

2）河流是区域地下水主要补给来源,井开采总量不宜过大的超过河流补给量,避免对河道沿线的生态功能产生不利影响。

3）结合本次模型预测不同开采强度下的水位降深,合理确定经济新区地下水开采量,避免盲目开采地下水而引发水土环境恶化。

4）以水定地,严格控制灌溉面积；经济新区气候干燥且蒸发强烈,应大力推行、发展高效节水灌溉措施。