柴达木盆地西缘尕斯库勒湖流域地下水流数值模拟及地下水资源评价.pdf
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1、祁泽学,肖勇,汪生斌,等.柴达木盆地西缘尕斯库勒湖流域地下水流数值模拟及地下水资源评价 J.盐湖研究,2024,32(1):57-65.Qi Z X,Xiao Y,Wang S B,et al.Numerical simulation of groundwater flow and evaluation of groundwater resources in Gasikule Lake Basin,WesternMargin of Qaidam Basin J.Journal of Salt Lake Research,2024,32(1):57-65.DOI:10.12119/j.yhyj.
2、202401007柴达木盆地西缘尕斯库勒湖流域地下水流数值模拟及地下水资源评价祁泽学1,2,肖勇3*,汪生斌1,2,张国强1,2,陈龙1,2(1.青海省环境地质重点实验室,青海 西宁810000;2.青海省环境地质勘查局,青海 西宁810000;3.西南交通大学地球科学与环境工程学院,四川 成都611756)摘要:尕斯库勒湖流域所属行政区茫崖市自建市以来尚未建设较大规模的集中供水水源,在以水定产、以水定城的城市发展构架下,评价流域地下水资源及开采潜力对城市发展至关重要。文章基于资料收集、动态长观、钻孔抽水试验等手段,采用断面径流量法结合流域尺度的数值模拟,评价了区内地下水天然资源量和允许开采量
3、,并对地下水开采后对水文环境的影响进行了评估。结果表明:尕斯库勒湖流域地下水天然资源量为98.82104m3/d,允许开采量为 23.5104m3/d,地下水资源开采系数0.4,开采程度低;开采稳定后下游泉水减少 10.89104m3/d,蒸发量减少12.88104m3/d,开采量和泉水及蒸发量减少之和相等,开采地下水间接袭夺了无效蒸发和部分泉水;下游湿地区降深0.5 m,湿地面积不产生退化;尕斯库勒湖入湖量减少 2.53104m3/d,能维持湖泊及湿地周围生态环境的良性循环。关键词:柴达木盆地西缘;尕斯库勒湖流域;地下水允许开采量;数值模拟中图分类号:P641.8文献标志码:A文章编号:10
4、08-858X(2024)01-0057-09柴达木盆地西部矿产及石油资源十分丰富1-4,是省内主要的产油区和重要的盐湖化工原料出产地5-9。该区地貌以山地、荒漠为主体,区内气候干燥,降水量稀少,蒸发强烈。水资源短缺是制约区域经济发展的重要因素,地下水作为水资源的重要组成部分,具有分布广、优质优的特点,是盆地内各大流域主要的供水水源。柴达木盆地西缘主要流域有尕库勒湖流域、大浪滩-红沟子流域、大门口流域及达柴沟-丁字口流域,基于资源开发利用,对油田及卤水区的水化学特征及地球化学特征方面的研究较为成熟10-14。为更好的支撑区域石油矿产及卤水资源开发时的用水安全,自本世纪初相继开展了各流域地下水资
5、源量及质量相关研究15-17,发现仅在尕斯库勒湖流域存在数量较多的地下淡水,其余部位多为咸水或微咸水,但尕斯库勒湖流域地理位置处于青海与新疆交界部位,相对偏僻,人口稀少,一直未开展专门的水源地勘查及地下水资源评价工作,地下水天然资源量及允许开采量不清,严重制约了社会经济的发展。2018 年 12 月在该地区建立茫崖市后,对水资源的需求日益增大,20202022 年茫崖市委托我单位在该区开展了水源勘查及地下水资源评价工作。尕斯库勒湖流域为典型内陆闭流型流域,地表水系不甚发育,地表水资源匮乏。流域所属的行政区茫崖市是青海省最年轻的地级城市,区内石油矿产资源丰富,为省内主要产油区。地下水是该区生活及
6、生产的主要水源,区域地下水的补给主要源于南部斯巴利克河及阿达滩河两条稍大河流的补给,两河在出山口位置汇流后不远全部渗漏形成地下水。区内水文地质研究程度相对较低,对地下水天然资源量及可开采资源量认识不清,因此,准确评价盆地内地下水资源量对区域社会经济发展至关重要。收稿日期:2023-09-06;修回日期:2023-09-19基金项目:国家自然科学基金项目(42007183);四川省自然科学基金项目(2022NSFSC1084);青海省环境地质重点实验室科技项目(2023-ZK-01)作者简介:祁泽学(1990-),男,硕士,工程师,主要研究方向为水文地质调(勘)查评价工作。Email:。通讯作者
7、:肖勇(1989-),男,博士,副教授,硕士生导师,主要从事水文地质教学科研工作。Email:。第 32 卷第 1 期2 0 2 4年 2 月JOURNAL OF SALT LAKE RESEARCH盐湖研究Vol.32 No.1Feb.2024盐湖研究第 32卷1研究区概况尕斯库勒湖流域隶属于青海省海西蒙古族藏族自治州,位于柴达木盆地最西段,是青海省与新疆的交界。地理坐标为东经 8940-9113,北纬 3755-3845,流域所在的阿拉尔盆地是柴达木盆地的次级盆地,北、西、南三面环山,中部及东部为洪积-冲洪积及冲湖积-湖积平原(图 1),气候类型为典型内陆干旱气候,年平均气温 1.5,年均
8、降水量55.34 mm,年均蒸发量 2 856.93 mm,区内常年性河流为斯巴利克河、阿达滩河、阿里木赛河(小西沟)、库木拉克河(西沟)、孟达里克河(东沟)、宽沟河等,流域面积9约 5 000 km2。尕斯库勒湖流域自成完整独立的水文地质单元,区内的第四系沉积厚度巨大,含水层自盆地的山区向中心逐渐变厚,含水层岩性粒径由粗变细,泥质含量逐渐增大,至湖积平原区含水层由单一潜水逐渐向多层结构承压水演变。地下水在径流至湖积平原区溢出地表形成数条泉集河最终汇入尕斯库勒湖。作为流域地下水、地表水的终端,尕斯库勒湖水面积约 103 km2,水深一般为 0.50.8 m,平均水深0.65 m;水化学类型为硫
9、酸镁亚型,是一个以石盐、芒硝沉积为主的盐湖。湖表卤水及晶间卤水中富含钾、锂资源,湖表卤水矿化度 333 g/L,晶间卤水赋存于石盐和白钠镁矾沉积层中,埋深 0.10.3 m,分布面积为 138 km2,属固液相并存的特大型盐湖矿床18。流域地下水的补给主要源于大气降水入渗、山区基岩水侧向径流及地表河流入渗,西部和南部河水入渗,南部祁漫塔格山山体高大,降水充沛,海拔5 000 m 以上地区终年积雪并发育有现代冰川,大气降水和冰雪融水便是盆地内水资源的发源地。地下水的形成-径流带为山前冲洪积平原,此带沉积岩相为洪积冲洪积砂砾卵石层,岩性单一,颗粒粗、厚度大,透水性强,地下水径流速度快,水循环交替积
10、极。与西北地区大部分冲洪积扇类似,河水在冲洪积扇径流一段后大部分或者全部渗入地下,大量补给地下水19-23。地下水以水平运动为主。山前平原地下水流向基本与洪积扇轴线方向相一致,由盆地周边的各个方向向盆地中心最低点汇集。自冲洪积平原区至冲湖积平原区,地层结构由砂卵砾石的单一结构过渡为中细砂、粉细砂与亚砂土、亚粘土互层的多层结构。这种地质结构的变化,导致山前平原区潜水向冲湖积平原区径流过程中发生水力性质和水流分异。冲湖积平原上部以潜水形式向湖盆中径流运移,下部则以承压水形式向湖盆方向径流。垂向上,承压水头一般随深度增大而增大,而且承压水位高于上部潜水位,因此承压水通过天窗或弱透水层向上越流补给潜水
11、。地下水排泄主要为潜水蒸散发、人工开采及排湖量等。2水文地质概念模型和数学模型2.1水文地质概念模型模型区全部由流量边界和隔水边界构成,整个模型概化面积为 3 160 km2,补给水量主要来自西侧两河渗漏、南部祁漫塔格山河流渗漏及北部山区少量洪流入渗。不同年份两河径流量差异较大,流量及沿途渗漏量概化为随季节和年份变化。南部祁漫塔格山河水渗漏及北部山区洪流入渗,亦随季节和水文年波动变化,但考虑到山前冲洪积含水层调节能力较强,具有较好的“滤波”特性,故南北西山区边界简化为定流量边界,流量取多年均值。概念模型见图 2。含水层结构概化:尕斯库勒湖流域第四系沉积物来源于周围山区,主要来自西南部的斯巴利克
12、河与阿达滩河的流水沉积,自西南边界向东部的尕斯库勒湖方向,其沉积相大致演变规律为:洪积扇-冲积-洪积平原,-冲洪积平原,-冲湖积平原,-低山丘陵,-山区图1尕斯库勒湖流域水系及地貌分区图Fig.1Water system and landform zoning map of GasikuleLake Basin58祁泽学,等:柴达木盆地西缘尕斯库勒湖流域地下水流数值模拟及地下水资源评价第1期平原-湖积平原,形成一套完整的内陆河流沉积系统。与沉积系统对应的含水层类型与结构特征为:山前洪积扇带为单层潜水区;冲积平原与湖积平原区为多层含水层结构,上部为浅层潜水、下部为多层承压含水层。上部浅层潜水:该
13、层除模拟浅部地下水的水平向径流外,还具有模拟地下水的蒸发、泉水出流、降水入渗等功能。该模拟层除代表真正的上部潜水外,还包括 100 m 以内的浅部承压水。下部承压水层:该含水段由多个含水层组成,但考虑到为混合开采,故将其概化为单层承压含水层,所计算出的压力水头、降深等数值,均为该段内各层的混合平均值。2.2数学模型研究区地下水流数学模型采用 Visual Modflow软件,地下水运动规律可用以下数学模型描述:上部潜水段:下部承压段:式中:h1、h2上部浅层潜水、中部承压水、深部承压水水位 m;h10(x,y)、h20(x,y)潜水、承压水初始水位 m;T1、T2潜水、承压水导水系数 m2/d
14、;浅层潜水给水度;S2承压水储水系数;泉水溢出系数 1/d;图2水文地质概念模型示意图Fig.2Schematic diagram of hydrogeological conceptual modelx()T1h1x+y()T1h2y+1(h2-h1)+Riv-Evp-(h1-hs)-w1=h1th1()x,y,o=h10()x,y水头初始条件1hn=q1b,(x,y)1流量边界条件x()T2h2x+y()T2h2y+1(h1-h2)+2(h3-h2)-w2=S2h2th2()x,y,o=h20()x,y水头初始条件2hn=q2b,(x,y)2流量边界条件59盐湖研究第 32卷hs泉水溢出高
15、程 m;Riv河水渗漏补给强度 m/d;1、2潜水、承压水含水层边界;1浅层潜水与中部承压水间越溢流系数 1/d;2中、深部承压水间越溢流系数 1/d;w水源地开采量;q1b、q2b潜水、承压水边界流量 m2/d。3数学模型的建立与识别验证3.1模型时空离散根据研究区含水层及地下水流场特征,采用500 m500 m 的网格进行剖分,将整个模拟区在平面上沿南北向剖分为 116行,沿东西向剖分为 192列,活动单元数为 12 640 个,计算面积 3 160 km2。垂向上分为两层,上层为潜水含水层,下部为承压含水层。计算范围为整个尕斯库勒湖流域,计算区范围和概念模型见图 2,含水层共分两层时间步
16、长为 1天。3.2模型识别与验证用三类信息校验尕斯库勒湖流域地下水模型:利用区域地下水流场、河流与边界补给量、泉水溢出量等信息,对导水参数进行识别;利用长观孔水位变幅,对储水类参数进行识别;利用水源地开采井抽水试验确定的导水参数,直接作为“锚点”参数,在参数识别中保持不变。据历次勘察资料9,15,24-25,浅层潜水含水段勘查程度最高,可确定河流与边界补给量、泉集河流量等,绘制出盆地等水位线和等埋深线图;其次为中部承压含水段,尤其在阿拉尔水源地附近,有较多的水位、水量数据,结合其它控制钻孔,可粗略绘制承压含水段等压线图。阿拉尔、切克里克水源地有 40 年开采史,开采量远小于盆地地下水补给量,通
17、过泉水和蒸发自适应调节,盆地现状水流系统呈基本稳定状态。利用上述各类信息,建立尕斯库勒湖流域拟稳定水流模型,水均衡要素取多年平均值,对潜水、承压水含水段流场和泉集河流量进行拟合,识别含水层导水类参数。通过模型校正调试,模拟流场、泉集河流量与调查数据实现了合理的匹配,拟合误差5%。地下水流场拟合成果见下图 3、图 4,主要泉集河溢出量拟合见表 1。总体来看,所建立的尕斯库勒湖流域地下水流数学模型复合实际水文地质条件,参数分区合理、仿真度高,能客观反应研究区地下水流场的变化规律。4尕斯库勒湖流域地下水资源评价4.1地下水补给资源量尕斯库勒湖流域是一个完整的水文地质单元,具有独立的水循环均衡系统,盆
18、地内地下水主要来源于周边山区地表径流的渗漏补给,其次为盆地内大气降水的渗入补给。由于盆地周边基岩裂隙水十分贫表1现状泉集河溢出量拟合结果表Table 1Table of current overflow fitting resultsof Quanji River104m3/d泉集河托斯克雅河赛斯克雅河阿拉尔河总溢出量模拟溢出量3.3421.03726.78131.16实测溢出量3.3161.03926.78431.139图3潜水含水段模型验证期地下水位拟合结果Fig.3Fitting results of groundwater level in verificationperiod of
19、phreatic aquifer model图4承压含水段模型验证期地下水位拟合结果Fig.图 4Fitting results of groundwater level in confinedaquifer model verification period60祁泽学,等:柴达木盆地西缘尕斯库勒湖流域地下水流数值模拟及地下水资源评价第1期乏,又无实测资料,因此基岩水侧向补给量略去不计。4.1.1河流渗漏量尕斯库勒湖流域为一封闭的山间盆地,源于山区河流均汇入盆地内。除较大洪水越过洪积平原直接汇入尕斯库勒湖外,一般河流出山后河水在洪积平原全部渗漏补给地下水,因此,地表水径流量可视为河流渗漏补给量
20、。据地表水资源计算结果9,河流渗漏量为 94.52104m3/d,共有以下三部分组成:南部洪积平原区11.5104m3/d,北部洪积平原区3.33104m3/d,西部阿达滩冲洪积平原区 79.69104m3/d。4.1.2 大气降水入渗量区内大气降水入渗量,包括直接降落在湖区的水量和降水在冲湖积平原区的入渗补给量。茫崖地区年降水量为 55.34 mm,湖区水域面积为 117.79 km2,冲湖积平原(地下水位埋深小于5 m)面积为1 277.08 km2,降水渗入系数选用 0.13。经计算,陆地降水入渗补给 量 2.52104m3/d,直 接 降 落 在 湖 区 的 水 量 为1.79104m
21、3/d。冲湖积平原区降水入渗补给总量为4.3104m3/a。综上,区内地下水补给总量为 98.82104m3/d。4.2地下水排泄资源量排泄量包括蒸发蒸腾量和地下水开采量。汤洪康等24和汪生斌等25对尕斯库勒湖流域蒸发蒸腾量做了相关描述和计算。4.2.1蒸发蒸腾量湖西淡潜水的水位埋深小于 0.5 m 的范围面积为 425.18 km2,采用潜水埋深 0.5 m 的蒸发蒸腾量484.6 mm/a,故淡潜水蒸发蒸腾量为 56.45104m3/d。湖东浅层卤水的水位埋深小于 1 m 的范围面积130 km2。据察尔汗盐湖 1966 年均衡场用不同方法测得和计算埋深 0.5 m 左右的晶间卤水蒸发量平
22、均值为 24.82 mm。尕斯库勒湖滨晶间卤水密度与察尔汗盐湖晶间卤水密度大体相近,因此,借用察尔汗晶间卤水蒸发量,取值 24.82 mm。晶间卤水蒸发量为0.88104m3/d。冲湖积平原区地下水埋深 15 m 的范围面积为584.6 km2,采用潜水埋深3 m的蒸发蒸腾量52.8 mm/a,蒸发蒸腾量为 8.46104m3/d。研究区内蒸发蒸腾总量为 65.79104m3/d。4.2.2地下水开采量流域内现有水源总开采量 6.3104m3/d,其中阿拉尔水源地现状开采量 2.7104m3/d,其余小型水源开采量为 1.1104m3/d,切克里克水源地现状开采量为 2.5104m3/d;4.
23、2.3泉集河排泄量区内泉集河主要有托斯克雅河、赛斯克雅河及铁木里克河,在河流中下游段测得流量分别为 0.11、0.028、3.469 m3/s,则地下水溢出总量为 3.607 m3/s,即 31.16104m3/d。综上,研究区内排泄总量为 96.95104m3/d。4.3地下水可开采资源量根据所建立的模型结合当地经济发展规划及用水对象需求、尕斯库勒湖泊面积变化、绿洲湿地面积以及地下水位等约束条件下,确定水源开采量。西侧冲洪积平原中轴部拟建 16.5104m3/d 的水源、北部冲洪积平原区拟建 0.7104m3/d 的水源、南部冲洪积平原以现状开采为主,加上现状开采量 6.3104m3/d,模
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