水資源優化模型下灌區地下水位研究

劉 軍

（新疆塔里木河流域阿克蘇管理局 新疆 阿克蘇 843000）

水資源是指與人類生產生活相關的淡水資源，包括：地表水、地下水、土壤水等，水資源的補給主要依靠大氣降水[1-2]。因此，地下水是珍貴的自然資源。隨著工業、農業生產的發展，水資源供需矛盾凸顯，加之我國地下水資源分布不均勻，塔里木河流域出現了嚴重的水資源與農場資源不匹配。受到當地現有水利工程調蓄能力和供水能力的制約，地下水合理開采研究勢在必行。

從國內外的研究進展來看，水下水位測量主要經歷了原始水下測量階段、傳統水下測量階段、數字化測量階段[3-5]。目前，國外一般采用衛星定位和探測儀對地下水進行勘探，勘探工作主要包括定位和探測。隨著數值計算的發展，地下水位數值模擬研究成為研究熱點。

地下水動態預測模型一般由連續性方程、運動方程、控制方程、邊界條件方程組成[6]。根據國內外地下水數值模擬相關文獻，結合塔里木河灌區水文地質條件，分析了灌區地下水分布情況。通過與測量數據對比，其數值模擬精度較高，可以反映出當地的地下水動態。

1 水位分布分析

由于過度開采，塔里木河流域地下水位連續下降，并導致了地面沉降、水利工程出現裂縫等危害。這些危害制約了當地經濟發展，因此研究地下水時空分布差異，并據此提出合理建議具有重要意義。

塔河灌區地下水動態變化主要受到氣候、地形、植被、地質條件等因素影響。灌區的地下水補給主要來源于降水和塔里木河滲漏，屬于降水入滲補給類型。主要地下水類型為潛水和承壓水，潛水位一般為2m～10m，承壓水埋藏深度在90m以下。由于承壓水開采成本高，目前灌區大量開采潛水作為灌溉水源，本文中的地下水位研究將主要針對潛水。

在塔河灌區選擇42個地下水觀測孔，每隔5天進行觀測一次。根據現有資料，找到了1984年、2002年、2009年水利普查時的水資源埋藏深度分布圖。將現有數據進行處理后進行克里克插值，發現這3年的數據均滿足正態分布，1984年的數據雖有個別值偏離，但是經過檢驗后還是滿足需求的。3年的數據中擬合程度最好的是2009年測量數據，運用Arcgis9.3軟件對2009年的灌區水位進行分析，得出了灌區水位分布，見圖1。

從水位分布情況看，隨著時間的推移，深色區域逐漸變小，只分布在周邊區域，淺色區域越來越多，說明地下水位在不斷下降。灌區中部形成了地下水漏斗，而且成擴大趨勢。

2 地下水位數值研究

2.1 模型建立

地下水位數值模擬建立在數學模型基礎上，通過軟件對數學模型進行分析得出地下水位的動態變化情況。數學模型是描述整個研究區域的數學物理方程和邊界條件的集合，根據塔里木河灌區建立水文地質數學模型如下[7]：

式中，K——滲透系數；

H——含水層厚度；

N——外法線方向；

Q——出含水層流量；

S——儲水系數；

P——潛水面上入滲量和蒸發量。

水文地質模型在研究過程中忽略了一些微小的影響因素，降低了研究的復雜性，研究中盡可能的將滲透系數、給水量、水力特性簡化[8]。對于含水層，認為潛水層厚度和埋藏深度隨時間和空間變化，潛水流向與塔河流域的地形一致，將潛水層簡化為非均值、各項異性的三維非穩態流動。

2.2 模型求解

利用VisualMODFLOW軟件對塔河灌區地下水文地質模型進行求解。首先將研究區域的地圖進行掃描，并依據此建立數學模型，將建好的模型進行網格劃分，本研究區域共劃分為2700個計算網格。利用歷史數據和邊界條件計算灌區的地下水深度。根據計算數據繪制出當地地下水位等值曲線分布情況，見圖2。

對該區域內42口觀測井進行井點高程測量和初始水位監測，測量數據見表1。

表1是9月份測量的地下水位分布情況，依據這些數據繪制地形水位等值曲線，并與數值模擬結果進行對比。得出塔河灌區淺層地下水位測量值與模擬值對比圖，見圖3。

圖1 灌區水位分布情況

圖2 地下水位等值曲線

圖3 淺層地下水位測量值與模擬值對比

圖4 3號觀測井測量與模擬對比

表1 觀測井井點高程和初始水位（mm）

模擬地下水位分布時，將給水量和滲透系數作為主要識別參數，由于塔河灌區地下水流動模型為非均值各向異性模型，因此研究區域內不同測點的水位變化較大。特別的，從圖3中取出3號觀測井的數據，將測量結果與計算結果繪制成曲線，見圖4。

由圖4可知，測量結果比數值模擬結果偏高，相對誤差在7%到10%之間。分析產生誤差的原因，可能是測點周圍人為活動較多，產生誤差的具體原因為：

（1）水文地質參數由經驗值確定，缺少最新資料，為了簡化分析將含水層概化為非均值各向異性流動；

（2）邊界條件選擇不恰當，不能反映出灌區的真實情況；

（3）研究區域內有農場和居民區，這些區域用水頻繁，建模時沒有考慮人為影響因素。

盡管如此，數值模擬精度仍然很高，可以反映出當地的地下水動態情況，模擬結果可以直接指導當地地下水開采。

3 結語

隨著工業、農業生產的發展，水資源供需矛盾凸顯，加之我國地下水資源分布不均勻，塔里木河流域出現了嚴重的水資源與農場資源不匹配。地下水動態預測模型一般由連續性方程、運動方程、控制方程、邊界條件方程組成。根據國內外地下水數值模擬相關文獻，結合塔里木河灌區水文地質條件，分析了灌區地下水分布情況。通過與測量數據對比，其數值模擬精度較高，相對誤差在7%到10%之間，因此數值模擬結果可以反映出當地的地下水位動態變化情況，分析結果可以指導當地地下水開采，從而實現水資源利用可持續發展。陜西水利

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