基于MODFLOW的河套灌區(qū)井渠結(jié)合開采模式研究

楊威，毛威，楊洋，朱焱，楊金忠

?水土資源與環(huán)境?

基于MODFLOW的河套灌區(qū)井渠結(jié)合開采模式研究

楊威，毛威，楊洋，朱焱*，楊金忠

（武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072）

【】探究河套灌區(qū)不同水文地質(zhì)條件下適宜的井渠結(jié)合開采模式。利用實(shí)測地下水位等資料，基于MODFLOW建立了灌區(qū)三維地下水動(dòng)態(tài)模型并率定、驗(yàn)證，在灌區(qū)4個(gè)典型灌域分別選取典型井渠結(jié)合區(qū)，設(shè)置了4種井灌區(qū)面積和11種渠井結(jié)合比，共44種井渠結(jié)合開采模式，預(yù)測了各模式下地下水埋深變化，以井灌區(qū)地下水平均埋深不超過3 m為標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)選了各灌域適宜的井渠結(jié)合開采模式。①建立的河套灌區(qū)三維地下水?dāng)?shù)值模型充分反映了灌區(qū)內(nèi)實(shí)際水位變化特征，可用于井渠結(jié)合后地下水埋深預(yù)測。②相同井灌區(qū)面積和渠井結(jié)合比條件下，解放閘、烏蘭布和灌域井渠結(jié)合井灌區(qū)地下水平均埋深最小，永濟(jì)灌域次之，義長灌域最大，烏蘭布和灌域典型井渠結(jié)合區(qū)的地下水等埋深線最密集，義長灌域次之，永濟(jì)和解放閘灌域最稀疏。③井灌區(qū)面積一定時(shí)，井灌區(qū)地下水平均埋深隨渠井結(jié)合比的增大而減小，但減幅隨渠井結(jié)合比增大有變緩趨勢。由于水文地質(zhì)條件差異，各灌域適宜井灌區(qū)面積和渠井結(jié)合比均有所不同，烏蘭布和、解放閘、永濟(jì)、義長灌域井渠結(jié)合井灌區(qū)面積分別不宜超過12.25、12.25、9、6.25 km2，渠井結(jié)合比分別不宜小于2.5、2.5、3.0、3.3。

河套灌區(qū)；井渠結(jié)合；渠井結(jié)合比；MODFLOW

0 引言

【研究意義】河套灌區(qū)氣候干燥，區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)用水主要依靠黃河引水，2015—2018年均引黃水量約為44.5億m3[1]。根據(jù)《內(nèi)蒙古黃河水權(quán)轉(zhuǎn)換總體規(guī)劃報(bào)告》的要求，灌區(qū)引水量需要減少至40億m3[2-3]，未來進(jìn)行水權(quán)轉(zhuǎn)換后灌區(qū)引黃水量將進(jìn)一步減少至38.8億m3，灌區(qū)用水將面臨更大挑戰(zhàn)，水資源供需矛盾或?qū)⒊蔀橹萍s灌區(qū)發(fā)展的主要因素[4-5]。井渠結(jié)合是一種聯(lián)合運(yùn)用地表水與地下水的水資源配置模式，可提高水資源利用率和利用效率，同時(shí)抑制土壤返鹽[6-8]。然而，不合理開采模式也會(huì)帶來新的問題和挑戰(zhàn)，如井渠結(jié)合地區(qū)地下水超采將導(dǎo)致地下水位大幅下降并引發(fā)生態(tài)環(huán)境問題。因此，實(shí)施井渠結(jié)合必須保證地下水資源的采補(bǔ)平衡，最重要的是確定合理的井灌面積及其周圍渠灌面積比例，即渠井結(jié)合比[9]。

【研究進(jìn)展】前人主要從井渠結(jié)合的實(shí)施條件[10]、井渠結(jié)合區(qū)分布[11]、井渠結(jié)合灌區(qū)渠井用水比例[12-13]等方面進(jìn)行了大量研究，為灌區(qū)井渠結(jié)合奠定了基礎(chǔ)，而實(shí)際大規(guī)模開展井渠結(jié)合時(shí)，需要針對不同的水文地質(zhì)條件，選擇適宜的井灌區(qū)面積及渠井結(jié)合比。目前已有一些學(xué)者采用水均衡法和數(shù)值模擬法在河套灌區(qū)進(jìn)行了相關(guān)研究。如王璐瑤等[14]依據(jù)地下水補(bǔ)給量與開采量之間的均衡關(guān)系，在河套灌區(qū)建立了井渠結(jié)合區(qū)地下水均衡模型，提出渠井結(jié)合比以2.3～3.4為宜；李郝等[15]通過建立地下水平衡概化模型，得出河套灌區(qū)合理渠井結(jié)合比在2.5～3.5之間；余樂時(shí)等[16]在永濟(jì)、烏拉特灌域設(shè)置了典型井渠結(jié)合區(qū)并采用Visual MODFLOW模型對井渠結(jié)合后地下水動(dòng)態(tài)進(jìn)行了模擬預(yù)測。【切入點(diǎn)】水均衡法基于水均衡原理進(jìn)行計(jì)算，對現(xiàn)有資料要求相對較低，具有簡單易行、適用性廣泛的優(yōu)點(diǎn)，但無法計(jì)算地下水位隨時(shí)空的變化；數(shù)值模擬法具有靈活性、經(jīng)濟(jì)性且計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確，然而，目前的研究沒有考慮不同的水文地質(zhì)條件，且存在灌溉入滲及潛水蒸發(fā)參數(shù)不好確定的問題。【擬解決的關(guān)鍵問題】因此，本文針對以上問題進(jìn)行了相應(yīng)的研究，基于12 a長序列地下水位觀測數(shù)據(jù)與MODFLOW，模擬預(yù)測4種井灌區(qū)面積、11種渠井結(jié)合比，共44種情境下的地下水動(dòng)態(tài)變化，分析河套灌區(qū)不同灌域適宜的井灌區(qū)面積及渠井結(jié)合比。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

河套灌區(qū)位于中國內(nèi)蒙古自治區(qū)西部，地處黃河上中游內(nèi)蒙古段北岸的沖積平原，地理坐標(biāo)為東經(jīng)106°21′—109°29′、北緯40°14′—41°18′，灌區(qū)自西向東依次為烏蘭布和、解放閘、永濟(jì)、義長、烏拉特5個(gè)灌域，灌區(qū)總控制面積1.073×104km2，土地利用系數(shù)約0.535，是全國3個(gè)特大型灌區(qū)之一。灌區(qū)地處干旱半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，干旱少雨，蒸發(fā)強(qiáng)烈，多年平均蒸發(fā)量2 100～2 300 mm，年均降水量130～210 mm，灌溉主要引過境的黃河水，近10年年均引黃水量約為4.5×109m3。

灌區(qū)多年平均地下水埋深約為2.0 m，灌區(qū)土層主要由粉砂、細(xì)砂、亞砂土及部分亞黏土組成。根據(jù)河套灌區(qū)地質(zhì)勘探資料，本研究主要針對第一含水層組開展。第一含水層組垂向上分為3層，第1層以全新世粘性土為主，夾薄層粉細(xì)砂，含水層薄，水量少，厚度一般不超過20 m，底板埋深約20～30 m；第2層以上更新世沖積湖積半承壓水為主，含水層顆粒粗，砂層厚度大，厚度20～30 m；第3層主要為上更新統(tǒng)下組湖相承壓水，含水層顆粒細(xì)小，厚度40～100 m，底板埋深約100～250 m。

采用2006—2017年河套灌區(qū)內(nèi)223口地下水位5 d觀測井的觀測數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行率定和驗(yàn)證；利用1998—2017年10口地下水位逐日觀測井資料計(jì)算潛水蒸發(fā)系數(shù)，觀測井編號(hào)為1～10（圖1）。

圖1 河套灌區(qū)地下水礦化度分區(qū)及典型井渠結(jié)合區(qū)位置

依據(jù)區(qū)內(nèi)雨量站分布情況，烏蘭布和、解放閘、永濟(jì)、義長及烏拉特灌域分別采用磴口、杭后、臨河、五原、烏前旗站的降雨數(shù)據(jù)；共收集了研究區(qū)附近6個(gè)蒸發(fā)站的數(shù)據(jù)，蒸發(fā)采用泰森多邊形法確定的分區(qū)進(jìn)行輸入；灌區(qū)內(nèi)渠道分布密集且布置較為均勻，劃分為19個(gè)灌溉控制分區(qū)。本研究以地下水礦化度小于3.0 g/L區(qū)域?yàn)榭砷_采區(qū)域[17]，在各灌域可開采區(qū)內(nèi)選取典型井渠結(jié)合區(qū)，采用率定的模型預(yù)測不同井灌區(qū)面積和渠井結(jié)合比下地下水埋深變化，由此確定在各灌域開展井渠結(jié)合的適宜井灌區(qū)面積及渠井結(jié)合比。各灌溉控制分區(qū)、地下水礦化度分區(qū)以及各站點(diǎn)、典型井渠結(jié)合區(qū)、地下水觀測井位置如圖1所示。

1.2 研究方法

1.2.1 地下水流數(shù)學(xué)模型

據(jù)實(shí)際水文地質(zhì)條件，將研究區(qū)概化為非均質(zhì)各向異性三維非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)，數(shù)學(xué)模型為：

1.2.2 灌溉、降雨入滲補(bǔ)給

灌溉入滲補(bǔ)給量為灌溉量與綜合灌溉入滲系數(shù)之積，綜合灌溉入滲系數(shù)為渠系入滲補(bǔ)給系數(shù)和田間入滲補(bǔ)給系數(shù)合并得到的參數(shù)，具體數(shù)值由率定得到；降雨入滲量等于降雨量乘以降雨入滲系數(shù)。計(jì)算式為：

1.2.3 凍融期水量變化

凍融期地下水補(bǔ)排采用伍靖偉等[19]提出的凍融期地下水補(bǔ)排模型進(jìn)行計(jì)算，具體計(jì)算式為：

1.2.4 潛水蒸發(fā)計(jì)算

研究區(qū)屬于灌溉、降雨入滲-蒸發(fā)排泄型[20]，因此在模型率定過程中容易出現(xiàn)綜合灌溉入滲系數(shù)與潛水蒸發(fā)系數(shù)同增同減的異參同效現(xiàn)象，即地下水補(bǔ)給量與潛水蒸發(fā)量均較大時(shí)計(jì)算得到的地下水位變化與二者均較小時(shí)的結(jié)果基本一致。因此，本文通過典型蒸發(fā)情況下地下水位觀測井的水位變化情況計(jì)算確定潛水蒸發(fā)系數(shù)。潛水蒸發(fā)系數(shù)表示同時(shí)段內(nèi)潛水蒸發(fā)量與水面蒸發(fā)量的比值，可利用灌區(qū)10口地下水位日觀測井1998—2017年資料，選取蒸發(fā)強(qiáng)烈、地下水埋深長時(shí)間增加并且一般不進(jìn)行灌溉的時(shí)段進(jìn)行計(jì)算，以2014年4號(hào)觀測井5—12月地下水埋深變化為例進(jìn)行說明，選擇地下水埋深持續(xù)增大且無灌溉降雨的9月初—9月底（圖2中標(biāo)紅段）為計(jì)算時(shí)段，潛水蒸發(fā)系數(shù)計(jì)算式為：

圖2 潛水蒸發(fā)計(jì)算時(shí)段選擇

1.2.5 典型井渠結(jié)合區(qū)單位面積補(bǔ)給量

井渠結(jié)合區(qū)單位面積地下水補(bǔ)給量計(jì)算式為：

1.2.6 模型驗(yàn)證指標(biāo)

引入平均絕對誤差（）及相對均方根誤差（）作為模型誤差評判的標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算式為：

式中：為平均絕對誤差（m），反映預(yù)測值誤差的實(shí)際情況；為相對均方根誤差，用于衡量模擬值與實(shí)測值的相對偏差，無量綱；s為模擬值；o為觀測值；為樣本數(shù)。

1.3 基于MODFLOW的河套灌區(qū)地下水?dāng)?shù)值模型

1.3.1 模型的建立

根據(jù)灌區(qū)水文地質(zhì)條件，模型基于地質(zhì)資料沿垂向分為3層，每層在水平向剖分為300行×280列個(gè)單元，每個(gè)單元長1 000 m，寬500 m。根據(jù)河套灌區(qū)范圍，可得每層具有22 655個(gè)活動(dòng)單元。模型東邊界為烏梁素海，交換水量由湖面水位控制，設(shè)為水位邊界；西邊界為烏蘭布和沙漠，邊界側(cè)向流動(dòng)較弱，設(shè)為不透水邊界；灌區(qū)北部受色爾騰山、狼山和烏拉山山脈影響，有小部分側(cè)滲補(bǔ)給，但該區(qū)抽取地下水進(jìn)行灌溉，認(rèn)為山前補(bǔ)給與抽水量相等，設(shè)為不透水邊界；南邊界為黃河，設(shè)為河流邊界；垂向上部為大氣邊界，底部為不透水邊界。源匯項(xiàng)分為灌溉、降雨入滲補(bǔ)給、潛水蒸發(fā)以及凍融期水量變化，各項(xiàng)均采用前文研究方法以及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)輸入模型。模型率定期為2006—2013年，驗(yàn)證期為2014—2017年，以月為應(yīng)力期，率定期共96個(gè)應(yīng)力期，驗(yàn)證期共48個(gè)應(yīng)力期。

1.3.2 潛水蒸發(fā)系數(shù)計(jì)算結(jié)果

選擇140組計(jì)算時(shí)段計(jì)算潛水蒸發(fā)系數(shù)，所得結(jié)果應(yīng)代表全灌區(qū)平均水平，因此，對所有計(jì)算散點(diǎn)按每30 cm地下水埋深分段求平均，分段平均的地下水埋深與潛水蒸發(fā)系數(shù)之間的關(guān)系（圖3），采用指數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合，擬合2為0.9，擬合效果較好。模型采用MODFLOW中ETS包處理潛水蒸發(fā)項(xiàng)，該程序包對潛水蒸發(fā)的處理方法是將潛水蒸發(fā)系數(shù)與地下水埋深的關(guān)系概化為可變區(qū)間內(nèi)的分段線，基于擬合曲線可以得到不同地下水埋深下潛水蒸發(fā)系數(shù)，極限蒸發(fā)埋深取4 m，模型所用潛水蒸發(fā)系數(shù)見表1。

圖3 觀測井平均潛水蒸發(fā)系數(shù)擬合曲線

表1 不同地下水埋深下潛水蒸發(fā)系數(shù)

1.3.3 模型率定及驗(yàn)證

1）地下水埋深對比

圖4為率定、驗(yàn)證期灌區(qū)所有觀測井地下水埋深模擬值與實(shí)測值對比。散點(diǎn)均勻分布在45°相關(guān)線附近，說明模型沒有系統(tǒng)誤差。率定期和驗(yàn)證期各灌域、全灌區(qū)地下水埋深模擬值與實(shí)測值對比及統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如圖5所示。率定期全灌區(qū)地下水埋深的為0.164 m，為10.85%，各灌域地下水埋深的為0.175～0.294 m，為10.72%～22.58%；驗(yàn)證期全灌區(qū)地下水埋深的為0.168 m，為12.15%，各灌域地下水埋深的為0.197～0.282 m，為11.39%～23.06%?？傮w而言，率定驗(yàn)證結(jié)果較好，模擬結(jié)果與實(shí)際情況相符，模型較準(zhǔn)確地反映了灌區(qū)內(nèi)地下水位動(dòng)態(tài)變化過程。

圖4 率定、驗(yàn)證期地下水埋深模擬值與實(shí)測值對比

圖5 率定、驗(yàn)證期地下水埋深模擬值與實(shí)測值對比

2）模型參數(shù)率定結(jié)果

率定的參數(shù)主要有含水層滲透系數(shù)、給水度、貯水系數(shù)以及綜合灌溉入滲系數(shù)。根據(jù)灌區(qū)內(nèi)地質(zhì)勘探資料及鉆孔抽水試驗(yàn)資料，對存在資料的點(diǎn)進(jìn)行插值得到河套灌區(qū)全域的滲透系數(shù)、給水度及貯水系數(shù)，經(jīng)率定后結(jié)果見表2，烏蘭布和、解放閘灌域給水度和貯水系數(shù)較高，各灌域滲透系數(shù)均值差別不大。綜合灌溉入滲系數(shù)由率定得到（表3）。全區(qū)綜合灌溉入滲系數(shù)生育期平均為0.242，秋澆期平均為0.320，全年平均為0.264。

表2 含水層水文地質(zhì)參數(shù)

3）水均衡分析

率定、驗(yàn)證期水均衡分析結(jié)果如表4所示。潛水蒸發(fā)是灌區(qū)內(nèi)主要的地下水排泄途徑，平均每年消耗水量約11.92億m3；灌溉、降雨入滲補(bǔ)給是最大的地下水補(bǔ)給來源，平均每年補(bǔ)給地下水約12.73億m3；黃河側(cè)滲平均每年補(bǔ)給地下水0.76億m3左右；烏梁素海與灌區(qū)的水量交換較小，可忽略不計(jì)；平均每年排水溝排水1.70億m3，與實(shí)際數(shù)值接近。率定期模擬誤差為0.48%，驗(yàn)證期模擬誤差為-1.30%，較率定期大，模型整體水量平衡。

表3 各灌溉控制分區(qū)綜合灌溉入滲系數(shù)

表4 率定、驗(yàn)證期水均衡分析

1.4 井渠結(jié)合開采模式情景設(shè)置

為研究各灌域適宜井灌區(qū)面積及渠井結(jié)合比，分別在烏蘭布和、解放閘、永濟(jì)、義長灌域可開采區(qū)域內(nèi)選取典型井渠結(jié)合區(qū)進(jìn)行地下水動(dòng)態(tài)計(jì)算，各典型井渠結(jié)合區(qū)位置見圖1。由于烏拉特灌域滿足地下水開采水質(zhì)要求的區(qū)域地下水埋深較大，因此本研究不在烏拉特灌域選取典型井渠結(jié)合區(qū)。

將井灌區(qū)設(shè)置在模擬區(qū)域正中間，可通過改變井渠結(jié)合井灌區(qū)周圍的井渠結(jié)合渠灌區(qū)的面積設(shè)置不同的渠井結(jié)合比。本研究共考慮了1.8、2.0、2.2、2.5、2.7、3.0、3.3、3.5、3.8、4.0、4.2總計(jì)11種渠井結(jié)合比；井灌區(qū)面積設(shè)置了4 km2（2 000×2 000 m）、6.25 km2（2 500×2 500 m）、9 km2（3 000×3 000 m）、12.25 km2（3 500×3 500 m）共4種情景。模擬時(shí)以單個(gè)典型結(jié)合區(qū)為模擬范圍，以2013年1月1日為初始時(shí)刻，模擬期為10 a；2013年降雨蒸發(fā)接近多年平均水平，模擬期內(nèi)降雨、蒸發(fā)均采用2013年數(shù)據(jù)；考慮河套灌區(qū)未來引黃水量減少政策及水權(quán)轉(zhuǎn)換規(guī)劃，全灌區(qū)引黃灌溉水量按比例減小至38.8億m3；井灌區(qū)僅生育期抽水，凈灌溉定額根據(jù)灌溉資料推求，取2 940 m3/hm2。

地下水開采后地下水位將不可避免地下降，并影響灌區(qū)生態(tài)環(huán)境，因此對井渠結(jié)合后地下水位的控制是重要的決策標(biāo)準(zhǔn)。在河套灌區(qū)曙光實(shí)驗(yàn)站觀測結(jié)果表明，若地下水埋深低于3 m，部分植物或植被生長受限[22]；研究表明，河套灌區(qū)地下水埋深不宜超過3 m[23-26]。綜上，選定井渠結(jié)合井灌區(qū)地下水平均埋深不超過3 m作為確定適宜井灌區(qū)面積和渠井結(jié)合比的標(biāo)準(zhǔn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 各井渠結(jié)合模式下井灌區(qū)地下水平均埋深分析

不同井灌區(qū)面積下渠井結(jié)合比與井灌區(qū)地下水平均埋深之間的關(guān)系如圖6所示。由圖6（a）、圖6（b）可知，在烏蘭布和、解放閘灌域典型井渠結(jié)合區(qū)，渠井結(jié)合比不小于2.5時(shí)，4種井灌區(qū)面積下井灌區(qū)地下水平均埋深均在3 m內(nèi)；渠井結(jié)合比小于2.5，井灌區(qū)面積為12.25 km2時(shí)，井灌區(qū)地下水平均埋深超過3 m。由圖6（c）可知，在永濟(jì)灌域典型井渠結(jié)合區(qū)，井灌區(qū)面積為12.25 km2時(shí)，不同渠井結(jié)合比下井灌區(qū)地下水平均埋深均超過3 m；井灌區(qū)面積為9 km2，渠井結(jié)合比不小于3.0時(shí)，井灌區(qū)地下水平均埋深不超過3 m；井灌區(qū)面積為6.25 km2，渠井結(jié)合比不小于2.7時(shí)，井灌區(qū)地下水平均埋深小于3 m；井灌區(qū)面積為4 km2時(shí)，11種渠井結(jié)合比下井灌區(qū)地下水平均埋深均在3 m內(nèi)。由圖6（d）可知，在義長灌域典型井渠結(jié)合區(qū)，井灌區(qū)面積為12.25 km2和9 km2時(shí)，不同渠井結(jié)合比下井灌區(qū)地下水平均埋深均大于3 m；井灌區(qū)面積為6.25 km2，渠井結(jié)合比不小于3.3時(shí)，井灌區(qū)地下水平均埋深在3 m內(nèi)；井灌區(qū)面積為4 km2，渠井結(jié)合比不小于2.7時(shí)，井灌區(qū)地下水平均埋深小于3 m。對比圖6可知，相同井灌區(qū)面積和渠井結(jié)合比條件下，解放閘、烏蘭布和灌域井渠結(jié)合井灌區(qū)平均地下水埋深最淺，永濟(jì)灌域次之，義長灌域最大。其原因是烏蘭布和、解放閘灌域含水層給水度最大，永濟(jì)灌域次之，義長灌域最小，同等條件下含水層給水度越大，則開采后水位降深越小，地下水埋深也就越小。

從圖6還可看出，當(dāng)井灌區(qū)面積一定時(shí)，井灌區(qū)地下水平均埋深隨渠井結(jié)合比的增大而減小，但減幅隨渠井結(jié)合比增大有變緩趨勢。這是因?yàn)榫鄥^(qū)開采的影響范圍有限，距離越遠(yuǎn)則影響越小，所以當(dāng)渠井結(jié)合比較小時(shí)，隨渠井結(jié)合比增大，地下水埋深顯著減小，而當(dāng)增大到某一值后，井灌區(qū)能夠接受來自周圍渠灌區(qū)足夠的地下水補(bǔ)給，繼續(xù)增加渠灌區(qū)面積時(shí)，由于距離井灌區(qū)較遠(yuǎn)，渠灌區(qū)對其補(bǔ)給能力有限，最終當(dāng)渠井結(jié)合比足夠大時(shí)，井灌區(qū)地下水平均埋深將不再減小。

綜上，基于井灌區(qū)地下水平均埋深不超過3 m的標(biāo)準(zhǔn)，可確定各灌域適宜井渠結(jié)合模式：烏蘭布和、解放閘灌域以井渠結(jié)合井灌區(qū)面積不超過12.25 km2，渠井結(jié)合比不小于2.5為宜；永濟(jì)灌區(qū)以井渠結(jié)合井灌區(qū)面積不超過9 km2，渠井結(jié)合比不小于3.0為宜；義長灌域以井渠結(jié)合井灌區(qū)面積不超過6.25 km2，渠井結(jié)合比不小于3.3為宜。

圖6 不同渠井結(jié)合比下井灌區(qū)地下水平均埋深變化

不同渠井結(jié)合比下井灌區(qū)面積與井灌區(qū)地下水平均埋深的關(guān)系如圖7所示。從圖7（d）可發(fā)現(xiàn)，同一渠井結(jié)合比下，井灌區(qū)地下水平均埋深隨井灌區(qū)面積增大而增大，且增幅隨井灌區(qū)面積的增大而減小。其原因是：渠井結(jié)合比一定時(shí)，井灌區(qū)面積越大，接受周邊渠灌區(qū)側(cè)向補(bǔ)給越困難，因此井灌區(qū)地下水埋深越大，即井灌區(qū)面積對井灌區(qū)地下水埋深的影響是由井灌區(qū)接受渠灌區(qū)側(cè)滲補(bǔ)給難易程度不同造成的，但這種影響會(huì)隨井灌區(qū)面積的持續(xù)增大而逐漸減小，因此井灌區(qū)地下水平均埋深隨井灌區(qū)面積變化的斜率變小。從圖7（a）、圖7（b）、圖7（c）可發(fā)現(xiàn)，總體上井灌區(qū)面積與井灌區(qū)平均地下水埋深近似為線性正相關(guān)關(guān)系，未有明顯斜率減小的現(xiàn)象，分析其原因認(rèn)為是井灌區(qū)面積增大到某一值后，井灌區(qū)地下水平均埋深增幅才會(huì)減小，而該值受水文地質(zhì)條件、降雨、蒸發(fā)等多種因素影響，所以應(yīng)是模擬設(shè)置的井灌區(qū)面積還未達(dá)到該值所致。

2.2 井渠結(jié)合區(qū)地下水埋深空間分布

圖8為各灌域典型井渠結(jié)合區(qū)的井灌區(qū)面積為9 km2，渠井結(jié)合比為3時(shí)的地下水埋深空間分布圖。在烏蘭布和灌域典型井渠結(jié)合區(qū)，最大地下水埋深約為2.82 m，最小地下水埋深約為2.02 m；在解放閘灌域典型井渠結(jié)合區(qū)，最大地下水埋深約為2.80 m，最小地下水埋深約為2.24 m；在永濟(jì)灌域典型井渠結(jié)合區(qū)，最大地下水埋深約為3.04 m，最小地下水埋深約為2.48 m；在義長灌域典型井渠結(jié)合區(qū)，最大地下水埋深約為3.24 m，最小地下水埋深約為2.52 m。由圖8可知，烏蘭布和灌域典型井渠結(jié)合區(qū)的地下水等埋深線最密集，義長灌域次之，永濟(jì)和解放閘灌域最稀疏，等埋深線越密集，說明井灌區(qū)與渠灌區(qū)的地下水埋深差值越大。分析其原因認(rèn)為是：井灌區(qū)接受渠灌區(qū)側(cè)滲補(bǔ)給的難易程度受含水層滲透系數(shù)的直接影響，滲透系數(shù)越大，側(cè)滲補(bǔ)給能力越強(qiáng)，則地下水等埋深線越稀疏，反之則側(cè)滲補(bǔ)給能力越弱，地下水等埋深線越密集；而在可開采區(qū)內(nèi)，永濟(jì)灌域含水層滲透系數(shù)最大，烏蘭布和灌域最小，所以，永濟(jì)灌域典型井渠結(jié)合區(qū)地下水等埋深線最稀疏，烏蘭布和灌域最為密集。另外，可看出各灌域典型井渠結(jié)合區(qū)地下水平均埋深大小關(guān)系為：烏蘭布和<解放閘<永濟(jì)<義長，與2.1節(jié)中同一渠井結(jié)合比和井灌區(qū)面積下各灌域典型井渠結(jié)合區(qū)的井灌區(qū)地下水平均埋深大小關(guān)系一致，也是受各灌域含水層給水度大小關(guān)系影響的結(jié)果。

圖7 不同井灌區(qū)面積下井灌區(qū)地下水平均埋深變化

Fig.7 Variation of average groundwater depth in well irrigation area under different well irrigation areas

圖8 典型井渠結(jié)合區(qū)地下水埋深空間分布

3 討論

本文采用MODFLOW地下水流數(shù)值模型對井渠結(jié)合后地下水埋深進(jìn)行模擬預(yù)測，對河套灌區(qū)不同灌域適宜的井渠結(jié)合開采模式進(jìn)行了研究與分析，也有大量研究證明了該方法的合理性[27-29]。模擬結(jié)果表明，各灌域適宜的渠井結(jié)合比大約在3.0左右，與王璐瑤等[14]、李郝等[15]采用水均衡法計(jì)算所得河套灌區(qū)適宜渠井結(jié)合比接近，說明了結(jié)果的合理性，也進(jìn)一步驗(yàn)證了河套灌區(qū)適宜的渠井結(jié)合比范圍在3.0左右。但將不同灌域典型井渠結(jié)合區(qū)的模擬結(jié)果對比可發(fā)現(xiàn)，同一井渠結(jié)合開采模式下，不同灌域井灌區(qū)地下水平均埋深及井渠結(jié)合區(qū)地下水埋深空間分布均有差異，這主要是因?yàn)楦鞴嘤蚝畬铀牡刭|(zhì)條件有所不同。給水度越大，含水層給水能力越強(qiáng)，則開采后井渠結(jié)合區(qū)地下水埋深也就越??；滲透系數(shù)越大，含水層側(cè)向補(bǔ)徑排能力越強(qiáng)，則開采后井渠結(jié)合區(qū)地下水等埋深線越稀疏，即井灌區(qū)與渠灌區(qū)地下水埋深差值越小。因此，為控制地下水埋深在適宜范圍，各灌域適宜的渠井結(jié)合比和井灌區(qū)面積有所不同。

研究表明，河套灌區(qū)地下水埋深不宜超過3 m[22-26]，因此，本研究以井灌區(qū)地下水平均埋深不超過3 m為標(biāo)準(zhǔn)，對適宜井渠結(jié)合開采模式進(jìn)行了優(yōu)選，結(jié)果表明，烏蘭布和、解放閘灌域水文地質(zhì)條件相對較好，適宜的井灌區(qū)面積較大，渠井結(jié)合比較?。涣x長灌域水文地質(zhì)條件較差，適宜的井灌區(qū)面積較小，渠井結(jié)合比較大；永濟(jì)灌域適宜的井灌區(qū)面積和渠井結(jié)合比介于二者之間。本研究將為引黃灌區(qū)地表水、地下水聯(lián)合利用模式提供理論與技術(shù)支撐。

4 結(jié)論

1）利用地下水位逐日觀測井資料及各灌域月引水灌溉量等數(shù)據(jù)計(jì)算了潛水蒸發(fā)系數(shù)，建立了河套灌區(qū)三維地下水?dāng)?shù)值模型，經(jīng)率定和驗(yàn)證表明，模型構(gòu)建較為準(zhǔn)確，能充分反映灌區(qū)內(nèi)實(shí)際的地下水變化特征；

2）在各灌域分別選取典型井渠結(jié)合區(qū)，對不同井灌區(qū)面積和渠井結(jié)合比下地下水埋深進(jìn)行了模擬預(yù)測，以井灌區(qū)地下水平均埋深不超過3 m為標(biāo)準(zhǔn)，最終確定烏蘭布和、解放閘、永濟(jì)、義長灌域井渠結(jié)合井灌區(qū)面積分別不宜超過12.25、12.25、9、6.25 km2，渠井結(jié)合比分別不宜小于2.5、2.5、3.0、3.3。

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Optimizing Conjunctive Use of Groundwater and Cannel Water in Hetao Irrigation District Aided by MODFLOW

YANG Wei, MAO Wei, YANG Yang, ZHU Yan*, YANG Jinzhong

(State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan 430072, China)

【】Hetao Irrigation District relies on Yellow River water for irrigation, but excessive use of the river water had resulted in soil salinity. Jointly using groundwater and river water has been postulated as a feasible mitigation technology, and the purpose of this paper is to present the results of a study on how to achieve optimal use of groundwater and surface water.【】A three-dimensional groundwater model for the region was calibrated and verified using MODFLOW based on measured groundwater depths and other datasets. We then applied the model to four typical well-canal combination areas in four sub-districts: Wulanbuhe, Jiefangzha, Yongji and Yichang. 44 scenarios with four different well-irrigation areas and 11 kinds of canal-well combination ratios were considered. For each scenario, we predicted how the groundwater depth changed with the well-canal combination ratio and well-irrigation area.【】①The three-dimensional groundwater model correctly captured physical properties of the aquifers and soils and reproduced the observed change in groundwater depth at different scenarios. ②When the ratio of well-irrigated to canal- irrigated areas was the same, the average groundwater depth in Jiefangzha and Wulanbuhe was the shallowest followed by Yongji, with that in Yichang the deepest. Isograms of groundwater depth in areas with well-canal irrigation in Wulanbuhe was the densest, followed by Yichang, with Yongji and Jiefangzha the sparsest. ③When the well-irrigated area was constant, the average groundwater depth decreased asymptotically as the canal-well combination ratio increased. 【】The suitable canal-well combination ratio and well-irrigation area for controlling groundwater depth not exceeding 3 m varied with the sub-districts due to their difference in hydrogeological conditions. The well-irrigation areas in Wulanbuhe, Jiefangzha, Yongji and Yichang should not exceed 12.25 km2, 12.25 km2, 9 km2and 6.25 km2respectively, with their associated ratio of canal-irrigated area to well- irrigation area not exceeding 2.5, 2.5, 3.0 and 3.3 respectively.

Hetao Irrigation District; well-canal combined irrigation; canal-well combination ratio; MODFLOW

楊威, 毛威, 楊洋, 等. 基于MODFLOW的河套灌區(qū)井渠結(jié)合開采模式研究[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2021, 40(12): 93-101.

YANG Wei, MAO Wei, YANG Yang, et al. Optimizing Conjunctive Use of Groundwater and Cannel Water in Hetao Irrigation District Aided by MODFLOW[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(12): 93-101.

S273.4

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021180

1672 - 3317（2021）12 - 0093 - 09

2021-05-03

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題（2016YFC0501304）；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51779178）

楊威，男。碩士，主要從事土壤水地下水資源與環(huán)境方面的研究。E-mail: 860401769@qq.com

朱焱，女，安徽望江人。博士，主要從事飽和-非飽和水流運(yùn)動(dòng)與溶質(zhì)運(yùn)移方面的研究。E-mail: zyan0701@163.com

責(zé)任編輯：白芳芳