青海乌兰盆地地下水资源评价及可开采潜力分析

2021-12-06陈惠娟秦光雄祁泽学

水资源保护 2021年6期

赵振，陈惠娟，秦光雄，祁泽学

(青海省环境地质勘查局青海省环境地质重点实验室，青海西宁 810001)

西北干旱区是我国缺水最为严重的地区之一[1]。年平均降水量很少，饮用水的主要来源是地下水，因此，地下水资源对当地国民经济发展具有重要影响[2]。地下水资源数学模型是对地下水环境和地下水资源变化进行定量研究的常用方法。目前，国内外专家学者已开发出多种地下水资源数学模型，Visual Modflow便是其中应用最为广泛的一种，该模型由Modflow、Modpath和MT 3D等模块构成，采用有限差分法进行计算，具有数据输入及操作过程便捷、计算精度高等特点[3]。

青海省乌兰盆地是典型的西北干旱地区，随着乌兰盆地社会经济的快速发展，对水资源的需求日益增大，已达到以水定产的阶段。该地区的水资源包括少量地表水资源和大量的地下水资源，供水主要依赖地下水资源[4]。乌兰盆地水文地质条件复杂，地下水与地表水之间交换频繁，对该地区的地下水资源进行综合评价，进一步分析其可开采潜力，具有重要的理论意义和实用价值[5-8]。

1 研究区概况

乌兰盆地隶属于青海省海西蒙古族藏族自治州，位于青海省中部，海西蒙古族藏族自治州和柴达木盆地东部。地理坐标为东经97°01′～99°27′、北纬36°19′～37°20′，是柴达木盆地的次级盆地，三面环山，东西走向，东宽西窄，盆地内平坦开阔。气候类型属典型的内陆干旱气候，年平均气温4.0 ℃，年平均降水量215.9 mm，年平均蒸发量1 898.3 mm。都兰河和赛什克河为区内主要河流，都兰河年均流量1.435 m3/s，赛什克河年均流量1.250 m3/s[8]。

乌兰盆地自成一个独立完整的水文地质单元。区内的第四系砂砾卵石及含泥砂砾卵石层沉积厚度巨大，自盆地中心向周边山区逐渐变薄，出山口仅30～50 m，盆地中心松散层厚度大于300 m，且地层岩性颗粒大小亦呈由粗变细，泥质含量逐渐增大，含水层单一的潜水含水层逐渐演变成多层结构的承压-自流含水层。

乌兰盆地地下水主要排泄项有地下水开采、潜水蒸散发和排湖量等，地下水的补给来源主要为大气降水入渗补给、农田灌溉回归补给、地表水渗漏补给、山前暴雨洪流入渗补给和出山口河流潜流量等[9]。流动方向呈现出由盆地周边向中心汇聚，且盆地周边径流速率快，渗透性好，水力坡度大，渗透系数约30～100 m/d，水位埋深一般为30～50 m。中心地下水径流速率较周边缓慢，渗透系数约 2.2～10 m/d，水位埋深一般为1～5 m，局部地区具有承压-自流特征，主要通过地面及湖水蒸发和少量人工开采方式排泄。乌兰盆地地下水富水性分布极不均匀，冲洪积扇中部强于盆地中心，冲洪积扇中部单井计算涌水量可达5 359～8 885 m3/d，而盆地中心单井计算涌水量仅为629.2～728.7 m3/d。地下水水化学类型亦复杂多样，主要为Cl·SO4-Na·Mg·Ca。

2 乌兰盆地地下水资源现状

2.1 地下水补给量

a.大气降水入渗补给量。本文采用日降水数据计算大气降水入渗补给量，在模型中大气降水入渗补给量可用入渗系数法近似估算。采用Surfer V8软件用克里格平面插值方法得到研究区多年平均月降水量等值线图。根据乌兰盆地地貌图，结合不同地貌单元大气降水入渗系数的取值，确定出模拟区大气降水入渗补给系数平面分布(图1)。然后将区内近年每月降水量等值线图与大气降水入渗补给系数α平面分布图进行套合，计算出每个小区域的大气降水补给强度，α=0.10和α=0.13分布面积分别为4.28×108m2和3.17×108m2，有效降水量仅在α=0.13的区域分布，为46.04 mm/a，最终计算出的大气降水入渗补给量为0.52万m3/d。

b.农田灌溉回归补给量。研究区农田灌溉回归补给量包括地表水和地下水灌溉回归补给量，其计算公式为

Q回=β灌Q灌

(1)

图1 大气降水入渗补给系数分区

式中：Q回为农田灌溉回归补给量；β灌为灌溉回渗补给地下水系数；Q灌为地表水或地下水灌溉水量。经计算，研究区农田灌溉回归补给量为5.54万m3/d。

c.河流与洪流渗漏补给量。研究区内主要河流有都兰河和赛什克河，两条河流均补给地下水，根据河流径流量与地下水的补给关系，得出河流对地下水的渗漏补给量约为2.94万m3/d。洪流补给量按照出现洪流的月份分配到年内。

d.侧向径流补给量。根据乌兰盆地水文地质概念模型，研究区南部、北部及东部边界含水层存在地下水侧向径流补给，属二类边界。这些边界流量可通过达西定律[10-11]求得，计算公式为

(2)

式中：Q侧补为边界侧向径流补给量；Kij为各边界渗透系数；Iij为各边界水力坡度；Aij为各边界过水断面面积。

边界处水力坡度及过水断面宽度在研究区地下水等水位线图上量取(图2)，含水层厚度取断面处平均厚度。经计算研究区边界侧向径流补给总量为7.54万m3/d。得到边界侧向径流量的计算结果后，可进一步根据补给边界的位置、边界的长度将这些补给量以井的形式加入模型，并约定补给为正。

图2 地下水侧向径流补给量计算断面

2.2 地下水排泄量

a.地下水开采。地下水开采主要发生在盆地北部，开采主要用于农田灌溉、人畜饮水和工业用水，根据实际调查资料，开采量较小，为1.5万m3/d，以抽水井的形式加入模型中。

b.潜水蒸发。研究区内地下水蒸发量根据阿维扬诺夫斯基公式采用离散化方法进行计算，计算公式为

(3)

式中：Q蒸为潜水蒸发蒸腾排泄量；E为各离散单元大水面蒸发度；Si为第i单元潜水水位埋深；ΔS为潜水蒸发极限深度，根据乌兰县地下水勘察成果，本文ΔS取4 m；Ai为第i单元面积；n为指数，取值为1。

根据收集的乌兰县气象站2006—2013年的气象资料，本次计算所需的日大面积水域蒸发度采用彭曼公式求得，即：

(4)

式中：ET0为应用彭曼公式计算的日大水面蒸发度；Δ为饱和水汽压与温度曲线的斜率；Rn为净辐射；G为土壤热通量；T为2 m高度处的日平均气温；u2为2 m高度处的风速；es为饱和水汽压；ea为实际水汽压；γ为干湿表常数。由此计算的大水面多年平均蒸发度为1 206.1 mm。

根据模拟区的地形等高线及地下水流场，对水位埋深小于4 m的区域进行分区。地下水埋深小于1 m的沼泽湿地，地下水蒸发量为1 206.1 mm/a，面积为18.58 km2；1～4 m的浅埋带，地下水蒸发量为46.19 mm/a，面积为367.79 km2。研究区总地下水蒸发量约为9.37万m3/d。

c.湖水蒸发。研究区内都兰湖、柯柯盐湖、盐湖主要接受冲洪积扇地下水的补给，其次为大气降水和盆地5处较大构造上升泉的补给。2010年9月至2013年12月，湖面面积基本保持稳定，因此，地下水年均排湖量约为年均湖面蒸发量减去年均大气降水的直接补给量以及盆地5处较大构造上升泉的直接入湖补给量。据此求得的地下水湖水蒸发量为6.25万m3/d。

综上，根据补给量总和计算得到乌兰盆地地下水资源量为17.03万m3/d，根据排泄量总和计算得到乌兰盆地地下水资源量为17.11万m3/d，根据断面净流量计算得到乌兰盆地地下水资源量为17.75万m3/d，3个计算结果接近。由于补给量总和计算考虑因素最全面，故本文乌兰盆地地下水水资源量取值为17.03万m3/d。

3 地下水资源数学模型

3.1 水文地质概念模型

根据地下水资源评价原则，本次模拟以整个乌兰盆地作为独立完整的水文地质单元，南以布赫特山为界，北以牦牛山为界，南北宽约15 km，东西宽约 50 km，面积约为755 km2。研究区边界条件充分考虑了自然边界以及地下水循环模式，反映了盆地地下水流的特征，可较好地模拟实际情况[9]。研究区属山间断陷盆地，含水层空间结构具备西北干旱区特有山前冲洪积扇主要特征，具有明显分带。根据水文地质钻探揭露，冲洪积扇后缘，地下水形成单一结构潜水，具有含水层厚度大、岩性颗粒粗、地下水位埋藏深等特点。冲洪积扇中前缘含水层过渡为沙与黏土互层的多层结构，形成多层结构的上层潜水及下层承压水。研究区的地面标高采用数字高程模型表示，运用Mapgis对模拟范围内1∶10 000数字化地形图进行处理，获取研究区含水层空间结构分布[10]。

研究区西部边界是地表水分水岭，垂直于地下水等水位线，可概化为隔水边界；东北部边界几乎垂直于等水位线，可概化为隔水边界；其余边界与地下水等水位线斜交，均接受了侧向的补给，可概化为第二类流量边界；区内湖泊排泄地下水，为了准确估算地下水开采对湖泊面积的影响，因此概化为第三类边界。潜水面是上部边界，大气降水入渗、潜水蒸发等垂向水交换作用发生在该面上，因此概化为潜水面边界[11]。下部边界为基岩，概化为隔水边界(图3)。

图3 水文地质概念模型示意图

3.2 地下水流数学模型

研究区地下水流数学模型采用Visual Modflow模型[12-13]，公式为

(5)

H(x,y,z,t)|t=0=H0(x,y,z) ((x,y,z)∈D)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

式中：D为模拟范围；H为地下水位；K为渗透系数；Ss为储水率；μ为潜水重力给水度；H0(x,y,z)为地下水位初值；β为湖泊三类边界；AB、CD为研究区西部与东北部边界(隔水边界)；AD、BC为研究区南、北边界(流入边界)；q(x,y,z,t)为二类边界单宽流量；n为渗流区边界法线方向；Qi为第i口井抽水量；δi为第i个单元的狄拉克函数。

据研究区含水层和地下水流场特征，将计算区域划分成200 m×250 m的网格，将整个模拟区在平面上从南到北剖解成108×270个网格，含水层分为两层，共有58 320个单元格，时间步长为1 d。识别模型与检验过程遵循以下原则：地下水流场、地下水动态过程、地下水均衡变化的模拟和实际情况基本相同；水文地质参数方面，识别的参数符合现实水文地质条件[14]。

根据2012年12月31日野外调查绘制流场为模型校正依据，流场和观测孔分布见图4，再次利用区域模型进行检验，检验区段为：2012年12月31日至2013年6月30日。模型识别时，采用有限差分法(Modflow软件包)分析数学模型的数值，采用分区法反求参数[15]，即假定每一个参数区都是均质的，把拟定的参数初值代入到有限差分法数值模型当中，计算各个时段各个节点的水位值，接着把计算的水位值与实测值进行比较，不断调试参数值，当二者之间的误差满足要求时，即认定为该假定参数即代表含水层参数[16]。本研究对渗透系数、大气降水入渗补给系数、地下水蒸发量、地表水体(河流、湖泊等)渗漏补给量及地下水开采量的处理方法主要参考文献[17]。

模型的识别及验证的结果主要包括以下3个方面：①地下水动态观测水位；②模拟流场与观测流场(地下水位空间分布采用克里金插值方法)；③模拟计算水量与长期检测水量。拟合过程中主要对模型中的渗透系数、给水度与蒸发强度做调整[18]。图5为代表性观测孔水位计算值与观测值对比，可见计算值拟合曲线与观测值拟合曲线趋势较一致，满足误差精度的要求。图6为模型验证期末时刻地下水水位情况，可见模拟结果正确地反映了地下水的补径排特征。总体来看，所建地下水模型与实际水文地质条件符合程度较高，参数分区较为合理、仿真度较高，能够真实地反映研究区地下水流场变化规律。

(a) 初始水位

(b) 观测孔分布

图5 代表性监测孔水位拟合曲线

3.3 地下水可开采资源量评价

根据上述模型以及当地经济发展规划和用户需求，都兰湖泊面积变化、绿洲带面积和地下水位等约束条件下，制定了相应地下水开采方案。拟建阿木内格沟水源地、赛什克河水源地和都兰河水源地3处C级精度水源地，开采量分别为0.5万m3/d、3.0万m3/d和3.5万m3/d。地下水总可采量为8.5万m3/d时，研究区多年平均水均衡计算结果为：补给项包括河流渗漏3.0万m3/d、河流潜流7.21万m3/d，渠系、田间渗漏5.58万m3/d、山区洪流量0.71万m3/d、大气降水量0.65万m3/d；排泄项包括地下水蒸发量4.91万m3/d、湖水排泄3.75万m3/d。补排均衡差为-0.01万m3/d。模型计算末时刻(20年后)地下水流场模拟见图7，开采区降深分布见图8。可见，乌兰盆地地下水允许开采量为8.5万m3/d的条件下，水源地的开采井群最大降深分别为7 m、5 m和1 m，都兰湖和湿地沼泽退化面积百分数分别为40%和45.3%。井群地下水位降深和湖泊湿地面积减少量基本符合该区地下水可持续开发利用的生态约束条件，该开采方案是合理的。

图6 模型验证期末时刻地下水水位模拟结果

图7 开采20年后地下水等水位线

图8 开采20年后地下水水位降深

4 地下水可开采潜力分析

开展乌兰盆地地下水可开采潜力分析，对乌兰循环经济区社会经济发展和水资源优化配置利用具有重要意义[19-20]。乌兰盆地地下水可开采潜力分析，是在乌兰盆地地下水资源评价的基础上进一步评价，主要依据自然资源部发布DZ/T 0282-2015《水文地质调查规范(1∶50 000)》进行[21]，地下水可开采潜力和开采程度计算公式为

Q潜=Q可-Q开

(11)

ν=Q开/Q可

(12)

式中：Q潜为被评价区域地下水可开采潜力；Q可为被评价区域地下水可开采资源量；Q开为被评价区域地下水实际开采量；ν为被评价区域地下水开采系数，小于0.4即为开采程度低。

目前，乌兰盆地开采量为1.5万m3/d，乌兰盆地地下水可开采资源量为8.5万m3/d，研究区地下水可开采潜力计算结果为：平水年时，Q潜为 7.0万m3/d，ν为0.176，小于0.4，说明乌兰盆地现在条件下，乌兰盆地地下水开采程度低，开采潜力巨大。

根据评价结果，拟建水源地可开采量为 8.5万m3/d，主要来自袭夺46.4%的潜水无效蒸发量和41.3%的排湖量。在该方案实施下，都兰湖面积退化了13.46 km2，约为湖泊总面积的40%，沼泽湿地面积退化了8.42 km2，约为沼泽湿地总面积的45.3%，基本能够维持湖泊及湿地周围生态环境的良性循环。而对于冲洪积平原前缘盐渍土的改良、抑制下游沼泽区树木、草场及农作物渍害有一定的正效应。拟建水源地开采对环境的影响程度在可调节的良性范围之内，不会产生危害性的地质灾害现象。