基于新疆準(zhǔn)東基地水源地地下水開采方案的數(shù)值模擬

馬 堯，吳 彬

(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)

準(zhǔn)東基地水源地地處天山博格達(dá)峰北麓，水磨河沖洪積扇區(qū)。由于水源地的現(xiàn)狀供水量(2.192 3×104m3/d)，不能滿足需水量要求，要求新增至3.176 4×104m3/d。為合理評價水源地可開采量，預(yù)測分析開采后水位、水量變化，建立了基地水源地數(shù)值模型。

1 水文地質(zhì)條件及概念模型

準(zhǔn)東基地水源地位于新疆昌吉回族自治州阜康市城關(guān)鎮(zhèn)，總面積53.92 km2，地處歐亞大陸腹地，屬干旱氣候區(qū)。年平均氣溫僅4.2℃，多年平均降水量380 mm，多年平均蒸發(fā)量1 463.0 mm。

項目區(qū)所在的水磨河流域包括水磨河及西側(cè)的互爾薩依溝和小紅溝，東部毗鄰三工河，流域呈狹長狀，河流流向由南向北。河流主要接受冰川融水及大氣降水的補(bǔ)給。水源地跨越不同的地貌單元，南起博格達(dá)山區(qū)，北端接近水磨河沖洪積扇前緣，地形南高北低，地下水沿水磨河匯集由南向北徑流，形成一個較完整的地下水流系統(tǒng)(見圖1)。

由沖洪積扇后緣至扇前地層巖性主要為砂卵礫石、砂、亞砂土等。水源地為單一巨厚的潛水系統(tǒng)，南部山區(qū)與平原區(qū)分界處發(fā)育有山前大斷裂。此處地貌特征明顯，地表形成數(shù)十米高的陡坎。流域內(nèi)出露的地層由老至新有二疊系、侏羅系和第四系。地下水主要賦存于第四系中上更新統(tǒng)砂卵礫石潛水含水層，巖性主要為沖洪積相的砂卵礫石，黃土梁頂部為風(fēng)積黃土。該層厚度一般30～80 m，從沖洪積扇上部到中、下部，顆粒逐漸變細(xì)。

圖1 水磨河流域地形地貌圖

水源地地下水含水層水力坡度0.24%，滲透系數(shù)16.4～38.54 m/d，揭露含水層厚度 130～150 m，單井涌水量1 000～4 860 m3/d，含水層在橫向和縱向上分布較均勻，主要為卵礫石潛水含水層，結(jié)構(gòu)單一，透水性較強(qiáng)，是地下水開采較為有利地段。地下水類型為HCO3·SO4-Na·Ca型，礦化度0.71 g/L，是良好的生活飲用水。

計算區(qū)的南部滲流補(bǔ)給來源于每年500 mm左右的大氣降水及高山冰雪消融水滲入基巖裂隙側(cè)向徑流補(bǔ)給。據(jù)水文站多年(1985-2004年)統(tǒng)計資料:水磨河多年平均徑流量為2 455×104m3，地表徑流年際變化不大，年內(nèi)變化較大。每年6～8月為洪水期，11月～翌年3月為枯水期。6～8月洪水期流量占全年徑流量的76%，而春季來水僅占全年徑流量的15%，時空分布不均。由中山帶徑流下來的河水及側(cè)向補(bǔ)紿的地下水可直接下滲到卵礫石河床中或補(bǔ)給兩岸基巖裂隙內(nèi)。

北部邊界為側(cè)向排泄邊界，由于蒸發(fā)量大于降水量，地下水排泄的主要方式是蒸發(fā)，局部受開采影響，形成小型、暫時性的降落漏斗。由于水源地項目區(qū)內(nèi)地下水位埋深均大于20 m，因而地下水排泄方式除人工開采外，其余均向下游側(cè)向排泄。

西側(cè)邊界取一條垂直等勢線的流線作為零流量邊界，模型范圍53.92 km2。

根據(jù)含水層空間結(jié)構(gòu)特征，含水層概化為非均質(zhì)各向同性含水層。在平面上，按含水層結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行參數(shù)分區(qū)，在垂直方向上，將整個含水系統(tǒng)分為一層，為潛水含水層。模擬深度大多在200～300 m之間，底部為隔水邊界，模擬范圍的底面高程在524～660 m之間。

2 數(shù)學(xué)模型

建立的有一層結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)三維非穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型的表達(dá)式為:

式中:Kxx、Kyy和 Kzz分別為 X、Y和 Z方向的滲透系數(shù)[L/T]，Kxx=Kyy;H 為水頭值[L];ε為源匯項[L/T];μ 重力給水度;Ω為模擬范圍;n為邊界面的外法線方向;Γ1為側(cè)向邊界;B為底邊界;H0為初始水位[L]。

采用等間距有限差分方法離散地下水模型，自動剖分，模擬范圍內(nèi)將含水層離散為72行、110列，差分網(wǎng)格的大小為100 m×100 m，網(wǎng)格平均單元面積0.01 km2。模型計算區(qū)單元數(shù)(有效單元數(shù))為5 392個，面積為53.92 km2。本次模擬以2007年1月作為初始時刻，根據(jù)地下水位的觀測時間，模擬到2009年12月，以月為單位，將整個模擬時間分成36個時段。利用Processing MODFLOW 7.0中的交替方向隱式差分格式，利用預(yù)處理共軛梯度法(PCG2)求解差分方程。

3 模型率定與參數(shù)識別

模型率定的依據(jù):一是水源地2007年8月到2009年9月15個開采井的水位觀測資料;二是水源地實(shí)際抽水量資料，用2009年8月實(shí)測平面流場驗(yàn)證模型，需要率定的參數(shù)有:含水層的滲透系數(shù)、給水度及側(cè)向徑流量。

采用自動與手動相結(jié)合的方法，通過計算水位和實(shí)際水位的擬合分析，反復(fù)修改參數(shù)，當(dāng)兩個水頭間的誤差達(dá)到最小后，此時認(rèn)為求得的參數(shù)值可代表含水層的參數(shù)。表示計算水頭和實(shí)測水頭誤差的目標(biāo)函數(shù)如下:

式中:m為時段總數(shù);n為觀測孔總數(shù);Wj為權(quán)系數(shù)，當(dāng)目標(biāo)函數(shù)E“最小”時的參數(shù)值即為待求的參數(shù)[1]。

3.1 流場與觀測孔水位擬合

模型的識別以2007年1月的流場作為初始流場。根據(jù)水源地實(shí)際開采量，運(yùn)行模型，一直運(yùn)行到2009年12月，對比分析2009年8月模擬流場與實(shí)測流場(見圖2)。地下水徑流總體趨勢一致，但在開采區(qū)差異較大，主要表現(xiàn)為模擬流場水位較低，等水位線向后退，而實(shí)測流場水位較高。

圖2 基地水源地2009年8月實(shí)測流場與計算流場對比圖

根據(jù)上述模型率定的方法，得到初步的水文地質(zhì)參數(shù)，由此初始值經(jīng)過重復(fù)多次的調(diào)試與擇優(yōu)，最終運(yùn)行得到模擬觀測井水頭與實(shí)測水頭的差異較小。參數(shù)分區(qū)見圖3，調(diào)試后的含水層參數(shù)見表1。

圖3 各觀測孔模擬示意圖

表1 數(shù)值模擬參數(shù)分區(qū)表

模擬計算的流場形態(tài)與觀測值和地下水動態(tài)基本吻合，見圖4，擬合的精度較高，研究區(qū)的水文地質(zhì)條件相符與模型模擬條件，水文地質(zhì)參數(shù)及其分區(qū)與水文地質(zhì)條件基本相符，模型可以再現(xiàn)水文地質(zhì)規(guī)律，可以用來預(yù)測分析。

4 地下水動態(tài)預(yù)測

用2010年地下水均衡預(yù)報，選定兩個方案，每年的補(bǔ)給量是定值，為1 659×104m3/a。方案一的開采量為1 373×104m3/a，比2009年的實(shí)際開采量(1 268×104)增加了105.04×104m3/a;方案二的開采量為1 450×104m3/a，比方案一增加了77.41×104m3/a。

圖4 Jk2觀測井水位擬合

模擬兩方案開采至2020年，由于3月份地下水開采量較小，等水位線稀疏，水力坡降較小，地下水位基本為徑流型動態(tài);8月份地下水開采量較大，受開采影響，水位下降較快，等水位線較密，水力坡降較大，地下水位呈開采型動態(tài)。

從不同年份同月等水位線來看，水位呈持續(xù)下降狀態(tài)，地下水流向變化不大。方案一運(yùn)行至2020年3月，水位下降了9～10 m，最大降深10.5 m;2020年8月，水位下降了9～12 m，最大降深13 m，平均每年下降1.2 m。方案二運(yùn)行至2020年3月，水位下降了12～13 m，最大降深13.5 m;2020年8月，水位下降了13～15 m，最大降深16.0 m，平均每年下降1.5 m左右(見圖5)。

圖5 兩方案中JK2觀測井水位變化曲線

根據(jù)基地用水需求和水源地更新改造后的供水能力，擬定出兩個地下水預(yù)報方案，并將方案一和方案二分別進(jìn)行數(shù)值模擬計算，通過模擬計算數(shù)據(jù)對比可知，兩方案開采計劃均適用于該水源地水資源變化。

5 結(jié)語

在分析研究區(qū)水源地的水文地質(zhì)條件后，建立并利用有限差分法求解了研究區(qū)三維地下水非穩(wěn)定流數(shù)值模型。經(jīng)過率定參數(shù)與模型識別、檢驗(yàn)后，表明模型模擬水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)、參數(shù)、邊界條件均符合區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件，地下水觀測井水位變化動態(tài)，宏觀流場擬合較好，模型正確可靠，具有較高的仿真度。因此運(yùn)用地下水動態(tài)擬合后的此模型進(jìn)行水資源預(yù)測分析，通過分析適合該地區(qū)開采計劃的方案，得出符合該地區(qū)水資源長期發(fā)展的可行性實(shí)施方案。為該地區(qū)用水需求和水源地供水能力的協(xié)調(diào)具有重要意義。