张宇正，张维江

(宁夏大学土木与水利工程学院，银川 750021)

我国西北内陆灌区由于不够完善的水资源开发和管理，产生了诸多不良生态环境问题，生态环境脆弱和水资源匮乏是制约当地经济发展的重要因素。地下水是水资源的重要组成部分，在保障城乡居民生活、支持经济社会发展和维护生态平衡等方面发挥着十分重要的作用，随着西北地区经济社会快速发展，水资源不仅是量的需求增加，供水保证率以及均衡性的需求都在增加。天然水源地在人工开采后，排泄项发生变化，进而改变整体的地下水均衡态，应用地下水均衡计算对天然与人工开采条件下地下水的补给、排泄规律进行量化研究，可直观地评价地下水开采利用情况，从而实现地下水对社会经济和生态环境的最优支持，是干旱内陆灌区水资源优化管理与调控的基础工作[1-4]。水均衡法与数值模拟法都是应用地下水系统的水资源平衡性，评价地下水的补给与排泄情况，是目前应用最为广泛的地下水资源评价方法，两种方法相辅相成，可以为区域地下水可持续开发提供更加科学的评价[5,6]。本文充分利用前人研究成果及已有水文地质资料，应用这两种方法定量分析了水源地集中开采前后(以2014年为时间分界线)各均衡要素变化情况，为水资源的合理开发提供数据支撑，促进区域经济和生态的可持续发展，保障地区供水安全。

1 研究区概况

研究区位于中卫市以西的迎水桥镇，面积约18.14 km2，属卫宁冲积平原黄河北岸，是中卫市为满足城市发展需求于2013年开辟的新的城市集中供水水源地(图1)。研究区为单一的冲积平原地貌，第四系厚度较大，地势西北向东南黄河平缓下倾，地形平坦开阔相对高差约10 m左右，属大陆性季风气候区，年均降水量165.9 mm，集中在6-9月份，多年平均蒸发量1 399.5 mm。研究区属同一水文地质单元，含水层岩性、水文地质条件均无太大变化。区内地下水为全新统早期(Qhlal)黄河冲积层潜水，主要补给来源是渠系、田间灌溉入渗，其次为大气降水和侧向径流。地下水径流与地形基本一致。

图1 研究区位置图Fig.1 Location map of the study area

2 研究方法

2.1 水均衡法

水均衡法是目前评估地下水的主要方法之一，其以质量和能量守恒定律为基本原理，将与地下水有联系的四水转化关系均反映在地下水的补给和消耗上。具有概念明确、方法简便等优点，是集计算与论证于一体的方法[4]。

根据水均衡法原理，可建立如下水均衡方程式:

Q补-Q耗=ΔW

(1)

式中:Q补为地下水补给量；Q耗为地下水排泄消耗量；ΔW为地下水的蓄变量[6]。

通过该地区多年观测资料分析，地下水动态特征主要受农田灌溉、渠系引水影响较大，枯水期水位有短期的下降，灌溉期和丰水季节水位迅速回升，并且水位变化不大，能基本说明补给量等于排泄量，因此，上述公式可近似表示为：Q补≈Q耗。

2.2 数值模拟法

数值模拟采用Visual MODFLOW(VMOD)软件，该模型是目前世界上最著名、应用最广泛的模拟三维地下水流和溶质运移的标准可视化专业模型软件。VMOD用三维有限差分法概化地下水系统，由水量平衡原理通过连续性方程进行地下水系统动态求解：

(2)

式中：K为渗透系数，m/d；h为含水层厚度，m；W为均衡期内垂向流入或流出含水层的水量，表示地下水系统的源、汇项构成，mm/a；Ss表示含水层储水系数，1/m[7]。

3 水均衡法地下水均衡计算

本文以2013年为现状年，在此之前研究区内无集中式地下水开采，地下水开发情景为自然条件，2014年水源地开始运行，人工开采激增，为开采条件。

3.1 自然条件下水均衡计算

3.1.1 补给量计算

(1)田间灌溉渗入补给量。田间灌溉水渗入田间后，经包气带渗漏补给地下水的水量，计算公式为：

Q田渗=αQ田间

(3)

式中：Q田渗为灌溉渗入补给量，万m3/d；α为灌溉渗入补给系数(无因次)；Q田间为灌溉水量，采用灌溉面积与灌溉定额的乘积，万m3/d[8]。

研究区灌溉面积根据调查统计，水作物实灌面积1 140 hm2，旱作物水浇地实灌面积353 hm2。灌溉定额与灌溉入渗系数根据已有研究资料，水作物灌溉定额为2.925 万m3/(hm2·a)，旱作物水浇地灌溉定额为1.2 万m3/(hm2·a)，合计农作物用水量1 887.7 万m3/a，灌溉入渗系数确定为旱作物水浇地0.21、水作物0.16[9]。经计算可得Q田渗为622.69 万m3/a。

(2)侧向径流补给量。采用达西公式计算：

Q侧补=KHBI

(4)

式中：Q侧补为邻区地下水径流补给量，万m3/d；H为含水层厚度，m；B为计算断面长度，m；I为水力坡度(无量纲)。

根据调查资料补给断面长度取值12 307 m，水力坡度取值0.002 3，根据研究区水文地质资料渗透系数取9.69 m/d，含水层厚度为66.35 m。算得Q侧补为664.3 万m3/a。

(3)降雨渗入补给量。利用下列公式计算降水渗入量。

Q降水=10-1FAατ

(5)

式中：Q降水为降水渗入补给量，万m3/a；F为计算区面积，km2；A为年降水量，mm；α为降水入渗系数；τ为有效降雨量百分数[10]。

年降水量取中卫市气象站多年降水量的平均值165.87 mm。有效降雨量百分数及降水入渗系数分别取50%与0.23。经计算可得Q降水为33.95 m3/a。

3.1.2 排泄量计算

(1)蒸发排泄量。蒸发量采用以下公式计算：

Q蒸发=10-1CE0F

(6)

式中：Q蒸发为潜水蒸发量，万m3/a；F为潜水蒸发计算面积，km2；C为蒸发系数；E0为平均水面蒸发量，mm/a。

根据研究区地下水埋深现状(平均1.5 m以内)及地质条件，蒸发系数取0.394[11]。计算可得Q蒸发为348.58 万m3/a。

(2)排水沟排泄量。排水沟主要排泄灌溉回归水、地下水、工业废水及城市生活污水。研究区没有特大排水沟，仅有太平渠视作排水沟及其他两条较小的排水沟。根据调查，该排水沟总长36.85 km，2013年排水沟排泄量为2 387.1 万m3，流经均衡区长为8.5 km。得出研究区内排水沟排泄量为551.15 万m3/a。

(3)人工开采量。现状条件下研究区地下水开采为分散式开采：主要是以当地居民生活饮用水为主，经调查统计均衡区现状开采量251.49 万m3/a。

(4)向黄河排泄量。计算方法与侧向补给计算方法相同，经计算得向黄河排泄量为160.24 万m3/a。

通过上述地下水补给量与排泄量的计算，可以得出研究区现状条件下地下水的补给量为1 320.94 万m3/a，排泄量为1 311.45 万m3/a，呈微弱的正均衡(见表1)。

表1 自然条件水均衡计算结果表Tab.1 Natural condition water balance calculation result table

3.2 开采条件下水均衡计算

根据《中卫市城市总体规划(2003-2025年)》，为满足城市发展需要，将研究区规划为新的集中供水水源地，计划开采量为4.2 万m3/d。开采条件下，研究区地下水由于开采量的增加造成了其他项的量发生变化。

(1)补给项中侧向补给量计算，开采条件下，研究区水位下降，水力坡度取值0.002 7；根据开采井抽水试验资料，开采产生降落漏斗，其南部边界达到黄河岸边，形成较强的河流激化补给，因此将漏斗范围波及黄河边界的长度，概化成一条定水头补给边界，确定黄河定水头补给边界长度9 185 m，采用达西公式进行计算，由于漏斗靠黄河较近，因此该水力坡度值较侧向补给的大，取值0.004；渗透系数、含水层厚度由河岸相关地勘资料确定。

(2)排泄项中蒸发量计算，重新取潜水蒸发系数值为0.12[11]；排水沟排泄量计算中，排水沟水量取2014、2015、2016资料均值计算，计算可得研究区排水沟排泄量1.08 m3/d。开采排泄中加入集中开采量4.2 万m3/d。

经计算，可以得出研究区开采条件下地下水的补给量为2 261.18 万m3/a，排泄量为2 267.75 万m3/a，呈负均衡，详见表2。

4 数值模拟法水均衡计算

4.1 模拟区初始条件及边界性质的概化

将2013年5月研究区钻井水位空间插值，得到模型初始水位条件。

表2 开采条件水均衡计算结果表Tab.2 Results table of water balance calculation for mining conditions

模拟区范围参考地下水流场，以研究区为主稍作外延，将黄河作为模型南部边界，概化为水头边界(第一类边界)。其他都概化为通用水头边界(GHB，混合边界)，如图2所示。

模型上边界为地表，下边界为第四系含水层地质边界，概化为隔水边界。

图2 模拟区边界概化Fig.2 Simulation area boundary generalization

4.2 参数分区及汇源项处理

模型初始参数分区由地勘资料综合第四系沉积环境得出(图3)。

图3 初值参数分区图Fig.3 Partition diagram of initial value parameter

降水及灌溉属垂向补给，用Recharge模块处理，先为整个模拟区面赋值年平均降雨量165.87 mm，然后结合遥感影像圈划出水作物与旱作物分区，分别面赋值补给强度468与252 mm/a；根据实际资料，用Drain模块模拟研究区内排水沟，排泄高程为1 210 m，单位面积水力传导系数为14.9 m2/d；潜水蒸发由ET模块处理，蒸发量为研究区多年平均值1 399.5 mm，地下水蒸发极限埋深设为5 m；人工开采井根据调查所得，用Well模块进行赋值计算。

4.3 模型识别及验证

对2013年12月实测地下水位等值线和模型模拟水位线拟合(图4)，模拟流场与实际流场基本吻合，且识别后的水文地质参数也在合理范围内(图5)。表明所建立的数学模型较为真实地刻画了研究区地下水系统，可利用此模型进行地下水模拟与预测。

图4 模拟区地下水流场拟合图Fig.4 Simulation area underground flow field fitting diagram

图5 调整参数分区图Fig.5 Adjust the parameter partition diagram

4.4 数值模拟计算结果

根据校正后的模型，计算出自然条件下的均衡情况(表3)。

表3 自然条件模拟区地下水均衡表Tab.3 Groundwater balance table in natural condition simulation area

在模型中加入集中开采井相关数据，从2014年6月开始开采，模拟期为10年(2013年6月至2023年6月)，计算得到开采条件下(2023年)的地下水均衡情况(表4)。

5 水均衡计算结果分析

通过水均衡法与数值模拟法计算结果可以看出，两种方法均较好的评价了研究区不同状态下的地下水均衡。两种方法计算结果基本接近，加和平均得到自然与开采条件下各补给、排泄项水量对比表(表5)，分析可知，补给项中，开采条件下侧向径流增加，并且集中开采形成降落漏斗激发了黄河反补研究区地下水；排泄项中蒸发量与排水沟排泄量占比分别由25.74%、45.58%下降到3.59%、17.39%。表明研究区地下水补给方式与排泄途径发生改变，地下水流场也有较大的变化，人类活动(开采条件)对区域地下水环境影响巨大。

表4 开采条件模拟区地下水均衡表Tab.4 Groundwater balance table in simulated area of mining conditions

表5 然与开采条件补给、排泄对比表Tab.5 Comparison of natural and mining condition recharge and excretion

6 结 语

本文同时应用水均衡法与数值模拟法对水源地地下水人工开采前后地下水均衡态进行了计算分析，两种方法互为论证，取得了较好质量的地下水均衡计算结果。

明晰水源地在两种条件下各均衡要素量，有助于决策者更好地了解研究区水资源，为地下水资源的可持续开发利用提供数据支撑。分析了研究区水均衡态的变化情况，为研究区相关部门改进现有水资源配置方案、平衡地下水采补等方面提供一定的参考依据。