河西走廊成为绿色走廊的主导自然条件

（1）主导自然条件是水、内陆干旱地区或气候干旱（根据经纬网确定为内陆地区；沙漠广布；季节性河流或内流河）。由于有祁连山的冰雪融水（和山地降水），在山麓地带形成许多绿洲，（这些绿洲彼比相连，形成了绿色走廓。 （2）如果农业开发超过水资源的承载力）耕（土）地得不到足够的水源灌溉（祁连山的冰雪融水非常有限），（因气候干旱）（在强烈的太阳辐射、蒸发和风力作用下，将出现土地荒漠化问题。 （3）①从西部地区产业结构的变化来看，第一产业的比重不断下降，第二、三产业的比重呈现不断上升的趋势。但是与东部地区的产业结构相比，西部地区第一产业所占的比重较高，第二、三产业所占的比重较低。②从西部地区就业结构的变化来看，第一产业的就业比重不断下降；第二、三产业的就业比重呈现不断上升的趋势。但是与东部地区就业结构相比，西部地区第一产业就业比重较高，第二、三产业就业比重较低。

一、计算区范围

计算区位于天山南麓，塔里木盆地北缘，北起渭干河龙口，南至塔里木河泛滥平原，西起新和县桑塔木农场，东至库车县哈拉哈塘乡。地理坐标:东经82°15′～83°15′，北纬40°45′～41°45′，面积约5530km2。行政区划隶属新疆阿克苏地区库车县、新和县和沙雅县（图5-1）。

二、水文地质概念模型

（一）模型边界及内部结构

渭干河流域分布的主要是多层结构的第四系孔隙含水系统，本研究建立6层结构的三维流模型来刻画。

平面上，模型的西北边界取却勒塔格山前新近系基岩与第四系沉积物的分界线，该边界可能是零通量边界。由于塔里木河以南缺乏资料，因此南边界取在塔里木河的中线，该边界为第一类边界。其他侧边界（东北边界、东边界和西边界）均是第四系含水系统的外延，只能取为人为边界:根据地下水初始水位等值线图确定流线，沿流线划定的边界为第二类边界，局部地段沿等水头线划定的边界为第一类边界（图5-2）。

具体边界条件由模型识别确定。全部模型总面积约5530km2。

垂向上，模型的顶部边界为潜水面，除塔里木河为第一类边界外，其余为入渗补给边界或潜水蒸发排泄边界。底部边界为第3层承压含水层的底面，该边界为零通量边界。

为了与多层结构平原区的分层（潜水含水层、3个承压含水层及其间的2个弱透水层）在层位概化上衔接，对山前的单一潜水含水层在垂向上也划分为相应的6层。如此处理就将全区的含水介质概化成6层结构，进行统一的数学描述。

（二）源汇项的处理

1.混合井的处理

采用“渗流–管流耦合模型”来刻画混合井:“渗流”刻画地下水的运动，“管流”刻画井孔中的水流。该方法解决了混合井的模拟问题，大大地提高了模型的仿真性。

2.潜水蒸发处理

依据新和均衡试验场总结的渭干河灌区潜水蒸发规律和4个经验公式来处理潜水蒸发问题:

①阿维里扬诺夫公式

ε＝ε0（1-D/D0）b

图5-1 计算区交通位置图

图5-2 计算区范围图

②幂函数型公式

ε＝ε0·aD-b

③指数型公式

ε＝ε0·ae-bD

④清华大学经验公式

ε＝εmax（1-e-bε0/εmax）

式中:ε为潜水蒸发强度；ε0为水面蒸发强度；εmax为与潜水埋深有关的极限蒸发强度（即该埋深下可能发生的最大潜水蒸发强度）。

εmax＝f（D）D为潜水埋深；D0为潜水极限埋深（与土质有关）；a和b为经验系数（与土质有关）。

根据不同的土质及潜水埋深条件选择适当的经验公式，提高模拟的仿真性:公式②、④较适用于细颗粒土，但只限于潜水埋深大于0.2m的情况；而对粗颗粒土，则应选用公式①或③。

3.降雨、地表水等入渗补给潜水的处理

我们采用“降雨补给滞后权系数法”来刻画降雨入渗补给。该方法既能反映降雨入渗补给滞后的实际情况，又很实用。

地表水入渗补给滞后性的机理与降雨入渗的类似，也采用上述方法刻画。

三、数学模型

依据渭干河流域水文地质概念模型，建立一个含混合井的地下水三维非稳定流数学模型，数学模型描述如下:

塔里木盆地地下水勘查

式中:H为含水层或弱透水层的水头函数（m）；H0为计算区初始水头函数（m）；H1为计算区第一类边界已知水头函数（m）；Kh和Kz为含水层或弱透水层的水平和垂直渗透系数（m/d）；Qw和Vw为开采井的开采量和井孔工作段的体积；w为大气降雨及河流、水库、渠系、田间灌溉等入渗补给强度与潜水面蒸发强度的代数和（m/d）；μs为含水层或弱透水层的单位储水系数（1/m）；μd为潜水含水层的重力给水度；v为含水层第二类边界已知渗透流速函数（m/d）；B1为计算区的第一类边界；B2为计算区的第二类边界；D为计算区的分布范围。

四、校正数学模型

采用任意多边形网格有限差分法求解。将计算区的每一模拟层在平面上剖分为662个结点、1236个三角形单元（图5-3）。6个模拟层的总结点数为662×6＝3972个，总的单元数为1236×6＝7416个。

计算区内地下水水位长期观测资料的起止时间是2000年11月至2001年11月，取该时段作为模型识别时段，取时间步长Δt＝3d（开始Δt取30d，运行模型后，由于混合井的强非线性问题，将Δt改为3d），共计130个时间步长。

模拟层共划分为6层，每一层又分为14个参数分区。

校正结果如下。

（一）水文地质参数

校正后的模型共6层，每一层划分为14个参数分区（见图5-4），各参数分区的参数值见表5-1。

（二）地下水资源

考虑到地下水动态的周期性，选用一周年（12个月:2000年11月1日至2001年10月30日）作为水均衡计算的均衡期，具体计算结果见表5-2、表5-3、表5-4。

从水均衡情况（表5-2）可以看出:计算区地下水的补给主要来源于地表水的入渗，河流、水库、渠系及田间灌溉入渗补给量之和约占总补给量的96.3％，而降雨入渗对本区地下水的补给非常有限（不足1.5％）；计算区地下水的开采量仅占总排泄量的1％左右，而潜水的蒸发蒸腾消耗了大量的水资源（占97.9％），其中无效蒸发占总排泄量的80.25％。

图5-3 平面剖分图

表5-1 水文地质参数分区参数值统计表

图5-4 计算区第1～6层参数分区图

表5-2 计算区2000年11月1日至2001年10月30日的水均衡计算结果

表5-3 地下水模型补给项计算数据一览表

表5-4 地下水模型排泄项计算数据一览表

注:田间灌溉入渗补给量、降雨入渗补给量、蒸发量等与潜水埋深及岩性等有关，在模型中是不断变化的；本表中的数值取的是模型识别阶段2000年11月1日至2001年10月30日的平均值。

（三）误差分析

1.降速场的拟合误差分析

最终求得各观测孔模拟水位和实测水位的拟合曲线见图5-5。其中:大实心圆点表示各观测孔水位的实测值（一个月一个值），小空心圆点表示模拟水头值（三天一个值）。

为了说明水头的拟合情况，将观测孔的拟合水头的误差统计于表5-5，将各含水层中观测孔的拟合水头的误差统计于表5-6、表5-7。用作统计的数据是各拟合观测孔模拟水头与实测水头之差的绝对值。

误差统计表明，ΔH≤0.5m的占总对比数的62.16％，ΔH≤1.0m的占86.63％。在当前的资料情况下，总的来说，拟合效果还是较好的，某些观测孔的水位受随机因素的影响，拟合误差偏大。

2.梯度场的拟合误差分析

图5-6分别为2001年11月第2层和第4层的等水头线拟合图（均采用克里格插值法绘制），图中的实线是实测等水头线（m），虚线是模拟等水头线（m）。

五、验证数学模型

除模型识别时间段外（2000年11月至2001年11月），计算区内没有其他时间段的地下水开采量、地下水水位动态等统计资料，无法利用其他时段的统计资料来对数值模型进行验证。但是，在模型识别阶段，采用的资料均为实际测量资料，资料的时间序列较长（1a），观测孔在平面上的控制较好，不论是降速场还是梯度场，拟合的结果是比较好的，识别出来的模型是可靠的，可以用于预报。

六、预报

（一）预报方案的确定

第一方案:保持目前的开采井布局（如图5-7）和地下水开采量，开采井总数为32个，开采总量为0.1537×108 m3/a。

第二方案:在第一方案已有32个开采井的基础上，按照规划的水源地布局（见图5-8）及开采量，增加70个格点开采井（面井），开采总量为3.57×108 m3/a。

图5-5 观测孔水位的拟合曲线

表5-5 观测孔模拟水头与实测水头的绝对误差

表5-6 第2层中观测孔水头拟合绝对误差

表5-7 第4层中观测孔水头拟合绝对误差

第三方案:设计在潜水蒸发区的第2层大面积开采地下水，通过开采地下水夺取地下水无效蒸发量（见图5-9）。采取比较实用的试错法来获得开采强度ε［单位:104 m3/（km2·a）］的分布。利用试错法计算开采强度的前提条件是潜水的水位埋藏深度要满足生态用水对水位埋藏深度的需求，即开采条件下植被区的潜水水位埋深不得大于4.5m（渭干河流域缺乏生态用水的潜水埋深资料，采用经验值4.0～4.5m），以保证植物根系能够吸取必要的土壤水。

新和县西南部的沙漠地带及沙雅县东南角的部分区域地下水水质差，承压水的TDS一般大于3g/L，潜水的TDS甚至更高，不宜开采；西北边界是零通量边界，塔里木河河床内也不得布井开采，其他区域的地下水均可以开发利用。

（二）预报期边界条件和源汇项的处理

预测方案中，降雨量、蒸发量、河流水库入渗量、渠系引水量等的年动态变化及各类入渗系数均与模型识别阶段保持一致。

作为流域级的数值模型，第二方案中的规划水源地只能按面井处理，将各水源地的开采量分配到该水源地范围内的各格点上，各格点的开采量按面积比例分配。

图5-6 2001年11月第2层（A）和第4层（B）的实测及模拟等水头线图

图5-7 第一方案开采井位置图

图5-8 第二方案规划水源地分布图

图5-9 第三方案开采强度分布等值线图

图5-10 第一方案2011年11月各含水层等水头线图

（三）预报结果

第一方案和第二方案的预测时间长度为10年（预测至2011年11月），第三方案的预测时间长度为20年（预测至2021年）。

第一方案:预测至2011年11月，各含水层的等水头线如图5-10所示。

在现状开采条件下，未来10年各观测孔水位动态基本不变，个别孔水位有略微上升，如B2、B45孔等，这可能是预测期内补给要素（如渠系流量分配等）与排泄要素（如水面蒸发强度等）给定得不甚合理所致。

该方案预测10年的年均地下水水均衡结果见表5-8。

表5-8 第一方案预测10年年均水均衡一览表

第二方案:预测至2011年11月，各含水层的等水头线如图5-11所示。

图5-11 第二方案2011年11月各含水层等水头线图

该方案加大了对地下水的开采量，对于距离水源地较远的观测孔，加大地下水开采量对观测孔水头动态的影响不大（如C67、C59、C8、C9、B30、B31孔等）。这一现象似乎与以往其他模型不相同，可用如下两个因素来解释:第一是本模型是流域级的大尺度模型，观测孔距离集中水源地较远，而含水层的水力传导系数又不是很大。第二是地下水排泄中主要是潜水蒸发，集中开采地下水后，水源地及其附近不大的范围内由于潜水水位降低而减少的潜水蒸发量足以与开采量相平衡，使得远处水头的下降不是太明显。

对于位于水源地范围内或其附近的观测孔，加大开采后水头呈明显下降趋势。总体来说，第2层的水头下降幅度大于第4层和第6层的水头下降幅度。

该方案预测10年的年均地下水水均衡结果见表5-9。

表5-9 第二方案预测10年年均水均衡一览表

第三方案:预报的各含水层地下水等水头线和潜水埋藏深度等值线见图5-12、图5-13。

图5-12 第三方案2021年11月各含水层等水头线图

图5-13 第四方案2021年11月潜水埋深等值线图

在强烈蒸发区加大开采，当总开采量增加至10.29×108 m3/a时，计算区内大范围的潜水埋深仍保持在4.0～4.5m，是可以保证生态用水需求的。与第二方案对比，第三方案的地下水开采量增加了6.71×108 m3/a，而储存量的消耗只增加了约0.195×108 m3/a，所增加的开采量主要来源于蒸发量的转化，第三方案中潜水蒸发量减小了6.65×108 m3/a。

第三方案的预测结果显示:在计算区南部地下水埋藏较浅的区域大面积布置开采井，加大对地下水的开采，不仅可以夺取大量的无效蒸发，而且地下水位下降后可以减轻土壤盐渍化等环境地质问题。

只要合理地布局，就能够做到既不影响生态发展又最有效地开发利用地下水资源。

第三方案开采第20年（2020年12月1日至2021年11月30日）的地下水均衡情况见表5-10。

表5-10 第三方案2020年12月1日至2021年11月30日的水均衡一览表