酒泉盆地地下水动态模拟和开发利用分析

2018-11-14齐桂花潘世兵

水利规划与设计 2018年10期

齐桂花，潘世兵，段浩

(1.甘肃省水利厅讨赖河流域水资源管理局，甘肃酒泉 735000；2.中国水利水电科学研究院，北京 100038)

酒泉盆地位于河西走廊中部的讨赖河流域，盆地地表水和地下水转化频繁，人类活动影响使得流域水循环极其复杂；另一方面，由于下游平原区降水稀少，生态植被依赖地下水或泉水，生态环境极其脆弱。上游来水变化导致流域地表水和地下水水循环的改变，不仅影响下游水库入库水量，也影响区域地下水及下游鸳鸯池水库的调度和供用水等。魏国孝等和鲲鹏等开展了酒泉市肃州区水资源承载能力及优化配置研究，开发了酒泉盆地地下水模型，并进行了不同用水平地下水动态模拟分析。潘世兵等依据河西走廊地下水系统的特点，探讨了数值模型中几个关键问题的处理方法，并以酒泉盆地为例，研究了数值模型在区域地下水系统演化与动态预测中的应用。甘肃省水利科学研究院等在甘肃省科技支撑计划支持下，开展了基于MIKE BASIN模型的讨赖河流域水资源优化配置研究建立流域“二元”水循环转换模型，分析了流域内不同水文地质单元的水分转换关系及径、补、耗、排关系，并评价了流域内现状水资源状况。

研究区存在的主要问题是长期大规模引地表水和开采地下水灌溉，以及城市地下水水源地集中开采，引起了区域性地下水水位下降。但在近十几年，由于上游地表来水增加，地下水水位又趋于稳定或回升。如何评价地下水开采水平，地下水是否严重超采，是区域水资源配置需要回答的关键问题。本文开发了酒泉盆地地下水数值模型，定量分析盆地地表水和地下水转换规律，以及地下水对地表来水和开采的响应，分析了地下水动态、泉水溢出量变化和鸳鸯池水库来水组成与变化。

1 研究区概况

讨赖河地处西北干旱区，水资源紧缺，生态环境脆弱。讨赖河流域是河西走廊中部黑河流域的重要子流域，由讨赖河(又称北大河)、洪水河、红山河等河流组成，统称黑河流域西部子水系，均归入鸳鸯池水库后在下游金塔盆地潜入地下。讨赖河干流是流域内最大河流，发源于青海省祁连山中段，冰沟以上集水面积为6883km2，多年平均径流量为6.48×108m3。讨赖河从冰沟出山后，流经甘肃省嘉峪关市、酒泉市肃州区后，纳清水河、临水河两个中游泉集河后进入金塔县，经鸳鸯池水库调蓄后，大部分用于鸳鸯灌区的经济生产，余水散耗在戈壁荒漠中。

酒泉盆地具有典型的山前倾斜平原自流斜地水文地质特征，具有完整的补给、径流和排泄过程的水文地质单元，如图1所示。从戈壁平原过渡到细土平原区域，含水层由单一厚层砂砾石含水层，过渡为双层或多层细颗粒含水层。地下水主要接受河水渗漏补给、渠系渗漏和灌溉水回归补给，少量的大气降水和凝结水入渗补给、山前侧向补给。地下水径流受地形、含水层分布的影响。区域上由西南向东北和西方向径流，局部地下水流场受河流切割影响。地下水排泄方式主要是下游泉水溢出(包括向河道溢出排泄)、潜水蒸发，以及北部低山河谷和鸳鸯池水库也是地下水排泄通道。近几十年来，城市工农业和生活用水增加，地下水人工开采规模不断增加，人工开采成为主要排泄方式之一。

1、2—第四系松散盐类孔隙潜水，单井用水量分别为>5000、1000～5000m3/d；3、4、5—第四系松散盐类孔隙潜水承压水，潜水单井用水量<1000m3/d，承压水单井用水量分别为>5000、1000～5000、<1000m3/d；6—富水性界线；7—潜水水位埋深等值线，m；8—承压水边界；9—基岩山区界线；10—断层及推测隐伏断层；11—地下水流向；12—泉；13—水库图1 酒泉盆地水文地质图

城市工业发展和人口增加，大规模开发利用地下水，加之农业灌溉打井也逐步增加，到2012年年地下水开采量达到2.6×108m3，其中，嘉峪关城区和肃州区城区地下水开采量分别为0.59×108m3和0.36×108m3。近30年来区域地下水水位总体处于下降趋势。位于金塔县北部的北海子湿地是讨赖河水系的尾闾，也是鸳鸯绿洲的自然生态保护屏障，由于地表水大量用于农业灌溉，近30年没有地表水流入湿地，加之区域地下水位逐年下降，导致荒漠植被退化和土地沙化。但近十年水文过程来看，讨赖河来水处于丰水周期，区域地下水位总体处于缓慢上升趋势，如图2所示。

图2 典型地下水观测孔多年水位过程曲线(关铺)

2 盆地水循环模拟模型

笔者利用MODFLOW地下水模拟软件，开发了酒泉盆地准三维地下水模型。区域采用1km×1km的矩形网格。计算区共有活动计算单元3524个，模型计算范围总面积为3524km2。本文利用本区2002—2009年地下水位长期观测和地下水开采统计资料，进一步对模拟模型参数和边界进行识别。水文地质参数主要有渗透系数和给水度，主要根据该区水文地质勘察、抽水试验资料确定初始值。

采用了2010—2012年共3年的水位实测数据，进行模型验证。根据观测资料的实际情况，共选取15个观测井，水位拟合整体情况较好，平均误差0.38m，多数点位于95%置信区间范围，RMS误差1.98%。模型可以应用于未来不同情景方案分析模拟。模拟得到的酒泉盆地地下水流场如图3所示。

图3 酒泉盆地地下水流场(水位标高：m)

3 情景模拟分析和结果讨论

3.1 模拟方案

(1)多年平均来水和现状开采情景

采用1992—2008年共17年讨赖河来水系列，年平均径流量为20.71m3/s，接近讨赖河1956—2012多年平均来水20.6m3/s。地表引水和地下水开采保持2012年开采水平。地下水开采维持总开采量2.78亿m3/a。

(2)考虑气候变化影响来水变化情景

讨赖河和洪水河来水，受全球气候变暖和雪线退缩等因素影响。为了分析河流来水对地下水的影响，分析预测来水按不同比例增加和减少情形的地下水动态趋势。河流来水增加和减少比例分别为5%、10%、15%和20%，共8种情形(限于篇幅，只讨论河流来水增加和减少比例为20%的极端情形)。

由2位研究者根据预先设计好的纳入与排除标准独立筛选文献和提取资料。首先阅读文题，若内容相关再阅读摘要及查阅全文。所有文献是否纳入由2位研究者共同决定，如遇分歧，通过讨论或交由第3位研究者裁决。采用自制Excel提取表提取资料，包括：（1）纳入研究的一般资料，包括第一作者、发表时间、样本量等；（2）纳入患者的基本情况包括年龄、孕周等；（3）干预措施药物的具体用法用量；（4）偏倚风险评价的关键要素；（5）结局指标和结果测量数据。

以2013年1月1日地下水流场为初始流场，预测期到2030年，分析不同情景条件下区域地下水水位、泉水溢出量、河道溢出量和潜水蒸发量等变化，以及鸳鸯水库来水组成变化。

3.2 结果讨论

(1)多年平均来水和现状开采水平下水循环分析

2013—2030多年平均地下水补给量为6.08×108m3/a，其中，河水渗漏补给、渠系和灌溉回归(含井水和泉水灌溉)补给、降水和凝结水补给、山前侧向补给分别为2.521×108m3/a、3.079×108m3/a、0.352×108m3/a和0.13×108m3/a。地下水排泄量为6.217×108m3/a，其中，地下水开采、潜水蒸发、泉水溢出(含河道排泄)和边界流出分别为2.78×108m3/a、1.423×108m3/a、1.65×108m3/a和0.364×108m3/a。地下水补排差为-0.135×108m3/a，为负均衡，各均衡项变化如图6和图7所示。地下水水位下降导致泉水溢出量减少，预测期内泉水流量相对于现状年减少了5.17%。

模拟预测得到现状条件下下游鸳鸯池水库多年平均来水总量为3.37×108m3/a。其中，清水河和洪临泉水、鸳鸯输水渠输水、讨赖河和洪水河干流弃水和讨赖河干流排泄地下水，分别为0.59×108m3/a、0.9×108m3/a、1.33×108m3/a和0.55×108m3/a。

城市地下水水源地集中开采区位于山前冲洪积扇，地下水开发势必降低地下水位，以夺取向下游细土平原的径流量。细土平原区因上游地下径流补给减少，水位逐步下降。随地下水位的下降，泉水溢出量和蒸发量也急剧减少，地下水位下降幅度变缓，趋于形成新的地下水平衡状态，如图4所示。从地下水补给量分析，河道渗漏补给量远大于城市地区地下水开采量，目前地下水没有大幅度超采，尤其是南部混合灌区，并非超采区。本文情景模拟表明，地下水开采后需要一个长期的平衡过程，细土平原区地下水开采，可以袭夺潜水部分无效蒸发，合理控制水位，可以避免单纯引地表水灌溉引起的土地盐碱化。