基于調(diào)控適宜性區(qū)域評價的紅崖山灌區(qū)地下水位動態(tài)預(yù)測

賀向麗，葉 懋，張 昕，陳文捷，李敬軍

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基于調(diào)控適宜性區(qū)域評價的紅崖山灌區(qū)地下水位動態(tài)預(yù)測

賀向麗1，葉 懋2，張 昕1，陳文捷1，李敬軍1

（1. 中國農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院，北京 100083；2. 重慶市江津區(qū)西湖鎮(zhèn)人民政府，重慶 402224）

紅崖山灌區(qū)位于中國典型干旱內(nèi)陸區(qū)石羊河流域下游，當?shù)氐叵滤倪^度開采已引起地下水位持續(xù)下降、生態(tài)環(huán)境嚴重惡化。2006—2010年期間，紅崖山灌區(qū)實施了“關(guān)井壓田”等相關(guān)治理措施，并于2010年開始對青土湖進行生態(tài)泄水，用水環(huán)境隨之發(fā)生變化。該文運用GIS技術(shù)和FEFLOW軟件，基于2011—2012年觀測數(shù)據(jù)構(gòu)建了紅崖山灌區(qū)潛水三維數(shù)值模型；基于井群調(diào)控原則，對研究區(qū)進行調(diào)控適宜性區(qū)域評價，在此基礎(chǔ)上以地下水開采量為基準設(shè)置了若干調(diào)控方案；利用構(gòu)建的地下水數(shù)值模型對現(xiàn)狀條件和各種調(diào)控方案下20 a內(nèi)地下水動態(tài)變化進行了預(yù)測。結(jié)果表明：現(xiàn)狀用水條件下，當?shù)氐叵滤灰廊徽w以低降幅持續(xù)下降，地下水降落漏斗進一步擴大；水量的削減能讓地下水位下降趨勢得到有效的遏制并修復(fù)地下水降落漏斗；依據(jù)評價值大小確定限釆比例的方案比全區(qū)域均勻比例限采方案能更有針對性地回升地下水位、修復(fù)地下水降落漏斗，且調(diào)控井數(shù)更少。

地下水；模型；預(yù)測；區(qū)域評價；井群調(diào)控；地下水降落漏斗；FEFLOW

0 引 言

紅崖山灌區(qū)位于中國典型干旱內(nèi)陸區(qū)石羊河流域下游，長期干旱少雨，地表水緊缺，地下水已成為當?shù)鼐用癫豢苫蛉钡乃?。當?shù)氐叵滤倪^度開采已引起地下水位持續(xù)下降、地下水降落漏斗形成、生態(tài)環(huán)境嚴重惡化。地下水超采導致的一系列生態(tài)問題，已引起社會、政府與學者們的廣泛關(guān)注[1-4]。2006—2010年期間，紅崖山灌區(qū)實施了“關(guān)井壓田”等相關(guān)治理措施[5]，并于2010年開始對青土湖進行生態(tài)泄水，用水環(huán)境隨之發(fā)生變化。近十幾年來，眾位學者就如何提升地下水位，修復(fù)地下水漏斗，恢復(fù)生態(tài)環(huán)境等問題進行了一系列的探討研究，認為增加地表來水、減小灌溉面積、調(diào)整種植結(jié)構(gòu)和節(jié)水灌溉是緩解地下水位下降的關(guān)鍵[6-9]。這些研究大多基于2000年以前的數(shù)據(jù)，從減少地下水需水量的角度去分析對地下水動態(tài)的影響。

對紅崖山灌區(qū)來說，機井密度過大、機井空間布局不合理以及單井抽水量過大是導致地下水位下降、地下水降落漏斗形成的直接因素。直接對機井進行調(diào)控（如關(guān)閉部分機井、減少單井抽水量）是緩解生態(tài)問題的重要手段。已有的研究大多集中于適宜的機井數(shù)量[10-12]和機井間距[13-15]的研究，而對于機井的合理空間布局以及單井抽水量的控制的研究則相對較少。李彥剛等[16]、劉鑫等[17]分別以寶雞峽灌區(qū)和紅崖山灌區(qū)為例進行了機井布局合理性研究，探討了機井適宜的位置和數(shù)量；張嘉星[18]以人民勝利渠灌區(qū)為研究區(qū)域，進行了 8 種情景方案下井渠結(jié)合灌區(qū)地下水變化模擬預(yù)報，初步提出了變化環(huán)境條件下灌區(qū)地下機井優(yōu)化布局與水資源合理開發(fā)方案；賈艷輝等[19]以通遼井灌區(qū)為研究對象，構(gòu)建了以取水費用最小為目標的機井布局優(yōu)化模型并把地下水動力模型嵌入其中，形成機井布局耦合模型，為灌區(qū)機井空間布局優(yōu)化提供了新的思路。但對于紅崖山灌區(qū)來說，其生態(tài)問題突出，增加機井不可能，調(diào)控才是其最為迫切的手段，因此分析現(xiàn)狀條件下地下水動態(tài)變化趨勢并提出合理井群調(diào)控方案對當?shù)氐叵滤Y源規(guī)劃與管理有著重要的現(xiàn)實意義。

地下水數(shù)值模擬是評估調(diào)控方案對地下水影響，輔助進行地下水管理的重要方法。國內(nèi)常用的數(shù)值模擬軟件主要為Visual MODFLOW、FEFLOW 和GMS[20-21]。其中，F(xiàn)EFLOW軟件是由德國WASY 水資源規(guī)劃和系統(tǒng)研究所于1979 年基于有限單元法開發(fā)出來的[22]。該軟件是現(xiàn)有的功能最齊全最復(fù)雜的地下水模擬軟件包之一，對復(fù)雜的水文地質(zhì)條件具有更好的處理能力，用于模擬多孔介質(zhì)中飽和及非飽和地下水流與污染物的運移[23]。國內(nèi)外諸多學者已基于FEFLOW建立了地下水數(shù)值模擬模型[24-27]。

本文運用GIS技術(shù)和FEFLOW軟件，基于2011—2012年觀測數(shù)據(jù)構(gòu)建了紅崖山灌區(qū)潛水擬三維數(shù)值模型；結(jié)合當?shù)氐叵滤缓途翰季值默F(xiàn)狀，制定井群調(diào)控原則，對研究區(qū)進行調(diào)控適宜性區(qū)域評價；并在區(qū)域評價的基礎(chǔ)上以地下水開采量為基準設(shè)置若干調(diào)控方案，利用構(gòu)建的地下水數(shù)值模型對現(xiàn)狀條件和各種調(diào)控方案下20 a內(nèi)地下水動態(tài)變化進行了預(yù)測，研究結(jié)果可為當?shù)氐叵滤Y源開發(fā)、利用和管理提供參考。

1 研究區(qū)概況

紅崖山灌區(qū)隸屬于甘肅武威市民勤縣，位于石羊河流域下游民勤綠洲帶，地理坐標為東經(jīng)102°53′—103°51′，北緯38°23′—39°06′之間。灌區(qū)深入到騰格里沙漠和巴坦吉林沙漠腹地，三面環(huán)沙，南面為紅崖山水庫，為紅崖山灌區(qū)唯一的地表水來源。地下含水層是由石羊河流域沖積和湖積而來的第四系松散堆積物構(gòu)成（圖1），從而形成其分布復(fù)雜的多層含水系統(tǒng)，其中潛水含水層厚度約為120 m，巖性以礫砂、細砂為主[28]。灌區(qū)按照當?shù)氐匦?、歷史習慣、水利條件等因素，分為3個自然灌區(qū)，分別為上游壩區(qū)、中游泉山區(qū)和下游湖區(qū)。灌區(qū)總面積為2 786 km2。

研究區(qū)降雨稀少，據(jù)民勤縣氣象站資料，多年平均降雨量為113.2 mm，降水多集中于7—9月份，占年降水總量的66%；多年平均蒸發(fā)量2 644 mm，為降水量的24倍；且降水量呈現(xiàn)下降趨勢。灌區(qū)地下水主要來源于盆地、沙漠側(cè)向補給和灌溉水下滲，地下水資源總量約為3.1億m3，允許開采量為0.86億m3[11]。

持續(xù)的地下水超采導致當?shù)氐叵滤到y(tǒng)采補嚴重失衡，地下水位逐年下降，地下水漏斗形成，生態(tài)環(huán)境惡化。2006—2010年期間，灌區(qū)實施了關(guān)井壓田、關(guān)井限采等治理措施，地下水超采量逐年減少。2010年開始通過外來調(diào)水對下游青土湖進行生態(tài)補水，同時，將機井數(shù)量從9010眼削減至現(xiàn)在的7340眼，地下水年開采量由5.2 億降至1.08億m3，地下水位下降趨勢得到一定的遏制，但整體地下水位仍處于下降狀態(tài)。

圖1 紅崖山灌區(qū)水文地質(zhì)剖面圖

2 地下水數(shù)值模型的構(gòu)建

2.1 水文地質(zhì)概念模型和數(shù)學模型

根據(jù)紅崖山灌區(qū)水文地質(zhì)資料，灌區(qū)地面高程1459~1309 m，西南高東北低，地面坡降為0.5‰~0.9‰。潛水含水層主要由沙礫巖及砂巖構(gòu)成，厚度自南向北為150~100 m，其下存在多個較為完整的厚度約為50 m的弱透水黏土層。弱透水黏土層之下為承壓含水層，厚度100 m。承壓水含水層以下視為基巖。另外，由于地殼運動在研究區(qū)南部和北部形成了蘇武山和狼刨泉山2個山丘，可將其概化為不透水體?？紤]到上層潛水含水層和下部弱透水層水力聯(lián)系較弱，且研究區(qū)的絕大多數(shù)機井深度小于100 m，地下水開采主要影響潛水含水層，本研究主要考慮潛水含水層。

按上述分析，將研究區(qū)地下水流概化為非均質(zhì)各向同性的三維潛水非穩(wěn)定流數(shù)學模型[29]，如下：

2.2 模型的補給與排泄

紅崖山灌區(qū)西部以黑山頭向北余脈及民勤盆地與昌寧盆地的地下分水嶺為界；北邊界是沙漠相臨的剝蝕山地；東邊界是靠近騰格里沙漠的沙漠荒地；南部以紅崖山水庫為界。經(jīng)分析，研究區(qū)邊界均可概化為第二類邊界條件：東、南邊界為流入邊界，北邊界為流出邊界，西邊界為零通量邊界；對于南邊界，其通量值與水庫水位具有較高的相關(guān)性，本文改進了以往研究中將其通量值視為定值的方法，綜合考慮了2011年調(diào)水工程完工水庫來水量增大引起水庫水位上升的實際情況，利用達西公式確定其滲漏通量為 0.24×108m3/a[30]。其余3個邊界，由于其地質(zhì)和水文條件穩(wěn)定，其通量值借鑒前人的研究數(shù)據(jù)[4]。各邊界通量見表1。

表1 紅崖山灌區(qū)地下水數(shù)值模型邊界條件

注：南邊界被分為了2段。

Note: South boundary is divided into 2 parts.

地下水在垂直方向上的源匯項主要受降雨、蒸發(fā)等自然條件與地下水開采、灌溉下滲等人類活動影響。但耕地、草地等地下水蒸發(fā)、降雨及凝結(jié)水下滲僅在地下水埋深小于5 m時才予以考慮。紅崖山灌區(qū)由于人工超采嚴重，地下水埋深均大于5 m，所以其源匯項不考慮降雨入滲、蒸發(fā)、凝結(jié)水入滲等因素，而主要考慮地下水開采、渠系水下滲及田間水下滲。

渠系水入滲補給量主要根據(jù)各渠系輸水量結(jié)合渠系水利用系數(shù)和渠系損失水入滲補給系數(shù)綜合確定，計算中不僅考慮了地表水渠系入滲量，還考慮了水庫向青土湖生態(tài)泄水渠道的額外下滲，并且將下滲計算范圍覆蓋到支渠。

對于地下水開采量，將其細化為以時間序列表示的單井逐月抽水量，在各井點處賦值。

而田間水入滲量，則需先依據(jù)研究區(qū)種植結(jié)構(gòu)和灌溉制度確定其各個時段的灌水定額，再考慮田間水利用系數(shù)和灌溉損失水補給地下水系數(shù)綜合確定。

在上述概化模型基礎(chǔ)上，在GIS中繪制生成研究區(qū)邊界，并導入FEFLOW中進行建模。首先建立二維模型，采用三角形單元剖分，并對地下水位變化劇烈區(qū)域（主要是渠井結(jié)合灌溉的綠洲農(nóng)田）進行有限元網(wǎng)格的加密。研究區(qū)剖分為484206個三角形單元，共計324284個結(jié)點。并在二維模型的基礎(chǔ)上擴展為三維模型。本研究區(qū)三維空間模型由2個片和1個層構(gòu)成：第一個片是潛水面，其高程隨地下水位變化；第二個片是潛水含水層隔水底板；2個片中間即為層，就是潛水含水層；有限元網(wǎng)格、邊界條件、初始條件均只對切片進行設(shè)定，水文地質(zhì)參數(shù)則對層進行設(shè)定。

2.3 水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)

根據(jù)水文地質(zhì)資料，將研究區(qū)分為21個研究區(qū)域和2個非研究區(qū)域（蘇武山和狼刨泉山），如圖2所示。并依據(jù)文獻資料對各個小區(qū)域賦予初值，其中2個非研究區(qū)域的水文地質(zhì)參數(shù)以定值給出。潛水含水層每個區(qū)域的水文地質(zhì)參數(shù)主要包括滲透系數(shù)和給水度。

注：數(shù)字1~21為水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)標號。

2.4 模型的識別與校驗

如圖3所示為12個觀測井點在研究區(qū)的位置，分布較均勻合理，且主要分布在渠系密度較高的上下游。觀測井每月讀取1次數(shù)據(jù)，每年共讀取12次?；?011年12個觀測井的實測數(shù)據(jù)調(diào)試模型的水文地質(zhì)參數(shù)，確定各分區(qū)滲透系數(shù)及給水度如表2所示，并使用2012年實測數(shù)據(jù)進行模型驗證。計算各個觀測井的地下水位均方根誤差（RMSE）、模擬值和實測值的年末誤差（12）、決定系數(shù)（2），見表3。其中，所有觀測井地下水位的模擬值和實測值的年末誤差（12）平均值為0.71 m，小于均方根誤差（RMSE）平均值（1.23 m），且大部分觀測井的年末誤差小于平均年末誤差0.71 m；圖4為分別從不同區(qū)域取的4個典型測井繪制的地下水位實測值與模擬值的對比圖，從圖中可以看出，模型的模擬結(jié)果與實測地下水位數(shù)據(jù)變化趨勢較為一致，且所有觀測井地下水位的模擬值和實測值的決定系數(shù)平均值為0.63，大部分觀測井的決定系數(shù)大于0.5，擬合效果較好。因此本文所構(gòu)建的地下水數(shù)值模型可以用于研究區(qū)的地下水動態(tài)預(yù)測，且更適用于長時間尺度的地下水動態(tài)模擬。

圖3 觀測井點位置圖

表2 潛水含水層水文地質(zhì)參數(shù)

表3 模型擬合誤差統(tǒng)計

注：12為地下水位模擬值和實測值的年末誤差。

Note:12is groundwater level error between simulated and measured value at end of the year.

圖4 典型測井地下水位模擬值與實測值對比

3 基于區(qū)域評價的紅崖山灌區(qū)地下水動態(tài)預(yù)測

3.1 井群調(diào)控原則

結(jié)合研究區(qū)地下水水位和井群布局的現(xiàn)狀，制定如下井群調(diào)控原則：

1）基于紅崖山灌區(qū)地下水現(xiàn)狀，以遏制地下水水位下降趨勢、縮小漏斗區(qū)域和恢復(fù)生態(tài)環(huán)境為目標；

2）地下水開采量不大于地下水允許開采量，以保證地下水的有效補給；

3）基于現(xiàn)狀井群布局，以不增加新機井的調(diào)控方式進行調(diào)控；

4）調(diào)控措施直接面向井點，根據(jù)調(diào)控目標篩選定位調(diào)控井點，注重調(diào)控的有效性和可行性。

3.2 區(qū)域評價

本次井群調(diào)控以遏制地下水水位下降趨勢、縮小漏斗區(qū)域和恢復(fù)生態(tài)環(huán)境為目標，為了使調(diào)控措施更具有針對性，通過對研究區(qū)進行調(diào)控適宜性評價的方式來選擇需要調(diào)控的區(qū)域，從而指導調(diào)控方案的制定，提高調(diào)控措施的有效性，為當?shù)氐叵滤Y源管理提供參考。

評價指標的確定。從地下水調(diào)控原則出發(fā)，考慮影響因子的不重復(fù)性和重要性，篩取地下水埋深和井密度為評價指標。地下水埋深是能直觀反映地下水下降幅度以及降落漏斗的指標；另一方面，井密度是產(chǎn)生地下水漏斗的關(guān)鍵性因素，地下水埋深分布圖中的漏斗區(qū)與井群高密度值分布區(qū)域是基本吻合的。

評價區(qū)域的劃分。為保證區(qū)域差異性，基于2011年測井數(shù)據(jù)，得到2011年灌區(qū)地下水埋深范圍為5.8~33 m，以1 m為間隔，分為29組；另一方面，運用GIS空間分析中的核密度分析法，得出的井群密度值范圍為1-13，取核密度1為間隔范圍，共13組。運用空間分析工具“Intersect”對地下水埋深與井密度的指標信息文件進行空間相交處理，將研究區(qū)共劃分為1934個評價區(qū)域，如圖5所示。

需要說明的是這里評價區(qū)域的劃分是為了通過評價值來選取需要調(diào)控的區(qū)域，而調(diào)控則是面向被選中的區(qū)域上的井點進行的。

評價指標的賦權(quán)及綜合評價值的計算。選取熵權(quán)法[31]對評價指標進行合理賦權(quán)。在熵權(quán)法中，權(quán)重是依據(jù)指標在待評區(qū)域之間的變異程度來確定的。變異程度越大，則該指標包含的信息量越多，在綜合評價中所起的作用就越大，權(quán)值也相應(yīng)較高。經(jīng)過計算確定地下水埋深的指標權(quán)重為0.13，井密度的指標權(quán)重為0.87。那么對任一區(qū)域的綜合評價值v可按式（2）進行計算：

其中，p為第個評價區(qū)域中第個指標的標準化值；w為指標的權(quán)重；為評價指標數(shù)，本文=2。

通過對每一個評價區(qū)域的綜合評價值進行計算，可得到整個研究區(qū)的綜合評價值范圍為109.5×10-6~1306.3×10-6，其分布云圖見圖5。

圖5 評價區(qū)域綜合評價值分布

3.3 情景設(shè)置

本文區(qū)域評價的目的是選擇需要調(diào)控的區(qū)域。2個指標與評價結(jié)果均構(gòu)成正相關(guān)關(guān)系，指標均為正指標，經(jīng)計算得到的綜合評價值越大的區(qū)域，則越需要進行地下水調(diào)控。在此基礎(chǔ)上，設(shè)置情景如下：

情景一：現(xiàn)狀開采補給條件（A1）

地下水開采量為1.08×108m3，地表來水量（水庫放水量）為2.47×108m3，地下水位模擬初始條件設(shè)為2011年末水位觀測數(shù)據(jù)。

情景二：基于區(qū)域評價值進行不同比例限采，地下水開采量為允許開采量

對評價值不同的區(qū)域采取不同的限釆比例來削減單井抽水量，地下水開采量為允許開采量0.86×108m3。對比現(xiàn)狀條件，總削減水量為0.23×108m3。

情景二設(shè)置了3種調(diào)控方案如下：

B1：調(diào)控區(qū)域為綜合評價值高于800×10-6的區(qū)域，共覆蓋2596眼井；

B2：調(diào)控區(qū)域為綜合評價值高于600×10-6的區(qū)域，共覆蓋4689眼井；

B3：全區(qū)域均勻比例削減，共覆蓋7340眼井。

這里將綜合評價值分為6個區(qū)間，B1-B3方案各區(qū)間具體削減比例見表4，其中削減比例100%即為關(guān)井。B1、B2均是在限定區(qū)域內(nèi)限采的情景，高評價值區(qū)域盡可能高比例削減， B2比B1調(diào)控區(qū)域更大，覆蓋井數(shù)更多；B3是在全灌區(qū)內(nèi)均勻比例削減的情景，覆蓋了全部井點，本方案用來作為對比。

表4 情景二各方案下各區(qū)間削減比例及水量表

3.4 模擬結(jié)果與分析

3.4.1 地下水位變化趨勢及分析

圖6為分別從壩區(qū)、泉山區(qū)和湖區(qū)各取一觀測點繪制的不同情景時地下水位隨時間變化曲線圖。圖7為2030年12月研究區(qū)地下水位分布云圖，通過分析研究區(qū)內(nèi)不同位置地下水位變化過程，可以得到：

維持現(xiàn)狀條件（A1）下，紅崖山灌區(qū)整體地下水位呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢，從壩區(qū)至湖區(qū)，地下水位呈現(xiàn)遞減，湖區(qū)地下水位偏低與其地勢偏低也有關(guān)系；由于綜合措施的實施，地下水位下降趨勢較2010年以前變緩，其中，壩區(qū)測點水位下降速率為0.19 m/a，泉山區(qū)測點水位年下降速率為0.23 m/a，湖區(qū)靠近和遠離青土湖渠道的測點水位年下降速率分別為0.08和0.30 m/a；灌區(qū)腹部地帶（壩區(qū)）地下水位下降速度較邊緣和荒漠區(qū)邊緣緩慢，這是由于近年來地表水來水量增加主要集中補給在灌區(qū)中心渠系密集地區(qū)；泉山區(qū)由于缺少水庫滲漏補給其地下水位下降速率高于壩區(qū)；下游湖區(qū)十一干渠附近區(qū)域由于青土湖生態(tài)泄水補給而地下水位下降幅度較小。

在限采條件（B1、B2、B3）下，紅崖山灌區(qū)整體水位下降趨勢比A1更緩，其中壩區(qū)由于限采較多，其水位在部分情景中呈現(xiàn)回升趨勢；壩區(qū)測點處，B1、B2情景的地下水位回升速率為0.10和0.08 m/a，B3情景下地下水位下降速率為0.09 m/a，分別比A1提升了0.29、0.27和0.10 m/a；泉山區(qū)測點處，B1、B2和B3情景下地下水位年下降速率為0.15、0.16和0.15 m/a，分別比A1提升了0.08、0.07和0.08 m/a；湖區(qū)遠離青土湖渠道的測點處，B1、B2和B3情景的地下水位年下降速率為0.30、0.31和0.27 m/a，其中，B1和B3比A1略提升0.01和0.04 m/a，B2和A1相同；湖區(qū)靠近青土湖渠道的測點處，B1、B2和B3情景的水位年下降速率均為0.07、0.06和0.04 m/a，比A1略提升0.01、0.02和 0.04 m/a。

從上述地下水位對比結(jié)果可以看出，水量的削減能讓地下水位下降趨勢得到有效的遏制，但削減方案不同引起的地下水位變化趨勢也不盡相同。在相同地下水削減量條件下，B1、B2是依據(jù)評價值大小確定限釆比例的方案，B3是全區(qū)域均勻比例限采的方案。對于地下水漏斗集中及地下水埋深值最深的壩區(qū)（同時也是高評價值單元集中區(qū)域），2類方案均讓地下水下降趨勢有所減緩，但B1、B2均是呈現(xiàn)地下水位回升趨勢，而B3呈現(xiàn)下降趨勢；其中B1比B2在高評價值區(qū)域限釆比例更高一些，所以對壩區(qū)地下水位回升的效果更好；相對應(yīng)的，由于B3是覆蓋全區(qū)域均勻比例限采，其他區(qū)域（泉山區(qū)、湖區(qū)）的地下水位下降速率均小于B1、B2，但湖區(qū)部分區(qū)域的埋深是小于5 m的，其生態(tài)問題相對而言并不突出急迫。而依據(jù)評價值大小確定限釆比例的方案則能夠更有針對性地解決當?shù)丶逼韧怀龅纳鷳B(tài)問題，而且該類方案調(diào)控井數(shù)更少。

圖6 不同位置測點水位變化

3.4.2 地下水埋深及漏斗變化趨勢分析

為分析地下水埋深和地下水降落漏斗變化趨勢，利用GIS做出各情景下2030年末地下水埋深插值分布圖，見圖8。由圖可知，至2030年末，A1情景下，灌區(qū)地下水最大埋深值為36.74 m，比2012年增大了3.74 m（2012年地下水最大埋深值為33 m）；B1、B2和B3情景下灌區(qū)的最大埋深值分別為31.9、32.0和34.8 m，相比A1減小了4.84、4.74和1.94 m，分別約占地下水埋深值的13.2%、12.9%和5.3%。

現(xiàn)狀（A1）情景下，灌區(qū)地下水埋深值呈現(xiàn)全局增加，局部減小的趨勢。壩區(qū)上游靠近水庫區(qū)域由于截取了較多的地下水呈現(xiàn)出區(qū)域上升的趨勢，而壩區(qū)中心位置蘇武、薛白、三雷、大壩地區(qū)的地下水漏斗隨著時間推移呈現(xiàn)擴大趨勢，地下水埋深值也隨之增加，至2030年末，地下水漏斗擴展到泉山區(qū)大灘、雙茨科等地區(qū)，形成1個巨大漏斗。下游地區(qū)2010年時分別在湖區(qū)的紅沙梁鄉(xiāng)與西渠鎮(zhèn)有一大一小2個地下水漏斗，至2030年，紅沙梁與西渠地區(qū)無明顯地下水漏斗狀態(tài)，主要由于該區(qū)域地下水埋深有著整體增加的情況。

在限釆情景的B1和B2方案中，由于對壩區(qū)采取有針對性的調(diào)控措施，其中心位置蘇武、薛白、三雷、大壩地區(qū)的地下水漏斗得到了明顯的遏制。而B3方案是均勻比例限采，對壩區(qū)限采比例較B1和B2小，壩區(qū)的地下水漏斗具有明顯擴大趨勢，并且與泉山區(qū)后來形成的漏斗相連成為一個大漏斗，但該漏斗仍比A1中的漏斗小得多；3種限釆方案對泉山區(qū)限采比例較小，到2030年均開始出現(xiàn)小漏斗；湖區(qū)上游西渠部分區(qū)域整體埋深增大，湖區(qū)下游的漏斗由于有青土湖生態(tài)用水補給已經(jīng)修復(fù)。

從以上地下水埋深以及地下水漏斗結(jié)果可以看出，水量的削減能減小地下水埋深，修復(fù)地下水降落漏斗。其中，依據(jù)評價值大小確定限釆比例的方案（B1、B2）則能夠更有利于針對性的恢復(fù)地下水漏斗，且調(diào)控井數(shù)較少；而均勻比例限采方案（B3）雖然能使地下水降落漏斗得到一定修復(fù)，但效果相對不明顯，修復(fù)時間相對較長。

圖7 不同情景下地下水位分布圖（2030年12月）

圖8 不同情景下地下水埋深分布圖（2030年12月）

4 結(jié) 論

本文在深入分析水文地質(zhì)資料基礎(chǔ)上，運用GIS和FEFLOW軟件，構(gòu)建了紅崖山灌區(qū)潛水-承壓水三維數(shù)值模型，在區(qū)域評價的基礎(chǔ)上以地下水開采量為基準設(shè)置調(diào)控方案，對現(xiàn)狀條件和各種調(diào)控方案下20 a內(nèi)地下水動態(tài)變化進行了預(yù)測，得到以下主要結(jié)論：

1）現(xiàn)狀用水條件下，灌區(qū)地下水位依然整體以低降幅持續(xù)下降，地下水降落漏斗進一步擴大；

2）水量的削減能讓地下水位下降趨勢得到有效的遏制，減小地下水埋深，修復(fù)地下水降落漏斗；

3）相同地下水削減量條件下，依據(jù)評價值大小確定限釆比例的方案比全區(qū)域均勻比例限采方案能更有針對性的回升地下水位、修復(fù)地下水降落漏斗，且調(diào)控井數(shù)更少。

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Groundwater dynamic forecasting in Hongyashan district based on regional evaluation of regulatory suitability

He Xiangli1, Ye Mao2, Zhang Xin1, Chen Wenjie1, Li Jingjun1

(1.,,100083,; 2.,,,, 402224,)

Hongyashan district is located at the lower reach of Shiyang river basin which is a typical arid inland region in China. The overexploitation of groundwater has caused continuous decline of groundwater levels and serious deterioration of ecological condition. The government has taken some measures such as closing wells, and reducing fields during the period from 2006 to 2010. Moreover, additional water has been arranged to pour into Qingtu Lake for improving its ecological condition since 2010. Then the water environment has been changed. Three-dimensional numerical model including unconfined aquifer for Hongyashan district was established using FEFLOW and ArcGIS software based on the measured data during 2011-2012 in this paper. On the other hand, considering the current situation of the local groundwater level and the layout of well group, the regulation principles of well group were made. In order to make the regulation measures more targeted, the regional evaluation of regulatory suitability was carried out by selecting the groundwater depth and the density of wells as evaluation indices. Then the study area was divided into 1934 evaluation units according to the variability of impact factors, and the weights of evaluation indices and the comprehensive evaluation values of evaluation units were calculated by using entropy method. Three regulation schemes of B1, B2 and B3 were set by cutting the volumes of groundwater exploitation. Among them, B1 and B2 were the schemes which determined the cutting ratios of groundwater exploitation depending on the comprehensive evaluation values, and the higher the comprehensive evaluation values of the units, the higher the cutting ratio of groundwater exploitation. B2 covered more units and more wells than B1. B3 was the scheme with uniform cutting ratios in all units, which covered all wells. The dynamic variation of groundwater in the 20 years was forecasted under current condition (A1) and 3 regulation schemes (B1, B2, B3) by using the three-dimensional numerical model of Hongyashan district established in this paper. The forecasting results indicate that the groundwater levels will be in a continuous decline trend with a small drop rate and the groundwater depression cones will be further enlarged under current conditions (A1) in Hongyashan district; the decline trend of groundwater levels will be effectively contained and the groundwater depression cones can be repaired by cutting the volumes of groundwater exploitation under the 3 regulation schemes (B1, B2, B3); the schemes (B1, B2) which determined the cutting ratios depending on the evaluation values were more targeted for increasing groundwater levels and repairing groundwater depression cones than the scheme (B3) with uniform cutting ratios, and the former 2 schemes regulate less wells. The research results can provide references for the development, utilization and management of local groundwater resources.

groundwater; models; forecasting; regional evaluation; regulation of well group; groundwater depression cones; FEFLOW

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.18.022

S273.4

A

1002-6819(2018)-18-0179-08

2017-12-20

2018-05-22

水利部公益性行業(yè)科研專項（201301016-02）

賀向麗，山東棗莊人，副教授，博士，主要從事水利工程數(shù)值模擬工作。Email：hexianglihhu@163.com

賀向麗，葉 懋，張 昕，陳文捷，李敬軍. 基于調(diào)控適宜性區(qū)域評價的紅崖山灌區(qū)地下水位動態(tài)預(yù)測[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2018，34(18)：179－186. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.18.022 http://www.tcsae.org

He Xiangli, Ye Mao, Zhang Xin, Chen Wenjie, Li Jingjun. Groundwater dynamic forecasting in Hongyashan district based on regional evaluation of regulatory suitability[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(18): 179－186. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.18.022 http://www.tcsae.org