Visual Modflow在和田縣農(nóng)業(yè)經(jīng)濟新區(qū)地下水資源評價中的應(yīng)用

杭 輝，蘇前龍

（新疆水利水電勘測設(shè)計研究院有限責任公司,新疆 烏魯木齊 830000）

1 概況

和田縣行政區(qū)劃隸屬于新疆維吾爾自治區(qū)和田縣,縣域北部為塔克拉瑪干沙漠、南臨喀喇昆侖山,總地勢南高北低；縣域西部高山連綿,山勢陡峭,占全縣總面積的95%；北部地勢平坦,位于玉龍喀什河與喀拉喀什河的沖積平原地帶,占總面積的1.3%；沙漠占總面積的3.7%。和田縣屬典型的溫帶荒漠型氣候,主要特點：降水稀少,多年平均降水量為33.5 mm；氣候干燥,年平均氣溫11.5℃；蒸發(fā)強烈,多年平均蒸發(fā)量2602.1 mm。

評價區(qū)南鄰G315國道,北至北防護林,包括喀拉喀什河東側(cè)和玉龍喀什河西側(cè),東西寬約5 km～9 km,南北長約40 km,面積約300 km2。新區(qū)內(nèi)部無地表水過境水量,左側(cè)的喀拉喀什河上游渠首多年平均徑流量21.95億m3,下游吐直魯克水文站多年平均徑流量3.47億m3；玉龍喀什河渠首多年平均徑流量23.88億m3,下游艾格利亞水文站多年平均徑流量13.67億m3。

2 農(nóng)業(yè)經(jīng)濟新區(qū)水文地質(zhì)概況及概念模型的建立

（1）地質(zhì)概況

評價區(qū)位于塔里木盆地西南部,和田河沖積平原中下游玉龍喀什河與喀拉喀什河兩河河間地帶,區(qū)內(nèi)主要包括沖積平原和風成沙漠兩個地貌單元,地形平坦,地勢總體走向由南西向北東傾斜,地形坡降平均1.5‰,海拔高程1250 m～1265 m,兩河流經(jīng)的沖積平原區(qū)呈條帶狀綠洲向北東伸入沙漠腹地。評價區(qū)在構(gòu)造上位于和田坳陷向北部的塔里木地臺隆起過渡帶,受喜馬拉雅運動影響,昆侖山北緣山前褶皺帶被大幅抬升,山前坳陷帶相對大幅度沉降,在河流及冰川運動的共同作用下,在坳陷帶內(nèi)逐漸沉積了大厚度的第四紀堆積物,形成了寬廣的沖洪積平原,為地下水的儲存、運移創(chuàng)造了有利的地質(zhì)條件。本區(qū)新構(gòu)造運動活動十分頻繁,表現(xiàn)為區(qū)域上升、下降的不均勻性,玉河因受東部阿其克背斜繼承性上升運動影響,河道由東向西擺動；喀河受西側(cè)皮牙曼背斜繼承性上升運動影響,河道由西向東擺動。

（2）含水介質(zhì)特征及含水層埋藏條件

評價區(qū)由南向北隨著地形坡度變緩,地層沉積顆粒變細,地下水水力坡度逐漸變小,水位埋深變淺一般在2 m～8 m間,含水層類型為單一的第四紀孔隙潛水,其巖性以粗砂、中砂、細砂和粉細砂為主,含水層富水性較強,單位涌水量在1.96 L/（s·m）～14.25 L/（s·m）之間。東部沿玉河西岸一帶,地下水位埋深一般在3 m～5 m間,水化學類型常以Cl·SO4-Ca·Na和Cl·HCO3-Na·Ca型水為主,礦化度在1 g/L～2 g/L之間,水質(zhì)普遍較差；西部沿喀河東岸一帶,地勢較玉河略高,地下水埋深在3 m左右,水化學類型以Cl·HCO3-Na·Ca型水為主,地下水礦化度多小于1 g/L,水質(zhì)較好。

區(qū)內(nèi)地下水補給方式主要依靠上游含水層的潛流側(cè)滲和河水、洪水、農(nóng)業(yè)灌溉引水渠系及農(nóng)田灌溉水的入滲,由于地層巖性顆粒較細,地下徑流遲緩,而地下水的排泄方式則以向下游徑流、人工開采、泉水出露、植物蒸騰、以及地下水的蒸發(fā)蒸騰為主。

（3）水文地質(zhì)概念模型

將評價區(qū)含水巖組特征、儲水構(gòu)造特征、水力特性、補、徑、排條件及邊界條件概化,通過建立模型來解決復(fù)雜多變的地下水運動情況[1]。概念模型含水層底板由鉆孔資料和水文地質(zhì)剖面圖確定,選取底板高程為1100 m,平均含水層埋深200 m。

（4）邊界條件概化

南部邊界有豐富的孔隙潛水流入模擬區(qū),概化為第二類邊界條件,北部邊界為地下水排泄邊界,概化為第二類邊界條件,南、北邊界單位長度補給量、排泄量根據(jù)水資源評價的均衡分析結(jié)果給出；東、西部邊界分別為玉龍喀什河、喀拉喀什河,河流在此段常年有水,河道1.0 km～1.5 km,河流流量年內(nèi)變化較大,兩河邊界均按變水頭邊界處理；整個評價區(qū)面積約310 km2。

（5）水流特征

評價區(qū)內(nèi)含水層參數(shù)隨空間變化,基本為均質(zhì)性,隨方向沒有明顯的變化,呈現(xiàn)出各項同性；地下水各運動要素隨時間改變而不同,故地下水流為非穩(wěn)定流。評價區(qū)地形落差不大,水力坡度較為平緩,地下水流運動總體表現(xiàn)為非理想化的水平運動,綜合滲流速度在垂向上的分量,最終將評價區(qū)地下水流概化為三維流。綜上,將評價區(qū)地下水流概化成均質(zhì)各向同性非穩(wěn)定三維地下水流系統(tǒng)。

（6）源匯項

評價區(qū)內(nèi)潛水主要補給源為河道滲漏、渠系滲漏,排泄項主要為潛水蒸發(fā)、地下水開采。

根據(jù)評價區(qū)水井鉆探資料和抽水試驗成果資料,以120 m深度計算河道側(cè)向滲漏補給量,補給通量為462.32×104m3/a；兩條河道在評價區(qū)內(nèi)長約30 km,根據(jù)多年水文站觀測資料,水位變幅小于1.2 m,流量年內(nèi)不均,6月～9月流量大,其余月份較小,在冬季會出現(xiàn)斷流,本次評價采用變水頭邊界；渠系滲漏根據(jù)渠道多年平均引水量來計算,因渠系水位觀測資料較少,故將多年平均入滲量1798.89×104m3/a作為通量補給。

側(cè)向排泄按側(cè)向補給的方式進行處理,概化為通量排泄,排泄量為586.53×104m3/a；潛水蒸發(fā)主要集中在河道兩側(cè)綠洲區(qū),沙漠區(qū)蒸發(fā)量受地下水埋深控制,不同地下水位埋深乘以相應(yīng)折算系數(shù),按面狀排泄處理,通量為3379.04×104m3/a；地下水開采主要集中在每年6月～10月,開采井分布較散（共226眼）,現(xiàn)狀開采總量為4883.18×104m3/a,根據(jù)機電井工作時段,將開采量按每年5月、6月～8月、9月、10月、10月～次年4月進行分時段處理。評價區(qū)水文地質(zhì)概念模型見圖1、圖2。

圖1 評價區(qū)水文地質(zhì)概念模型立體圖

3 地下水流數(shù)學模型及求解

根據(jù)水文地質(zhì)概念模型,采用Visual Modflow軟件建立初步的數(shù)值模型,通過參數(shù)識別與模型檢驗后,對評價區(qū)地下水流系統(tǒng)進行模擬分析與預(yù)測。

（1）潛水含水層數(shù)學模型

水文地質(zhì)概念模型將評價區(qū)地下水流系統(tǒng)概化成均質(zhì)各向同性、三維非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)[2],潛水數(shù)學模型表示如下：

式中：Ω為模擬區(qū)范圍；k為潛水含水層滲透系數(shù),m/d；h為地下水位（或稱水頭）,m；h0為初始地下水位 ,m；S1為第一類邊界；S2為第二類邊界；q為第二類邊界單位面積流量,m3/d；n為第二類邊界的外法線方向；μ為潛水含水層給水度；w（x,y,z,t）為垂直方向上地下水的抽出和入滲補給,m3/d。

（2）模型軟件的選取

本次選取Visual Modflow作為地下水建模軟件,軟件結(jié)構(gòu)簡潔、便捷高效,是目前國際上運用較廣、功能十分全面的三維地下水流[3]。Visual Modflow主要由MODFLOW、MT3DMS4、MODPAT 和Zone Budge功能模塊組成。①MODFLOW模塊：主要用于模擬研究地下水流的運動狀態(tài)；②MT3DMS：為模塊化三維傳輸模型,用于模擬地下水系統(tǒng)中溶解成分的平流,擴散和化學反應(yīng)的計算機模型；③MODPATH模塊：用來模擬模型中給定指點的運動軌跡,尤其在觀察污染物的運移范圍時是一個非常有效的工具,需要與MODFLOW、MT3DMS聯(lián)合運行。④Zone Budget主要用于計算確定區(qū)域范圍的總水量及其與周邊區(qū)域的水量交換情況[4]。本次對評價區(qū)地下水流系統(tǒng)運動規(guī)律模擬分析預(yù)測主要使用MODFLOW和Zone Budget這兩個模塊。

（3）模型網(wǎng)格剖分

垂向上將評價區(qū)概化為均質(zhì)含水層,平均厚度120 m,按40 m進行分層,共3層。為了更精細刻畫流場運移過程,平面上將評價區(qū)按照400 m×400 m剖分成網(wǎng)格,共11664個網(wǎng)格。

（4）模型參數(shù)分區(qū)及初值確定

評價區(qū)內(nèi)巖性以粗砂、中砂、細砂和粉細砂為主,北部和南部靠近喀河一帶滲透系數(shù)6.73 m/d～12.70 m/d,沙漠區(qū)滲透系數(shù)8.18 m/d～9.33 m/d,玉河河谷帶滲透系數(shù)8.71 m/d～10.1 m/d。區(qū)內(nèi)含水層滲透系數(shù)空間分異不明顯,因此將評價區(qū)劃分為3個參數(shù)區(qū),各區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)初值結(jié)合水文地質(zhì)資料、抽水試驗等成果資料確定,喀河一帶、沙漠區(qū)、玉河一帶滲透系數(shù)初值分別取8.87 m/d、9.5 m/d、9.4 m/d,給水度初值分別取0.08、0.10、0.09,滲透系數(shù)、給水度分區(qū)圖見圖3。

圖3 滲透系數(shù)、給水度分區(qū)圖

4 數(shù)學模型的識別與驗證

為保證所建立的數(shù)學模型在最大程度上反映評價區(qū)地下水流場實際情況,在正式模擬預(yù)報之前,需要對已建數(shù)學模型進行識別和驗證[5]。

根據(jù)評價區(qū)內(nèi)地下水位觀測資料,選取2015年6月地下水位初始流場作為模型初始條件,2016年6月地下水位作為模型的驗證條件。區(qū)內(nèi)抽水孔分布密集,為便于建立模型將500 m范圍內(nèi)的抽水井整合為一個。通過觀測孔水位和模擬水位對比分析,各觀測孔水位擬合誤差均小于1m,經(jīng)過多次參數(shù)調(diào)整,最終確定了含水層參數(shù)：喀河一帶、沙漠區(qū)、玉河一帶滲透系數(shù)取9.7 m/d、10.2 m/d、9.8 m/d,給水度取0.09、0.10、0.09。

5 基于數(shù)值模擬的地下水資源分析預(yù)測

模擬區(qū)2015年地下水總補給量為9651.0×104m3/a,地下水總排泄量為8849.0×104m3/a ,其中河流補給量為6773.0×104m3/a,占補給量的70.2%,機民井開采量為4883.18×104m3/a,占排泄量的55.2%。參考已審批的地下水2015年、2020年、2030年用水指標,采取2015年6月作為初始流場,利用建立的地下水數(shù)值模型,按照4883.18萬m3/a、6000萬m3/a、8000萬m3/a作為不同強度的開采方案,對評價區(qū)連續(xù)開采5年、15年后的地下水降深場進行了模擬計算[6]。

（1）情景一：現(xiàn)狀開采量4883.18萬m3/a

通過Modflow軟件對驗證好的地下水流數(shù)值模型進行模擬預(yù)測,見圖4～圖5。選取5年、15年（即2020年、2030年）作為預(yù)測時段,在開采量為4883.18萬m3/a時,區(qū)域地下水位基本處于平衡狀態(tài),開采15年后地下水位下降約3 m。

圖4 5年預(yù)測期地下水位將降深圖

圖5 15年預(yù)測期地下水位將降深圖

（2）情景二：開采量6000萬m3/a

開采點為農(nóng)業(yè)灌溉機井,分散式開采,開采設(shè)計強度6000萬m3/a,集中在每年6月～8月進行灌溉開采。選取5年、15年（即2020年、2030年）作為預(yù)測時段,開采5年后區(qū)域地下水位下降約4 m～5 m,且基本處于平衡狀態(tài)略有下降趨勢,見圖6,開采15年后地下水位下降約6 m～8 m,見圖7。

圖6 5年預(yù)測期地下水位將降深圖

圖7 15預(yù)測期地下水位將降深圖

（3）情景三：開采量8000萬m3/a

開采點為農(nóng)業(yè)灌溉機井,分散式開采,開采設(shè)計強度8000萬m3/a,集中在每年6月～8月進行灌溉開采。選取5年、15年（即2020年、2030年）作為預(yù)測時段,開采5年后區(qū)域地下水位下降約4 m～6 m,且尚未處于平衡狀態(tài)還有下降趨勢,見圖8,開采15年后地下水位下降約8 m～10 m,見圖9。

圖8 5年預(yù)測期地下水位將降深圖

圖9 15年預(yù)測期地下水位將降深圖

6 總結(jié)

本文在和田縣農(nóng)業(yè)經(jīng)濟新區(qū)水文地質(zhì)勘察工作詳實成果基礎(chǔ)上,通過Visual Modflow建立的地下水流數(shù)值模型,對120 m 以內(nèi)的地下水流系統(tǒng)進行模擬分析與預(yù)測,預(yù)測了不同設(shè)計開采強度下的5年、15年的水位降深,對經(jīng)濟新區(qū)地下水資源開采具有指導性意義。為確保地下水資源合理、高效的開采利用,提出以下建議：

1）對地下水降落漏斗分布的影響,對造成現(xiàn)狀地下水降落漏斗嚴重的區(qū)域要控制抽水量和抽水時間,抽水井盡量沿河分散均勻布置。

2）河流是區(qū)域地下水主要補給來源,井開采總量不宜過大的超過河流補給量,避免對河道沿線的生態(tài)功能產(chǎn)生不利影響。

3）結(jié)合本次模型預(yù)測不同開采強度下的水位降深,合理確定經(jīng)濟新區(qū)地下水開采量,避免盲目開采地下水而引發(fā)水土環(huán)境惡化。

4）以水定地,嚴格控制灌溉面積；經(jīng)濟新區(qū)氣候干燥且蒸發(fā)強烈,應(yīng)大力推行、發(fā)展高效節(jié)水灌溉措施。