臺蘭河流域地下水流數(shù)值模擬及地下水可開采量分析

熊 偉

（新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，烏魯木齊830000）

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)以臺蘭河流域為主， 臺蘭河流域位于新疆阿克蘇地區(qū)溫宿縣境內(nèi)， 距溫宿縣縣城22km，距阿克蘇市25km。 臺蘭河發(fā)源于天山西南托木爾峰南麓，大臺蘭河、小臺蘭河在山口前8km處匯合后稱臺蘭河，出山口后，支流塔克拉克河由西向東匯入臺蘭河，最終匯入山前洪積扇地帶。 臺蘭河全長90km，流向自北向南，水系為樹枝狀水系，流域形狀為羽狀系。

2 模型簡介

2.1 概化邊界

研究區(qū)北起古木別孜背斜，南至荒漠帶，西起柯克牙總干渠，東至喀拉玉爾滾河。區(qū)內(nèi)地下水主要賦存于沖洪積扇及沖積平原的第四系松散含水層中［1］。如圖1，北部的古木別孜背斜通過物探證明為隔水邊界，IA、BC 概化為零通量邊界；臺蘭河上游河谷斷面為補給邊界，AB 概化為水頭邊界；東北部依各溪、喀拉玉爾滾河為山間洼地的排泄口， 即為研究區(qū)的側(cè)向補給源，CD 概化為水頭邊界；DE 為山體基巖概化為零通量邊界；結(jié)合穩(wěn)定流場，選取天然狀況下兩條流線IH、EF 為零通量邊界； 南部 （FG） 及西南部（GH）排泄概化為水頭邊界。 臺蘭河沖洪積扇處以基巖為底部邊界。 平原區(qū)以南區(qū)域沒有足夠的物探資料，以天然流場為基準向下延伸400m作為底部邊界。

圖1 邊界條件概化

2.2 水均衡分析計算

研究區(qū)內(nèi)主要河流除臺蘭河外， 還有西部的帕克勒克蘇河、東部的依各溪及喀拉玉爾滾河。由于資料缺乏，本研究主要對已有資料的區(qū)域（圖2，依各溪以西地區(qū)）進行水均衡分析計算。無資料地區(qū)根據(jù)水文氣象條件進行類比。 水均衡計算邊界如圖2。 地下水補給項包括山前側(cè)向補給、渠系滲漏補給、河道滲漏補給、田間入滲補給和降水入滲補給；排泄項包括側(cè)向排泄、潛水蒸發(fā)蒸騰、渠道排泄、河道排泄、泉水溢出和人工開采［2］。

圖2 水均衡計算邊界

臺蘭河流域的水均衡分析結(jié)果如表1。 1999～2009年，臺蘭河流域地下水動態(tài)基本處于均衡狀態(tài)，儲量變化率均小于10%；2009年地下水開采量較大，使地下水處于負均衡狀態(tài)。

表1 水均衡數(shù)據(jù) 單位：萬m3

2.3 數(shù)值模擬過程

數(shù)值模擬過程如圖3。

圖3 數(shù)值模擬過程

3 模擬結(jié)果

3.1 模型校正

在確定初始參數(shù)及流場的基礎(chǔ)上， 運用Visual Modflow 對數(shù)值模型進行求解，進行模型的識別與驗證。模型的識別期為1999年8月至2006年8月，應(yīng)力期以月為單位， 初始水位為1999年6～9月的實測流場。在模型識別階段，不斷調(diào)整各分區(qū)參數(shù)，進行模擬期末流場與2006年6～8月實測等水位線圖對比，通過反復(fù)調(diào)整，得到比較理想的流場。

在平面上，將研究區(qū)剖分為200行，200列，網(wǎng)格縱橫向大小為456m×523m。 在研究區(qū)臺蘭河及周邊水系對地下水主要補給區(qū)， 進行網(wǎng)格局部加密， 加密后研究區(qū)共剖分網(wǎng)格大小為240行，290 列， 剖分后網(wǎng)格大小為278m×140m［3］。 在垂向上，根據(jù)區(qū)域內(nèi)地質(zhì)鉆孔資料及含水層埋藏條件，概化為三層。

根據(jù)物探資料及地層巖性對滲透系數(shù)和給水度進行分區(qū)。 研究區(qū)北部單一結(jié)構(gòu)潛水區(qū)含水層由砂卵礫石組成，徑流條件好，自北向南顆粒逐漸變細，含水層巖性由卵礫石變?yōu)橹屑毶埃瑥搅鳁l件變差。 南部為塔里木河沖積平原地帶，地層巖性以粉細砂、粉土、粉質(zhì)黏土為主。 依克溪河流域沉積相帶為含紅土的粗砂沉積相帶， 東西向?qū)?～5km， 從沖溝天然剖面可看出地層結(jié)構(gòu)為薄層紅黏土和含土粗砂互層， 延伸范圍不大， 透水性較差，具有相對阻水作用。該細顆粒沉積相帶把山間洼地和下游的洪積礫質(zhì)傾斜平原分割成東西兩個水文地質(zhì)單元， 使喀拉玉爾滾河流域地下水系統(tǒng)自成體系。參數(shù)初值設(shè)置主要參考已有機井抽水試驗參數(shù)，如表2。

表2 山前平原洪積扇帶高程1180～1260m已有機井抽水試驗參數(shù)

3.2 水均衡對比

為了與常規(guī)方法的水均衡分析結(jié)果可比［4］，用數(shù)值模型對依各溪以西地區(qū)的水均衡進行模擬， 模擬結(jié)果如表3和表4。在模擬期內(nèi)，數(shù)值模擬得到的地下水動態(tài)基本處于均衡狀態(tài)。多年平均情況下，常規(guī)方法計算的水均衡與數(shù)值模擬水均衡的均衡差都小于10%，表明結(jié)果符合規(guī)定的率差范圍。 從數(shù)值模擬水均衡與常規(guī)方法計算水均衡對比可見， 模擬的側(cè)向補給較常規(guī)方法的大約30%， 其原因是由于在常規(guī)方法計算水均衡時， 處理的邊界與數(shù)值模擬的邊界不同，在常規(guī)方法計算時，依各溪上游作為零通量水力邊界來處理的，而實際情況，依各溪上游段的地下水是對依各溪以西地區(qū)有一定補給作用， 因此數(shù)值模擬的側(cè)向補給較大符合實際情況。同理，數(shù)值模擬的側(cè)向排泄較計算的大25%左右也是合理的。

表3 數(shù)值模擬與常規(guī)方法水均衡計算結(jié)果 單位：萬m3

表4 2005年8月至2006年7月各月模擬水均衡結(jié)果 單位：萬m3

從表4中可知， 在模擬期2005年8月至2006年7月內(nèi)，整個區(qū)域處于負均衡狀態(tài)，年內(nèi)7，8，9三個月處于正均衡狀態(tài)， 其原因是這三個月垂向補給較大，其中主要的補給源是臺蘭河，這與臺蘭河的天然來水情況符合。

3.3 含水層參數(shù)的率定

含水層參數(shù)率定結(jié)果如圖4，率定得到含水層的滲透系數(shù)范圍在5～65m/d，與王琴、孫棟元［5］等人的研究結(jié)果相近， 局部地區(qū)所得結(jié)果與單孔抽水試驗及臺蘭河大型抽水試驗結(jié)果吻合。 滲透系數(shù)變化趨勢基本符合自北向南逐漸減小。 依各溪周邊的滲透系數(shù)較兩側(cè)的值小，驗證了薄層紅黏土和含土粗砂互層，透水性較差，具有相對阻水作用。

圖4 含水層參數(shù)分區(qū)

3.4 模型驗證

模型驗證期為2007年9月至2009年8月， 應(yīng)力期以月為單位。在整個流域內(nèi)，沒有足夠的長觀孔的水位動態(tài)資料， 因此在模型驗證時主要依據(jù)2009年6月抽水試驗觀測孔的自動監(jiān)測數(shù)據(jù)。 數(shù)據(jù)系列長度為1年， 從2008年6月至2009年5月， 盡管抽水試驗有13個孔，但由于抽水試驗范圍與整個研究區(qū)相比相當(dāng)小，因此選取G06和ZK1兩個具有代表性的觀測孔進行驗證。

G06和ZK1模擬水位及實測水位對比如圖5，模擬水位的變化趨勢與實測的變化趨勢一致， 模擬的水位除個別時段誤差較大外， 其余基本能夠滿足模擬精度要求。

圖5 觀測孔模擬水位與實測水位對比

模型驗證期水均衡對比如表5。

表5 模型驗證期水均衡對比 單位：萬m3

表6 各鄉(xiāng)場地下水可開采量 單位：萬m3

3.5 地下水可開采量分析計算

地下水可開采量通過開采試驗法和可開采系數(shù)法確定。利用開采試驗法確定可開采量時，考慮到當(dāng)?shù)氐叵滤臉O限埋深為5m， 為了不影響該區(qū)域植被的生存，開采的最大埋深也確定為5m，得到的各鄉(xiāng)場可開采量。

由于依希來木其鄉(xiāng)及佳木鎮(zhèn)的地下水埋深較大，不能較好地確定開采埋深，因此采用可開采系數(shù)法，參考前人研究，確定可開采系數(shù)為0.6。 盡管臺蘭河的來水量不足8億m3，但研究區(qū)較臺蘭河流域范圍大， 包含了臺蘭河流域周邊水系。 數(shù)值模擬結(jié)果表明，平水年這9個分區(qū)的地下水補給量約8.4億m3，根據(jù)可開采系數(shù)法， 得到全區(qū)地下水可 開 采 量5.04 億m3，開采試驗法計算結(jié)果略大約5.7889億m3，各分區(qū)的地下水可開采量如表6。

4 結(jié)語

本文采用抽水試驗所采集的數(shù)據(jù)，利用MODFLOW軟件對臺蘭河流域的地下水流進行數(shù)值模擬，模型驗證期為2006年9月至2010年8月， 最終的模擬水位的變化趨勢與實測的變化趨勢一致。 并且采用可開采系數(shù)法計算得到地下水可開采量約5.7889億m3。