李景远，吴 巍，周孝德，吴 皎，焦露慧

(西安理工大学 西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地，陕西 西安 710048)

地下水由于自身动态稳定、分布广泛、水量丰富、水质优良等特点［1］，在维持干旱区脆弱的生态环境中发挥着不可替代的生态调控作用，自20世纪70年代以后，国内外学者对地下水数值模拟进行了大量研究。目前国外地下水数值模拟领域的研究主要针对数值模拟法的薄弱环节，提出新的思维方法，采用新的数学工具，分析不同尺度下的变化情况，并开发了许多地下水系统数值模拟软件［2］。如A.Mazzia等［3］提出用于求解重盐地下水运移模拟的二维非线性动力学控制过程的特别的数值方法;Li Shu-guang等［4］指出数值模型还不能解决预报的不确定性因素问题，并开创性地提出一种可以解决均值分布和小尺度过程的不同尺度问题的随机地下水模型等。国内学者更倾向于将地下水模型应用于实际工程，解决民生问题，在实际工程中将理论和方法不断创新。如白利平等［5］应用GMS对临汾盆地地下水进行了数值模拟;王宏等［6］应用GMS对石家庄地下水系统进行数值模拟;陈喜等［7］应用MODFLOW对美国Sand Hill地区地下水进行了模拟等。目前，地下水模拟主要针对溶质运移、地下水脆弱性以及地下水资源量等进行研究分析，而水利枢纽工程建设对下游地下水的扰动影响及其植被需水量的模拟分析还有待进一步提高。

水利枢纽工程在干旱区极为重要，为国家经济发展服务的同时，也对天然生态系统产生巨大的影响［8-9］，对地下水流场的扰动影响也尤为突出。本文利用GMS软件构建研究区的三维地下水模型［10－12］，通过模拟预测，获得工程建设前后地下水流场的变化情况，为且末县耕地的合理规划，下游沿河林草带的防护以及入湖口附近的生态治理提供科学依据。

1 研究区概况

车尔臣河是塔里木盆地东南缘年径流量最大的河流，年平均径流量约7.84亿m3，河道全长813km，上游穿行于崇山峻岭之中，中游贯穿于山前冲洪积扇砾质平原和冲洪积平原，下游为荒漠平原，流域下游入若羌县境内，最终注入台特玛湖。流域总的地势是南高北低，下游西高东低，自南向北划分为基岩山区、冲积洪积扇砾质平原区、冲洪积细土平原和风积沙漠4个地貌单元。

大石门水利枢纽工程位于新疆巴州且末县境内的车尔臣河干流上，坝址位于车尔臣河出山口与支流托其里萨依交汇口下游约300m处，工程距且末县城约98km，距库尔勒市约756km，交通较为便利。大石门水利枢纽工程是车尔臣河流域规划中确定的近期开发的重点控制性枢纽工程，是一项承担防洪、发电和灌溉任务的综合利用水利枢纽工程。

2 地下水数值模拟

2.1 水文地质概念模型

模拟预测范围为沿车尔臣河流向的一个条带区域，南部边界以车尔臣河南侧约5km为界，条带区西南角为大石门水利枢纽上坝址断面处，北部以车尔臣河以北(约5km)与塔克拉玛干沙漠流域的自然边界为界的沿线边界，西至自然流域边界，东至靠近台特玛湖的入湖区断面，整个模拟区面积总计约5821km2(见图1)。

(1)含水层系统。研究区为单一结构的潜水含水层，主要分布的是大厚度的砂卵砾石，厚约200m，其中上部为第四系上更新统冲积砂卵砾石，下部为第四系中更新统冲积砂卵砾石。第四系存在一定的非均质特征，但不同方向上的渗透性差异较小，因而将第四系松散含水介质概化为非均质各向同性。

(2)水动力条件。模拟区含水层厚度大，第四系含水层分布较广，同时地下水位随时间变化而变化，因此将地下水运动概化为准三维的非稳定地下水流系统［13］。

(3)边界条件。①侧向边界:模拟区上游南侧为山前侧向补给边界(EF)，大石门坝址断面处(AG)设置为第二类流量补给边界，FG段与区域地下水等水位线近于垂直，概化为零流量边界;北侧近于沙漠区自然边界，分成两段，BC段为北侧荒漠区侧向流出边界，CD段与区域地下水等水位线近于垂直，侧向交换微弱，概化为零流量边界;西侧AB段为流域自然边界，概化为零流量边界;DE段为东侧入湖边界，模型模拟区内的地下水均朝此处径流排泄，故概化为侧向流出边界。②垂向边界:模拟区上边界为潜水面，底部边界为第四系松散岩类孔隙水底板，该处地下水径流滞缓，与下部基岩的基底间水交换微弱，故本次模拟研究对象为一层潜水含水层。

(4)水均衡计算。研究区多年平均降水量为25.43mm，此量级的降雨很难形成有效的地下水补给，故计算中忽略降雨入渗补给。地下水的补给项与排泄项及相应计算量值见表1。由表1可知，车尔臣河流域模拟区地下水多年均衡量为1170.74×104m3，表现为微弱正均衡，整个流域范围内多年地下水上升约13mm，而局部地下水水位及流场变化还需要数值模型定量模拟计算。

图1 模拟评价区范围及边界性质概化Fig.1 Simulated evaluation areas and a general graph of boundary property

表1 模拟区地下水均衡计算Tab.1 Equilibrium computation sheet of underground water in simulated areas 104m3

(5)水文地质参数。最大蒸发速率采用折算后的流域大水面蒸发速率;蒸发的极限深度根据岩性不同有所差异，根据前人研究成果可知，车尔臣河流域广泛分布着两种主要岩层:砂砾石层和粉细砂层，砂砾石含水层的极限蒸发埋深为3m，而粉细砂的极限蒸发埋深取值为6m，在模型中分为两个区，分区给定;地面高程值源自30m的DEM数据;渗透系数和给水度在模型中的处理如表2所示。

2.2 地下水数学模型

根据前述概化的地下水概念模型及其地下水均衡计算结果可知，研究区为非均质、各向同性、准三维的非稳定地下水流系统，可用如下微分方程的定解问题来描述［13－14］:

表2 水文地质参数分区赋值Tab.2 District assignment table of hydrogeologic parameters

其中:D为渗流区域;h为潜水水位(m);b为潜水含水层底标高(m);k为潜水含水层渗透系数(m/d);kn边界面法向的渗透系数(m/d);μ潜水含水层在潜水面上的重力给水度(无量纲);ε含水层的源汇项(m/d);p潜水面的蒸发和降水等(m/d);Γ1渗流区域的水位边界;Γ2渗流区域的流量边界;n边界面的法线方向;q(x，y，z)定义为二类边界的单宽流量(m2/d/m)，流入为正，流出为负，隔水边界为0。

2.3 地下水模型的识别与验证

将野外实测地下水位作为现状年模型识别和验证的依据，因野外主要的工作集中在沿河谷段附近，故而将沿河实测的地下水位与河谷区的现状年模拟流场进行拟合分析。经过多次运行模拟、调参、优选，最终使得各观测井水位值与实测值达到最佳拟合状态。图2为9月野外实测水位与现状年9月份的模拟水位拟合。由图可知，在河谷段，模拟水位与实测水位拟合情况较好，流场分布特征及趋势正确，故构建的模型可用于设计水平年对地下水环境影响的预测和评价。

图2 9月野外实测水位与现状年9月份的模拟水位拟合Fig.2 A fitting chart of measured water level in September water levels in September

根据水均衡法计算的模拟区多年平均地下水均衡结果，对多年平均状态下的稳定流模型的水均衡进行验证(表3)，对比可知模型的模拟值相对误差较小，模型的构建符合后续模拟要求，故构建的模型可用于设计水平年对地下水环境影响的预测和评价。

表3 稳定流模拟地下水均衡计算Tab.3 Underground water equilibrium computation sheet of steady flow simulation

3 地下水环境影响预测与评价

3.1 研究区地下水资源量分析

通过模拟得到每个应力期(月)的现状年和设计年的整个模拟区地下水均衡量的主要结果如表4所示。由表可知，针对P=50%的设计水平年研究区而言，现状年全年的总补给、总排泄、河流渗漏补给、潜水蒸发、储变量分别为651749 900，－640092 500，263088 400，－598180 100和11657 400m3，设计年相对于现状年的各项均衡要素的绝对变化量分别为 －10800 320，－9069 143，－4320 128，－8387 560和－1731 177m3，则相对变化率对应为－1.7%，－1.4%，－1.6%，－1.4%和－14.8%。可见，全区整体而言，水均衡各项要素的年变化量并不大，其变化幅度也较小。

表4 研究区现状年和设计年(P=50%)地下水均衡对比Tab.4 Underground water equilibrium comparison of study area between actual year and design year(P=50%) m3

而不同月份由于受大石门断面下泄水量不同的控制，其引起的地下水资源量的变化量和变化程度不同，其影响效应也不同。整体而言，各项均衡要素呈现出基本一致的“同增同减”变化趋势，呈现增加的月份有1月、2月、6月和12月，而呈现减少的月份为3—5月和7—11月，这与工程设计时逐月下泄量的变化情况基本保持一致。具体而言，增加月份1月、2月、6月、12月的总补给量变化量分别为6389 900，6632 994，16889 246和833465m3，相应变化率为260.88%，229.86%，20.11%和5.64%，其中以6月份的总补给量增加最多，相应增幅为20.11%。而3—5月和7—11月总补给量的变化量依次为－3241 254，－2893 976，－2199 422，－57880，－24182 067，－5799 529，－1609 051和 －1562 747m3，相应地变化率对应为 －9.63%，－5.32%，－3.85%，－0.03%，－23.10%，－13.40%，－3.30%和－4.37%，其中以8月份的减水量(绝对量)最多，其余月份的减幅一般小于－10%，减幅并不大。

3.2 研究区地下水位及地下水流场变化

研究区地下水水位和流场变化主要受控于水量变化，根据大石门水利枢纽工程建设前后大石门断面不同水平年河流下泄过程可知，工程建设前后下泄水量和研究区地下水储量的变化量(绝对量)均呈现为6月增加量最大，8月减少量最大，而12月的变化量较小，故而选择6月、8月、12月这3个月分别作为最大增量月、最大减量月、无明显变化月的代表，用以说明工程建设前后对于研究区地下水水位和流场变化的影响。

绘制3个代表月份的应力期现状年和设计年的模拟地下水流场对比图，从图3可知，从整个区域角度而言，地下水流场趋势并没有出现较大变化，但在局部地区(区段)流场变化较明显，主要是灌区和下游入湖区段，南北两侧(垂直河道方向)可能受到的影响宽度范围约为1km。

图3 现状年与设计年(P=50%)地下水流场对比Fig.3 A comparison diagram of groundwater flow field between actual year and design year(P=50%)

由于入湖段地下水位出现较大变化，同时该段生态环境脆弱易受地下水波动影响，故针对入湖段进行详细分析，首先在台特玛湖入湖段依次选择9个监测井(图4)，各监测井水位变化情况如表5所示，对比分析现状年和设计年两个时期该区段的地下水位变化情况，根据设计年下泄流量的情况统计可知，P=50%的设计年，其下泄水量变幅最大的月份分别是1月和8月，其下泄流量变幅分别为480%和－42.50%，受影响的地下水位变幅一般在0.4～0.8 m。

图4 台特玛湖入湖断面地下水位监测点位分布Fig.4 A distribution map of groundwater level’s monitoring sites at cross section of Taitema Lake

表5 台特玛湖入湖段水位监测单元的水位变化统计(P=50%，1月)Tab.5 Water level fluctuation of Taitema Lake water level monitoring units(P=50%，January) m

4 结语

(1)车尔臣河流域模拟区地下水多年均衡量为1170.74×104m3，表现为微弱正均衡，整个流域范围内多年地下水上升约13mm，地下水总体呈现微弱上升趋势。

(2)车尔臣河流域模拟区范围内总的地下水补给量约49440.58×104m3，主要的地下水补给项(由多到少顺序)依次为河道渗漏补给(49.9%)、渠道水渗漏补给(21.7%)、降水入渗补给(12.9%)、渠灌田间入渗补给(11.9%)、山前基岩裂隙侧向补给(3.5%);而地下水的排泄项(由多到少顺序)依次为:潜水蒸发(－53061.84×104m3，占比73%)、人工开采(－17113.48×104m3，占比23.5%)、河道排泄、侧向流出。

(3)工程建成后对于灌区和沿河林草带的地下水位和水资源量具有一定影响，但影响程度不大，通过对P=50%设计水平年两个极端月份(1月和8月)的初步分析结果可知，受影响的地下水位变幅一般在0.4～0.8 m，而南北两侧(垂直河道方向)可能受到的影响宽度范围约1km。

(4)入湖段地下水位变化较大，P=50%的设计年，其下泄水量变幅最大的月份分别是1月和8月，其下泄流量变幅分别为480%和－42.50%。

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