吐魯番盆地典型剖面的地下水徑流特征

張明江，蘇明磊，胡伏生，楚華兵(.新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一水文工程地質(zhì)大隊，新疆 烏魯木齊 83009；.中國地質(zhì)大學(xué)，北京 00083)

吐魯番盆地典型剖面的地下水徑流特征

張明江1，蘇明磊1，胡伏生2，楚華兵1
(1.新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一水文工程地質(zhì)大隊，新疆 烏魯木齊 830091；2.中國地質(zhì)大學(xué)，北京 100083)

為研究吐魯番盆地南北斷面方向上地下水的流動規(guī)律，沿吐魯番盆地中部南北剖面建立了二維地下水流動模型，采用二維地下水流數(shù)值模擬方法對剖面模型進行識別，在此基礎(chǔ)上分析了吐魯番盆地第四系地下水流動系統(tǒng)在剖面上的循環(huán)特征、流速分布特征、剖面上地下水的平均滯留時間和徑流強度。模擬結(jié)果表明，吐魯番盆地地下水流動系統(tǒng)存在局部流動系統(tǒng)、中間流動系統(tǒng)和區(qū)域流動系統(tǒng)，局部流動系統(tǒng)循環(huán)深度北盆地為600 m，南盆地為300 m，中間流動系統(tǒng)循環(huán)深度達1 000 m，區(qū)域流動系統(tǒng)循環(huán)深度達1 200 m。

吐魯番盆地；典型剖面；地下水徑流特征

1　研究區(qū)概況

1.1水文地質(zhì)條件

據(jù)吐魯番盆地中部NS向地質(zhì)剖面上3個典型勘探孔可知：北盆地TW-NC勘探孔揭露的第四系巖性自上而下依次為卵礫石、卵石、砂卵石；剖面中部TW-SE勘探孔揭露的第四系巖性自上而下依次為粉土、細砂、粉土、粉質(zhì)粘土、粉土、粉質(zhì)粘土；剖面南部TW-SS勘探孔揭露的第四系巖性自上而下依次為粉質(zhì)粘土、粉土、粉質(zhì)粘土、粉土、粉質(zhì)粘土、粉土、粉質(zhì)粘土、粉土、粉質(zhì)粘土（圖1）。據(jù)地層層序和巖相分析，將剖面上第四系自上而下分為A層、B層、C層?日本國際航業(yè)株式會社.新疆吐魯番盆地水資源可持續(xù)利用項目最后報告書，2003。南盆地地層巖性和巖相具較好的連續(xù)性，采用上述地層層序劃分方法將剖面上的水文地質(zhì)單元從上至下劃分為A層、B層、C層（圖2）。從剖面上看，地下水類型有潛水和承壓水，由北向南，含水層富水性從水量豐富到水量貧乏各等級均有分布?新疆地礦局第一水文地質(zhì)大隊.吐魯番盆地煤炭基地地下水勘查，2010-2013。北盆地為單一結(jié)構(gòu)的砂礫石潛水含水層分布區(qū)，大面積分布水量豐富的潛水含水層，水量中等和水量貧乏的含水層主要分布在盆地東部的局部地區(qū)?；鹧嫔?鹽山構(gòu)造缺口及其以南地區(qū)為多層結(jié)構(gòu)的砂巖類含水層分布區(qū)，向南延伸至艾丁湖，含水層富水性由水量豐富逐漸過渡到水量貧乏，水量豐富和中等的含水層分布較廣。

圖1　吐魯番盆地典型剖面地層層序劃分圖Fig.1 Division of stratigraphic sequence of typical profile in Turpan basin

地下水從北部和中部獲得補給后向南徑流，沿

項目資助:2010年自治區(qū)地質(zhì)勘查基金項目“新疆東疆地區(qū)煤炭基地地下水勘查吐魯番-哈密盆地地下水勘查”(2010005)資助

圖2　吐魯番盆地典型剖面水文地質(zhì)單元劃分Fig.2 Division of hydrogeological units of typical profile in Turpan basin

1.2研究的必要性

Tóth地下水流動系統(tǒng)理論將區(qū)域地下水流動系統(tǒng)劃分為3個級次：局部流動系統(tǒng)、中間流動系統(tǒng)和區(qū)域流動系統(tǒng)[1]。吐魯番盆地降水稀少，區(qū)域水資源主要依靠出山口河流供給。從剖面上看，吐魯番地下水盆地缺少支持Tóth地下水流動系統(tǒng)理論的大氣降水的入滲補給，其地下水循環(huán)模式不能完全套用該理論，需根據(jù)發(fā)展完善后的區(qū)域地下水流理論進行研究[2]。對于地下水局部流動系統(tǒng)，地下水的補給、徑流、排泄的周期短，更新速度快；對于地下水區(qū)域流動系統(tǒng)，地下水補給、徑流、排泄的周期長，更新速度最慢；中間流動系統(tǒng)介于上述二者之間。研究吐魯番盆地地下水在斷面上的徑流特征，劃分地下水流動系統(tǒng)，對地下水開采方案的制定和地下水資源的保護具有重要的指導(dǎo)意義。

2　地下水位的變幅

根據(jù)2011年9月、2012年2月、2012年7月3次地下水位統(tǒng)測數(shù)據(jù)分析地下水水位的變化幅度。

從吐魯番盆地地下水2012年2月統(tǒng)測水位減去2011年9月統(tǒng)測水位所得差值來看，盆地周邊2月份的水位低于9月份水位，盆地中心則相反。盆地周邊是補給區(qū)，冬春季節(jié)地下水補給強度弱，在天然水力坡度作用下，地下水向盆地中心匯集，水位下降。盆地中心是地下水的天然排泄區(qū)和開采區(qū)，冬春季節(jié)地下水的開采量和蒸發(fā)量小，在盆地周邊地下水的補給作用下，盆地中心水位上升。在火焰山與艾丁湖之間，地下水位上升幅度大，一般大于10 m。從2012年7月統(tǒng)測水位減去2012年2月統(tǒng)測水位所得差值來看，盆地周邊夏季水位普遍高于冬季水位，盆地中心則相反。地表河流不發(fā)育的鄯善和艾丁湖南區(qū)地下水位上升點多，說明存在較強的暴雨洪流的補給作用。

對比上述水位變幅發(fā)現(xiàn)，火焰山南部的鄉(xiāng)鎮(zhèn)存在夏季地下水位降幅大于冬季水位升幅的現(xiàn)象，出現(xiàn)了局部超量開采問題。

3　典型剖面水文地質(zhì)條件的概化

3.1典型剖面的選取

模擬要求所選取剖面的地下水流動特征要對吐魯番盆地的地下水流動系統(tǒng)具代表意義，剖面既能反映基本地形地質(zhì)特征又必須經(jīng)過區(qū)域地下水主要補給區(qū)和排泄區(qū)，此外，剖面水流流向需體現(xiàn)區(qū)域地下水的水流方向，即選取的剖面應(yīng)盡量與等水位線垂直。據(jù)鉆孔和水文地質(zhì)資料，選取的剖面如圖3。

3.2剖面水文地質(zhì)條件概化

從區(qū)域水文地質(zhì)條件和水文地質(zhì)剖面可知，雖然剖面含水層巖性滲透系數(shù)不同，富水性差異較大，但無明顯承壓含水層存在，因此，將剖面巖層概化為潛水含水層和隔水基底兩層。典型剖面的巖性具明顯的水平分布特征，在垂向上巖性有分層性，將剖面概化為非均質(zhì)各向異性。模擬僅研究剖面的水流流動特征，不進行水位動態(tài)的表現(xiàn)，模型概化為均衡穩(wěn)定模型。

3.3剖面邊界條件概化

據(jù)模擬軟件本身特點，剖面模型的表層，在主要補給區(qū)（點）設(shè)置recharge和well項進行補給量的調(diào)控，在排泄區(qū)（點）設(shè)置general head項進行排泄量的控制，還有一些特殊邊界依據(jù)地勢條件和地表狀況設(shè)置為special head提供進行補排量，其他表層邊界僅設(shè)置為活動單元格。

為此，在吐魯番盆地典型剖面的表層邊界，山前補給帶設(shè)為活動單元格，以recharge和well的形式輸入到模型中，在火焰山溢出帶附近，設(shè)置為general head，艾丁湖附近設(shè)為special head，其他邊界區(qū)僅設(shè)為活動單元格。據(jù)巖性分布，將剖面南北部側(cè)邊界及下邊界定為隔水邊界。

圖3　吐魯番典型剖面水文地質(zhì)剖面圖Fig.3 Hydrogeological section of typical profile in Turpan basin

4　建立模型

4.1數(shù)學(xué)模型

依據(jù)上述水文地質(zhì)概念模型及邊界條件，建立非均質(zhì)各向異性二維穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型來模擬剖面含水層水流流動。

式中：Ω——剖面滲流區(qū)域；

h——含水層水位標高（m）；

Kx——水平方向的滲透系數(shù)（m/d）；

Kz——垂向上的滲透系數(shù)（m/d）；

w——源匯項（m3/d）;

h1——水頭邊界上水頭分布（m）；

T——含水層導(dǎo)水系數(shù)（m2/d）;

B1——水頭邊界；

B2——流量邊界；

q(x,z)——流量邊界單寬流量（m3/d），流入為正，流出為負，隔水邊界為0。

4.2研究區(qū)剖分

考慮到剖面橫縱差及單位距離內(nèi)水流方向垂向上比橫向上變化大，剖分時網(wǎng)格縱向應(yīng)比橫向小得多，網(wǎng)格大小設(shè)定為水平方向1 km，垂向20 m。Y軸厚度為50 m，斷面模型的總網(wǎng)格數(shù)為85列×90層＝7 650個，參與模擬的網(wǎng)格共3 164個。

4.3滲透系數(shù)分區(qū)

在參考水文地質(zhì)剖面圖、鉆孔柱狀圖及抽水試驗的基礎(chǔ)上進行水平滲透系數(shù)分區(qū)，將特殊巖性互層段進行合并，水平滲透系數(shù)取相應(yīng)的等效值，最后形成10個滲透系數(shù)分區(qū)。

含水層的各向異性通過水平滲透系數(shù)與垂向滲透系數(shù)的比值Kh/Kv表示，通過控制補給區(qū)向下滲流的深度來影響整個水流系統(tǒng)的循環(huán)深度。據(jù)不同巖性進行分區(qū)試驗確定最終的Kh/Kv值：在北部山區(qū)基巖和第四系用50、第三系用1 000、南部裸露基巖用200作為模型的垂向滲透設(shè)置。

4.4初始水頭

在穩(wěn)定流計算里無需給初始水頭變量賦值，但設(shè)定一個與計算結(jié)果相近的初始值可提高計算效率，并可防止在模型運行中含水層的疏干。這里將剖分網(wǎng)格每一列的初始水頭設(shè)置成對應(yīng)列的第一個網(wǎng)格中心點的高程值。

4.5模型運行與參數(shù)調(diào)整

在GMS軟件中利用MODFLOW模塊來運行模型以獲得剖面水頭分布[3]。調(diào)參過程中主要遵循：①各觀測點的計算水位與實測水位基本一致；②符合水均衡原則，即補排項和存量的變化平衡；③流場分布與實際水文地質(zhì)特征相對應(yīng)；④調(diào)參后的水文地質(zhì)參數(shù)既要以實驗參數(shù)為依據(jù)，也要符合剖面巖性變化規(guī)律。

4.6模型識別

計算水位與實際水位對比 模型運行最終得到的典型剖面計算等水位線分布圖(圖4)。等水位線值的變化趨勢符合剖面總體地下水補徑排趨勢，即從補給區(qū)（點）到排泄區(qū)（點）水頭值減小，說明模型的模擬結(jié)果具一定可信度。

圖4　吐魯番典型剖面計算等水頭線分布Fig.4 Distribution of calculational equivalent water head of typical profile in Turpan basin

調(diào)整后的滲透系數(shù)與剖面巖性變化規(guī)律對比調(diào)整后的水平滲透系數(shù)分布情況與原來的水平滲透系數(shù)分區(qū)相比，總體上變化不大，僅在個別區(qū)域有變化。說明參數(shù)調(diào)整適當(dāng)，數(shù)值模擬結(jié)果合理。

模型識別結(jié)果利用GMS中的MODFLOW模塊進行計算模擬，經(jīng)多次參數(shù)調(diào)試和模擬識別，模型參數(shù)基本合理，能夠反映典型剖面流場特征。

5　剖面水流系統(tǒng)

5.1剖面地下水循環(huán)特征

采用MODPATH程序模塊生成地下水流線分布，經(jīng)剖面地下水流系統(tǒng)數(shù)值模擬，吐魯番盆地剖面流場分布和地下水循環(huán)特征的分布情況見圖5。

沿用Tóth的理論，將剖面地下水流系統(tǒng)分為：局部循環(huán)、中間循環(huán)和區(qū)域循環(huán)3級循環(huán)系統(tǒng)。由圖3可見，火焰山以北和艾丁湖以南為地下水單一循環(huán)區(qū)，火焰山以南至艾丁湖之間為多級循環(huán)區(qū)。多級水流系統(tǒng)中的局部水流系統(tǒng)是灌溉水回滲與蒸發(fā)過程在空間上的表現(xiàn)。

圖5　吐魯番典型剖面流場和地下水循環(huán)系統(tǒng)Fig.5 Flow field and groundwater circulation system of typical profile in Turpan basin

5.2剖面流速分布特征

在局部流動系統(tǒng)范圍內(nèi)，流速大；在南部基巖低山區(qū)以及剖面底部基巖區(qū)域的區(qū)域和中間流動系統(tǒng)范圍內(nèi)，流速較小。地下水水平滲透速度較大地區(qū)分布在山前補給區(qū)及火焰山附近溢出區(qū)，最大可達8.0 m/d；其次分布在艾丁湖附近排泄區(qū)，約為5.0 m/d；在綠洲分布地區(qū)的小的局部循環(huán)范圍內(nèi)，也有較大的滲透速度，約2.0 m/d。

5.3剖面地下水平均滯留時間分析

橫向上，在北部山前補給區(qū)、火焰山溢出帶以及艾丁湖地下水排泄區(qū)，地下水滯留時間短；在南部基巖低山區(qū)上部裂隙發(fā)育區(qū)域的地下水補給區(qū)，地下水滯留時間較短；在剖面底部基巖，巖層滲透系數(shù)小，地下水滯留時間長。垂向上，與循環(huán)系統(tǒng)分布圖對比，火焰山兩側(cè)地下水補給和排泄區(qū)、綠洲區(qū)、艾丁湖排泄區(qū)的局部循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)，地下水滯留時間短；南部基巖低山區(qū)上部地下水補給區(qū)局部循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)，地下水滯留時間較長；在剖面底部基巖的中間和區(qū)域流動系統(tǒng)內(nèi)，地下水滯留時間長。

5.4剖面地下水徑流強度分析

潛水面水量交換 潛水面凈補排量曲線的變化情況和剖面的補排特征相對應(yīng)：在北部山前，地下水接受暴雨洪流與河水的入滲補給，約占總補給量的35%；從山前到洪積扇扇沿，有河水或干渠的滲漏補給，補給強度相對較弱；地下水在火焰山北麓大量溢出，約占總排泄量的45%；在火焰山南麓，之前溢出的地下水重新轉(zhuǎn)化為地下水，約占總補給量的30%；在火焰山以南的小洪積扇扇緣也有一部分地下水溢出，約占溢出帶的20%；其它區(qū)域潛水凈補排量小，且補排交替出現(xiàn)。

地下徑流與深度 據(jù)剖面流場水循環(huán)特征及潛水面的主要補給、徑流、排泄點，選取了8個典型斷面，采用GMS中的BUDGET程序模塊進行地下水徑流強度分析。從斷面的徑流強度看，山前砂礫石層水流強度大；隨著山前入滲的補給，在斷面6處的流量達到最大；艾丁湖附近斷面1和斷面2的徑流強度最弱。

從徑流強度與高程關(guān)系看，隨著循環(huán)深度增加，徑流強度明顯減弱。北盆地積極循環(huán)帶的深度在600 m以淺，南盆地400 m以淺；局部循環(huán)系統(tǒng)徑流強度較大；區(qū)域循環(huán)系統(tǒng)徑流強度較小。

6　結(jié)論

（1）所選典型剖面能夠代表吐魯番盆地第四系地下水的循環(huán)特征。

（2）剖面上地下水流動系統(tǒng)劃分為局部流動系統(tǒng)、中間流動系統(tǒng)和區(qū)域流動系統(tǒng)。局部流動系統(tǒng)位于南盆地中間流動系統(tǒng)內(nèi)；北盆地和南盆地地下水流動系統(tǒng)屬中間流動系統(tǒng)；從盆地北部山前至艾丁湖之間的深層地下水流動系統(tǒng)屬區(qū)域地下水流動系統(tǒng)。

（3）火焰山以北和艾丁湖以南為地下水單一循環(huán)區(qū)，火焰山以南至艾丁湖之間為多級循環(huán)區(qū)。

（4）在局部流動系統(tǒng)范圍內(nèi)，流速大；在南部基巖低山區(qū)及剖面底部基巖區(qū)域的區(qū)域和中間流動系統(tǒng)范圍內(nèi)，流速較小。

（5）橫向上，北部山前補給區(qū)、火焰山溢出帶及艾丁湖地下水排泄區(qū)的地下水滯留時間短；垂向上，火焰山兩側(cè)地下水補給和排泄區(qū)、綠洲區(qū)、艾丁湖排泄區(qū)的局部循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)，地下水滯留時間短。

（6）山前砂礫石層水流強度大，艾丁湖附近的徑流強度最弱。

（7）區(qū)域流動系統(tǒng)的循環(huán)深度達1 200 m；中間流動系統(tǒng)的循環(huán)深度達1 000 m；局部流動系統(tǒng)循環(huán)深度北盆地為600 m，南盆地為300 m。

[1]Tóth.A theoretical analysis of groundwater flow in small drainage basins[J].Journal of Geophysical Research，1963.

[2]蔣小偉，萬力，王旭升.區(qū)域地下水流理論進展[M].北京:地質(zhì)出版社，2013.

[3]McDonald M.G.，A.W.Harbaugh.A Modular Three-Dimensional finite-difference ground-water flow model,U.S.Geological Survey Techniques of Water Resources Investigations Book 6.United States Government Printing Office,Washington,D.C Chapter A1, 1988.

Groundwater Runoff Characteristics of Typical Profile in Turpan Basin

Zhang Mingjiang1,Su Minglei1,Hu Fusheng2,Chu Huabing1
(1.The 1st Hydro-engineering geological Brigade,Xinjiang Bureau of geological and mineral resources,Urumqi, Xinjiang,830091,China;2.China university of Geosciences,Beijing,100083,China)

To study the groundwater flow law which in the north and south section of Turpan basin,two-dimensional groundwater flow model is established.It is along north and south section of the central Turpan basin.Using two-dimensional groundwater flow numerical simulation method to identify the profile model.Based on the model，this paper analyzes many Quaternary groundwater flow system characteristics in Turpan basin,such as circulation characteristics in profile,velocity distribution characteristics,average residence timeand groundwater runoff intensity in profile.Simulation results show that groundwater flow system in Turpan basin have three types,including local flow system，intermediate flow system and regional flow system.Local flow system circulation depth is 600 m in the north basin and 300 m in the south basin,the circulation depth of intermediate flow system and regional flow system is 1000 m and 1200 m respectively.

Turpan basin;Typical section;Groundwater runoff characteristic

1000-8845(2016)03-418-05

P641.2

A

2016-03-11;

2016-05-16;作者E-mail:728870395@qq.com

張明江（1965-），男，重慶人，高級工程師，1987年畢業(yè)于長春地質(zhì)學(xué)院水文地質(zhì)專業(yè)，現(xiàn)從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)勘查工作途排泄于開采和蒸發(fā)蒸騰。第四系地下水的主要補給來源有：河流、渠系、水庫、田間灌溉水的入滲、補給，河谷潛流的側(cè)向流入補給，山區(qū)基巖裂隙水的側(cè)向流入補給，暴雨形成的洪水入滲補給。地下水的排泄方式有：機電井開采，坎兒井開采，泉水排泄，地下水蒸發(fā)蒸騰，艾丁湖是地下水的排泄中心。對吐魯番盆地地下水的研究，目前僅局限于從平面上對水文地質(zhì)條件進行分析，尤其是對地下水徑流的研究僅從編制地下水等水位線圖的角度了解地下水在平面上的流向和水力坡度等參數(shù)，尚未開展過斷面地下水徑流特征的模擬分析，對剖面上地下水流動系統(tǒng)的劃分需做進一步研究。