劉 磊，董新光，吳 斌

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊830052;2.新疆水利廳，新疆 烏魯木齊830000)

新和縣位于新疆維吾爾自治區(qū)天山南麓，塔里木盆地北緣，東隔渭干河與庫(kù)車相望，北隔確勒塔格山與拜城縣相鄰，南連沙雅縣，東西長(zhǎng)136 km，南北寬91 km，全縣總面積為8 823 km2，耕地面積49.35×m 104萬(wàn)畝。地處歐亞大陸腹地，塔里木盆地北部，遠(yuǎn)離海洋，北部和西部受天山屏障的阻隔，大西洋和印度洋暖濕氣流部分可翻越帕米爾高原或天山進(jìn)入本縣，同時(shí)東南面又受塔克拉瑪干大沙漠的干熱氣流影響，從而使新和縣呈現(xiàn)暖溫帶大陸性干旱氣候的特征。

新疆的農(nóng)業(yè)屬于灌溉型農(nóng)業(yè)，尤其是在南疆地表水缺乏的情況下，有限的且不斷減少的地表水資源已無法保證農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。為改善新和縣灌區(qū)耕地農(nóng)業(yè)用水季節(jié)性和高峰期水資源供需矛盾，提高灌溉保證程度，保證農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，科學(xué)合理的開發(fā)利用該區(qū)域地下水資源是一條有效途徑。

1 研究區(qū)水文地質(zhì)概況

評(píng)價(jià)區(qū)處于渭干河沖洪積傾斜平原中上部，渭干河是該沖洪積平原區(qū)第四紀(jì)松散層孔隙地下水形成的唯一來源，渭干河在出山口后形成了巨大的沖洪積扇。渭干河沖洪積扇的中上部主要為地下水的徑流區(qū)，地下水徑流條件由北向南，由扇頂至扇前緣逐漸變差，隨著地層巖性的逐漸變細(xì)，地形坡度變緩，潛水水位埋深也逐漸變淺。在沖洪積扇的下部，由于地形坡度變緩，地層顆粒變細(xì)，從而減緩了地下水向下游排泄的速度，垂向排泄逐漸成為主要的排泄方式。

評(píng)價(jià)區(qū)地下水的補(bǔ)給方式主要有上游地下水側(cè)向流入補(bǔ)給和區(qū)內(nèi)地表水的垂向入滲補(bǔ)給，大氣降水入滲補(bǔ)給鑒于區(qū)內(nèi)降雨量小且次降雨量很少達(dá)到10 mm以上，在此可予以忽略。評(píng)價(jià)區(qū)地層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，地層顆粒較粗大，滲透性好，地下水在接受了渭干河及上游渠系水入滲補(bǔ)給后，以側(cè)向徑流流入的方式補(bǔ)給本區(qū)。

評(píng)價(jià)區(qū)地處渭干河西岸，渠系發(fā)育，尤魯都斯干渠、塔什艾日克干渠、依其艾日克干渠和沙雅總干渠等多條干渠均在工作區(qū)分布或穿過，同時(shí)，區(qū)內(nèi)支、斗渠配套齊全，形成縱橫交錯(cuò)的水系網(wǎng)，除干渠做防滲外，支、斗渠多防滲效果差或未防滲，從而使渠道滲漏成為測(cè)區(qū)地下水的另一主要補(bǔ)給源。此外，做為渭干河流域的古老灌區(qū)，評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)農(nóng)田分布廣泛，耕作層主要為粉土和粉砂，田間灌溉水大量入滲，從而形成了本區(qū)地下水的另一重要補(bǔ)給源。

項(xiàng)目區(qū)地層巖性在314國(guó)道以北主要以砂礫石夾中粗砂、粉土、粉質(zhì)粘土為主，以南逐漸變?yōu)橹写稚皧A粉土、粉質(zhì)粘土層，第四系松散堆積物在工作區(qū)厚度大于150 m。巨厚的松散堆積層為地下水提供了良好的賦存空間，地下水類型主要為潛水，局部存在微承壓水。

在項(xiàng)目區(qū)東北部，含水層結(jié)構(gòu)為單一的砂礫石潛水賦存區(qū)，水位埋深多為3～5 m，在縣城北部和東北部大于5 m，在西南部多在1～3 m，局部地段由于受地形影響在3～5 m之間。地下水流向，總體上與地形坡降一致，即向南、西南方向徑流，但局部因受引水渠及排水渠的影響而稍有改變。

地下水的徑流條件主要受地形條件和地層巖性控制，測(cè)區(qū)地形平坦開闊，地勢(shì)北高南低，地形坡降1.0‰ ～2.5‰。含水層巖性主要為礫石、中粗砂、細(xì)砂和粉砂，自北向南，顆粒逐漸變細(xì)，徑流條件也相應(yīng)逐漸變差。評(píng)價(jià)區(qū)地下水的排泄方式有潛水蒸發(fā)蒸騰排泄、地下水側(cè)向排泄、排渠排泄和人工開采等。

2 模型的建立

2.1 模型研究范圍

地下水模型的研究范圍與地下水調(diào)查范圍一致，在平面上呈半扇形沿東北－西南方向展布，總面積為295 km2，東北端角點(diǎn)坐標(biāo)為(640000，4620000)，東南端角點(diǎn)坐標(biāo)為(635500，4590000)，西北角點(diǎn)的坐標(biāo)為(621700，4600000)(見圖1)。

圖1 地下水模型研究范圍

2.2 含水層的概化

根據(jù)模型范圍內(nèi)含水層介質(zhì)的成因、物質(zhì)組成、空間分布規(guī)律，將模擬對(duì)象概化為非均質(zhì)各項(xiàng)同性含水層。平面上根據(jù)含水層分布規(guī)律、結(jié)合勘探孔抽水試驗(yàn)資料進(jìn)行了參數(shù)分區(qū);在垂直方向大部分地段含水層變化不明顯，僅作為一層，模擬深度為150 m。

2.3 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)含水層埋藏分布、巖性及水流特征，模型區(qū)數(shù)學(xué)模型選用一層二維非穩(wěn)定流數(shù)值模型，其具體數(shù)學(xué)模型表達(dá)式如下。

式中，Kxx、Kyy分別為 X、Y方向的滲透系數(shù)，L/T;H 為水頭值，L;M為含水層厚度、ε為源匯項(xiàng)，L/T;S為給水度或彈性釋水系數(shù)，潛水區(qū)取重力給水度，承壓區(qū)取彈性釋水系數(shù);Ω為模擬范圍;n為邊界面的外法線方向;Γ為側(cè)邊界;B為底邊界。

對(duì)上述地下水流數(shù)學(xué)模型，采用正交網(wǎng)格三維有限差分?jǐn)?shù)值方法求解。為保證計(jì)算結(jié)果的收斂性，采用交替方向隱式差分格式，利用強(qiáng)隱式(SIP)求解差分方程。采用美國(guó)地調(diào)局(USGS)三維地下水流模擬軟件包Processing MODFLOW進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

研究區(qū)以2000年8月實(shí)測(cè)地下水位作為模擬預(yù)測(cè)模型的初始水位。利用MODFLOW自帶的工具Digitizer對(duì)實(shí)測(cè)地下水等水位線圖數(shù)字化，再用插值模塊Field Interpolator進(jìn)行插值，對(duì)每一個(gè)單元格賦初始水頭值。

2.4 邊界條件的處理

依據(jù)模擬區(qū)水文地質(zhì)條件，平面上邊界條件概化如下(見圖2)，將底邊界處理為隔水邊界，上邊界作為開放邊界，考慮渠系入滲和人工開采，分別用Processing Modflow中的Recharge(面狀補(bǔ)給)、Well(水井)程序包來處理;側(cè)向補(bǔ)給邊界作為定流量邊界，用Well程序包來處理;側(cè)向排泄邊界用General Head Boundary(一般水頭邊界)程序包來處理;排水渠道用 Drain(排水)程序包來處理;蒸發(fā)用Evapotranspiration(蒸發(fā))程序包來處理。其中AB邊界為第二類補(bǔ)給流量邊界;BC和FA邊界為零流量邊界;CD、DE、EF邊界為第二類排泄流量邊界。

2.4.1 空間與時(shí)間離散

空間上采用等間距有限差分的離散方法，在地下水模型中采用自動(dòng)剖分，模擬范圍內(nèi)將含水層離散為1層、81行、69列，差分網(wǎng)格的大小為400 m×400 m，網(wǎng)格平均單元面積0.16 km2。模型計(jì)算區(qū)單元數(shù)(有效單元數(shù))為1 842個(gè)，面積為 294.72 km2。

時(shí)間上以2000年1月作為初始時(shí)刻，根據(jù)地下水位的觀測(cè)時(shí)間，模擬時(shí)段以月為單位，將模型調(diào)試與參數(shù)率定過程的7年分成84個(gè)時(shí)段，將2000年的初始水位運(yùn)行到2007年，再以模擬好的07年的流場(chǎng)作為規(guī)劃年的初始流場(chǎng)，規(guī)劃年模型調(diào)試與參數(shù)率定過程的10年分為120個(gè)時(shí)段，模擬計(jì)算以天為最小單位。

圖2 模型邊界條件概化及規(guī)劃開采井平面分布圖

2.4.2 模型中數(shù)據(jù)選用

地面高程數(shù)據(jù)從1:50000比例尺的地形圖上提取，然后利用MODFLOW自帶的插值模塊Field Interpolator插值，再賦值到各個(gè)單元格，作為地面高程。底部高程值用地面高程減去150 m。結(jié)合含水層成因、空間分布規(guī)律及勘探孔抽水試驗(yàn)資料進(jìn)行了參數(shù)分區(qū)。依據(jù)抽水試驗(yàn)資料確定含水層的滲透系數(shù)和給水度。

面狀補(bǔ)給量用Recharge程序包進(jìn)行模擬，紅旗農(nóng)場(chǎng)的面狀補(bǔ)給量為3 373×104m3/a，試驗(yàn)林場(chǎng)的面狀補(bǔ)給量為1 685×104m3/a。側(cè)向補(bǔ)給量及側(cè)向排泄量用well程序包進(jìn)行模擬，灌區(qū)邊界BC、CD和DE的側(cè)向補(bǔ)給量分別為316×104m3/a、773 ×104m3/a和621 ×104m3/a，灌區(qū)邊界 FI、IJ和JK的側(cè)向排泄量分別為、3 405×104m3/a、2 790×104m3/a和945×104m3/a。

地下水開采量用well程序包進(jìn)行模擬。規(guī)劃?rùn)C(jī)井開采期每月的地下水開采量依據(jù)灌區(qū)機(jī)井開采方案中的數(shù)據(jù)進(jìn)行賦值。研究區(qū)排水渠道的排水量用Drain程序包進(jìn)行模擬，排水量為 2419×104m3/a。研究區(qū)蒸發(fā)量用Evapotranspiration程序包進(jìn)行模擬，蒸發(fā)量為689×104m3/a。

3 模型參數(shù)率定

3.1 率定依據(jù)和方法

2007年8月實(shí)測(cè)等水位線圖作為模型檢驗(yàn)的流場(chǎng)圖，2000年的等水位線經(jīng)模型運(yùn)行7年后，與2007年的等水位線擬合較好的等水位線作為規(guī)劃年的初始流場(chǎng)。2000年到2007年評(píng)價(jià)區(qū)地下水動(dòng)態(tài)觀測(cè)資料作為率定含水層參數(shù)的依據(jù)。以地下水均衡計(jì)算的地下水補(bǔ)給量、排泄量作為模型檢驗(yàn)的輸入，以控制性勘探孔地下水位作為模型率定的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

采用自動(dòng)與手動(dòng)相結(jié)合的方法，通過計(jì)算水位和實(shí)際水位的擬合分析，不斷地修改反復(fù)調(diào)整參數(shù)，當(dāng)兩者之間誤差“最小時(shí)”，即認(rèn)為此時(shí)的參數(shù)值代表含水層的參數(shù)。

3.2 平面流場(chǎng)的擬合

經(jīng)調(diào)試計(jì)算，2000年的等水位線經(jīng)模型運(yùn)行7年后，得到2007年8月流場(chǎng)與實(shí)測(cè)流場(chǎng)比較，趨勢(shì)基本一致，將2007年8月的流場(chǎng)作為規(guī)劃年的初始流場(chǎng)，模擬潛水初始流場(chǎng)與實(shí)測(cè)流場(chǎng)比較見圖3。計(jì)算值與實(shí)際值偏差最大為0.5 m，大部分小于0.1 m。地下水位擬合誤差為0.0～0.2 m的單元數(shù)占總單元數(shù)的82%，0.2～0.5 m單元數(shù)占總單元數(shù)的18%。故認(rèn)為擬合效果較好。

圖3 07年8月模擬流場(chǎng)與實(shí)際流場(chǎng)擬合圖

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果與地下水均衡結(jié)果對(duì)比分析

通過數(shù)值法計(jì)算的地下水補(bǔ)給量和排泄量，與地下水均衡法計(jì)算的補(bǔ)給量和排泄量結(jié)果比較分析(見表1)，可進(jìn)一步提高地下水資源的評(píng)價(jià)精度。

從全區(qū)計(jì)算結(jié)果分析:地下水均衡法計(jì)算的地下水總補(bǔ)給量為12 671×104m3/a，模型計(jì)算為12 511×104m3/a，相差160×104m3/a，相對(duì)誤差為1.26%。地下水均衡法計(jì)算的總排泄量為13 224×104m3/a，模型計(jì)算為13 113×104m3/a，相差111×104m3/a，相對(duì)誤差為0.84%。地下水均衡法計(jì)算的均衡差為－552×104m3/a，模型計(jì)算為－602×104m3/a，相差 49 ×104m3/a。

地下水模型進(jìn)行參數(shù)和各項(xiàng)補(bǔ)排量調(diào)試和調(diào)整的主要依據(jù)是將2000年流場(chǎng)運(yùn)行7年后要與2007年實(shí)測(cè)的流場(chǎng)基本一致，以2007年的水均衡計(jì)算的各項(xiàng)地下水補(bǔ)排量作為模型調(diào)試的初始值。在率定參數(shù)同時(shí)，調(diào)整各項(xiàng)補(bǔ)排量，使地下水模擬的初始流場(chǎng)與2007年的實(shí)測(cè)流場(chǎng)擬合最佳為止，得出評(píng)價(jià)區(qū)模型模擬各項(xiàng)補(bǔ)給和排泄量與地下水均衡法算的量擬合最佳。本次運(yùn)用兩種評(píng)價(jià)方法，從流場(chǎng)上講，研究區(qū)地下水模擬的初始流場(chǎng)與2007年的實(shí)測(cè)流場(chǎng)基本一致;從補(bǔ)排關(guān)系上，水均衡法與地下水模型計(jì)算的總補(bǔ)給量、總排泄量和均衡結(jié)果差異不大。故認(rèn)為此計(jì)算成果是可信的。

表1 地下水均衡法與數(shù)值法計(jì)算結(jié)果比較 104m3

4 應(yīng)用

4.1 開采方案布置

依據(jù)《新和縣布喀塔木水源地(擴(kuò)建)工程報(bào)告》，水源地?cái)M布機(jī)井50眼，計(jì)算區(qū)原水源地現(xiàn)狀開采量為6 786.14×104m3/a，原水源地如按設(shè)計(jì)開采量開采時(shí)計(jì)算區(qū)總開采量為(6 786.14～1 880) ×104m3/a=4 906.14 ×104m3/a，計(jì)算區(qū)可開采量為6 351.81×104m3/a，則尚可開(6 351.81～4 906.14) ×104m3/a=1 445.67×104m3/a。即計(jì)算區(qū)在今后的地下水開發(fā)利用過程中，尚可開采1 445.67×104m3/a的地下水量。

設(shè)計(jì)開采量是在可開采量滿足的條件下綜合灌區(qū)缺水量、缺水時(shí)間及考慮本水源地置換地表水方案進(jìn)行確定的。根據(jù)這50眼機(jī)井的不同的規(guī)劃開采量，擬定了3種方案對(duì)評(píng)價(jià)區(qū)在項(xiàng)目運(yùn)行5年后和10年后的水量與水位進(jìn)行預(yù)測(cè)。

方案一:按照原水源地的開采井?dāng)?shù)和開采量繼續(xù)運(yùn)行。

方案二:根據(jù)《新和縣布喀塔木水源地(擴(kuò)建)工程報(bào)告》，布喀塔木水源地預(yù)計(jì)新建機(jī)井50眼，總開采量為1 000×104m3/a。原有機(jī)井的開采量保持不變，仍然為6 786.14×104m3/a，總的開采量為 7 786.14 ×104m3/a。

方案三:根據(jù)《新和縣布喀塔木水源地(擴(kuò)建)工程報(bào)告》，布喀塔木水源地預(yù)計(jì)新建機(jī)井50眼，總開采量為1 000×104m3/a。原有機(jī)井的開采量減小到設(shè)計(jì)開采量4 906.14×104m3/a，總的開采量為 5 906.14 ×104m3/a。

4.2 各方案模型預(yù)測(cè)

通過不同開采方案預(yù)測(cè)，方案一與方案二的水井開采量大于水源地的可開采量，運(yùn)行5年后(2012年)潛水區(qū)大部分地段地下水位在現(xiàn)狀年基礎(chǔ)上下降0.3～2 m，集中開采區(qū)下降1～2.5 m。從方案一到方案二，隨開采量增大，地下水位降幅增大，同等降幅面積在擴(kuò)大。方案三開采量小于水源地的可開采量，原水源地水位在現(xiàn)狀年基礎(chǔ)上有所上升0.1～0.5 m，新建開采井在現(xiàn)狀年基礎(chǔ)上水位下降0.1～1.1 m。

各方案運(yùn)行10年后(2017年)方案一與方案二的水井潛水區(qū)大部分地段地下水位在現(xiàn)狀年基礎(chǔ)上下降0.4～3 m，集中開采區(qū)下降2～3 m。從方案2到方案1，隨開采量增大，地下水位降幅增大。方案三開采量小于水源地的可開采量，原水源地水位在現(xiàn)狀年基礎(chǔ)上有所上升0.2～1.0 m，新建開采井在現(xiàn)狀年基礎(chǔ)上水位下降0.2～1.2 m。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)新和縣老灌區(qū)通過MODFLOW軟件建立的地下水?dāng)?shù)值模擬通過驗(yàn)證符合研究區(qū)地下水含水層的邊界條件和實(shí)際真實(shí)情況，模型運(yùn)行穩(wěn)定可靠。利用模型對(duì)新灌區(qū)的地下水的三個(gè)開采方案進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析評(píng)價(jià)，得出按照原方案或加大開采量都超過了改研究區(qū)的可開采量，運(yùn)行5年和10年后該區(qū)地下水的水量和水位都有下降趨勢(shì)，故在增加開采井的情況下減少開采量是比較符合地下水資源合理利用的方案。模擬說明這一優(yōu)化方案可以較好的緩解該區(qū)域地下水水資源與農(nóng)業(yè)發(fā)展的矛盾，為該區(qū)域的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和地下水開采提供了參考。

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