基于數值模擬的博州地下水超采區治理預測

2020-07-24 05:57:26劉誠

中國農村水利水電 2020年7期

劉誠

(新疆水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000)

新疆氣候干旱，生態環境脆弱，地下水超采產生的后果較為嚴重，2015年新疆被納入全國地下水超采綜合治理與管理專項工作中[1]。博州是新疆的主要超采區之一，目前博州地下水超采已經引發了地下水位持續下降、艾比湖面積縮小、艾比湖濕地萎縮和區域內泉水流量衰減甚至斷流等環境地質問題[2]，博州地下水超采區的治理工作刻不容緩。本文根據博州2016年地下水補給和排泄情況，利用MODFLOW建立了地下水數值模型[3]，對現狀年的水文地質參數和模型進行了校核。依據《博州用水總量控制方案》，制定了分階段的地下水壓采計劃，并對壓采計劃實施以后的地下水流場變化趨勢進行了預測[4]，本次預測對博州地下水超采區治理有較強的理論指導意義。

1 研究區概況

博州地處亞歐大陸腹地，位于準噶爾盆地西緣，北天山西部，地理范圍是東經79°53′～83°53′，北緯44°02′～45°23′，西、南、北三面環山，中部呈喇叭狀的谷底平原，西部狹窄，東部開闊，全州地表像一片海棠葉，東西長315 km，南北寬125 km。總體山脈走向與谷地基本成近平行的東西條帶狀分布，山勢由東向西逐漸升高，分水嶺呈階梯狀升起，海拔3 000～4 000 m以上終年冰雪覆蓋，1 500～2 400 m為森林帶，其下常有水草豐盛的山區牧場分布。流域北部為阿拉套山，南部為天山支脈別珍套山、崗吉尕山，其間為博爾塔拉谷地。谷地內的平原區地形向東，向北北東傾斜，區域地形西高東低，南北兩側山地均高，中間博河谷底最低。

2 水文地質條件

2.1 地下水的賦存條件

博州由博爾塔拉河流域、精河流域和艾比湖湖濱區組成，按地貌特征可分為山地、博樂谷地、精河盆地及精河東山前平原。博爾塔拉河沖洪積平原含水層為單一結構的潛水含水層，89團以東至艾比湖一帶的含水層結構演化為上部潛水下部多層承壓水的多層結構。精河盆地地下水主要賦存于山前洪積平原至下游的沖湖積平原湖積層中。黑山頭東山前傾斜平原單一孔隙潛水分布于托托河沖洪積扇及西北烏伊公路以南地區，烏伊公路以北為多層結構承壓水分布，精河火車站南坡洪積物分布一定范圍的承壓水。

2.2 地下水的補給、徑流、排泄規律

博州轄內的地下水主要補給源為區域內地表水，博爾塔拉河自西向東貫穿整個谷地，博樂谷地由于各地段松散沉積狀態不同，沿河水文地質條件變化復雜，地表水與地下水存在幾次轉化現象。博州山區河流出山口后，除人工引水外，余水受徑流特征、河道巖性等影響以不同比例滲漏補給地下水。此外還有渠道的滲漏補給、灌溉水的入滲補給、泉水及開采井的灌溉入滲。地下水側向徑流補給主要包括博河上游溫泉斷面、博樂谷地兩側出山河流、精河盆地南黑山頭以東出山口后松散孔隙水潛流滲透補給和山前基巖裂隙水側向滲透補給。

博樂谷地地下水在南北側分別流向博爾塔拉河，并偏向東部下游，地下水總的徑流方向在精河盆地集中于北東向，東部平原則向北轉西，最后流入艾比湖。

博州平原區地下水排泄主要通過地表泄流、人工開采、地下水淺埋區蒸發及側向排泄。

博樂谷地及下游平原區地質結構及水態轉化關系見圖1。

圖1 博樂谷地及下游平原地質結構及水態轉化關系示意圖(水平比例:1∶50 000；垂直比例: 1∶1 000)

3 現狀地下水開發利用及超采評價

博州平原區地下水補給量10.859 9 億m3/a，地下水資源量9.548 1 億m3/a，可開采量5.630 1 億m3/a。據調查，博州機電井總數為3 704 眼， 2016年全州地下水開采量6.664 9 億m3。博州各超采區評價期(2008-2017年)內水位持續下降，博樂超采區和精河超采區地下水可開采量為4.659 9 億m3/a ，2016年地下水實際開采量為7.031 3 億m3/a，總超采量為2.371 4 億m3，超采系數為0.509。兩個超采區情況分述如下：

(1)博州博樂超采區總面積為1 213.64 km2，為大型嚴重超采區，其中嚴重超采區面積961.04 km2，一般超采區面積252.6 km2，嚴重超采區位于博樂市、青德里鄉、烏圖布拉格鎮、達勒特鎮、貝林哈日莫頓鄉、81團、84團、89團、90團。

(2)博州精河超采區總面積為1 356.76 km2，為大型嚴重超采區，其中嚴重超采區面積822.28 km2，一般超采區面積534.48 km2，嚴重超采區位于托里鄉(含八家戶)、83團(含82團)。一般超采區位于芒丁鄉(含精河鎮)、大河沿子鎮(含阿合奇)。

4 超采區壓采量核算

超采區地下水可供水量控制指標的制定，以《新疆博州用水總量控制方案》[5]為基礎。根據分解到縣市的地下水可供水量控制指標，統計超采區縣市的地下水可供水量控制指標，與地下水可開采量比較，取小值作為超采區地下水量控制指標。核定后的博州超采區地下水可供水量控制指標見表1。

表1 核定后的超采區地下水可供水量控制指標億m3

以2016年為現狀年，采用超采區2016年實際開采量與2018年地下水可供水量控制指標相減，計算出2018年地下水壓采量；采用2018年地下水可供水量控制指標與2019年地下水可供水量控制指標相減，計算出2019年地下水壓采量；同理分別計算出2020、2021-2025、2026-2030年的壓采量[6]。超采區分階段壓采量核算詳見表2。

表2 超采區分階段壓采量核算表億m3

5 三維地下水模型的構建

5.1 水文地質概念模型

構建模型以博州超采區為研究區，研究區內的含水體具有厚度有限、水平半無限延伸的特點，地下水運移符合達西定律[7]，水位隨時間變化，且由于該區位于地下水系統排泄區徑流滯緩、開采含水層為孔隙潛水—承壓水混合層，井深一般在100～160 m，抽水降深遠小于含水層厚度，故可采用“T值概化法”將計算區內地下水水流運移可概化為一層二維非均質各向同性的承壓水非穩定水流。

5.2 邊界條件

博州超采區主要分布在博樂市和精河縣，模擬區東西以博樂市和精河縣的行政邊界為界，南北部分別以綠洲帶為界，東西長約105 km，南北寬約45 km，面積為3 780 km2。根據初始流場的流向與計算區邊界的關系，將計算區內南北向邊界、西部邊界均處理為地下水側向徑流流入邊界，東北部則為地下水側向徑流流出邊界，與地下水流向平行或山丘區無側向徑流段處理為零流量邊界。

5.3 水文地質參數分區

根據26個孔的抽水試驗資料及距離南北兩側的距離情況，將模型計算區的水文地質參數(T、μ)按照特征差異情況劃分為9個參數區，在以上分區基礎上又劃分參數過渡區，共劃分水文地質參數分區25個(表3)。

表3 含水層初始參數分區統計一覽表

5.4 源匯項處理

計算區底邊界采用鉆探與物探勘測的實際底板高程值，處理為隔水邊界；上邊界作為開放邊界，存在入滲、蒸發，分別用Rch和Evt模塊處理；流量概化時，將河渠入滲量處理成線狀的流量(RIV)，潛水蒸發處理成面狀流量(EVT)，已有的開采井視為點狀流量輸入(WELL)。將側邊界條件概化為變流量邊界，利用MODFLOW中的GHB(通用水頭邊界)計算側向徑流量，并根據邊界附近觀測井的水位動態按時段對邊界流量進行識別。潛水蒸發量在水位發生變動時會發生變化，程序中采用潛水蒸發臨界埋深為10 m，在計算過程中自動進行調整，不人工加以干涉。

5.5 模型識別及結果

扣除觀測序列不完整或波動異常的水位監測井后，選用30個監測井2016年1-12月的監測水位數據進行模型擬合識別，誤差統計選用標準差、相對均方根差及相關系數三個指標進行模擬識別水位誤差分析，識別過程中對個別監測井出現較大異常值時將不納入誤差統計計算。結果見圖2、圖3。

圖3 博州超采區典型水位擬合效果圖(BT9005長觀孔)

從水位擬合結果來看，模擬的地下水流場基本能夠反映地下水的流動規律和趨勢[8]，研究區總體水流方向為水流從西北、西南向東南、東北流動。研究區內地下水位分布范圍215～692 m，初始流場最大水位差將近480 m，通過手動方法對模型進行了參數校核，模型識別期的平均水位擬合誤差范圍0.81～1.488 m，相對均方根差0.964%～1.732%，相關系數范圍0.998～0.999，整體擬合效果尚較理想，滿足統計檢驗。

5.6 研究區地下水預測結果

本研究建立了壓減開采量條件下的預報模型，以超采治理方案目標為依據進行了2020、2025及2030年的水量及水位變化預報，2020年、2025年、2030年研究區降速場分別見圖4、圖5、圖6，2020年、2025年、2030年埋深與現狀年埋深對比圖分別見圖7、圖8、圖9，從圖中可以看出壓采方案基本能夠滿足預期目標，大部分地區地下水下降趨勢得以不同程度的控制，全區地下水位下降速率減緩，特別是精河超采區(大河沿子鎮、芒丁鄉及82團)大部分地區地下水位得到恢復；博樂超采區東部(貝鄉、89團、90團)由于地下水壓采有限，地下水位仍持續下降，為嚴重超采區，局部地區地下水位得到恢復；至2020年超采區面積呈現逐漸縮小的趨勢，嚴重超采區僅分布于博樂超采區中東部，精河超采區為一般超采區，其余地段為非超采區，且地下水位呈現不同程度的回升；至2030年，僅博樂超采區東部受地下水開采的影響，地下水位持續下降，為嚴重超采區，但是較2025年超采區面積呈現減小的趨勢，同時一般超采區面積明顯縮小，壓采方案對于控制地下水位下降(水位恢復)具有明顯的效果，但由于博樂市東部的貝鄉和89團，由于地理位置特殊，無地表水可引用，同時需要保護基本農田等原因，壓采量有限，所以該區域的地下水位仍為下降趨勢，壓采只是減緩了該區域地下水位的下降速率。