基于GMS的巴彥淖爾市臨河區(qū)地下水流場預(yù)報

李元杰 姜新慧 陳軍 楊志巖 王貴玲 丁慧君

摘要：在查明內(nèi)蒙古巴彥淖爾市臨河區(qū)水文地質(zhì)條件、地下水開發(fā)及引發(fā)的環(huán)境地質(zhì)問題的基礎(chǔ)上，用均衡法及數(shù)值模擬法進行地下水資源量計算。根據(jù)當?shù)厮Y源開發(fā)利用方案，利用模型進行研究區(qū)2013年-2033年地下水流場演化模擬，結(jié)果表明該方案下研究區(qū)地下水降落漏斗不再繼續(xù)擴大，地下水位有所回升，對該區(qū)水資源管理有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：巴彥淖爾市臨河區(qū)；地下水資源；開發(fā)利用；地下水漏斗；水均衡法；數(shù)值模擬

中圖分類號：P641 文獻標志碼：A 文章編號：1672-1683（2016）04-0036-06

Abstract：After the identification of the hydrogeological conditions and the environmental geological problems caused by groundwater exploitation，the water-balance and numerical simulation methods were used to evaluate the amount of groundwater in Linhe district of Bayan Nur City，Inner Mongolia.A model was utilized to simulate the change of groundwater flow field in the study area from 2013 to 2033 according to the local water resources exploration.and utility scenario.and the results showed that the groundwater drawdown funnel will cease to expand and the groundwater level will rise.This provides a meaningful guidance for the water resources management in the study area.

Key words：Linhe district of Bayan Nur City；groundwater resources；development and utilization；groundwater funnel；water-balance method；numerical simulation

隨著經(jīng)濟社會發(fā)展和全球環(huán)境變化，我國水短缺、水污染、水生態(tài)、水災(zāi)害、水管理5個問題復(fù)雜交叉，已成為我國可持續(xù)發(fā)展的主要瓶頸[1-4]。正確處理有限的水資源與經(jīng)濟發(fā)展、生態(tài)-環(huán)境保護之間的矛盾已成為重要和緊迫的國家戰(zhàn)略要求，其關(guān)鍵在于科學(xué)的水資源管理[5-7]。目前的管理模式多基于“三條紅線”、生態(tài)環(huán)境綜合治理、地表水與地下水聯(lián)合調(diào)度和流域水資源集成管理[8]。運用先進的地下水模擬軟件，建立地下水流數(shù)值模型，預(yù)測各種條件下地下水流場變化，已成為區(qū)域地下水管理的有效方法[9-12]。本文運用GMS軟件，對現(xiàn)狀條件下巴彥淖爾市臨河區(qū)地下水資源進行數(shù)值模擬，根據(jù)當?shù)厮Y源開發(fā)利用方案，進行地下水流場預(yù)報，為該區(qū)水資源管理提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理概況

內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市臨河區(qū)面積約1 400 km²，主體地貌為黃河沖湖積平原，地勢平坦開闊，地面高程在1 034～1 044 m，微向東北傾斜，地形自然坡度0.15‰～0.18‰。本區(qū)屬中溫帶干旱—半干旱大陸性氣候，多年平均降水量149.04 mm，多集中在7月-9月，多年平均蒸發(fā)量為2 183 mm，主要集中在4月-8月。黃河是唯一的長年地表水流，自西向東沿研究區(qū)南部邊緣流過。

1.2 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)位于河套斷陷盆地臨河凹陷區(qū)的南部邊緣，河套斷陷盆地沉積了厚度較大的第四系沉積物，主要有更新統(tǒng)沖、洪積物以及全新統(tǒng)湖積物、風(fēng)積物。研究區(qū)屬于雙層結(jié)構(gòu)含水層，上部為淺層潛水-微承壓含水層，上更新統(tǒng)至全新統(tǒng)，巖性以沖湖積礫砂、中粗砂、中細砂、細粉砂為主；下部為承壓含水層，中更新統(tǒng)下段，巖性為細砂、粉細砂。下部承壓水埋藏深，一般在300～500 m以下，且其水質(zhì)差（礦化度大于3～5 g/L）、水量小，開采條件差[13-15]，因此本次工作只研究上部潛水-微承壓水含水層（見圖1）。

1.3 地下水開采引發(fā)的環(huán)境地質(zhì)問題

研究區(qū)位于河套平原黃灌區(qū)，農(nóng)業(yè)灌溉以引黃水為主，部分農(nóng)業(yè)用水、生活用水及工業(yè)生產(chǎn)用水主要依靠開采地下水。隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)和工業(yè)的發(fā)展，對地下水的開采強度逐年加大，引發(fā)的環(huán)境地質(zhì)問題主要是地下水降落漏斗的不斷擴大。根據(jù)收集的巴彥淖爾市臨河區(qū)1982年、1989年、1998年、2004年4個時期的等水位線、降深圖，以及2013年進行的該區(qū)地下水位統(tǒng)測資料，得出不同時期降落漏斗中心點坐標，漏斗中心水位標高、漏斗面積等參數(shù)（表1）地下水位降落漏斗發(fā)展變化圖及剖面圖（圖2）。

通過對臨河區(qū)城市發(fā)展進程的了解及對圖2的分析，城區(qū)降落漏斗的形成與發(fā)展大致經(jīng)歷了以下三個時期。

第一時期：20世紀70年代末漏斗形成初期。即在城區(qū)第一個水源地勘查之前，地下水位受城區(qū)廣泛分布的手壓井和企業(yè)自備井開采影響，開采量約219.28萬m³/a。

第二時期：中心水位穩(wěn)定，漏斗面積擴大期。隨著城市規(guī)模的不斷擴大，漏斗中心向東北方向（開發(fā)區(qū)）偏移，分布面積76.0 km²，水位降幅變化不明顯，主要受第一水源地及城區(qū)企業(yè)自備井開采影響，開采量為515.17萬m³/a。

第三時期：中心水位下降，漏斗面積擴大期。至2013年，漏斗面積達153.72 km²，中心水位標高1 032.49 m。地下水位受第一、第二水源地，城區(qū)、開發(fā)區(qū)企業(yè)自備井開采影響，開采量為2 023.35萬m³/a。

降落漏斗演化期的分界點是隨著經(jīng)濟發(fā)展和城市集中水源地的建設(shè)而出現(xiàn)的，1982年-1998年漏斗中心大致處于相同區(qū)域，啤酒廠和一水廠（王明圪旦供水水源地）是該區(qū)地下水的主要開采點，城區(qū)居民院內(nèi)有部分手壓井。2004年隨著巴彥淖爾市“十一五”工業(yè)項目規(guī)劃的實施，東部開發(fā)區(qū)一批企業(yè)配備自備井大量開采地下水，降落漏斗向東北方向偏移。2008年后隨著城市建設(shè)的不斷拓展，一水廠停采，沿永濟渠布設(shè)新的水源井，漏斗范圍擴大，中心轉(zhuǎn)移至城區(qū)西南部。

2 地下水數(shù)值模型的建立

2.1 均衡分析

在模型建立之前先用水均衡法進行研究區(qū)水資源量計算，以便檢驗?zāi)M結(jié)果的準確性、客觀性。均衡方程見式（1），即任一均衡區(qū)任一時段的補給量和排泄量之差等于孔隙水體積的變化量。

均衡區(qū)面積約為1 400 km²，按照地下水系統(tǒng)將其劃分為永濟灌域和黃河漫灘兩部分。本次計算選取一個水文年（2012年5月-2013年5月）作為均衡期。依托在巴彥淖爾市杭錦后旗建立的包氣帶水鹽運移試驗場[16]，通過長期試驗觀測，獲取降水入滲系數(shù)、蒸發(fā)系數(shù)及灌溉入滲系數(shù)；通過抽水試驗、土工試驗等，確定含水層的滲透系數(shù)及給水度。均衡區(qū)內(nèi)地下水資源計算結(jié)果見表2。

研究區(qū)均衡期降水量為近20年最高值，為豐水年，地下水總補給量為31 041.29萬m³/a，其中引黃田間灌溉入滲量占總補給量的39%，為主要補給項，渠道入滲量、大氣降水入滲量分別占總補給量的29%、28%。排干排泄量、潛水蒸發(fā)和地下水開采是該均衡區(qū)的主要排泄項，排干排泄量潛水蒸發(fā)、地下水開采分別占總排泄量的41%、31%、24%。均衡期地下水處于正均衡狀態(tài)，均衡差為901.05萬 m³/a。

依據(jù)長觀井水位變幅數(shù)據(jù)和含水層厚度，采用泰森多邊形分區(qū)計算得出地下水儲存變化量為931.6萬m³/a，與均衡期補排差進行比較，相對誤差為3.35%，本次均衡計算的結(jié)果較為合理。

2.2 數(shù)值模擬

自20世紀70年代末，數(shù)值模擬逐漸成為地下水資源評價與管理的主要方法之一[17]。根據(jù)研究區(qū)的水文地質(zhì)條件將南部的黃河概化為定水頭邊界，其余為流量邊界；潛水面為上邊界，下部的淤泥質(zhì)粘土為隔水底部邊界，將地下水流系統(tǒng)概化為非均質(zhì)、各向同性、空間三維、非穩(wěn)定流系統(tǒng)，用如下微分方程的定解問題來描述：

本次模擬期為2012年5月1日至2013年4月30日，以2012年5月1日統(tǒng)測水位為模型的初始流場，每月為一個應(yīng)力期，時間步長為1 d。各流量邊界的水力梯度，依據(jù)研究區(qū)地下水動態(tài)監(jiān)測資料按時段賦值，大氣降水入滲補給、蒸發(fā)排泄源匯項依據(jù)臨河氣象站提供的資料，分區(qū)分時段賦值。

調(diào)用GMS地下水數(shù)值模擬計算模塊，不斷調(diào)整參數(shù)及源匯項，得到模擬期末的地下水流場，同時選取研究區(qū)內(nèi)的觀測孔在模擬期的水位動態(tài)資料進行擬合，使模型計算值逼近觀測值，從而確定模型各分區(qū)的水文地質(zhì)參數(shù)，最終得出研究區(qū)地下水系統(tǒng)水量均衡結(jié)果（見表3），流場模擬結(jié)果及監(jiān)測孔擬合情況（見圖3）。

由此可見，研究區(qū)在模擬期內(nèi)的水量補排基本平衡，計算流場基本上反映了地下水流動的趨勢和規(guī)律。各觀測孔在各個時段的計算水位與觀測水位擬合程度較好，擬合差小于0.5 m，說明含水層結(jié)構(gòu)、邊界條件概化、水文地質(zhì)參數(shù)及源匯項的選取是合理的，建立的數(shù)值模型較為真實地刻畫了研究區(qū)地下水系統(tǒng)的特征，仿真性強，可利用該模型進行地下水流場預(yù)報。

3 地下水流場預(yù)報

根據(jù)巴彥淖爾市臨河區(qū)的水資源開發(fā)利用方案，本次模擬預(yù)報時段分為2013年5月-2018年5月、2018年5月-2023年5月、2023年5月-2033年5月。以2013年5月流場作為初始流場，預(yù)報模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)、水文地質(zhì)參數(shù)均采用識別后的參數(shù)，源匯項及參數(shù)的確定如下。

補給項中降水入滲、黃河側(cè)滲、地下水側(cè)向流入和井灌回歸量按照多年平均值給定。2012年5月自治區(qū)啟動四個千萬畝節(jié)水灌溉工程，逐步開展節(jié)水改造工作，預(yù)測2018年、2023年、2033年灌溉水有效利用系數(shù)將由41%分別提升至43.5%、46%、50%；渠系水有效利用率由48%提升至52%、56%、62%。預(yù)報期間引黃田間入滲量、渠道入滲量的確定以多年平均值為基礎(chǔ)值，按照相應(yīng)的系數(shù)進行調(diào)整。

排泄項中潛水蒸發(fā)、湖泊、海子蒸發(fā)和側(cè)向排泄按多年平均值給定。預(yù)報期間，規(guī)劃運行黃河水廠引水工程滿足城區(qū)生活及企業(yè)用水需求，2013年5月起封閉企事業(yè)自備井，預(yù)測2018年自備井全部關(guān)停，2023年部分水源井可壓減現(xiàn)有開采量的一半，2033年原有的水源井全部關(guān)停，地下水僅選擇水質(zhì)較好的地段進行開采。預(yù)報期間地下水開采量為多年平均開采量減去壓采量；排干年均泄水量=多年排干泄水量平均值×（補給項多年平均值-預(yù)報期內(nèi)年均補給項值）÷補給項多年平均值。

依據(jù)以上源匯項資料以及參數(shù)序列，進行地下水流場模擬，模擬結(jié)果見表4、圖4。

由圖4可見2013年-2023年地下水水位呈緩慢回升趨勢，市中心的水位標高為1 033 m的等水位線所封閉的漏斗中心面積呈逐漸縮小的趨勢；2023年-2033年，降落漏斗面積呈繼續(xù)縮小的趨勢，地下水流場整體沒有發(fā)生大的變化。

由此可見，研究區(qū)水資源開發(fā)利用方案中的提高灌溉水利用系數(shù)和封停自備井等措施可以保證研究區(qū)地下水降落漏斗不再繼續(xù)擴大，地下水位略有回升，地下水流場不發(fā)生較大變化，模擬結(jié)果比較理想。采用該方案研究區(qū)地下水資源的供需矛盾將有所緩解，若要顯著改善當?shù)厮Y源問題，保證地下水資源的可持續(xù)利用，還應(yīng)積極調(diào)整區(qū)內(nèi)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)及布局，提高廢、污水處理率及用水效率，引進先進的節(jié)水灌溉技術(shù)[18-20]，加強地表水與地下水優(yōu)化配置利用研究，積極摸索水資源高效管理的方式。

4 結(jié)論

（1）分別采用數(shù)值法和水均衡法對研究區(qū)地下水資源量進行計算，兩種方法較好地評價了研究區(qū)的地下水資源狀況，模擬期內(nèi)該區(qū)淺層地下水總補給量為3.12億m³/a，總排泄量為3.02億m³/a，補排差為0.09億m³/a，總體處于正均衡狀態(tài)。

（2）通過對比模擬水位與觀測水位，二者擬合程度良好，說明含水層結(jié)構(gòu)、邊界條件概化、水文地質(zhì)參數(shù)及源匯項的選取是合理的，可利用該模型進行地下水流場預(yù)報。

（3）根據(jù)當?shù)厮Y源開發(fā)利用方案，利用數(shù)值模型進行地下水流場預(yù)報，結(jié)果顯示，在提高灌溉水利用系數(shù)和封停自備井情況下，2018年-2033年該區(qū)地下水降落漏斗中心面積呈逐漸縮小的趨勢，地下水位略有回升，若要顯著改善當?shù)厮Y源問題，還應(yīng)積極探索水資源高效管理的方式。

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