Visual Modflow在和田縣農業經濟新區地下水資源評價中的應用

杭 輝，蘇前龍

（新疆水利水電勘測設計研究院有限責任公司,新疆 烏魯木齊 830000）

1 概況

和田縣行政區劃隸屬于新疆維吾爾自治區和田縣,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℃；蒸發強烈,多年平均蒸發量2602.1 mm。

評價區南鄰G315國道,北至北防護林,包括喀拉喀什河東側和玉龍喀什河西側,東西寬約5 km～9 km,南北長約40 km,面積約300 km2。新區內部無地表水過境水量,左側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 農業經濟新區水文地質概況及概念模型的建立

（1）地質概況

評價區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,區內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,兩河流經的沖積平原區呈條帶狀綠洲向北東伸入沙漠腹地。評價區在構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、運移創造了有利的地質條件。本區新構造運動活動十分頻繁,表現為區域上升、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）含水介質特征及含水層埋藏條件

評價區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,水質較好。

區內地下水補給方式主要依靠上游含水層的潛流側滲和河水、洪水、農業灌溉引水渠系及農田灌溉水的入滲,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、以及地下水的蒸發蒸騰為主。

（3）水文地質概念模型

將評價區含水巖組特征、儲水構造特征、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,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、排泄量根據水資源評價的均衡分析結果給出；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,河流流量年內變化較大,兩河邊界均按變水頭邊界處理；整個評價區面積約310 km2。

（5）水流特征

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

（6）源匯項

評價區內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、地下水開采。

根據評價區水井鉆探資料和抽水試驗成果資料,以120 m深度計算河道側向滲漏補給量,補給通量為462.32×104m3/a；兩條河道在評價區內長約30 km,根據多年水文站觀測資料,水位變幅小于1.2 m,流量年內不均,6月～9月流量大,其余月份較小,在冬季會出現斷流,本次評價采用變水頭邊界；渠系滲漏根據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。

側向排泄按側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；潛水蒸發主要集中在河道兩側綠洲區,沙漠區蒸發量受地下水埋深控制,不同地下水位埋深乘以相應折算系數,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）,現狀開采總量為4883.18×104m3/a,根據機電井工作時段,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。評價區水文地質概念模型見圖1、圖2。

圖1 評價區水文地質概念模型立體圖

3 地下水流數學模型及求解

根據水文地質概念模型,采用Visual Modflow軟件建立初步的數值模型,通過參數識別與模型檢驗后,對評價區地下水流系統進行模擬分析與預測。

（1）潛水含水層數學模型

水文地質概念模型將評價區地下水流系統概化成均質各向同性、三維非穩定地下水流系統[2],潛水數學模型表示如下：

式中：Ω為模擬區范圍；k為潛水含水層滲透系數,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,軟件結構簡潔、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；②MT3DMS：為模塊化三維傳輸模型,用于模擬地下水系統中溶解成分的平流,擴散和化學反應的計算機模型；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聯合運行。④Zone Budget主要用于計算確定區域范圍的總水量及其與周邊區域的水量交換情況[4]。本次對評價區地下水流系統運動規律模擬分析預測主要使用MODFLOW和Zone Budget這兩個模塊。

（3）模型網格剖分

垂向上將評價區概化為均質含水層,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,平面上將評價區按照400 m×400 m剖分成網格,共11664個網格。

（4）模型參數分區及初值確定

評價區內巖性以粗砂、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6.73 m/d～12.70 m/d,沙漠區滲透系數8.18 m/d～9.33 m/d,玉河河谷帶滲透系數8.71 m/d～10.1 m/d。區內含水層滲透系數空間分異不明顯,因此將評價區劃分為3個參數區,各區水文地質參數初值結合水文地質資料、抽水試驗等成果資料確定,喀河一帶、沙漠區、玉河一帶滲透系數初值分別取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、給水度分區圖見圖3。

圖3 滲透系數、給水度分區圖

4 數學模型的識別與驗證

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

根據評價區內地下水位觀測資料,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。區內抽水孔分布密集,為便于建立模型將500 m范圍內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,經過多次參數調整,最終確定了含水層參數：喀河一帶、沙漠區、玉河一帶滲透系數取9.7 m/d、10.2 m/d、9.8 m/d,給水度取0.09、0.10、0.09。

5 基于數值模擬的地下水資源分析預測

模擬區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,對評價區連續開采5年、15年后的地下水降深場進行了模擬計算[6]。

（1）情景一：現狀開采量4883.18萬m3/a

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

圖4 5年預測期地下水位將降深圖

圖5 15年預測期地下水位將降深圖

（2）情景二：開采量6000萬m3/a

開采點為農業灌溉機井,分散式開采,開采設計強度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）作為預測時段,開采5年后區域地下水位下降約4 m～5 m,且基本處于平衡狀態略有下降趨勢,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年預測期地下水位將降深圖

圖7 15預測期地下水位將降深圖

（3）情景三：開采量8000萬m3/a

開采點為農業灌溉機井,分散式開采,開采設計強度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）作為預測時段,開采5年后區域地下水位下降約4 m～6 m,且尚未處于平衡狀態還有下降趨勢,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年預測期地下水位將降深圖

圖9 15年預測期地下水位將降深圖

6 總結

本文在和田縣農業經濟新區水文地質勘察工作詳實成果基礎上,通過Visual Modflow建立的地下水流數值模型,對120 m 以內的地下水流系統進行模擬分析與預測,預測了不同設計開采強度下的5年、15年的水位降深,對經濟新區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,對造成現狀地下水降落漏斗嚴重的區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功能產生不利影響。

3）結合本次模型預測不同開采強度下的水位降深,合理確定經濟新區地下水開采量,避免盲目開采地下水而引發水土環境惡化。

4）以水定地,嚴格控制灌溉面積；經濟新區氣候干燥且蒸發強烈,應大力推行、發展高效節水灌溉措施。