基于GMS的巴彦淖尔市临河区地下水流场预报

李元杰 姜新慧 陈军 杨志岩 王贵玲 丁慧君

摘要：在查明内蒙古巴彦淖尔市临河区水文地质条件、地下水开发及引发的环境地质问题的基础上，用均衡法及数值模拟法进行地下水资源量计算。根据当地水资源开发利用方案，利用模型进行研究区2013年-2033年地下水流场演化模拟，结果表明该方案下研究区地下水降落漏斗不再继续扩大，地下水位有所回升，对该区水资源管理有指导意义。

关键词：巴彦淖尔市临河区；地下水资源；开发利用；地下水漏斗；水均衡法；数值模拟

中图分类号：P641 文献标志码：A 文章编号：1672-1683（2016）04-0036-06

Abstract：After the identification of the hydrogeological conditions and the environmental geological problems caused by groundwater exploitation，the water-balance and numerical simulation methods were used to evaluate the amount of groundwater in Linhe district of Bayan Nur City，Inner Mongolia.A model was utilized to simulate the change of groundwater flow field in the study area from 2013 to 2033 according to the local water resources exploration.and utility scenario.and the results showed that the groundwater drawdown funnel will cease to expand and the groundwater level will rise.This provides a meaningful guidance for the water resources management in the study area.

Key words：Linhe district of Bayan Nur City；groundwater resources；development and utilization；groundwater funnel；water-balance method；numerical simulation

随着经济社会发展和全球环境变化，我国水短缺、水污染、水生态、水灾害、水管理5个问题复杂交叉，已成为我国可持续发展的主要瓶颈[1-4]。正确处理有限的水资源与经济发展、生态-环境保护之间的矛盾已成为重要和紧迫的国家战略要求，其关键在于科学的水资源管理[5-7]。目前的管理模式多基于“三条红线”、生态环境综合治理、地表水与地下水联合调度和流域水资源集成管理[8]。运用先进的地下水模拟软件，建立地下水流数值模型，预测各种条件下地下水流场变化，已成为区域地下水管理的有效方法[9-12]。本文运用GMS软件，对现状条件下巴彦淖尔市临河区地下水资源进行数值模拟，根据当地水资源开发利用方案，进行地下水流场预报，为该区水资源管理提供依据。

1 研究区概况

1.1 自然地理概况

内蒙古自治区巴彦淖尔市临河区面积约1 400 km²，主体地貌为黄河冲湖积平原，地势平坦开阔，地面高程在1 034～1 044 m，微向东北倾斜，地形自然坡度0.15‰～0.18‰。本区属中温带干旱—半干旱大陆性气候，多年平均降水量149.04 mm，多集中在7月-9月，多年平均蒸发量为2 183 mm，主要集中在4月-8月。黄河是唯一的长年地表水流，自西向东沿研究区南部边缘流过。

1.2 水文地质条件

研究区位于河套断陷盆地临河凹陷区的南部边缘，河套断陷盆地沉积了厚度较大的第四系沉积物，主要有更新统冲、洪积物以及全新统湖积物、风积物。研究区属于双层结构含水层，上部为浅层潜水-微承压含水层，上更新统至全新统，岩性以冲湖积砾砂、中粗砂、中细砂、细粉砂为主；下部为承压含水层，中更新统下段，岩性为细砂、粉细砂。下部承压水埋藏深，一般在300～500 m以下，且其水质差（矿化度大于3～5 g/L）、水量小，开采条件差[13-15]，因此本次工作只研究上部潜水-微承压水含水层（见图1）。

1.3 地下水开采引发的环境地质问题

研究区位于河套平原黄灌区，农业灌溉以引黄水为主，部分农业用水、生活用水及工业生产用水主要依靠开采地下水。随着城镇化建设和工业的发展，对地下水的开采强度逐年加大，引发的环境地质问题主要是地下水降落漏斗的不断扩大。根据收集的巴彦淖尔市临河区1982年、1989年、1998年、2004年4个时期的等水位线、降深图，以及2013年进行的该区地下水位统测资料，得出不同时期降落漏斗中心点坐标，漏斗中心水位标高、漏斗面积等参数（表1）地下水位降落漏斗发展变化图及剖面图（图2）。

通过对临河区城市发展进程的了解及对图2的分析，城区降落漏斗的形成与发展大致经历了以下三个时期。

第一时期：20世纪70年代末漏斗形成初期。即在城区第一个水源地勘查之前，地下水位受城区广泛分布的手压井和企业自备井开采影响，开采量约219.28万m³/a。

第二时期：中心水位稳定，漏斗面积扩大期。随着城市规模的不断扩大，漏斗中心向东北方向（开发区）偏移，分布面积76.0 km²，水位降幅变化不明显，主要受第一水源地及城区企业自备井开采影响，开采量为515.17万m³/a。

第三时期：中心水位下降，漏斗面积扩大期。至2013年，漏斗面积达153.72 km²，中心水位标高1 032.49 m。地下水位受第一、第二水源地，城区、开发区企业自备井开采影响，开采量为2 023.35万m³/a。

降落漏斗演化期的分界点是随着经济发展和城市集中水源地的建设而出现的，1982年-1998年漏斗中心大致处于相同区域，啤酒厂和一水厂（王明圪旦供水水源地）是该区地下水的主要开采点，城区居民院内有部分手压井。2004年随着巴彦淖尔市“十一五”工业项目规划的实施，东部开发区一批企业配备自备井大量开采地下水，降落漏斗向东北方向偏移。2008年后随着城市建设的不断拓展，一水厂停采，沿永济渠布设新的水源井，漏斗范围扩大，中心转移至城区西南部。

2 地下水数值模型的建立

2.1 均衡分析

在模型建立之前先用水均衡法进行研究区水资源量计算，以便检验模拟结果的准确性、客观性。均衡方程见式（1），即任一均衡区任一时段的补给量和排泄量之差等于孔隙水体积的变化量。

均衡区面积约为1 400 km²，按照地下水系统将其划分为永济灌域和黄河漫滩两部分。本次计算选取一个水文年（2012年5月-2013年5月）作为均衡期。依托在巴彦淖尔市杭锦后旗建立的包气带水盐运移试验场[16]，通过长期试验观测，获取降水入渗系数、蒸发系数及灌溉入渗系数；通过抽水试验、土工试验等，确定含水层的渗透系数及给水度。均衡区内地下水资源计算结果见表2。

研究区均衡期降水量为近20年最高值，为丰水年，地下水总补给量为31 041.29万m³/a，其中引黄田间灌溉入渗量占总补给量的39%，为主要补给项，渠道入渗量、大气降水入渗量分别占总补给量的29%、28%。排干排泄量、潜水蒸发和地下水开采是该均衡区的主要排泄项，排干排泄量潜水蒸发、地下水开采分别占总排泄量的41%、31%、24%。均衡期地下水处于正均衡状态，均衡差为901.05万 m³/a。

依据长观井水位变幅数据和含水层厚度，采用泰森多边形分区计算得出地下水储存变化量为931.6万m³/a，与均衡期补排差进行比较，相对误差为3.35%，本次均衡计算的结果较为合理。

2.2 数值模拟

自20世纪70年代末，数值模拟逐渐成为地下水资源评价与管理的主要方法之一[17]。根据研究区的水文地质条件将南部的黄河概化为定水头边界，其余为流量边界；潜水面为上边界，下部的淤泥质粘土为隔水底部边界，将地下水流系统概化为非均质、各向同性、空间三维、非稳定流系统，用如下微分方程的定解问题来描述：

本次模拟期为2012年5月1日至2013年4月30日，以2012年5月1日统测水位为模型的初始流场，每月为一个应力期，时间步长为1 d。各流量边界的水力梯度，依据研究区地下水动态监测资料按时段赋值，大气降水入渗补给、蒸发排泄源汇项依据临河气象站提供的资料，分区分时段赋值。

调用GMS地下水数值模拟计算模块，不断调整参数及源汇项，得到模拟期末的地下水流场，同时选取研究区内的观测孔在模拟期的水位动态资料进行拟合，使模型计算值逼近观测值，从而确定模型各分区的水文地质参数，最终得出研究区地下水系统水量均衡结果（见表3），流场模拟结果及监测孔拟合情况（见图3）。

由此可见，研究区在模拟期内的水量补排基本平衡，计算流场基本上反映了地下水流动的趋势和规律。各观测孔在各个时段的计算水位与观测水位拟合程度较好，拟合差小于0.5 m，说明含水层结构、边界条件概化、水文地质参数及源汇项的选取是合理的，建立的数值模型较为真实地刻画了研究区地下水系统的特征，仿真性强，可利用该模型进行地下水流场预报。

3 地下水流场预报

根据巴彦淖尔市临河区的水资源开发利用方案，本次模拟预报时段分为2013年5月-2018年5月、2018年5月-2023年5月、2023年5月-2033年5月。以2013年5月流场作为初始流场，预报模型的结构参数、水文地质参数均采用识别后的参数，源汇项及参数的确定如下。

补给项中降水入渗、黄河侧渗、地下水侧向流入和井灌回归量按照多年平均值给定。2012年5月自治区启动四个千万亩节水灌溉工程，逐步开展节水改造工作，预测2018年、2023年、2033年灌溉水有效利用系数将由41%分别提升至43.5%、46%、50%；渠系水有效利用率由48%提升至52%、56%、62%。预报期间引黄田间入渗量、渠道入渗量的确定以多年平均值为基础值，按照相应的系数进行调整。

排泄项中潜水蒸发、湖泊、海子蒸发和侧向排泄按多年平均值给定。预报期间，规划运行黄河水厂引水工程满足城区生活及企业用水需求，2013年5月起封闭企事业自备井，预测2018年自备井全部关停，2023年部分水源井可压减现有开采量的一半，2033年原有的水源井全部关停，地下水仅选择水质较好的地段进行开采。预报期间地下水开采量为多年平均开采量减去压采量；排干年均泄水量=多年排干泄水量平均值×（补给项多年平均值-预报期内年均补给项值）÷补给项多年平均值。

依据以上源汇项资料以及参数序列，进行地下水流场模拟，模拟结果见表4、图4。

由图4可见2013年-2023年地下水水位呈缓慢回升趋势，市中心的水位标高为1 033 m的等水位线所封闭的漏斗中心面积呈逐渐缩小的趋势；2023年-2033年，降落漏斗面积呈继续缩小的趋势，地下水流场整体没有发生大的变化。

由此可见，研究区水资源开发利用方案中的提高灌溉水利用系数和封停自备井等措施可以保证研究区地下水降落漏斗不再继续扩大，地下水位略有回升，地下水流场不发生较大变化，模拟结果比较理想。采用该方案研究区地下水资源的供需矛盾将有所缓解，若要显著改善当地水资源问题，保证地下水资源的可持续利用，还应积极调整区内产业结构及布局，提高废、污水处理率及用水效率，引进先进的节水灌溉技术[18-20]，加强地表水与地下水优化配置利用研究，积极摸索水资源高效管理的方式。

4 结论

（1）分别采用数值法和水均衡法对研究区地下水资源量进行计算，两种方法较好地评价了研究区的地下水资源状况，模拟期内该区浅层地下水总补给量为3.12亿m³/a，总排泄量为3.02亿m³/a，补排差为0.09亿m³/a，总体处于正均衡状态。

（2）通过对比模拟水位与观测水位，二者拟合程度良好，说明含水层结构、边界条件概化、水文地质参数及源汇项的选取是合理的，可利用该模型进行地下水流场预报。

（3）根据当地水资源开发利用方案，利用数值模型进行地下水流场预报，结果显示，在提高灌溉水利用系数和封停自备井情况下，2018年-2033年该区地下水降落漏斗中心面积呈逐渐缩小的趋势，地下水位略有回升，若要显著改善当地水资源问题，还应积极探索水资源高效管理的方式。

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