哈密盆地綠洲帶現(xiàn)狀開采條件下及優(yōu)化布局后的地下水位模擬預(yù)測(cè)

裴晶晶，郭 偉，奧斯曼

(新疆哈密水文勘測(cè)局，新疆 哈密 839000)

1 研究區(qū)概況

在我國(guó)內(nèi)陸的干旱和半干旱地區(qū)，水資源的缺乏已成為制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的瓶頸。哈密盆地位于新疆東部，東西長(zhǎng)約400km，南北寬約240km，面積約為66140km2。哈密盆地整體為南北高、中間低，東高西低，北部為山區(qū)，中部為平原區(qū)，南部為低山丘陵區(qū)。本次選定哈密盆地綠洲帶作為研究區(qū)域，面積約16160km2。研究區(qū)屬大陸性干旱氣候，屬地形、地勢(shì)影響較大，晝夜溫差大，平原區(qū)多年平均氣溫為10℃，極端最高氣溫43.9℃，極端最低氣溫-31℃。研究區(qū)降雨稀少，時(shí)空分布極不均勻，平原區(qū)多年平均降雨量約37mm，隨著地勢(shì)增高降雨量逐漸增大，在北部山區(qū)高達(dá)300mm，中高山區(qū)可達(dá)400mm以上，是盆地水資源的主要來源和補(bǔ)給區(qū)，降雨主要為暴雨，主要集中在5～9月。研究區(qū)蒸發(fā)強(qiáng)烈，平原區(qū)多年平均蒸發(fā)量為3222mm，隨著地勢(shì)增高蒸發(fā)量逐漸降低，南部大于北部，平原區(qū)大于山區(qū)。研究區(qū)內(nèi)徑流主要來自于山區(qū)的降水，受北部、西部的冷空氣及地形的影響，地表水表現(xiàn)為西部大于東部，北部大于南部，徑流深隨高程增加而加深，地表水主要來源于巴里坤山、喀爾里克山，共有28條河流、1處湖泊。研究區(qū)地下水類型主要為基巖裂隙水、第三系碎屑巖類孔隙裂隙水、第四系松散巖類孔隙水。基巖裂隙水主要賦存于石炭系砂巖、花崗巖中，富水性極不均勻，受構(gòu)造影響強(qiáng)烈；第三系碎屑巖類孔隙裂隙水主要賦存于第三系礫巖、砂巖中，呈條帶狀分布與盆地邊緣，由北向南逐漸變薄，一般水量較貧乏；第四系松散巖類孔隙水主要賦存于洪積、沖積砂礫石層、卵石層中，為研究區(qū)的主要含水層，尤其是在石城子河、八木墩溝中上段的山前沖洪積傾斜平原區(qū)，沙棗泉至八木墩溝以西一帶潛水較為豐富；在三道嶺-哈密市-大泉彎-駱駝圈子一帶以南，鄯善-三道嶺-回莊子大斷裂以北的條帶區(qū)域內(nèi)下部承壓水較為豐富。

2 水文地質(zhì)概念模型

模擬計(jì)算區(qū)主要為巴里坤山、喀爾里克山平原區(qū)，側(cè)向邊界條件概化為第二類水文地質(zhì)邊界[1- 3]。計(jì)算區(qū)的北部邊界為流入邊界，東南部和東部邊界定義為隔水邊界，西北部邊界定義為流出邊界，西南部定義為已知水頭邊界。研究區(qū)地下水主要為互層結(jié)構(gòu)的松散巖類孔隙水，模擬時(shí)含水層分為第四系和第三系含水巖組，當(dāng)?shù)叵滤桓哂谀M層頂板時(shí)為承壓水，低于頂板時(shí)為潛水。模型的上邊界為潛水水面，接受降雨入滲、田間入滲、河渠等補(bǔ)給，人工開采和蒸發(fā)等排泄；下邊界按最大鉆孔深度確定，定為隔水邊界。研究區(qū)地下水概念模型可概化為非均質(zhì)、水平各向同性，垂直異性的空間三維非穩(wěn)定流[4- 6]。

源匯項(xiàng)主要有暴雨洪流，山前側(cè)向徑流，河谷潛流，河流、渠道、田間、地下水回歸和降雨入滲補(bǔ)給，水庫滲漏補(bǔ)給等。由于該區(qū)暴雨洪流和山前側(cè)向徑流難以區(qū)別，因此合并計(jì)算，將邊界分為11段，邊界總長(zhǎng)度368.58km，補(bǔ)給總量794349m3/d，年補(bǔ)給量28993.74萬m3/a；河流入滲補(bǔ)給量為8423.8萬m3/a；河谷潛流量為352.36萬m3/a；渠道入滲補(bǔ)給量為2957萬m3/a；井灌入滲補(bǔ)給量為8509萬m3/a；降雨入滲補(bǔ)給量為350萬m3/a；地下水人工開采量為54281萬m3/a；水庫補(bǔ)給入滲量根據(jù)水庫所在區(qū)域的水均衡計(jì)算，以均質(zhì)面狀入滲計(jì)算，如圖1a所示。潛水蒸發(fā)蒸騰量采用遙感方法，將潛水埋深較大的山前區(qū)域去除，使用遙感柵格數(shù)據(jù)作為模塊的E0值，如圖1b所示。

圖1 研究區(qū)水庫滲漏補(bǔ)給和潛水蒸發(fā)蒸騰量分布圖

3 數(shù)值模型及其識(shí)別與校正

根據(jù)研究區(qū)地下水概念模型，采用MODFLOW軟件構(gòu)建數(shù)值模型并進(jìn)行求解。根據(jù)勘查和模擬精度的要求，考慮研究區(qū)的面積以及模擬計(jì)算速度等方面，采用500m等間距平面剖分網(wǎng)格，其中南北方向?yàn)?05格，東西方向?yàn)?91格，分上下兩層，共59408個(gè)有效單元。

模型模擬出的地下水流場(chǎng)、動(dòng)態(tài)過程、均衡變化、水文地質(zhì)參數(shù)均要與實(shí)際情況一致或相符。本模型尺寸較大，通過對(duì)33眼觀測(cè)孔水位與模型模擬出區(qū)域地下水等水位線進(jìn)行對(duì)比，模型的擬合精度滿足模擬的要求。地下水位分布與地形變化基本一致，淺層水和深層水流場(chǎng)基本一致，水力坡度自北部山前地區(qū)向西部?jī)?nèi)陸平原地區(qū)逐漸減小，模擬結(jié)果與實(shí)際情況基本相符。圖2為研究區(qū)地下水模擬流場(chǎng)圖。

圖2 研究區(qū)地下水模擬流場(chǎng)圖

4 地下水模擬結(jié)果及分析

4.1 地下水資源總量及可采資源量分析

根據(jù)研究區(qū)(哈密盆地綠洲帶)地下水模擬結(jié)果，研究區(qū)的地下水天然補(bǔ)給量為4.5億m3/a，而目前地下水開采量卻高達(dá)5.25億m3/a，超出天然補(bǔ)給量16.7%，導(dǎo)致地下水出現(xiàn)降落漏斗并逐漸擴(kuò)大。根據(jù)有關(guān)資料顯示，哈密盆地綠洲帶地下水埋深在20世紀(jì)90年代初期還處于穩(wěn)定階段，到了90年代中后期，隨著人類開采量增大，地下水位開始明顯下降，至本世紀(jì)初，開始出現(xiàn)地下水降落漏斗。為找出現(xiàn)階段研究區(qū)地下水可開采資源量，在保持天然排水量不減少的情況下，通過調(diào)整開采量使模型地下水位保持相對(duì)穩(wěn)定，以此開采量作為研究區(qū)可開采資源量。根據(jù)上述方法在模型中進(jìn)行多次試算，得出研究區(qū)的可開采資源量為3.33億m3/a，與目前研究區(qū)地下水開采量差距巨大，可見研究區(qū)在短期內(nèi)開采量無法大幅減小，甚至?xí)斐山德渎┒分饾u擴(kuò)大，為此，需對(duì)現(xiàn)狀開采條件下的地下水位進(jìn)行預(yù)測(cè)。

4.2 現(xiàn)狀開采條件下地下水位預(yù)測(cè)

在現(xiàn)狀的開采條件下，預(yù)測(cè)2030年時(shí)地下水位及其埋深，如圖3所示。

圖3 研究區(qū)現(xiàn)狀開采條件下2030年時(shí)水位預(yù)測(cè)結(jié)果

由圖3可知：由于天然補(bǔ)給量小于開采量，地下水處于超采狀態(tài)，在現(xiàn)狀開采條件下，利用模型預(yù)測(cè)研究區(qū)2030年的地下水位在超采區(qū)域有一定程度的下降，在嚴(yán)重超采的西山鄉(xiāng)和花園鄉(xiāng)地下水位下降幅度超過10m。西山鄉(xiāng)和花園鄉(xiāng)均位于哈密盆地綠洲帶，該區(qū)域工業(yè)、農(nóng)業(yè)及社會(huì)用水需求很大，多采取人工集中井采地下水，導(dǎo)致地下水位下降迅速。

4.3 開采布局優(yōu)化

開采量是影響研究區(qū)地下水位埋深的主要因素，而合理的開采布局可以減緩地下水降落漏斗。哈密盆地綠洲帶開采比較集中、超采嚴(yán)重，導(dǎo)致西山鄉(xiāng)和花園鄉(xiāng)地下水位降幅過大。優(yōu)化開采布局后研究區(qū)2030年時(shí)水位預(yù)測(cè)結(jié)果如圖4所示。由圖可知，通過優(yōu)化布局，將部分開采量遷移至大泉灣鄉(xiāng)開采，在保持綠洲帶現(xiàn)狀開采總量不變的前提下，西山鄉(xiāng)可減少開采量8.6萬m3/d，花園鄉(xiāng)可減少開采量2.3萬m3/d。根據(jù)預(yù)測(cè)的結(jié)果可以看出綠洲帶地下水位降深超過10m的區(qū)域較未優(yōu)化開采布局前有了明顯的減少。

圖4 優(yōu)化開采布局后研究區(qū)2030年時(shí)水位預(yù)測(cè)結(jié)果

5 結(jié)論

采用MODFLOW軟件對(duì)哈密盆地綠洲帶研究區(qū)的地下水天然補(bǔ)給量、地下水開采量、可開采資源量進(jìn)行了模擬計(jì)算，并對(duì)研究區(qū)2030年的地下水位變化情況進(jìn)行了分析預(yù)測(cè)，研究區(qū)的地下水天然補(bǔ)給量為4.5億m3/a，目前地下水開采量卻高達(dá)5.25億m3/a，超出天然補(bǔ)給量16.7%，可開采資源量為3.33億m3/a，與目前研究區(qū)地下水開采量差距巨大。研究區(qū)2030年的地下水位在超采區(qū)域有一定程度的下降，在嚴(yán)重超采的西山鄉(xiāng)和花園鄉(xiāng)地下水位下降幅度超過10m。經(jīng)優(yōu)化開采布局后，西山鄉(xiāng)和花園鄉(xiāng)的地下水位降幅有了明顯的減少。

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