乃門莫敦水源地?cái)?shù)值報(bào)告

前言項(xiàng)目概況焉耆盆地開都河北岸地下水開發(fā)利用工程位于巴州焉耆盆地開都河北岸，作為向塔里木河下游輸水，改善塔里木河下游生態(tài)環(huán)境的重要工程，規(guī)劃每年在北岸開采地下水1.42億m3。在《焉耆盆地開都河北岸地下水開發(fā)利用工程可行性研究報(bào)告》中，規(guī)劃布井321眼，由于工程規(guī)劃布井較多，分布較廣，涉及項(xiàng)目行政區(qū)較多，因此按集中連片區(qū)域和行政區(qū)相結(jié)合，將整個(gè)北岸地下水開發(fā)項(xiàng)目區(qū)分為八個(gè)子項(xiàng)目區(qū)。乃門莫敦水源地是《焉耆盆地開都河北岸地下水開發(fā)利用工程》的一個(gè)子項(xiàng)目區(qū)，乃門莫敦水源地位于和靜縣境內(nèi)中部的乃門莫敦鄉(xiāng)，地理坐標(biāo)為86°27′～86°34′，北緯42°15′～42°13′。根據(jù)《焉耆盆地開都河北岸地下水開發(fā)區(qū)可行性研究報(bào)告》，乃門莫墩項(xiàng)目區(qū)灌溉面積為6.43萬畝，設(shè)計(jì)開采地下水1337.17萬m3，置換1905.66萬m3，規(guī)劃布開采井35眼，監(jiān)測(cè)井3眼（井深60m）。機(jī)井主要布置在水文地質(zhì)分區(qū)的Ⅰ3-1區(qū)、Ⅰ3-2區(qū)，設(shè)計(jì)單井出水量140m3/h，機(jī)井工作天數(shù)為150天，日開機(jī)時(shí)間為18～19h。開采方案為：實(shí)施全年開采地下水與地表水聯(lián)合灌溉，即4～10月盡量開采利用地下水就地灌溉2009年2月23日，《塔里木河流域近期綜合治理項(xiàng)目焉耆盆地開都河北岸水源地工程可行性研究報(bào)告》通過了黃河水利委員會(huì)的評(píng)審。其中，對(duì)乃門莫敦水源地工程的評(píng)審意見主要是焉耆盆地北岸地下水開發(fā)區(qū)為單一水文地質(zhì)單元，乃門莫敦鄉(xiāng)水源地為焉耆盆地北岸地下水開發(fā)區(qū)的一部分，水文地質(zhì)條件相近，依據(jù)本工程規(guī)劃布井條件，采用數(shù)值模擬方法確定本水源地工程區(qū)地下水開采量為1337.17萬m3/a是合適的，該水源地工程區(qū)相應(yīng)少引地表水1905.66萬m3/a。對(duì)乃門莫敦水源地工程的評(píng)審建議是：（1）、下階段及實(shí)施過程中應(yīng)加強(qiáng)地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與分析工作；（2）、下階段進(jìn)一步復(fù)核地下水可開采量；（3）、下一階段應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化井群布置方案，復(fù)核機(jī)井?dāng)?shù)量。為加快本工程盡早施實(shí)，可研評(píng)審?fù)ㄟ^后，塔里木河流域管理局、巴州水利局決定立即開展本工程初步設(shè)計(jì)階段的工作。2009年3月初，受巴州開都河第二分水樞紐及北岸地下水開發(fā)工程建管處委托，新疆綠水水資源科技服務(wù)有限責(zé)任公司承擔(dān)開都河北岸地下水開發(fā)工程初步設(shè)計(jì)階段的地下水?dāng)?shù)值模擬工作。按照有關(guān)規(guī)范和合同要求編制完成了《焉耆盆地開都河北岸水源地地下水?dāng)?shù)值模擬報(bào)告》（初步設(shè)計(jì)階段），同時(shí)提交8個(gè)子項(xiàng)目單獨(dú)的地下水?dāng)?shù)值模型報(bào)告，本報(bào)告是其中之一。工作目的與任務(wù)本工程建立地下水?dāng)?shù)值模型的主要目的是：（1）評(píng)價(jià)乃門莫敦水源地地下水補(bǔ)給量，確定可開采量；（2）根據(jù)初步設(shè)計(jì)開采方案，預(yù)測(cè)開采條件下的地下水位、水量可能發(fā)生的變化，為機(jī)井優(yōu)化設(shè)計(jì)提供建議。本階段數(shù)值模型是在可研階段數(shù)值模型基礎(chǔ)上，根據(jù)初步設(shè)計(jì)階段水源地水文地質(zhì)勘察成果，對(duì)模型加以細(xì)化，使其滿足水源地初步設(shè)計(jì)階段的精度要求。其主要任務(wù)：（1）根據(jù)最近幾年新的水文地質(zhì)勘探資料和地下水位動(dòng)態(tài)觀測(cè)資料，對(duì)模型參數(shù)進(jìn)一步率定；（2）根據(jù)本階段地下水資源評(píng)價(jià)精度要求，對(duì)地下水各補(bǔ)排項(xiàng)進(jìn)行重新校核計(jì)算；（3）按照已確定的開采方案，預(yù)測(cè)開采后的地下水可開采量、地下水流場(chǎng)和開采井干擾水位降深，并為水源地開采井技術(shù)設(shè)計(jì)和選配水泵提供可靠的依據(jù)。工作的主要依據(jù)依據(jù)的規(guī)范主要有：（1）《供水水文地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50027—2001）；（2）《水資源評(píng)價(jià)導(dǎo)則》（SL/T238—1999，中華人民共和國水利部）；（3）《機(jī)井技術(shù)規(guī)范》（SL256—2000，中華人民共和國水利部）。本階段數(shù)值模型主要參考和借鑒了以下資料：（1）2002－2003年，自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院地質(zhì)勘察研究所《開都河北岸地下水開發(fā)利用工程水文地質(zhì)勘察報(bào)告》；（2）2002年2月，新疆綠水水資源科技服務(wù)有限責(zé)任公司《焉耆盆地開都河北岸水源地地下水?dāng)?shù)值模型報(bào)告》（可行性研究階段）；（3）2002－2003年，巴州水利水電設(shè)計(jì)院《塔里木河流域近期綜合治理項(xiàng)目焉耆盆地開都河北岸水源地工程可行性研究報(bào)告》；（4）2008年，新疆綠水水資源科技服務(wù)有限責(zé)任公司《焉耆縣地下水開發(fā)利用規(guī)劃報(bào)告》；（5）2009年2月23日，黃河水利委員會(huì)，乃門莫敦地下水開發(fā)利用工程可行性研究報(bào)告審查意見。水文地質(zhì)條件地下水的賦存與分布乃門莫敦水源地開采區(qū)分布于開都河～黃水溝沖積平原，該區(qū)屬潛水～承壓水中等富水區(qū)，地層以粉質(zhì)粘土、粉土、砂礫石、中砂、細(xì)砂構(gòu)成多層結(jié)構(gòu)，含水層厚度32～43m，滲透系數(shù)6～20m/d左右，單位涌水量3～7L/s.m，水化學(xué)類型主要為HCO3·SO4型、Cl·SO4型。礦化度0.2～0.9L/g，表層潛水礦化度1～3g/L，局部3～10g/L。通過探采結(jié)合井揭露及機(jī)井資料反映，項(xiàng)目區(qū)含水層性質(zhì)和分布大體上可分為：(1)卵礫石層，其厚度為10～30m，巖性以卵石為主，夾有漂礫、砂礫石等，粒徑5～20cm、20～40cm(2)砂礫石層，分布范圍大，整個(gè)項(xiàng)目區(qū)均有該層出現(xiàn)。根據(jù)開都河沖積平原中部885鉆孔揭露，14.30～46.0m為礫砂，結(jié)構(gòu)松散，粒徑2～15cm，含量占15%左右；而根據(jù)KD1孔揭露，100m深度內(nèi)0～15m為砂礫，粒徑一般2～5(3)粗砂層，厚度小，根據(jù)探采結(jié)合井中厚度約有8m(4)隔水層，根據(jù)KS11勘探孔資料：孔深70m，地層巖性經(jīng)取樣結(jié)果：0～11.0m為粉質(zhì)粘土夾薄層粉砂；11.0～61.0m為粉土、粉質(zhì)粘土互層；61.0～63.0m細(xì)砂層；63.0～65.0m粉質(zhì)粘土；65.0～68乃門莫敦開采區(qū)位于開都河～黃水溝沖積平原，地下水埋藏較淺，含水層厚度大，巖性顆粒粗，富水性強(qiáng)（3000～5000m3/d），水質(zhì)優(yōu)良，地下水類型為單一潛水和多層結(jié)構(gòu)潛水～承壓水，降深5m單井出水量大于3000m3地下水系統(tǒng)的補(bǔ)給、徑流與排泄乃門莫敦水源位于開都河沖積平原區(qū)中下部，地下水主要接受東北部邊界地下水側(cè)向流入補(bǔ)給、區(qū)內(nèi)渠道滲漏和田間灌溉水的入滲補(bǔ)給，大氣降水入滲補(bǔ)給微弱；地下水的排泄主要是潛水蒸發(fā)、排堿渠排水、向下游側(cè)向水平徑流排泄、人工開采量不大。由于含水層顆粒粗大，地下水徑流條件較好。地下水系統(tǒng)水化學(xué)特征乃門莫敦水源地含水層顆料較粗，地下水徑流條件較好，又受開都河、黃水溝地表徑流補(bǔ)給作用強(qiáng)烈，地下水水化學(xué)特征與河水類型基本一致，主要為HCO3·SO4－Ca（Mg）型水，地下水礦化度小于0.50-0.54g/l，水質(zhì)良好。地下水系統(tǒng)水位動(dòng)態(tài)特征乃門莫敦水源地范圍內(nèi)，GW8井地下水位埋深歷時(shí)曲線見圖2-1。從曲線中可知：年平均水位埋深11.07m。最低水位期4月23日，埋深13.65m，高水位期3月7日，埋深圖STYLEREF1\s2SEQ圖\*ARABIC\s11GW8地下水埋深動(dòng)態(tài)曲線圖地下水?dāng)?shù)值模型根據(jù)乃門莫敦水源地的水文地質(zhì)條件，對(duì)水源地開采區(qū)進(jìn)行了參數(shù)分區(qū)與補(bǔ)、排量賦值細(xì)化。然后，對(duì)乃門莫敦水源地分區(qū)范圍內(nèi)的水資源量進(jìn)行了計(jì)算，再結(jié)合開采方案，對(duì)乃門莫敦水源地范圍內(nèi)的地下水流場(chǎng)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。模型的研究范圍開都河北岸水源地?cái)?shù)值模型的研究范圍為水文地質(zhì)單元分區(qū)的I3區(qū)，包括八個(gè)開采區(qū)及北部外圍區(qū)，總面積為987.5km2，見REF_Ref199765854\h圖31乃門莫敦水源地研究范圍基本以乃門莫敦鄉(xiāng)行政界線為界。北部到與223團(tuán)的界線、西以南疆鐵路為界，南邊以黃水溝為界，東部與24團(tuán)相鄰。機(jī)井主要布置在西北部富水性較好的地段，模型計(jì)算區(qū)面積62.0km2，見REF_Ref194558394\h圖32圖STYLEREF1\s3SEQ圖\*ARABIC\s11 焉耆盆地北岸水源地水源地?cái)?shù)值模型范圍圖STYLEREF1\s3SEQ圖\*ARABIC\s12焉耆盆地乃門莫敦水源地?cái)?shù)值模型計(jì)算范圍PAGEPAGE37圖33 潛水初始水位線及位置示意圖圖34 初步參數(shù)選用鉆孔位置示意圖含水層的概化模擬區(qū)內(nèi)含水層主要為第四系松散沉積物，從山前到盆地，由單一結(jié)構(gòu)潛水含水層過渡到多層結(jié)構(gòu)潛水-承壓含水層。潛水含水層巖性為巨厚的卵礫石層和砂礫石層，砂礫石粒徑從山前向博斯騰湖方向由粗變細(xì)；多層結(jié)構(gòu)潛水-承壓含水層巖性為砂礫石與亞粘土、亞砂土互層，含水層分布比較復(fù)雜，沖洪積層相互疊加，含水層和弱透水層發(fā)育不完整。根據(jù)含水層空間結(jié)構(gòu)特征，在水平方向上通過參數(shù)變化來概化含水層，從山前到盆地邊緣，滲透系數(shù)和給水度等參數(shù)由大到小。根據(jù)生產(chǎn)井深度，模擬深度定為100-120m，在垂直剖面上，將模擬深度以上的含水介質(zhì)概化為四層：第一層為潛水含層，層厚10-20m；第二層為微承壓含水層，層厚30-40m；第三層為相對(duì)隔水層，層厚30-40m；第四層為40-60m。第二層和第四層是本次地下水主要開采目的層。將博斯騰湖看成等勢(shì)體，在模型中處理為已知變水頭邊界，其水頭值據(jù)湖水位觀測(cè)值分時(shí)段賦值。水庫入滲依據(jù)模型范圍內(nèi)的地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，對(duì)概念模型可概化如圖3-5水庫入滲河道渠道降雨泉水蒸發(fā)排水抽水河道渠道降雨泉水蒸發(fā)排水抽水灌溉灌溉潛水區(qū)側(cè)向補(bǔ)給潛水區(qū)側(cè)向補(bǔ)給微承壓水側(cè)向排泄微承壓水側(cè)向排泄弱透水層弱透水層圖35 評(píng)價(jià)區(qū)地下水開發(fā)利用數(shù)值模型概化圖數(shù)值模型的建立根據(jù)含水層埋藏分布、巖性及水流特征，模型區(qū)數(shù)學(xué)模型選用二元結(jié)構(gòu)三維非穩(wěn)定流數(shù)值模型，引用地下水流動(dòng)模型（ProcessingModflow），其具體數(shù)學(xué)模型表達(dá)式、計(jì)算方法詳述如下。數(shù)學(xué)模型所建立的四層非均質(zhì)三維非穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型可表示為：對(duì)于潛水：（3-1）對(duì)于承壓水：（3-2）式中，Kxx、Kyy和Kzz分別為X、Y和Z方向的滲透系數(shù)[L/T]，Kxx=Kyy；H0、H1分別為潛水、承壓水水頭值[L]；M是承壓含水層厚度，h為潛水含水層的水位；ε為源匯項(xiàng)[L/T]；S為給水度[-]，第一層取重力給水度μd，其它各層則為彈性釋水系數(shù)μe；Ω為模擬范圍；n為邊界面的外法線方向；Γ為側(cè)邊界；B為底邊界；Lake為博斯騰湖范圍，HLake為博斯騰湖水位。對(duì)上述地下水流數(shù)學(xué)模型，采用正交網(wǎng)格三維有限差分?jǐn)?shù)值方法求解。為保證計(jì)算結(jié)果的收斂性，采用交替方向隱式差分格式，利用預(yù)處理共軛梯度法（PCG）求解差分方程。采用基于美國地調(diào)局（USGS）三維地下水流模擬程序的ProcessingMODFLOW進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。初始條件模型研究區(qū)地下水位初始條件，以1999年8月水文地質(zhì)調(diào)查點(diǎn)資料，繪制潛水等水位線圖（見潛水初始流場(chǎng)圖3-3），利用MODFLOW自帶的插值模塊FieldInterpolator，對(duì)每一個(gè)單元賦初始水頭值。利用2000年評(píng)價(jià)區(qū)地下水動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)擬合，用2001年的觀測(cè)資料以及2002年水文地質(zhì)測(cè)繪水點(diǎn)資料來驗(yàn)證模型，以此確保模型具有較高的仿真性。（1）據(jù)鉆孔巖性資料和抽水試驗(yàn)結(jié)果，采用Kriging空間插值方法確定水文地質(zhì)參數(shù)的初始值。然后利用Kriging插值法粗略估計(jì)第一層各單元的初始水頭；假定各層初始水頭分布相同，對(duì)各層中同一平面位置的單元賦相同的初始水頭值。（2）將觀測(cè)孔作為一類邊界點(diǎn)，各觀測(cè)孔每個(gè)時(shí)間步長的水頭值固定為1999年8月（即未來模型識(shí)別初始時(shí)刻）的實(shí)測(cè)值，取水文地質(zhì)參數(shù)初始估計(jì)值、已知的大氣降水量、蒸發(fā)量及河流、水庫、渠系的滲漏量、田間灌溉入滲補(bǔ)給量以及地下水開采量等輸入模型，計(jì)算1年后各結(jié)點(diǎn)的水頭值。重復(fù)運(yùn)算多次，得到一組水頭分布。（3）撤消擬合時(shí)觀測(cè)孔所在的一類邊界點(diǎn)，以步驟（2）獲得的水頭分布作為初始條件，輸入模型識(shí)別時(shí)段的全部輸入量（大氣降水量、蒸發(fā)量及河流、水庫、渠系的滲漏量、田間灌溉入滲補(bǔ)給量以及地下水開采量等）啟動(dòng)模型，采用常規(guī)優(yōu)選法初步求取水文地質(zhì)參數(shù)。（4）返回步驟（2），但此時(shí)采用經(jīng)過初步識(shí)別的水文地質(zhì)參數(shù)代替“初始估計(jì)值”。依此多次循環(huán)（迭代），當(dāng)擬合達(dá)到一定程度之后，必須全面地檢驗(yàn)?zāi)Ｐ褪欠穹匣疽?guī)律，否則要重新調(diào)整，直至滿足要求。見圖3-6。開始開始研究問題的確定水文地質(zhì)概念模型模擬邊界的確定和邊界條件數(shù)學(xué)模型以1999年8月水位作為初始水位，并將觀測(cè)孔單元定為已知水頭邊界。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定各月、各分區(qū)的滲透系數(shù)、灌溉入滲和渠系入滲、蒸發(fā)量等參數(shù)的初始值，并利用GHB模塊初步確定邊界流量。模擬滲流場(chǎng)與實(shí)測(cè)滲流場(chǎng)符合程度，是否滿意？取消觀測(cè)孔位置單元的水頭限制，以第366天的計(jì)算水位作為模型率定的初始水位確定相關(guān)參數(shù)分區(qū)，確定各待識(shí)別參數(shù)的取值范圍利用試估—校正法調(diào)整參數(shù)，按照優(yōu)選法確定參數(shù)各觀測(cè)孔水位與觀測(cè)孔是否符合？初步確定參數(shù)總體模型驗(yàn)證是否合理？最終確定參數(shù)結(jié)束是否初步修正參數(shù)運(yùn)行模型12個(gè)月，讀取第366天的水頭否是是確定預(yù)測(cè)方案預(yù)測(cè)否圖36 地下水?dāng)?shù)值模擬流程圖邊界條件將底邊界處理為隔水邊界；上邊界作為開放邊界，考慮入滲、蒸發(fā)、人工開采和排水，分別用ProcessingModflow中的Recharge（面狀補(bǔ)給）、River（河流）、Evapotranspiration（蒸發(fā)）、Well（水井）和Drain（排水）程序包來處理；將側(cè)邊界條件概化為定流量邊界，利用ProcessingModflow中的GHB（通用水頭邊界）計(jì)算出邊界流量，然后根據(jù)邊界附近的觀測(cè)井的水位動(dòng)態(tài)按時(shí)段調(diào)整邊界流量。依據(jù)前面所述，將邊界條件概化如下：AB、BC、CD、GFEA邊界為第二類補(bǔ)給流量邊界(以月為單位的定流量)；AH為開都河，根據(jù)地下水位與河水位關(guān)系確定地下水與河水的補(bǔ)排關(guān)系；空間離散采用等間距有限差分的離散方法，在地下水模型采用自動(dòng)剖分，根據(jù)地下水位變化和規(guī)劃井可能的布局，先將含水層劃分為4層，再將每層離散為178行、253列。差分網(wǎng)格為1000m×1000m，1000m×500m，500m×1000m，500m×500m，250m×250m。乃門莫敦水源地網(wǎng)格間距250m×250m，單元面積0.0625km2，模型計(jì)算區(qū)有效單元數(shù)為時(shí)間離散本次模擬以1999年8月調(diào)查水位作為初始地下水位。根據(jù)地下水位的觀測(cè)時(shí)間，模擬時(shí)段以月為單位，將模型調(diào)試與參數(shù)率定過程以及模型驗(yàn)證過程的三年分成36個(gè)時(shí)段，利用近年平均的水均衡計(jì)算結(jié)果（2000年~2001年）和2000年1月到2002年12月的地下水觀測(cè)資料對(duì)模型和水文地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行識(shí)別。地下水模型中數(shù)據(jù)選用（1）從1∶1萬的比例尺的地形圖和潛水埋深等值線圖（1999年8月）上獲取各觀測(cè)孔的地下水埋深、地下水位、地面高程數(shù)據(jù)，然后利用MODFLOW自帶的插值模塊FieldInterpolator確定各個(gè)單元的地下水位、地面高程值。（2）利用已有抽水資料計(jì)算滲透系數(shù)和給水度，結(jié)合不同巖性的經(jīng)驗(yàn)值，確定不同巖性的水平、垂向滲透系數(shù)和給水度。根據(jù)巖性的空間分布規(guī)律，利用滲流等效原理和克里格插值方法確定各單元滲透系數(shù)和給水度。第一含水層為潛水，取重力給水度值；其余各層取儲(chǔ)水系數(shù)，根據(jù)抽水試驗(yàn)資料和經(jīng)驗(yàn)值，分別賦初值（初始參數(shù)取用地質(zhì)勘察報(bào)告試驗(yàn)結(jié)果）。（3）乃門莫敦鄉(xiāng)現(xiàn)狀引入地表水0.1632×108m3/a，區(qū)內(nèi)灌溉面積4.96（4）乃門莫敦鄉(xiāng)現(xiàn)狀地下水開采用于農(nóng)業(yè)和城鎮(zhèn)生活工業(yè)用水量，年開采量約92×104（5）潛水蒸發(fā)量引用葉爾羌河流域水均衡試驗(yàn)站資料，其經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式如下∶①輕壤土：E=Eo×e-1.0H；②粉細(xì)砂土：E=Eo×e-.9H其中，Eo為水面蒸發(fā)量（mm/d）；土壤極限埋深取4m。（6）地下水入滲補(bǔ)給量按不同灌區(qū)，依據(jù)各灌區(qū)的渠系利用系數(shù)、田間利用系數(shù)等計(jì)算單位面積地下水入滲補(bǔ)給量。（7）河流采用River程序包進(jìn)行模擬。根據(jù)1988年兵團(tuán)設(shè)計(jì)院地質(zhì)勘察分院做的《河、渠水與地下水補(bǔ)排關(guān)系剖面圖冊(cè)》、本次水文地質(zhì)測(cè)繪和世行水鹽監(jiān)測(cè)取得的開都河與地下水補(bǔ)排關(guān)系資料，確定不同位置的河床深度及河流水位與地下水的補(bǔ)排關(guān)系，并根據(jù)河水流量的變化確定不同時(shí)段的河水位。區(qū)內(nèi)常年性河流主要有開都河、黃水溝，其中開都河徑流量大，河面寬，與地下水聯(lián)系密切，而且開都河為非完整河（河床沒有切穿整個(gè)含水層），其與地下水的交換面為河床的整個(gè)濕周。在模型中采用下式計(jì)算：（3-3）式中：Qr表示河段長度為L的滲漏量[L3T-1]，正值表示河流入滲補(bǔ)給地下水，負(fù)值表示河流排泄地下水；Kb為河床沉積物的滲透系數(shù)[LT-2]，Hr為河水位[L]，h為地下水位[L]，Ybot為河床沉積物的底面高程[L]。當(dāng)?shù)叵滤坏陀诤哟渤练e物底面高程時(shí)，利用公式2進(jìn)行計(jì)算，此后，隨著地下水位的下降，河流的入滲量保持不變。以上計(jì)算工作用MODFLOW中的River模塊實(shí)現(xiàn)。不同時(shí)段河水位根據(jù)河水流量的變化確定。（8）排水渠采用Drain程序包模擬。根據(jù)排水渠的深度取模擬區(qū)內(nèi)的實(shí)測(cè)深度平均值，并根據(jù)實(shí)測(cè)排水量調(diào)整排水參數(shù)。區(qū)內(nèi)排水渠縱橫交錯(cuò)，排水量是地下水排泄量的主要部分之一。排水渠的排水量與潛水位和排水渠高程之差成正比，而且當(dāng)潛水位低于排水渠底面時(shí)，排水渠不排泄地下水。因此可以利用下式計(jì)算排水渠的排水量：（3-4）式中：Qd為計(jì)算段排水渠的排泄量[L3T-1]；h為計(jì)算單元的潛水位[L]；d為排水渠高程[L]，近似取排水渠底高程；Cd為一綜合水力傳導(dǎo)系數(shù)[L2T-1]，用來描述排水渠與計(jì)算單元之間的總水頭損失，K為單元網(wǎng)格傳導(dǎo)系數(shù)，L為排水渠長度，根據(jù)典型區(qū)實(shí)測(cè)Qd、h和d值，利用上式初步確定Cd值，然后根據(jù)實(shí)測(cè)排水量進(jìn)行局部調(diào)整。采用MODFLOW中的Drain模塊來實(shí)現(xiàn)。地下水模型率定與參數(shù)識(shí)別模型率定的依據(jù)1999年8月潛水水位實(shí)測(cè)流場(chǎng)圖作為模型率定的基礎(chǔ)初始流場(chǎng)。2000年至2001年評(píng)價(jià)區(qū)地下水動(dòng)態(tài)觀測(cè)資料，以及2002年6月調(diào)查的地下水平面流場(chǎng)，作為率定、驗(yàn)證潛水含水層參數(shù)的依據(jù)。以水均衡計(jì)算的地下水補(bǔ)排量作為模型率定的輸入，以地下水動(dòng)態(tài)資料作為模型率定的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。模型率定方法采用自動(dòng)與手動(dòng)相結(jié)合的方法，通過計(jì)算水位和實(shí)際水位的擬合分析，不斷地修改反復(fù)調(diào)整參數(shù)，當(dāng)兩者之間誤差“最小時(shí)”，即認(rèn)為此時(shí)的參數(shù)值代表含水層的參數(shù)。表示計(jì)算水頭和實(shí)測(cè)水頭誤差的目標(biāo)函數(shù)如下：式中：m—時(shí)段總數(shù)；n—觀測(cè)孔總數(shù)；Wj—權(quán)系數(shù)，當(dāng)目標(biāo)函數(shù)E“最小”時(shí)的參數(shù)值即為待求的參數(shù)。采用間接法進(jìn)行人工調(diào)試，可以充分發(fā)揮和加深模型制作者對(duì)水文地質(zhì)條件的認(rèn)識(shí)。特別指出的是：在調(diào)試過程中，不單純追求擬合曲線的完全符合，而是綜合水源地的水文地質(zhì)條件，從降速場(chǎng)、梯度場(chǎng)以及區(qū)域水量均衡方面綜合考慮。平面流場(chǎng)的擬合經(jīng)反復(fù)調(diào)試計(jì)算，并將模型運(yùn)行至2002年6月，所得模擬潛水流場(chǎng)與實(shí)測(cè)流場(chǎng)比較見圖3-7?？煽闯觯?jì)算值與實(shí)際值偏差絕對(duì)值大于1.0m的單元占總單元的5.9％，偏差絕對(duì)值在0.50m和1.0m的的單元占總單元的14.1％，在0.0～0.5圖37 潛水位水位擬合圖潛水觀測(cè)孔水位擬合過程依據(jù)研究區(qū)水鹽監(jiān)測(cè)地下水專門觀測(cè)孔兩年的資料，模型擬合過程線見圖3-8至圖3-14效果較好，平均擬合誤差0.11m。由于模型評(píng)價(jià)區(qū)地下水開采規(guī)模不大圖STYLEREF1\s38Gw—1地下水觀測(cè)孔水位擬合圖圖STYLEREF1\s39Gw—7地下水觀測(cè)孔水位擬合圖圖STYLEREF1\s310Gw—8地下水觀測(cè)孔水位擬合圖圖STYLEREF1\s311Gw—9地下水觀測(cè)孔水位擬合圖圖STYLEREF1\s312Gw—19地下水觀測(cè)孔水位擬合圖圖STYLEREF1\s313T2地下水觀測(cè)孔水位擬合圖圖STYLEREF1\s314地下水觀測(cè)水位與計(jì)算水位散點(diǎn)對(duì)比圖識(shí)別各參數(shù)區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)經(jīng)識(shí)別后的含水層滲透系數(shù)分布見圖3-15，含水層儲(chǔ)水系數(shù)分布見圖3-16，潛水含水層給水度見圖3-17，它基本反映了評(píng)價(jià)區(qū)含水層水理特征。識(shí)別后評(píng)價(jià)區(qū)渠系綜合利用系數(shù)54％，渠道損失補(bǔ)給地下水比例系數(shù)0.72，田間入滲補(bǔ)給系數(shù)0.21。過上述模型的率定，參數(shù)的識(shí)別，故我們認(rèn)為該模型的建立是比較符合實(shí)際的，可用于該區(qū)的地下水資源計(jì)算、評(píng)價(jià)和井群規(guī)劃設(shè)計(jì)。圖315開采層滲透系數(shù)分布圖圖316 開采層儲(chǔ)水系數(shù)分布圖圖317潛水含水層給水度分布圖地下水資源評(píng)價(jià)現(xiàn)狀地下水均衡模擬計(jì)算經(jīng)參數(shù)率定和模型檢驗(yàn)后，模擬分析評(píng)價(jià)區(qū)現(xiàn)狀地下水均衡計(jì)算結(jié)果見REF_Ref193281516\h表41。表STYLEREF1\s4SEQ表\*ARABIC\s11 現(xiàn)狀地下水平衡模擬結(jié)果單位：104m3月份一月二月三月四月五月六月七月八月九月十月十一月十二月合計(jì)總補(bǔ)給量2332142433593823703823813703952342323795側(cè)向補(bǔ)給量2292062282192252182252252182252202272666垂向交換量47151411571521571561521701451129河流補(bǔ)給量0000000000000總排泄量2172162813804094124103863433132352143817開采量00066666660043排水量1161031091171231161191231221391161161418蒸發(fā)量113283171192205197169130793291310河道排泄量0000000000000側(cè)向排泄量9081898588858888868986891045儲(chǔ)量變化16-2-38-20-27-42-29-52782-118-21分析結(jié)果如下：模型研究區(qū)地下水總補(bǔ)給量為3795×104m地下水側(cè)向補(bǔ)給量為2666×104m3/a，占總補(bǔ)給量的70灌溉入滲補(bǔ)給量（包括渠系、田間、過境水）為1129×104m3/a，占總補(bǔ)給量的29.評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)無河道入滲補(bǔ)給量。模型研究區(qū)地下水總排泄量為3817×104m潛水蒸發(fā)量為1310×104m3/a，占總排泄量34.排水量1418×104m3/a，占總排泄量37.1地下水側(cè)向排泄量為1045×104m3/a，占總排泄量27.地下水開采量為43×104m3/a，占總排泄量1.從地下水均衡分析可知：乃門莫敦水源地地下水以灌溉垂向入滲和側(cè)向補(bǔ)給為主。而地下水排泄以潛水蒸發(fā)和排水為主，占總排泄量的71.49%，其次是側(cè)向排泄量，占總排泄量的27.38%。所以，適度增加地下水開采量，減少無效蒸發(fā)量和排水量，調(diào)控地下水位是提高水資源利用效益的有效手段，也是改善博斯騰湖水環(huán)境的重要措施。但是，部分潛水蒸發(fā)量消耗于作物和植被，屬有效蒸發(fā)，故在確定地下水開采規(guī)模時(shí)，使地下水位不宜下降過大，最好將地下水埋深能控制在3～5m，充分利用天然植被吸取地下水界面下移與裸地?zé)o效蒸發(fā)的差值關(guān)系，以減少潛水無效蒸發(fā)和保證植被有效蒸騰。地下水可開采量計(jì)算與評(píng)價(jià)地下水可開采量：指在可預(yù)見的時(shí)期內(nèi)，通過經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行的措施，在不引起生態(tài)環(huán)境惡化條件下允許從含水層中獲取的最大水量。主要取決于地下水補(bǔ)給量和開采條件。與如何利用無直接關(guān)系。地下水可開采量考慮的基本原則：(1)充分考慮地下水開采、水利工程設(shè)施逐步健全后，地下水位下降而減少地下水補(bǔ)給這一因素。(2)考慮到生態(tài)環(huán)境保護(hù)和地下水可利用量與地下水可開采量的關(guān)系。(3)以開采系數(shù)法作為本次區(qū)域性地下水可開采量計(jì)算的方法。從不同角度分析開采系數(shù)和計(jì)算地下水可開采量。(4)考慮到新疆各項(xiàng)水利工程建設(shè)的逐步完善，地下水轉(zhuǎn)化補(bǔ)給量減少的緩慢性，當(dāng)前部分流域地下水位高與土壤鹽漬化的嚴(yán)重性，新疆地下水開采的調(diào)蓄性等“三重性”（增水、降鹽、調(diào)蓄），地下水開采量將隨著水利化標(biāo)準(zhǔn)的提高而逐步減少，增水和降鹽的作用趨于穩(wěn)定，調(diào)蓄功能逐步增強(qiáng)?；谏鲜鲈瓌t，以排渠排水量和潛水無效蒸發(fā)量來確定地下水可開采量。通過地下水?dāng)?shù)值模擬計(jì)算表明，乃門莫敦鄉(xiāng)水源地地下水總排泄量為3817×104m3/a，其中，潛水蒸發(fā)量1310×104m3/a，排水量1418×104m3/a，兩項(xiàng)之和為2729×104m3/a，占總排泄量的71.49%。地下水可開采量按潛水蒸發(fā)量和排水量的70%考慮，則為1910×地下水預(yù)報(bào)開采方案根據(jù)初步設(shè)計(jì)階段布井方案，乃門莫敦水源地開采地下水1337.17萬m3，規(guī)劃布井32眼，見圖5-1。機(jī)井主要布置在水文地質(zhì)分區(qū)的Ⅰ3-1區(qū)、Ⅰ3-2區(qū)，設(shè)計(jì)單井出水量140m3/h，機(jī)井工作天數(shù)為150天，日開機(jī)時(shí)間為18～19h。開采方案為：實(shí)施全年開采地下水與地表水聯(lián)合灌溉，即4～10月盡量開采利用地下水就地灌溉根據(jù)這一開采方案及機(jī)井布置圖，對(duì)地下水開采后5年、10年的地下水量、地下水位、地下水降深及機(jī)井干擾水位降進(jìn)行了預(yù)報(bào)。并在此基礎(chǔ)上提出地下水開采優(yōu)化方案建議。圖STYLEREF1\s5SEQ圖\*ARABIC\s11乃門莫敦水源地機(jī)井分布圖地下水量預(yù)報(bào)開采5年后的地下水均衡結(jié)果見REF_Ref193263085\h表51，開采10年后的地下水均衡結(jié)果見REF_Ref193263116\h表52。開采后地下水各補(bǔ)排項(xiàng)變化分析見REF_Ref194752966\h表53。表STYLEREF1\s5SEQ表\*ARABIC\s11 開采5年后地下水平衡模擬結(jié)果單位：104m3月份一月二月三月四月五月六月七月八月九月十月十一月十二月合計(jì)總補(bǔ)給量2612382653794023904044053934182612604077側(cè)向補(bǔ)給量2572312542662772692792802722812502553170垂向交換量4712113125121125125122136115907河流補(bǔ)給量0000000000000總排泄量1641662174975204704994774374251631554190開采量000198205198205205198205001415排水量615658464342404141554955587蒸發(fā)量825661451621221441209054236965河道排泄量0000000000000側(cè)向排泄量9585949093909393909391941100儲(chǔ)量變化977248-118-117-80-95-72-44-798106-113表STYLEREF1\s5SEQ表\*ARABIC\s12 開采10年后地下水平衡模擬結(jié)果單位：104m3月份一月二月三月四月五月六月七月八月九月十月十一月十二月合計(jì)總補(bǔ)給量2452242503643873763903913804042482463903側(cè)向補(bǔ)給量2412162382522622552642662582672362412996垂向交換量4712113125121125125122136115907河流補(bǔ)給量0000000000000總排泄量1481491944534754314584394033921511423835開采量000198205198205205198205001415排水量514747403737353736494347506蒸發(fā)量722581301451101291098249216867河道排泄量0000000000000側(cè)向排泄量8981898588858889868987891047儲(chǔ)量變化977555-106-105-72-86-66-40-697104-55表STYLEREF1\s5SEQ表\*ARABIC\s13 乃門莫敦水源地運(yùn)行后補(bǔ)排量變化分析表單位：104m3補(bǔ)排項(xiàng)現(xiàn)狀年5年后變化量比例%10年后變化量比例%變化量比例%AA5A5-A(A5-A)/AA10A10-A(A10-A)/AA10-A5(A10-A5)/A5總補(bǔ)給量379540772827.4239031082.84-174-0.04側(cè)向補(bǔ)給2666317050418.92299633012.39-174-0.05垂向交換1129907-223-19.72907-223-19.7200.00河流補(bǔ)給0000.00000.0000.00總排泄量381741903739.793835180.47-355-0.08開采量43141513723206.11141513723206.1100.00排水量1418587-831-58.61506-912-64.33-81-0.14蒸發(fā)量1310965-345-26.37867-443-33.84-98-0.10河流排泄0000.00000.0000.00側(cè)向排泄10451100555.26104720.15-53-0.05儲(chǔ)量變化-21-113-92428.07-55-34156.5858-0.51-表示減少，+表示增加水源地開采5年后，地下水總補(bǔ)給量增加了282×104m3/a。垂向補(bǔ)給量減少了23×104m3/a，因激發(fā)補(bǔ)給，側(cè)向補(bǔ)給量增加了504×104m3/a。水源地設(shè)計(jì)開采量1337×104m3/a，開采后，減少蒸發(fā)量345×104m3/a，減少排水量831開采5年后，地下水補(bǔ)給量為4077×104m3/a，扣除水均衡計(jì)算得井灌回歸量115.43×104m3/a，地下水資源量為3961.4開采10年后，地下水補(bǔ)給量為3903×104m3/a，扣除水均衡計(jì)算得井灌回歸量115.43×104m3/a，地下水資源量為3787.25從開采5年和10年后的地下水補(bǔ)排量變化來分析，隨著開采時(shí)間延長，側(cè)向補(bǔ)給量、蒸發(fā)量、排水量和側(cè)向排泄量一直在緩慢減少，地下水系統(tǒng)逐漸調(diào)整到新的補(bǔ)排平衡狀態(tài)。地下水位預(yù)報(bào)等水位線圖開采5年后潛水（第一層）和開采層（第二和四層）的地下水等水位線見REF_Ref235247178\h圖52和REF_Ref235247187\h圖53，開采10年后潛水（第一層）和開采層（第二和四層）的地下水等水位線見REF_Ref235247055\h圖54和REF_Ref235247063\h圖55。乃門莫敦水源地地下水向南東方向徑流。開采后，潛水流場(chǎng)變化不明顯。開采層地下水流場(chǎng)總體趨勢(shì)變化不大，隨地下水位下降，等水位線向北西方向后退明顯。圖STYLEREF1\s5SEQ圖\*ARABIC\s12開采5年后潛水等水位線圖圖STYLEREF1\s5SEQ圖\*ARABIC\s13開采5年后開采層地下水等水位線圖圖STYLEREF1\s5SEQ圖\*ARABIC\s14開采10年后潛水等水位線圖圖STYLEREF1\s5SEQ圖\*ARABIC\s15開采10年后開采層地下水等水位線圖等降深線圖開采5年后潛水（第一層）和開采層（第二和第四層）地下水降深等值線圖見REF_Ref235247097\h圖56和REF_Ref235247102\h圖57。開采10年后潛水（第一層）和開采層（第二和第四層）地下水降深等值線圖見REF_Ref235247109\h圖58和REF_Ref235246874\h圖59。圖STYLEREF1\s5SEQ圖\*ARABIC\s16開采5年后潛水降深等值線圖圖STYLEREF1\s5SEQ圖\*ARABIC\s17開采5年后開采層地下水降深等值線圖圖STYLEREF1\s5SEQ圖\*ARABIC\s18開采10年后潛水等水位線圖圖STYLEREF1\s5SEQ圖\*ARABIC\s19開采10年后開采層地下水降深等值線圖水源地開采5年后，潛水位下降了0-3m，降幅小于1m的面積占64.5%左右；開采層地下水位下降明顯，一般為0-6m，降幅1-6m的面積占98%。與開采5年后水位降深相比，開采10年后水位降深繼續(xù)增大，但增幅較小（見REF_Ref193872868\h表STYLEREF1\s5SEQ表\*ARABIC\s14水源地開采后地下水位降深變化情況統(tǒng)計(jì)單位：km2降深（m）開采5年后開采10年后潛水層開采層潛水層開采層面積比例(%)面積比例(%)面積比例(%)面積比例(%)<140.064.51.32.038.361.70.00.01～210.817.310.516.99.515.38.513.72～311.318.18.814.114.323.08.814.13～410.016.18.513.74～515.024.212.319.85～616.526.614.523.46～78.814.17～7.30.81.2合計(jì)62.0100.062.0100.062.0100.062.0100.0觀測(cè)孔水位下降曲線根據(jù)設(shè)計(jì)方案，乃門莫敦水源地共布置了4個(gè)觀測(cè)孔（見REF_Ref194727317\h圖510），對(duì)每個(gè)觀測(cè)孔的水位變化進(jìn)行了10年模擬預(yù)測(cè)。觀測(cè)孔模擬水位變化曲線見REF_Ref193276010\h圖511。圖STYLEREF1\s5SEQ圖\*ARABIC\s110北岸水源地規(guī)劃觀測(cè)井布置圖圖STYLEREF1\s5SEQ圖\*ARABIC\s111乃門莫敦水源地觀測(cè)井水位預(yù)測(cè)曲線圖乃門莫敦水源地開采后，前3年地下水位降幅明顯，下降3-5m，3年以后，地下水位下降速度減小，10年后基本達(dá)到穩(wěn)水泵揚(yáng)程計(jì)算分析水泵揚(yáng)程按下式計(jì)算確定：水泵揚(yáng)程=地下水埋深+單井水位降深+干擾降深+管損。其中，單井水位降深根據(jù)勘探試驗(yàn)單位涌水量換算得到，干擾水位降深采用模型運(yùn)行第10年規(guī)劃開采機(jī)井的水位降深確定；管徑175mm時(shí)，管路損失按公式h損失=0.07×(L凈揚(yáng)程+3)+0.26計(jì)算，管徑是150mm時(shí)，管路損失按公式h損失=0.11×(L凈揚(yáng)程+3)+0.21計(jì)算?？紤]到安全問題，安全系數(shù)取1.1，最終水泵的揚(yáng)程即可確定。本次選配機(jī)泵，根據(jù)2002年3月，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局發(fā)布的《井用潛水泵》GB/T2816-2002進(jìn)行選配的。乃門莫敦水源地水泵揚(yáng)程計(jì)算見REF_Ref193282175\h表55。表STYLEREF1\s5SEQ表\*ARABIC\s15乃門莫敦水源地水泵揚(yáng)程計(jì)算表編號(hào)井深井管直徑輸水管徑埋深單位出水量設(shè)計(jì)流量單井降深干擾水位降凈揚(yáng)程損失揚(yáng)程需要揚(yáng)程水泵揚(yáng)程配套水泵電動(dòng)機(jī)(m)(mm)(m)(m3/h.m)(m3/h)(m)(m)(m)(m)(m)(m)（N/Kw）N011203771253.21114.41409.729.9923.423.1226.5429.19250QJ140-3018.5N021203771253.06714.41409.7210.1723.463.1226.5829.24250QJ140-3018.5N031203771251.35214.41409.7210.2421.812.9424.7527.23250QJ140-3018.5N041203771251.4214.41409.7210.3221.962.9624.9227.41250QJ140-3018.5N051203771253.24914.41409.7210.3423.813.1626.9729.67250QJ140-3018.5N061203771252.61614.41409.7210.3523.193.0926.2828.90250QJ140-3018.5N071203771254.18214.41409.7210.2924.703.2627.9530.75250QJ140-4530N081203771253.04214.41409.7210.2723.533.1326.6629.32250QJ140-3018.5N091203771254.65114.41409.7210.1425.013.2928.3031.13250QJ140-4530N101203771253.25714.41409.729.6823.153.0926.2428.86250QJ140-3018.5N111203771254.90814.41409.729.9525.083.3028.3831.21250QJ140-4530N121203771254.69214.41409.729.7924.703.2627.9630.76250QJ140-4530N131203771254.29514.41409.729.2623.783.1626.9329.63250QJ140-4530N141203771252.50314.41409.728.2821.012.8523.8626.24250QJ140-3018.5N151203771254.58914.41409.729.3924.193.2027.4030.14250QJ140-4518.5N161203771254.64714.41409.728.6423.513.1326.6429.30250QJ140-4518.5N171203771252.46514.41409.729.6022.282.9925.2727.80250QJ140-3018.5N181203771252.84514.41409.728.9021.962.9624.9227.41250QJ140-3018.5N191203771254.67314.41409.728.1123.003.0726.0728.68250QJ140-4518.5N201203771252.55814.41409.727.4720.242.7723.0125.31250QJ140-3018.5N211203771253.7614.41409.727.9321.912.9524.8627.35250QJ140-3018.5N221203771253.34614.41409.728.1521.722.9324.6527.11250QJ140-3018.5N231203771253.20614.41409.729.0422.463.0125.4728.02250QJ140-3018.5N241203771255.57614.41409.729.5325.333.3328.6631.52250QJ140-4530N251203771253.44314.41409.7210.0723.733.1526.8829.57250QJ140-3018.5N261203771253.114.41409.7210.2323.553.1326.6829.35250QJ140-3018.5N271203771253.53614.41409.729.1822.943.0626.0028.60250QJ140-3018.5N281203771253.06414.41409.728.1821.462.9024.3626.80250QJ140-3018.5N291203771253.33914.41409.729.2822.843.0525.8928.48250QJ140-3018.5N301203771253.35514.41409.726.5720.152.7622.9025.19250QJ140-3018.5N311203771252.9814.41409.729.7922.993.0726.0528.66250QJ140-3018.5N321203771253.85914.41409.729.8623.943.1727.1129.82250QJ140-3018.5據(jù)開采井干擾水位降深預(yù)測(cè)，干擾水位降深最小為6.01m，最大為10.01m，水泵揚(yáng)程最小為18.29m，最大為23.45m，單井出水量為140對(duì)優(yōu)化布井方案的建議通過對(duì)水量的預(yù)報(bào)結(jié)果分析，乃門莫敦水源現(xiàn)狀年地下水可開采量1910×104m3/a，滿足水源地設(shè)計(jì)開采量1337×104m3/a的要求。乃門莫敦水源地地下水補(bǔ)給、徑流條件較好，開采后，地下水位下降不大，大部分為下降0結(jié)論與建議（1）本次工作利用國際通用的地下水模型軟件—Modflow建立了北岸水源地地下水?dāng)?shù)值模型。乃門莫敦水源地模型計(jì)算區(qū)網(wǎng)格間距250m×250m，有效單元格992×4個(gè)，面積為62km2。對(duì)乃門莫敦（2）在乃門莫敦水源地模型評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)，現(xiàn)狀年地下水總的補(bǔ)給量為3795×104m3/a，其中，地下水側(cè)向補(bǔ)給量為2666×104m3/a，灌溉入滲補(bǔ)給量為1129×104m3/a。地下水總排泄量為3817×104m3/a，其中，潛水蒸發(fā)量為1310×104m3/a；排水溝排水量1418×104m3/a（3）現(xiàn)狀年地下水資源量為3791.7×104m3/a，可開采量為1910×104m3/a。按設(shè)計(jì)開采方案進(jìn)行模擬計(jì)算，開采5年后，地下水資源量為3961.4×104m3/a，開采10年后，地下水資源量為3（4）水源地開采5年后，潛水位下降了0-3m，降幅小于1m的面積占64.5%左右；開采層地下水位下降明顯，一般為0-6m，降幅1-6（5）從水量、水位、埋深預(yù)報(bào)結(jié)果來看，乃門莫敦水源地的布井方案較合理。地下水可開采量滿足設(shè)計(jì)開采量要求。地下水補(bǔ)給、徑流條件較好，開采后，地下水位下降不大，且3年以后，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。故現(xiàn)設(shè)計(jì)開采方案可行。（6）據(jù)開采井干擾水位降深預(yù)測(cè)，干擾水位降深最