李 巖，楊 雪，陳玉春

(寧夏回族自治區(qū)水文水資源監(jiān)測預警中心，寧夏 銀川 750004)

我國地下水數(shù)值模擬起步于20世紀70年代初[1]，隨著地下水管理的需求逐步提高，相關領域，如地下水資源評價、開發(fā)利用預報預測、水資源綜合管理等應用地下水數(shù)值模擬技術進行開展研究的案例不斷涌現(xiàn)。尹霄等[2]基于降水工程監(jiān)測數(shù)據(jù)資料，建立水文地質(zhì)模型和地下水流數(shù)學模型，分析邊界條件對基坑降水工程影響；張宏偉等[3]基于Visual MODFLOW軟件建立山東省臨清市地下水流動模型和地下水溶質(zhì)運移模型，采用情景分析法對3種典型降雨水平年下6種水氮模式進行模擬；鄭亞楠等[4]構建了巖質(zhì)滑坡體中地下水各向異性三維滲流模型，模擬結果可以對滑坡預警預報模型的建立提供科學依據(jù)。事實證明應用地下水流模擬技術，進行預測或管理，具有前瞻性和可靠性等優(yōu)勢。本文采用Visual Modflow軟件構建銀川市地下水超采區(qū)模型，對模型進行率定驗證，融合統(tǒng)計和數(shù)學模型方法，分析超采區(qū)地下水補排均衡要素及其占比，甄別影響超采區(qū)地下水動態(tài)的主要補給和排泄要素，同時預測現(xiàn)狀條件和替代水源條件下今后5～10 a超采區(qū)水位與漏斗范圍變化。

1 研究區(qū)范圍及水文地質(zhì)背景

1.1 研究區(qū)范圍

銀川市地下水超采區(qū)位于寧夏銀川平原引黃灌區(qū)，超采區(qū)面積為294 km2，范圍涉及了銀川市興慶區(qū)、金鳳區(qū)和西夏區(qū)，超采區(qū)涵蓋了銀川市主要城區(qū)、東郊水源地、南郊水源地、北郊水源地、寧化第一水源地及部分灌區(qū)。見圖1.

圖1 銀川市超采區(qū)范圍示意圖

1.2 研究區(qū)水文地質(zhì)背景

銀川平原為新生代形成的斷陷盆地，總體走向NNE向，新生界厚度達7 000 m，第四系最厚達2 000 m，下伏第三系大于1 700 m。銀川平原地下水按賦存條件屬第四系松散巖類孔隙水，自西側賀蘭山東麓向東至黃河河床呈現(xiàn)典型的帶狀分布：洪積→沖洪積→沖湖積→沖積。研究區(qū)位于沖湖積、沖積帶內(nèi)，屬引黃灌區(qū)。據(jù)現(xiàn)有勘探資料，在250 m深度內(nèi)一般有三個主要含水層，即潛水、第一承壓水、第二承壓水，承壓水水質(zhì)較好，水量大，不易污染，成為工業(yè)和城市生活供水的主要開采層。

1.2.1 潛水含水巖組

潛水含水巖組巖性在平原區(qū)南段以中細砂為主，中段以細砂為主，北段以粉細砂為主。自盆地邊緣向盆地中心及由南向北，含水層巖性逐漸變細，淤泥質(zhì)含量增多。含水層厚度一般為20～60 m。地下水位埋深由平原中心向邊緣逐漸遞增，在山前洪積傾斜平原地帶為2～10 m，沖湖積平原和沖積平原小于2 m。潛水含水巖組隔水底板主要由粘土、砂粘土組成，其厚度一般為2～12 m。

1.2.2 第一承壓含水巖組

第一承壓含水巖組頂板埋深通常在25～60 m之間，底板埋深一般為140～160 m。含水巖組通常由2～5個相互具有水力聯(lián)系的含水層所構成，它們之間有極不穩(wěn)定的粘性土夾層，連續(xù)性差，地下水體相互貫通。含水層巖性主要為細砂、粉細砂和少量中砂。第一承壓含水巖組的厚度一般在40～130 m之間。第一承壓含水層是銀川市城市供水的主要開采層，多年來形成了以西夏區(qū)為中心的區(qū)域性水位降落漏斗。第一承壓含水巖組隔水底板的巖性亦為粘土、砂粘土，其厚度一般為2～14 m。

1.2.3 第二承壓含水巖組

第二承壓含水巖組底板埋深一般為240～260 m，巖性以細砂、粉細砂為主。含水層厚度一般在60～125 m之間。第二承壓含水巖組底板標高在賀蘭縣與平羅縣之間的地帶最低，向南、向北以及向西，底板標高均有所增大。

2 水文地質(zhì)模型概化

2.1 水文地質(zhì)條件概化

根據(jù)水文地質(zhì)條件劃分含水層，銀川市超采區(qū)主要開采多層結構潛水-承壓水，自上而下可分為潛水、第一承壓水、第二承壓水三個含水巖組。潛水含水層：厚度一般20～50 m，水位埋深一般1～6 m。第一承壓水含水層：頂板埋深40～60 m，底板埋深140～180 m，厚度100～120 m。第二承壓水含水層：一般埋深在190～240 m，厚度70～95 m。由于三個含水巖組以中間分布黏性土作為相對隔水層劃分，概化兩個隔水層，厚度5～13 m，巖性為粘土、砂粘土。因此自地表向下將地層概化為5層，即單一潛水含水層、潛水隔水層、第一承壓含水層、第一承壓含水層隔水層、第二承壓含水層。上部潛水含水層接受降水、灌溉及河渠湖泊等入滲，底部的第四系含水層在一般情況下，與第二承壓水無直接水量交換，在人工開采條件下可越流補給第二承壓水，本次將其概化為隔水邊界。見圖2。

圖2 概化銀川超采區(qū)模型地層剖面示意圖

2.2 水文地質(zhì)參數(shù)確定

將地層分為五層，第一層為潛水含水層，主要巖性為砂卵礫石，向東顆粒變細逐漸過度為細砂，西側滲透系數(shù)4～7 m/d，給水度0.06，東側滲透系數(shù)5～15 m/d，給水度0.1；第二層和第四層均為隔水層，主要為粘土，滲透系數(shù)0.01 m/d，給水度0.03；第三層和第五層均為承壓含水層，主要巖性為細砂，滲透系數(shù)2～14 m/d，給水度0.06～0.1。主要開采含水層，滲透系數(shù)、給水度采用本地區(qū)抽水試驗數(shù)據(jù)，見表1。

表1 含水層水文地質(zhì)參數(shù)表

2.3 邊界條件確定

2.3.1 降水補給

降水入滲補給采用 RCH(recharge)子程序包來模擬，根據(jù)計算的降水入滲補給量直接分年度設置。采用評價區(qū)附近賀家廟水文站2015-2020年年降雨量，見表2。降水入滲補給系數(shù)參照《寧夏回族自治區(qū)淺層地下水資源》中的評價結果，采用0.13。降水入滲補給量采用下式計算：

表2 賀家廟水文站2015-2020年年降雨量表 mm

Pr=0.1αpPF

(1)

式中：αp為降水入滲補給系數(shù)；P為平均降水量(mm)；Pr為降水入滲補給量(萬m3)；F為降水入滲計算面積(km2)。

2.3.2 潛水蒸發(fā)

潛水蒸發(fā)采用 EVT(Evapotranspiration)子程序包來模擬，設置水面蒸發(fā)量和極限埋深，由程序包根據(jù)地下水埋深自動計算潛水蒸發(fā)量。水面蒸發(fā)量采用賀家廟水文站E601水面蒸發(fā)量，見表3。根據(jù)包氣帶巖性，極限埋深取3.5 m。銀川市超采區(qū)地下水平均埋深在10 m左右，主要開采地下水區(qū)多年埋深均在10 m以上，在超采區(qū)周邊地下水埋深較小，灌區(qū)埋深一般小于3 m。

表3 賀家廟水文站2015-2019年年水面蒸發(fā)量表 mm

2.3.3 灌溉入滲

田間入滲補給采用 RCH(recharge)來模擬，根據(jù)不同作物分布范圍和入滲補給量分時段設置。灌溉水滲入田間后，經(jīng)包氣帶滲漏補給地下水的水量，計算公式為：

Q田滲=αⅠQ田間

(2)

式中：Q田滲為田間灌溉滲入補給量(萬m3/d)；αⅠ為田間灌溉入滲補給系數(shù)；Q田間為田間灌溉水量，采用灌溉面積與灌溉定額的乘積。

灌溉面積和灌溉定額的確定參考《寧夏高質(zhì)量發(fā)展以水“四定”管控研究》中銀川市水稻實灌面積14.4萬畝，旱作物水澆地(含高效節(jié)水、經(jīng)果林、防護林、牧草)實灌面積44.5萬畝；水稻灌溉定額1 050 m3/畝·年，旱作物水澆地灌溉定額270 m3/畝·年。灌溉入滲系數(shù)參考《寧夏回族自治區(qū)水資源調(diào)查評價》[5]進行取值，計算結果見表4。

表4 田間灌溉水滲入量計算表

2.3.4 排水溝

排水溝采用 DRN(drain)來模擬，根據(jù)排水溝分布和監(jiān)測水位分時段設置，程序自動計算排水溝排泄地下水量。排水溝主要排泄灌溉回歸水、地下水、工業(yè)廢水及城市生活污水。流經(jīng)研究區(qū)的主要排水溝有四二干溝、永清溝景觀水道、桑園溝、永二干溝、銀新干溝、第二排水溝。排水溝總長122.36 km，每天排泄量為3.15萬 m3，流經(jīng)研究區(qū)長為29.77 km，研究區(qū)內(nèi)的排水量按排水溝長度計算，平均每公里每天排水量為0.11萬 m3，取值及計算結果見表5。

表5 排水溝排泄地下水量計算表

2.3.5 取水井

取水井采用 WELL來模擬，根據(jù)機井分布和開采量情況分別設置。截止2018年，銀川市超采區(qū)共有取水井552眼?？紤]銀川都市圈西線供水工程通水后對取水井的影響，本次研究對水源地取水井自2020年開始進行壓減、停采。

2.3.6 常水頭設置

本次研究區(qū)常水頭設置主要分為東西兩部分，西邊常水頭參考寧夏國土資源調(diào)查監(jiān)測院繪制等水位行進行插值，中間水頭較高，兩邊較低，水頭為1 127～1 131 m；東邊為黃河，采用河流進行模擬，參考黃河石壩站水位監(jiān)測資料，設置水位值為1 106.46 m。

2.3.7 湖泊

湖泊采用 LAK3(lake)子程序包來模擬，設置湖底高程、湖水位、湖底淤積層滲透系數(shù)等，由程序包自動計算湖水與地下水水量交換。本次研究區(qū)選取了閱海湖、七子連湖、鳴翠湖參與計算，其參數(shù)設置主要參考閱海、豐盈、鳴翠湖三處遙測水位計的測量成果。湖泊主要參數(shù)設置見表6。

表6 模型湖泊主要參數(shù)設置表

2.4 初始條件

初始水位采用寧夏國土資源調(diào)查監(jiān)測院繪制的2015年潛水等水位線和第一承壓水等水位線作為模型潛水含水層和承壓水含水層初始水位，見圖3和圖4。

圖3 研究區(qū)潛水含水層初始水位示意圖

圖4 研究區(qū)承壓含水層初始水頭示意圖

3 模型時空離散

研究區(qū)地面采用12.5 m網(wǎng)格的DEM數(shù)據(jù)，其他地層層底高程根據(jù)國土調(diào)查監(jiān)測院鉆孔資料和國家地下水監(jiān)測工程監(jiān)測井成井資料，計算各層點位高程，按克里金插值形成的各地層底部等高線，即250 m網(wǎng)格的等高線數(shù)據(jù)文件，依次導入模型形成概化地層面(等高線)和三維模型，見圖5。

圖5 銀川超采區(qū)模型三維示意圖

研究區(qū)模型長45.9 km，寬19.8 km，面積908.8 km2，采用200 m×200 m的網(wǎng)格進行矩形網(wǎng)格剖分，垂向剖分為5層，將研究區(qū)剖分為100行，230列規(guī)則網(wǎng)格，研究區(qū)每層計算單元為23 000個，其中非活動單元格為707個，活動單元格為22 293個，總計算單元為115 000個，總活動單元格為111 465個。研究區(qū)模擬時間從2015年1月1日開始，到2030年12月31日為止。模擬期長為16 a，5 840 d。

4 模型識別和驗證

為確保模型貼近于實際，本文首先對比了人工和模型繪制的地下水流場，隨后選取了研究區(qū)16眼監(jiān)測井，其中潛水監(jiān)測井8眼，井深20～50 m，年均埋深1.5～11 m，承壓水監(jiān)測井8眼，井深60～90 m，年均埋深5～20 m，通過對比監(jiān)測井實際監(jiān)測水位和模擬水位，進行模型識別與驗證。

4.1 地下水流場對比

通過對比寧夏國土資源調(diào)查監(jiān)測院繪制的2015年和2019年潛水等水位線、承壓水等水位線，模型模擬的地下水等水位線與其總體一致。潛水模擬考慮了排水溝和湖泊對潛水水位影響，潛水從排水溝兩側向排水溝彎曲，開口向下游；湖泊中心地下水位一般高于周邊地下水水位，表明湖泊一般滲漏補給地下水。

4.2 監(jiān)測井水位對比

把16眼監(jiān)測井逐月水位與模型計算水位進行總體對比(圖6)，誤差均方差0.011 m，規(guī)范化均方差4.163%。一般規(guī)范化均方差小于10%，誤差均方差小于0.1 m即可滿足要求，所以本次模擬符合要求，有效性得到了驗證。

圖6 模型監(jiān)測井觀測水位與模擬水位誤差分析圖

5 模型地下水補排要素分析

根據(jù)校正后的模型，分別計算出近年(2015-2020年)年均水均衡情況和2020年條件下的水均衡情況，見表7和圖7。2020年現(xiàn)狀條件下，模擬區(qū)總補給量為2.17億 m3，其中側向徑流補給量為0.19億 m3，占總補給量的9%；河流側向補給量0.1億 m3，占總補給量的5%；降雨入滲補給量為0.23億 m3，占總補給量的11%；渠系入滲補給量0.64億 m3，占總補給量的29%；田間灌溉入滲補給量為0.88億 m3，占總補給量的41%；湖泊滲漏補給量0.13億 m3，占總補給量的6%。總排泄量為2.12億 m3，其中人工開采量為0.81億 m3，占總排泄量的38%；排水溝排泄量為0.16億 m3，占總排泄量的8%；蒸發(fā)量為1.07億 m3，占總排泄量的50%；湖泊排泄量為0.08億 m3，占總排泄量的4%。根據(jù)模型水均衡情況，可知：

表7 模型2020年區(qū)域地下水均衡情況 億m3

圖7 模型2020年各項補排均衡示意圖

(1)2020年研究區(qū)補給量大于排泄量，說明區(qū)域地下水水位在逐步上升，與2020年區(qū)域監(jiān)測井監(jiān)測情況相符，進一步驗證了模型的準確性，同時也說明銀川市超采區(qū)治理效果較好，已基本實現(xiàn)采補平衡；

(2)近年平均渠系入滲補給量和田間入滲補給量占總補給量占比較高，說明研究區(qū)地下水主要補給來源為渠系入滲補給和田間入滲補給，其次是降雨入滲補給和側向徑流補給；

(3)近年平均人工開采量和蒸發(fā)量是研究區(qū)主要排泄項。

6 研究區(qū)開采情景模擬與預測分析

2019年銀川市超采區(qū)超采量為1 586萬 m3，通過模型模擬的2019年銀川市超采區(qū)承壓水等水位線(見圖8)可知，銀川市超采區(qū)范圍較穩(wěn)定，三個開采漏斗，分別位于北郊水源，南郊水源地、東郊水源地附近，漏斗中心最低水位分別為1 093 m、1 087 m、1 097 m。

圖8 2019年承壓水等水位線示意圖

2020年銀川都市圈西線供水工程建成通水，向銀川市三區(qū)供水，南郊水源地基本停產(chǎn)，并逐步壓減北郊、東郊水源地開采量，年實際開采量8 148萬 m3，較上年壓采3 548萬 m3，首次實現(xiàn)實際開采量小于可開采量1 962萬 m3，取得較好治理效果。通過模型模擬的2020年超采區(qū)承壓水等水位線(見圖9)可知，銀川市超采區(qū)變化較大，原有的三個開采漏斗中，南郊水源地開采漏斗基本消失，北郊水源地和東郊水源地漏斗面積均有減小，且漏斗最低水位分別為1 094 m、1 098 m，回升1 m。

圖9 2020年承壓水等水位線示意圖

本文考慮在假設補給項穩(wěn)定的情況下，主要按照西線供水工程通水后，逐步壓減地下水水源地開采量來設置四種假定情景，并分別預測各假定情景下，銀川市超采區(qū)水位變化情況。

6.1 現(xiàn)狀情景下銀川超采區(qū)水位預測

按照現(xiàn)狀條件，超采區(qū)2025年、2030年承壓水等水位線圖見圖10～圖11。

圖10 2025年承壓水等水位線示意圖(現(xiàn)狀情景)

由圖10和圖11可知，2020年在關閉南郊水源地取水井后，2025年南郊水源地漏斗區(qū)水位將1 100 m上升至1 104 m，北郊水源地和東郊水源地開采漏斗區(qū)水位基本維持穩(wěn)定，與2020年相同。2030年南郊水源地漏斗區(qū)水位將由2025年1 104 m上升至1 106 m，北郊水源地和東郊水源地開采漏斗區(qū)水位不變。

圖11 2030年承壓水等水位線示意圖(現(xiàn)狀情景)

6.2 關停南郊壓減東郊情景水位預測

按照關停南郊壓減東郊情景，超采區(qū)2025年、2030年承壓水等水位線圖見圖12和圖13。

圖12 2025年承壓水等水位線示意圖(關停南郊壓減東郊情景)

圖13 2030年承壓水等水位線示意圖(關停南郊壓減東郊情景)

由圖12和圖13可知，在現(xiàn)狀條件下，假定2021年將東郊水源地開采量壓減50%，則2025年南郊水源地漏斗區(qū)水位將由1 100 m上升至1 104 m；東郊水源地開采漏斗區(qū)面積將減小，漏斗區(qū)最低水位由1 098 m上升至1 100 m；北郊水源地開采漏斗區(qū)面積將略有縮小，漏斗區(qū)最低水位基本維持穩(wěn)定，與2020年相同。2030年南郊水源地漏斗區(qū)水位將由2025年1 104 m上升至1 106 m；東郊水源地開采漏斗區(qū)面積將略有縮小，漏斗區(qū)最低水位與2025年相同；北郊水源地開采漏斗區(qū)不變。

6.3 關停南郊和東郊情景水位預測

按照關停南郊和東郊情景，超采區(qū)2025年、2030年承壓水等水位線圖見圖14、圖15。

圖14 2025年承壓水等水位線示意圖(關停南郊東郊情景)

圖15 2030年承壓水等水位線示意圖(關停南郊東郊情景)

由圖14和圖15可知，在現(xiàn)狀條件下，假定2021年將東郊水源地取水井全部關停，則2025年南郊水源地漏斗區(qū)水位將由1 100 m上升至1 104 m；東郊水源地開采漏斗將基本消失，漏斗區(qū)最低水位由1 098 m上升至1 100 m；北郊水源地開采漏斗區(qū)基本維持穩(wěn)定，與2020年相同。2030年南郊水源地漏斗區(qū)水位將由2025年1 104 m上升至1 106 m；東郊水源地開采漏斗區(qū)面積將繼續(xù)略有縮小，漏斗區(qū)最低水位與2025年相同；北郊水源地開采漏斗區(qū)不變。

6.4 關停南郊、東郊和北郊情景水位預測

按照關停南郊、東郊和北郊情景，超采區(qū)2025年、2030年承壓水等水位線圖見圖16和圖17。

由圖16和圖17可知，在現(xiàn)狀條件下，假定2021年將東郊、北郊水源地取水井全部關停，則2025年銀川市超采區(qū)開采漏斗將全部消失，其中南郊水源地漏斗區(qū)水位將由1 100 m上升至1 105 m；東郊水源地開采漏斗區(qū)水位將由1 098 m上升至1 101 m；北郊水源地開采漏斗區(qū)水位將由1 094 m上升至1 109 m。2030年超采區(qū)水位將繼續(xù)回升，其中南郊開采漏斗區(qū)水位將由2025年1 105 m上升至1 107 m；東郊水源地開采漏斗區(qū)水位維持不變；北郊水源地開采漏斗區(qū)水位將由2025年1 109 m上升至1 111 m。

圖16 2025年承壓水等水位線示意圖(關停南東北郊)

圖17 2030年承壓水等水位線示意圖(關停南東北郊)

7 結語

(1)本文根據(jù)銀川市超采區(qū)水文地質(zhì)條件建立了超采區(qū)數(shù)值模型，通過識別和驗證，模型較為貼近實際，是可行的。模型模擬了現(xiàn)狀超采區(qū)治理措施對地下水位影響，預測了未來不同情景超采區(qū)水位變化，為超采區(qū)治理評估提供技術支撐，也可為相同區(qū)域地下水資源研究提供參考。

(2)通過分析模型水均衡情況，摸清了研究區(qū)域補排關系，以及不同補排要素變化對地下水影響，可為該區(qū)域水資源調(diào)配及新一輪超采區(qū)劃分提供參考。

(3)通過情景模擬及水位預測情況，可從側面印證了銀川市采用置換水源的方式開展超采區(qū)治理，效果良好，地下水已基本實現(xiàn)了采補平衡，且為銀川市未來地下水取水工程的管理調(diào)度提供了參考。