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(1.中国地质调查局 a.西安地质调查中心;b.陕西省水资源与环境工程技术研究中心；c.干旱半干旱区地下水与生态重点实验室，西安 710054；2. 北京大学 水资源研究中心，北京 100871)

1 研究背景

水资源管理模型的研究，在国内外已有成功实例和模拟模型，如美国德克萨斯州的流域水资源管理模型、澳大利亚半干旱流域水量平衡模型等[1]，另外，Martin Volka等人提出的水资源管理系统模型，并且以FLUMAGIS生态经济模块作为的重要模块来进行模拟[2]。国内的研究成果主要有：水资源系统模拟模型、黄河流域水资源规划模拟模型、鉴江流域水资源供需平衡优化决策模型等。

区域地表水和地下水的开发利用格局与方式会对水循环过程产生深刻的影响，从而引起地表水产汇流机制和地下水补排关系发生明显的变化。然而，传统的水资源管理模型在没有深入地考虑地下水补给与利用问题，很少从地下水系统结构的角度详细探究水资源管理模型。因此，为了使水资源评价成果能真正应用于水资源开发利用规划和动态管理，必须考虑地表水与地下水相互转化问题，从不同的地下水系统结构出发进行水资源的统一管理。在对地下水赋存特征和规律详细分析的基础上，进行三维数值模拟评价，进一步开展水资源优化开采设计研究就显得尤为重要。目前，众多学者，例如霍传英等[3-6]从水流数值模拟的角度开展水资源可持续利用方面的研究。

面向生态的水资源管理问题，是一个涉及到多学科、多层次、多目标和复杂理论结构的综合专业领域[7]。把水循环过程和水资源的优化配置有机结合起来，权衡水资源利用的生态价值和经济价值，以水资源的生态经济综合效益最大为目标，研究内陆河流域水资源合理配置的目标、原则与机制。左其亭等[8-9]在做了不同程度的基于生态的水资源优化配置研究，并取得了一系列的成果。

陕北能源化工基地风沙滩地区生态环境脆弱，萨拉乌苏组含水层地下水资源丰富，本次选择萨拉乌苏组地下水分布区建立地下水优化开采管理模型。在萨拉乌苏组地下水流数值模型的基础上，以水源地详细勘查资料和植被-地下水关系研究为基础，开发构建面向生态安全的水源地开采量优化设计模型。

2 陕北能源化工基地萨拉乌苏组地下水概况

萨拉乌苏组含水层地下水是陕北能源化工基地最主要的地下水类型之一，分布于榆林市榆阳区以及神木县西北部沙漠滩地区，面积7 868 km2，含水层厚度一般为40～90 m，平均52 m，呈现从东向西、从北向南递增的变化规律[10]。萨拉乌苏组地下水赋存条件受现代地貌、古地理环境、含水层厚度、岩性特征等因素控制，富水性受含水层厚度、补给条件及河流水文网控制。在沙漠滩地区腹地和古河道中心部位，由于地形较为平坦，上覆大面积的现代风积沙，极利于大气降水入渗补给，加之四周地势较高、中间低洼，含水层厚度大，储水条件好，地下水丰富，单井涌水量一般在1 000 m3/d以上，最大可达4 000 m3/d左右。萨拉乌苏组含水层被切割外露，甚至临谷疏干，沙漠滩地边缘部位因地势较高，含水层较薄或地形切割较深，排泄作用强，储水能力下降，含水层富水性较差。

图1 陕北能源化工基地地下水资源及水源地分布图

萨拉乌苏组地下水主要接受大气降水补给，在东部边界附近局部接受白垩系地下水越流补给。受无定河、海流兔河、榆溪河、秃尾河、窟野河以及红碱淖等内流湖淖控制，地下水在河流与湖淖各自构成的水流系统中径流与排泄。泉和潜流是最主要的排泄形式，其次为蒸发和人工开采排泄。沙漠滩地边缘的沟谷，常为地下水的排泄区，有诸多泉水产出，同时存在潜流而成为风沙区河流的源头。此外，在水位浅埋的滩地和湖淖周边，萨拉乌苏组地下水被蒸发排泄以及农灌开采排泄。萨拉乌苏组地下水系统调节能力极强，泉流量较稳定。由于循环路径较短，地下水更新快，水质良好，溶解性总固体含量一般在200～400 mg/L，水化学类型多为HCO3—Ca·Mg型。

本文将研究区划分为33个集中供水水源地，集中水源地以及区域水文地质情况如图1。

3 基于生态约束的地下水资源优化管理模型

3.1 模型构建

地下水优化管理模型由地下水流模拟和优化2部分构成。植被状况的变化是反映区域性生态环境状况的重要指标[11]。在基于生态约束的地下水优化管理模型中，地下水流模拟部分负责更新优化管理问题涉及的状态变量(如水位)，而优化部分负责寻求满足植被生态所决定的地下水位约束条件的决策变量，即各水源地开采量的最佳组合，以求得在这样的约束条件下目标函数的最大值，即各个水源地的最大地下水可开采量。

3.2 生态敏感性区划

气候和土壤条件控制着地带性植被生态的大格局，导致区内以旱生植物为主，仅在潜水埋深较浅的区域，植物生长依赖于地下水，地下水位的变化将会引起植被生态变化。并以潜水埋深阈值<1.2 m，1.2～3.8 m，3.8～8.0 m，>8.0 m为主要依据，将勘查区划分为地下水开发的植被生态一级敏感区、二级敏感区、三级敏感区和非敏感区。

一级敏感区(地下水位<1.2 m的区域)：地下水位下降对该区植被生态条件的影响具有正、负生态效应。该区域可适度开采地下水，用于当地群众生活用水和农业用水；适当降低潜水位，以减少无效蒸发量，改善土壤盐渍化，提高植被覆盖度。二级敏感区(地下水位在1.2～3.8 m的区域)：植被生态长势良好，地下水位下降会使湿生和中生植物长势受到抑制，生态环境向旱生植物方向变化。该区应维持现状地下水位，保护植被生态。三级敏感区(地下水位在3.8～8.0 m的区域)和非敏感区(地下水位<8.0 m的区域)植物生长对地下水的依赖程度比较弱，地下水位下降产生的生态风险在容许范围之内。但是，必须充分考虑该区地下水开采对同一地下水系统内的相邻一级敏感区和二级敏感区的影响。故将三级敏感区和非敏感区生态约束条件确定为对同一地下水系统内的相邻一级敏感区和二级敏感区不至于产生明显影响。

3.3 数学模型

针对陕北能源化工基地水资源匮乏、生态环境脆弱等问题，建立了基于生态安全的地下水管理模型。在ArcGIS下，首先将模型离散网格单元与生态敏感性分区图叠加，获取模型各单元水位埋深约束值，然后将结果与地面高程DEM数据叠加，利用DEM地面高程数据减去水位约束埋深，得到各单元的约束水位高程。优化管理所采用的目标函数为

(1)

约束条件：

(2)

(3)

图2 各水源地开采量优化前后对比

3.4 结果分析

对植被生态敏感区水源地可开采量的优化模拟，非敏感区的水源地没有纳入该优化开采模型。各水源地优化前、后的开采量对比见图2。从图中可以看出，在优化的17个主要水源地中，优化后地下水可采量都有不同程度的增多。其中柠条塔、麻家塔、河则沟、沙母河沟、小保当、金鸡滩、赵家湾、白界8个水源地优化后可开采水量有明显增多，这些水源地主要分布在风沙滩地的东北部和东南部，而西部地区各水源地优化后新增开采量比较小，一般不超过10%。从模拟结果(优化前)与优化结果的均衡计算可以得出如下的结论：

(1) 优化方案均衡项(表1)中，各项补给量均未发生变化，说明风沙滩地区萨拉乌苏组地下水开采中不会得到新的补给水源，不必考虑增加的补给量。

(2) 增加的可采资源量均由减少的潜水蒸发量构成:现状条件下潜水蒸发量为177.53×104m3/d;模拟方案条件下潜水蒸发量为167.49×104m3/d;优化方案条件下潜水蒸发量为149.43×104m3/d;在地下水位浅埋区又增加了开采量，其蒸发量较现状减少28.10×104m3/d。

表1 优化结果与模拟结果方案均衡项

(3) 优化方案与模拟方案相比，地下水向河流的排泄量由171.32×104m3/d增大到173.43×104m3/d，增大了2.11×104m3/d，与现状相比，河流排泄量由180.82×104m3/d减少到173.43×104m3/d，仅减少了7.39×104m3/d，风沙滩地区采用管井在面上开采地下水所引起的河流排泄减少量仅占现状河流排泄量的4.09%，各河流的基流减少量甚微。

(4) 在地下水现状开采量34.76×104m3/d的基础上，可采用管井方式新增地下水开采量35.68×104m3/d，优化方案与模拟方案相比，地下水开采量增加了20.00×104m3/d。

结论表明，优化方案既考虑了风沙滩地区地表植被生态的约束，又保证了河流基流量不明显减少，增加的开采资源量均来自减少蒸发量，所以，优化方案是可行的。

4 结论与讨论

本文针对萨拉乌苏组含水层与植被生态环境空间分布特征，在地下水水流数值模拟模型的基础上，以开采量最大化为目标，以对生态环境破坏最小化为约束条件，开发了陕北能源化工基地萨拉乌苏组地下水优化管理模型。经过优化模拟可知，结果表明，考虑了风沙滩地区地表植被生态约束后，全区开采量为70.44×104m3/d，其蒸发量较现状减少28.10×104m3/d，引起的河流排泄减少量仅占现状河流排泄量的4.09%，优化方案既保护了生态环境的完整性，又保证了河流基流量不明显减少，增加的开采资源量均来自减少蒸发量，优化开采方案合理可行，为陕北能源基地水资源利用提供技术支撑。

本文对陕北能源化工基地萨拉乌苏组地下水资源优化管理模型进行了深入研究，虽取得了一定的成果，但尚有一些工作仍需进一步深入研究，主要有以下几个方面：①模拟区观测点位的动态变化资料是限制地下水流模型模拟精度的最大制约因素，虽然模型整体上计算水位与实际水位基本吻合，但在局部上还有一定的偏差，还需长时间序列的检验，精度有待进一步提高；②地下水系统是一个动态的、开放的系统，因此，已建立的地下水流模型还应在具体的应用运行过程中进行不断的修正、补充和完善；③本次侧重于水量和水位关系的研究，而对水质未予考虑。资源与环境是相互依存、不可分割的，与地下水运动数值模拟相关的问题，如地下水污染及溶质运移参数尺度效应的研究越来越被重视。

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