李　追,周志芳,郭巧娜

(河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京　210098)

疏勒河流域花海灌區(qū)地下水位動(dòng)態(tài)演變趨勢(shì)

李追,周志芳,郭巧娜

(河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京210098)

摘要：根據(jù)疏勒河流域花海灌區(qū)水文地質(zhì)條件,尤其是地下水的補(bǔ)徑排關(guān)系,建立了相應(yīng)的水文地質(zhì)模型和地下水?dāng)?shù)值模型。通過擬合近十年的地下水水位,對(duì)模型進(jìn)行識(shí)別與校驗(yàn),在此基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)了未來20年地下水水位變化趨勢(shì)及影響因素。結(jié)果表明,在350.52萬m3/a的開采強(qiáng)度下地下水水位略有回升,在2 009.86萬m3/a的開采強(qiáng)度下地下水水位下降明顯,最大降幅達(dá)6 m;高強(qiáng)度開采地下水會(huì)引起灌區(qū)地下水水位持續(xù)下降,區(qū)內(nèi)東南部受影響尤為明顯,會(huì)引起一系列生態(tài)及環(huán)境問題。

關(guān)鍵詞：地下水;水位變化;數(shù)值模擬;水文地質(zhì);疏勒河流域

干旱和半干旱區(qū)在全球廣泛分布,遍及各大洲的50多個(gè)國家和地區(qū),總面積達(dá)到50億hm2,約占陸地面積的33.6%[1-2]。我國是世界上主要的干旱國家之一,干旱區(qū)的面積約為280萬km2,約占國土面積的27%[3]。我國干旱區(qū)的83%集中分布在西北地區(qū),其中疏勒河流域位于甘肅省西北部,疏勒河是河西走廊內(nèi)陸河流水系的三大河流之一[4]。在疏勒河流域,水是支撐生產(chǎn)生活穩(wěn)定的重要資源,其中地下水資源對(duì)維持供水穩(wěn)定和生態(tài)平衡具有非常重要的作用。然而,由于不合理的開發(fā)利用和氣候環(huán)境變化等因素影響,生態(tài)環(huán)境出現(xiàn)一系列問題,如土地沙漠化、土壤次生鹽漬化、生物多樣性受損等[5]。

為了解決生態(tài)環(huán)境問題,近些年來一些學(xué)者在疏勒河流域開展了較為深入的研究。例如,閆成云等[6]構(gòu)建了疏勒河流域中下游盆地地下水功能評(píng)價(jià)體系,并指出地下水應(yīng)用前景。屈君霞等[7]根據(jù)常量離子變化過程和水化學(xué)類型,探討了疏勒河流域山區(qū)地下水分帶性,研究了不同地帶地表水與地下水的補(bǔ)排關(guān)系。葉紅梅等[8]對(duì)該區(qū)不同時(shí)期的土地覆蓋進(jìn)行了劃分,結(jié)合地下水監(jiān)測(cè)資料,分析該地區(qū)土地覆蓋動(dòng)態(tài)變化及其與地下水的相關(guān)性。以上研究是從地下水功能分區(qū)、水化學(xué)的地帶分布、土地利用對(duì)地下水資源影響進(jìn)行研究,而在地下水的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律方面相關(guān)工作較少。

自20世紀(jì)90年代以來,疏勒河流域地下水開采量不斷增加,導(dǎo)致該區(qū)地下水水位持續(xù)下降。其中在花海灌區(qū),年開采量由幾十萬立方米增加到數(shù)千萬立方米[9]。程遠(yuǎn)順[10]通過地下水資源量均衡計(jì)算與分析,推算了疏勒河流域花海灌區(qū)地下水的補(bǔ)排量。灌區(qū)由于地下水開采量的不斷增加,可能導(dǎo)致超采現(xiàn)象,從而引起一系列生態(tài)及環(huán)境問題。本文通過資料收集、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、現(xiàn)場(chǎng)勘查和試驗(yàn)等方法,建立了研究區(qū)地質(zhì)、水文地質(zhì)模型,在分析地下水動(dòng)態(tài)規(guī)律基礎(chǔ)上,基于數(shù)值模擬方法模擬預(yù)測(cè)不同地下水開采量情況下在2030年花海灌區(qū)地下水水位的變化特征,為該地區(qū)地下水合理開發(fā)及綜合利用提供依據(jù)。

1研究區(qū)概況

疏勒河流域位于甘肅省河西走廊的西端,發(fā)源于祁連山脈的崗格爾肖合力嶺冰川,流經(jīng)青海省、甘肅省,干流全長(zhǎng)670 km,年均徑流量10.31億m3,為甘肅省三大內(nèi)陸河之一[11]。在疏勒河的中、下游區(qū),昌馬、雙塔和花海三大灌區(qū)為其主要農(nóng)業(yè)開發(fā)區(qū),行政劃屬玉門市、瓜州縣管轄。研究區(qū)為其中的花海灌區(qū),在玉門市區(qū)以東約50 km處,以沖洪積扇自然地質(zhì)邊界為主,即西起畢家灘西的基巖斷裂,東至花海鎮(zhèn)花三井村,南以寬灘山山前斷裂為界,北抵北山戈壁前緣,面積約630 km2。區(qū)內(nèi)海拔在1 200～1 420 m,地形南高北低,西高東低。氣候?yàn)榈湫偷拇箨懟哪詺夂?降雨少蒸發(fā)強(qiáng)烈,氣溫變化劇烈。該區(qū)多年平均氣溫8.0 ℃,極端最高氣溫36.7 ℃,平均降水量58.9 mm,蒸發(fā)量2 986.3 mm。

2研究區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)與水文地質(zhì)特征

2.1研究區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征

圖1　A-A′地質(zhì)剖面圖Fig. 1　A-A′ geological profile

研究區(qū)為典型的山前沖洪積扇。沖洪積扇頂部為粗大的礫石,中部為砂卵礫石及粗砂,前緣為細(xì)砂及粉土?；ê９鄥^(qū)地處洪積扇中部,區(qū)內(nèi)沉積了巨厚的第四系沖洪積物,厚度在200～300 m(圖1),為地下水的貯存提供了良好的場(chǎng)所[12]。沉積物由老到新分別為:下更新統(tǒng)八格楞組膠結(jié)-半膠結(jié)的礫巖、砂礫巖(Q1),厚度大于40 m;中更新統(tǒng)酒泉組砂礫碎石(Q2),埋藏在40 m以下,厚度大于40 m;上更新統(tǒng)平原組南部以砂礫碎石為主,中部及東北部以粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂等為主(Q3),厚度10～40 m;全新統(tǒng)砂壤土及細(xì)砂(Q4),厚度5～10 m。

2.2水文地質(zhì)特征

研究區(qū)地下水的類型主要為第四系孔隙水,含水巖組主要由中、上更新統(tǒng)孔隙潛水、承壓水含水層和全新統(tǒng)孔隙潛水含水層組成,主要分布在盆地沖洪積地層中,由于沉積環(huán)境及含水層巖性的差異,表現(xiàn)為地下水從山前至細(xì)土平原區(qū),由潛水逐漸過渡為潛水-承壓水,其富水性也由強(qiáng)變?nèi)?。區(qū)內(nèi)由于沉積環(huán)境的交替變化,黏性土的分布在水平方向和垂直方向變化較大,潛水與承壓水之間缺乏穩(wěn)定的區(qū)域性隔水層,含水層之間水力聯(lián)系較密切,視為一個(gè)統(tǒng)一的含水層系統(tǒng)。

地下水的補(bǔ)給途徑:灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉使用的地表水通過渠系入滲補(bǔ)給地下水,每年的補(bǔ)給量基本與引水量成正比;田間灌溉入滲量則主要與地下水埋深有關(guān),埋深越淺補(bǔ)給系數(shù)越大[13];區(qū)內(nèi)北部發(fā)育的北石河在上游線狀滲入補(bǔ)給地下水;研究區(qū)西南角為花海沖洪積扇出山口,相鄰水文地質(zhì)單元的地下水以潛流形式補(bǔ)給到?jīng)_洪積扇體中。地下水的排泄途徑:埋深較淺區(qū)域地下水會(huì)通過蒸發(fā)、蒸騰排泄到大氣中;北石河下游地下水補(bǔ)給到河水中流出研究區(qū);東部花海鄉(xiāng)以東地下水以潛流形式排泄到研究區(qū)外;灌區(qū)地下水作為補(bǔ)充灌溉及鄉(xiāng)村供水水源,開發(fā)利用最早可追溯到1957年酒泉鋼鐵公司建成的6口機(jī)電井,2000年以后進(jìn)入地下水大規(guī)模開發(fā)利用階段,機(jī)井?dāng)?shù)量超過了100口,排泄項(xiàng)中地下水開采占的比例越來越大。

研究區(qū)地勢(shì)由西南至東北逐漸變低,地下水埋深由西南部的數(shù)十米至中部、東北部逐漸變?yōu)閹酌?地下水總體流向?yàn)槲髂系綎|北,區(qū)內(nèi)水位差近100 m,平均水力坡度約為0.3%。在2000年以前地下水基本處于動(dòng)態(tài)均衡狀態(tài),2000年以后隨著開采量的增加,地下水水位呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

3水文地質(zhì)條件概化

3.1含水層系統(tǒng)概化

基于研究區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征,分別將砂壤土及細(xì)砂Q4地層概化為10 m的中等透水含水層,砂礫碎石、粉土、粉細(xì)砂Q3地層概化30 m的強(qiáng)透水含水層,砂礫碎石Q2地層概化為100 m的強(qiáng)透水含水層,膠結(jié)-半膠結(jié)的礫巖、砂礫巖Q1地層概化為100 m的中等透水含水層,整個(gè)第四紀(jì)沉積物概化成一個(gè)統(tǒng)一的潛水含水層系統(tǒng)。區(qū)內(nèi)水平向巖性由南西到北東從砂礫、含礫砂、中細(xì)砂逐漸過渡到細(xì)砂、粉細(xì)砂,滲透系數(shù)在水平方向上從南西到北東方向逐漸變小;在垂直方向上由上而下層次逐漸增多,顆粒由粗變細(xì),滲透系數(shù)逐漸變小。另外,第一層由于覆蓋層有粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)黏土等,滲透系數(shù)相對(duì)較小。

3.2邊界條件概化

為建立水文地質(zhì)計(jì)算模型,需對(duì)研究區(qū)各邊界進(jìn)行概化。研究區(qū)南部有一壓性斷層——南截山北緣斷層(圖1),走向東西,傾向南,切割晚更新世及其以前地層,活動(dòng)性質(zhì)為逆沖兼走滑[14],阻止了地下潛流的補(bǔ)給,定為隔水邊界;在西南角有部分潛流補(bǔ)給,為流量邊界;北部邊界為近北戈壁邊緣,作為隔水邊界處理,北石河作為一個(gè)給定水頭的內(nèi)部河流;區(qū)域東部花海鎮(zhèn)以東的邊界地下水以潛流形式排泄到研究區(qū)外,為流量邊界;西邊界垂直等高線,幾乎與等水位線垂直,定為隔水邊界。研究區(qū)有開采機(jī)井126口,井深基本在50～120 m,將抽水井概化為第二層底板(埋深40 m)和第三層底板(埋深140 m)的源匯項(xiàng),在這兩個(gè)層面分別設(shè)置126口井,總開采量平均分配到兩層上。

由于研究區(qū)降雨稀少,忽略降雨入滲補(bǔ)給。結(jié)合農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu),主要考慮北石河河水入滲、渠系入滲和田間入滲補(bǔ)給;在地下水埋深較淺的區(qū)域潛水蒸發(fā)量較大;入滲及蒸發(fā)賦值強(qiáng)度參考研究區(qū)以往地下水研究報(bào)告。

4數(shù)學(xué)模型及模型識(shí)別與校驗(yàn)

4.1數(shù)學(xué)模型

根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)模型,在滲流連續(xù)性方程基礎(chǔ)上建立了評(píng)價(jià)區(qū)與水文地質(zhì)模型對(duì)應(yīng)的地下水三維數(shù)學(xué)模型:

(1)

式中:H——地下水水位,m;K——含水層滲透系數(shù),m/d;S——自由面以下含水層的儲(chǔ)水率,1/m;ε——源匯項(xiàng),1/d;μ——潛水含水層給水度,無量綱;p——潛水面的蒸發(fā)和降水補(bǔ)給系數(shù),m/d;H0——初始水位,m;H1——邊界水位,m;q0(x,y,z,t)——流量邊界單位面積過水?dāng)嗝嫜a(bǔ)給流量,m/d;Ω——滲流區(qū)域;B0——自由表面邊界;B1——給定水頭邊界;B2——流量邊界;n——滲流區(qū)邊界的單位外法線方向。

4.2模型識(shí)別與校驗(yàn)

根據(jù)水文地質(zhì)條件,對(duì)模型的平面區(qū)域進(jìn)行分區(qū),共分有16個(gè)子區(qū),用Triangle算法生成三角形有限單元網(wǎng)格,并對(duì)模型邊界、河流及觀測(cè)井進(jìn)行加密,生成三維結(jié)構(gòu)圖,4層共有98 756個(gè)三棱柱單元,5個(gè)層面共有65 745個(gè)節(jié)點(diǎn)。各分區(qū)的水文地質(zhì)參數(shù)初值主要根據(jù)以往的勘察報(bào)告、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及經(jīng)驗(yàn)。模型初步建立完成后,部分?jǐn)?shù)據(jù)欠缺以及經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的選取存在一定人為因素,與實(shí)際參數(shù)之間可能存在差距,因此需要對(duì)建立的模型進(jìn)行調(diào)試和驗(yàn)證。根據(jù)水文地質(zhì)條件和現(xiàn)場(chǎng)6口觀測(cè)井的觀測(cè)水位對(duì)地下水流模型初始流場(chǎng)進(jìn)行了識(shí)別,模擬后的水位與觀測(cè)水位差值見圖2,模擬出的研究區(qū)初始地下水等水位線見圖3。

圖2　初始水位擬合誤差Fig. 2　Fitting error of initial groundwater level

圖3　研究區(qū)2001年初始地下水等水位線(單位:m)Fig. 3　Contour map of initial groundwater level of study area in 2001

圖2中6口觀測(cè)井模擬水位與觀測(cè)水位差值較小,最大的為0.8 m,有2口井水位差值在0.3 m左右,其余3口井水位差值均在0.2 m以內(nèi),因此可認(rèn)為模擬值與觀測(cè)值比較接近,模擬的初始地下水等水位線具有一定的合理性,符合后續(xù)模擬的要求。

加入源匯項(xiàng)并調(diào)節(jié)各項(xiàng)參數(shù)對(duì)研究區(qū)2001—2010年地下水水位進(jìn)行模擬,所得模擬水位作為進(jìn)一步識(shí)別模型的數(shù)據(jù)。4口觀測(cè)井有完整的長(zhǎng)序列水位觀測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)比分析,由圖表及數(shù)據(jù)知模擬值與觀測(cè)值有一定的相關(guān)性:CG02井、CG03井觀測(cè)值和觀測(cè)值在10 a內(nèi)有所波動(dòng)且整體呈下降趨勢(shì);CG05井附近機(jī)井比較密集,水位觀測(cè)值和模擬值都在2004及2006年出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn),波動(dòng)的趨勢(shì)基本相符,模擬的結(jié)果較為理想;CG06井觀測(cè)水位在2005年及2006年較水位整體變化趨勢(shì)不符,可能觀測(cè)數(shù)據(jù)存在一些人為因素的問題。

從模型中讀取源匯項(xiàng)數(shù)據(jù),進(jìn)行水均衡計(jì)算,9 a平均數(shù)據(jù)如下:河流流入3 428.54萬m3,渠系入滲873.1萬m3,田間入滲1 326.40萬m3,側(cè)向流入3 181.69萬m3,補(bǔ)給項(xiàng)合計(jì)8 809.73萬m3。蒸發(fā)2 017.56萬m3,開采1 155.26萬m3,補(bǔ)給河流4 303.19萬m3,側(cè)向流出1 922.28萬m3,排泄項(xiàng)合計(jì)9 398.29萬m3,如圖4所示。均衡差為-588.56萬m3,研究區(qū)總體處于負(fù)均衡狀態(tài)。

圖4　觀測(cè)孔水位觀測(cè)值與模擬值對(duì)比Fig. 4　Comparison of observed values obtained with observation well and simulated values of groundwater level

圖5　2030年地下水水位變化等值線(單位:m)Fig. 5　Contour map of groundwater level change in 2030

4.3地下水位預(yù)測(cè)

從研究區(qū)初始地下水等水位線的匹配及10 a的觀測(cè)井水位擬合圖來看,所建立的花海灌區(qū)地下水動(dòng)態(tài)數(shù)值模型基本達(dá)到精度要求,一定程度上反映了地下水的流場(chǎng)特點(diǎn)和動(dòng)態(tài)變化特征,因此可利用該模型進(jìn)行地下水動(dòng)態(tài)研究趨勢(shì)性預(yù)測(cè)。

以2010年為現(xiàn)狀年,通過保持現(xiàn)狀年其他源匯項(xiàng)不變的條件下,改變地下水開采量,得到往后20 a的地下水水位數(shù)據(jù)。考慮到要滿足生產(chǎn)生活要求,直接禁止開采地下水不切實(shí)際,所以擬計(jì)劃分兩種方案進(jìn)行地下水動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè):方案一取識(shí)別期開采量最小年份(2005年)的開采量(350.52萬m3)作為開采強(qiáng)度賦值到模型中;方案二取識(shí)別期開采量最大年份(2007年)的開采量(2 009.86萬m3)作為開采強(qiáng)度賦值到模型中。

方案一中2030年地下水整體流動(dòng)趨勢(shì)基本沒有變化,這主要受研究區(qū)地下水側(cè)向流入流出控制,區(qū)內(nèi)地下水在西南角接受側(cè)向補(bǔ)給此處水位為全區(qū)最高,在東部地下水側(cè)向流出研究區(qū)水位最低。方案二中2030年地下水整體流動(dòng)趨勢(shì)也基本沒有變化,等水位線總體向西南部推移,地下水水位明顯較方案一低。兩種方案20 a的水位變化等值線如圖5所示。

方案一預(yù)測(cè)期的地下水開采量較往年小,模擬結(jié)果顯示地下水水位相對(duì)往年有所上升。由圖5(a)可知,最大水位上升值約為3.5 m,地下水水位上升幅度較大的區(qū)域主要在研究區(qū)東南部,往北水位上升幅度逐漸減小。東南部水位上升幅度較大主要原因在于前期開采量相對(duì)較大,而預(yù)測(cè)方案一中開采量較小,地下水水位會(huì)在前期開采形成的降落漏斗處(主要是機(jī)井密集區(qū)域)回升較明顯。在方案二中水位變化表現(xiàn)為下降,最大的水位下降值超過6 m,由于開采量為前期最大值,集中開采區(qū)地下水水位會(huì)進(jìn)一步下降,致使降落漏斗擴(kuò)展到南部邊界,邊界的隔水性使水位下降更明顯。由以上預(yù)測(cè)結(jié)果可知,一方面開采井的分布情況影響著局部水位變幅,機(jī)井主要分布在研究區(qū)中部和東南部,由圖5可知這部分區(qū)域水位變化幅度較大;另一方面與設(shè)置的邊界條件也有一定關(guān)系,研究區(qū)內(nèi)的北石河設(shè)置為給定水頭邊界,這會(huì)使北部水位變幅減小,南部邊界為隔水邊界,開采機(jī)井形成的有界井流問題會(huì)導(dǎo)致地下水水位變化在隔水邊界附近更明顯[15]。

5結(jié)語

研究區(qū)為典型的山前沖洪積扇,水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,沉積物顆級(jí)從山前到扇緣逐漸變細(xì),豎向上從上到下總體逐漸變細(xì)。灌區(qū)近十幾年來地下水開采量由20世紀(jì)的每年幾十萬立方米增長(zhǎng)到上千萬立方米,由于高強(qiáng)度開采地下水,引起了灌區(qū)地下水水位持續(xù)下降。預(yù)測(cè)結(jié)果表明開采機(jī)井密集區(qū)域地下水水位變化幅度較其他區(qū)域大,在小開采量方案中地下水水位略有回升,最大升幅約為3.5 m,在大開采量方案中地下水水位有明顯下降,最大降幅達(dá)到6 m。高強(qiáng)度開采地下水會(huì)引起局部地下水水位大幅下降,威脅到依賴地下水生存的動(dòng)植物,從而引起一系列生態(tài)及環(huán)境問題,建議灌區(qū)盡量選用其他水源并減少對(duì)地下水的開采,尤其是受開采影響較為明顯的東南部。

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Trend analysis of dynamic change of groundwater level in Huahai irrigation area of Shule River Basin

LI Zhui, ZHOU Zhifang, GUO Qiaona

(SchoolofEarthScienceandEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Abstract:Based on the hydrogeological conditions of the Huahai irrigation area in the Shule River Basin, and focusing on the relationships between groundwater recharge, runoff, and discharge, a hydrogeological model and a groundwater numerical model were established. The models were identified and calibrated through fitting of the groundwater levels over the past ten years. On this basis, the trend of groundwater level changes in the forthcoming 20 years and the influencing factors were predicted. According to the results, the groundwater level slightly increases under an exploitation intensity of 3.505 2 million cubic meters per year, and significantly decreases under an exploitation intensity of 20.098 6 million cubic meters per year, with the greatest decreased level being six meters. Intense exploitation of groundwater can lead to the continuous decline of the groundwater level in the irrigation area. The southeastern part of the study area in particular will be significantly affected, which will cause a series of ecological and environmental problems.

Key words:groundwater; water level change; numerical simulation; hydrogeology; Shule River Basin

DOI：10.3876/j.issn.1000-1980.2016.03.011

收稿日期：2015-06-23

基金項(xiàng)目：水利部公益性科研專項(xiàng)(201301083)

作者簡(jiǎn)介：李追(1990—),男,安徽廬江人,碩士研究生,主要從事水文地質(zhì)研究。E-mail:lizhuide@163.com 通信作者： 周志芳,教授。E-mail:zhouzf@hhu.edu.cn

中圖分類號(hào)：P641

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-1980(2016)03-0252-06