曹 峰，鄭躍軍

(中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，北京 100081)

地表水地下水是一個(gè)統(tǒng)一的整體，尤其在干旱半干旱地區(qū)［1］。如何將有限的水資源利用好，一直是該類地區(qū)水資源可持續(xù)利用的重要課題。長(zhǎng)期以來(lái)，通過(guò)修建地表平原水庫(kù)存儲(chǔ)洪期多余水量，雖然在一定程度上緩解了水資源供需的時(shí)空矛盾。但是，這種水資源的利用方式，因無(wú)效蒸發(fā)等原因引起了水資源的浪費(fèi)［2］。國(guó)內(nèi)外大量研究表明［3］，在干旱-半干旱區(qū)利用人工補(bǔ)給地下水建設(shè)地下水庫(kù)，以代替平原地表水庫(kù)，可以彌補(bǔ)地表水時(shí)空分布不均勻帶來(lái)的缺陷，減少水資源的無(wú)效蒸發(fā)，增加可用水資源量，從而通過(guò)地表水、地下水聯(lián)合利用，實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)管理。選擇適宜人工補(bǔ)給地下水的地點(diǎn)，是建設(shè)地下水庫(kù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有了大量的研究，Alivia Chowdhury等［4］利用遙感結(jié)合GIS技術(shù)，以西孟加拉地區(qū)為例開(kāi)展了典型研究，Ismail Chenini等［5］以突尼斯中部的Maknassy盆地為例，利用GIS技術(shù)選擇適合于人工補(bǔ)給地下水的區(qū)域并利用數(shù)值模型驗(yàn)證了地下水人工補(bǔ)給的能力。SARAF和CHOUDHURY［6］等基于遙感和 GIS數(shù)據(jù)，對(duì)印度Madhya Pradesh基巖地區(qū)的人工補(bǔ)給位置進(jìn)行了劃分。這些基于GIS技術(shù)對(duì)人工補(bǔ)給地下水地點(diǎn)的劃分，在選擇評(píng)價(jià)要素及對(duì)各要素權(quán)重劃分上各有特點(diǎn)，但缺乏必要的驗(yàn)證。本文將以烏拉泊洼地為例，從水文地質(zhì)角度出發(fā)，分析影響地下水人工補(bǔ)給的影響因素，運(yùn)用GIS技術(shù)，開(kāi)展人工補(bǔ)給地下水區(qū)域的適宜性評(píng)價(jià)，結(jié)合補(bǔ)給工程的經(jīng)濟(jì)性分析，選擇人工補(bǔ)給地下水的最佳區(qū)域，并利用已有的試驗(yàn)結(jié)果，研究入滲能力。

1 研究區(qū)概況

烏拉泊洼地位于我國(guó)西北地區(qū)的準(zhǔn)格爾盆地南緣，烏魯木齊河流域上游，地形東北低、西南高，為典型的洼地特征，屬溫帶大陸性干旱氣候，夏季炎熱，冬季嚴(yán)寒，春秋季氣溫升降迅速，日變化劇烈。降水稀少且分配不均勻，蒸發(fā)強(qiáng)烈［7～9］。所處流域降水量較少，年際變化較大，季節(jié)分配不均，夏季降水量多，降水量隨著高程的降低而明顯降低。

烏拉泊洼地南部靠近山前地帶為山前拗陷區(qū)，第四系地層成盆狀分布，呈現(xiàn)出典型的中間厚兩頭薄的特點(diǎn)。由于基底受北東向、南北向斷裂控制，斷裂帶受洪流沖刷，形成了淹埋古河道，沉積了厚度較大的卵礫石層，成為良好的含水地段。含水層厚度由南向北逐漸變薄，含水層顆粒由南向北逐漸變細(xì)，上部為單一卵礫石層，下部為卵礫石與黏土互層，含水層由南向北由800余米到20米左右［10～11］。區(qū)內(nèi)第四系孔隙地下水大部分為巨厚的潛水含水層，在靠近西山的部分地區(qū)和烏拉泊水庫(kù)西南部的部分地區(qū)存在少量的承壓水含水層。從含水層的富水性看，區(qū)內(nèi)大部分地區(qū)為中等富水區(qū)［12］。潛水位埋深由南向北、由西向東變淺，到西山山前以及烏拉泊水庫(kù)等地即溢出成泉［1］。區(qū)內(nèi)典型的干旱氣候特點(diǎn)決定了降水入滲對(duì)潛水水位埋深大于5m的地下水的補(bǔ)給作用微乎其微，地下水最主要的補(bǔ)給源為河水入滲、渠系入滲、田間滲漏及側(cè)向補(bǔ)給［11］。

烏拉泊地區(qū)山前傾斜平原區(qū)的地表水資源主要是烏魯木齊河出山口徑流量和板房溝出山口徑流量。烏魯木齊河多年出山口徑流量為2.45×108m3/a，板房溝多年出山口徑流量0.51×108m3/a，水資源總量為2.96×108m3/a。通過(guò)分析水資源的時(shí)空分布及供水需求，結(jié)果表明，6—9月烏魯木齊河約有 1.30×108m3/a的水資源可供人工補(bǔ)給地下水，6—9月分別占比20.8%、43.8%、33.8%、1.6%。

2 人工補(bǔ)給地下水區(qū)域適宜性評(píng)價(jià)

本次適宜性評(píng)價(jià)，以不動(dòng)用大規(guī)模的水利工程及開(kāi)鑿入滲井為原則，優(yōu)先采用入滲水源通過(guò)自然的方式入滲補(bǔ)給地下水。

本次研究利用GIS技術(shù)，該方法的實(shí)現(xiàn)路徑包括以下步驟，選擇影響人工補(bǔ)給地下水的主要指標(biāo)、采用專家打分法對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行定量表達(dá)及標(biāo)準(zhǔn)化處理、采用層次分析法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)取得權(quán)重分級(jí)、通過(guò)GIS技術(shù)進(jìn)行人工補(bǔ)給地下水區(qū)域的適宜性評(píng)價(jià)。

2.1 選用的影響指標(biāo)及數(shù)據(jù)來(lái)源

考慮影響地下水人工補(bǔ)給的主要影響因素和數(shù)據(jù)的可獲取性，本次研究選擇的指標(biāo)包括地形坡度、土壤類型、地下水位埋深、含水層介質(zhì)、滲透系數(shù)。

(1)地形坡度。以1∶250 000數(shù)字高程模型為基礎(chǔ)，在高程點(diǎn)比較少的地區(qū)，利用美國(guó)太空總署(NASA)和國(guó)防部國(guó)家測(cè)繪局(NIMA)聯(lián)合測(cè)量獲取的SRTM全球數(shù)據(jù)，截取烏拉泊洼地30m分辨率的STRM1數(shù)據(jù)，通過(guò)ARCGIS軟件數(shù)據(jù)融合，制作成烏拉泊洼地?cái)?shù)字高程模型(DEM)，其中單元格大小為500m×500m，進(jìn)一步制作烏拉泊洼地的坡度圖(圖1)。

圖1 烏拉泊洼地坡度分布圖Fig.1 Slope map in Wulabo basin

(2)土壤類型。區(qū)內(nèi)土壤類型主要有三種，栗鈣土，棕鈣土、灰漠土、灰棕土，鹽土。其中，栗鈣土面積193.1km2，棕鈣土、灰漠土、灰棕土 596.4km2，鹽土27.6km2(圖2)。

圖2 烏拉泊洼地土壤類型圖Fig.2 Soil type map inWulabo basin

(3)地下水位埋深。區(qū)內(nèi)雖然局部地下水位下降，但總體上水位呈現(xiàn)出比較穩(wěn)定的態(tài)勢(shì)。根據(jù)2008年枯水期的地下水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，繪制地下水位埋深等值線圖(圖3)。從圖3可以看出，2008年枯水期烏拉泊洼地最大水位埋深在100m以上，最小水位埋深不到1m。

圖3 烏拉泊洼地2008年枯水期地下水位埋深圖Fig.3 Groundwater depth map for dry period in 2008 inWulabo basin

(4)含水層介質(zhì)。區(qū)內(nèi)主要的含水層介質(zhì)為卵礫石、砂礫石、砂，局部地區(qū)分布一些透水不含水的巖層(圖4)。從區(qū)域分布看，山前大部分地區(qū)為卵礫石，面積約356km2;在洼地的中部及烏魯木齊河的北部一線廣泛分布砂礫石帶，面積約為241km2;在西山農(nóng)場(chǎng)一線及烏拉泊水庫(kù)的西邊分布砂層，面積約為192km2，另外在烏拉泊水庫(kù)的南部分布有面積約為30km2的透水不含水介質(zhì)。

圖4 烏拉泊洼地含水層介質(zhì)分布圖Fig.4 Aquifer materiel map inWulabo basin

(5)滲透系數(shù)。區(qū)內(nèi)含水層滲透系數(shù)中部地區(qū)從西南向東北的大部分地帶大于25m/d，面積約465 km2;南部地區(qū)和烏拉泊水庫(kù)以北小部分區(qū)域滲透系數(shù)為20～25m/d，面積約213km2;西山農(nóng)場(chǎng)一帶的滲透系數(shù)為15～20m/d，面積約115km2;其它還有小部分地區(qū)的滲透系數(shù)在15m/d以下(圖5)。

圖5 烏拉泊洼地含水層滲透系數(shù)分布圖Fig.5 Conductivitycoefficient map in Wulabo basin

2.2 不同指標(biāo)的相關(guān)性分析

通過(guò)綜合分析表明，地形坡度、土壤類型和其它指標(biāo)之間，幾乎不存在相關(guān)性，為獨(dú)立性指標(biāo);水位埋深的影響因素主要為地下水補(bǔ)給量、地下水開(kāi)采量，另外滲透系數(shù)和含水層介質(zhì)也對(duì)地下埋深有一定的影響;含水層介質(zhì)和滲透系數(shù)之間的相關(guān)性最密切，適用于含水的地層，如卵礫石層、砂卵礫石層，其滲透系數(shù)也相應(yīng)較大，但最重要的影響因素是土體的顆粒大小和風(fēng)選程度。從人工補(bǔ)給地下水的角度看，這兩指標(biāo)之間是相對(duì)獨(dú)立的。

2.3 指標(biāo)賦值及標(biāo)準(zhǔn)化處理

不同的指標(biāo)在空間分布上是一組各自獨(dú)立的定性描述和半定量數(shù)值，為了對(duì)指標(biāo)進(jìn)行半定量的計(jì)算，必須要對(duì)不同的指標(biāo)進(jìn)行定量描述，并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。不同指標(biāo)的定量描述及標(biāo)準(zhǔn)化處理限于指標(biāo)的特殊性，采用專家打分法進(jìn)行確定。本次研究共發(fā)放了20余份專家打分表，經(jīng)過(guò)對(duì)專家打分表的匯總整理，得到不同指標(biāo)的取值。

在標(biāo)準(zhǔn)化處理時(shí)，采用:

式中:Ai'——A指標(biāo)i個(gè)屬性標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)值;

Ai——專家打分獲取的A指標(biāo)i個(gè)屬性的取值，或者是野外工作獲取的數(shù)值;

經(jīng)過(guò)專家打分和野外工作獲取的數(shù)據(jù)，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理后的各指標(biāo)的取值及標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果見(jiàn)表1～表5。

表1 地形坡度賦值及標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果表Table 1 Assignment and standardization value for slope

表2 土壤類型賦值及標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果表Table 2 Assignment and standardization value for soil type

表3 水位埋深賦值及標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果表Table 3 Assignment and standardization value for groundwater depth

表4 含水層介質(zhì)賦值及標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果表Table 4 Assignment and standardization value for aquifer material

表5 含水層滲透系數(shù)賦值及標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果表Table 5 Assignment and standardization value for conductivitycoefficient

2.4 綜合評(píng)價(jià)

選用層次分析法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

根據(jù)專家對(duì)5個(gè)影響地下水人工補(bǔ)給指標(biāo)的重要性評(píng)分值，建立判斷矩陣，見(jiàn)表6。

表6 各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)判斷矩陣Table 6 Judgment matrix for different index weight coefficient

根據(jù)表6中的權(quán)數(shù)，地形坡度、土壤類型、地下水位埋深、含水層介質(zhì)、滲透系數(shù)的幾何平均數(shù)Wi分別為:0.61，0.92，1.12，1.22，1.37。對(duì)各幾何平均數(shù)進(jìn)行歸一化處理，再利用計(jì)算，依據(jù)計(jì)算結(jié)果確定各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。

通過(guò)計(jì)算，地下水位埋深、滲透系數(shù)、地形坡度、含水層介質(zhì)和土壤介質(zhì)等五個(gè)指標(biāo)的權(quán)重分別為:0.12，0.18，0.21，0.23，0.26。

然后通過(guò)加權(quán)計(jì)算得到適合人工補(bǔ)給的評(píng)價(jià)值在0.16～0.36之間。

根據(jù)計(jì)算值的大小，大于0.33的為非常適宜于人工補(bǔ)給的區(qū)域，在0.31～0.33之間的為較適宜地區(qū)，在0.29～0.31之間的為中等適宜，在0.16～0.29之間的為不適宜。

利用ARCGIS軟件，通過(guò)空間計(jì)算，并通過(guò)對(duì)圖形的融合處理，得到烏拉泊洼地人工補(bǔ)給地下水區(qū)域的適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果。

圖6 烏拉泊洼地人工補(bǔ)給區(qū)域適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.6 Results of regional suitability evaluation for artificial recharge in Wulabo basin

從圖6可以看出，非常適宜于人工補(bǔ)給地下水的區(qū)域主要分布在永豐鎮(zhèn)的東南部烏魯木齊河、板房溝穿過(guò)的地區(qū)，面積約為123.4km2;適宜于人工補(bǔ)給地下水的區(qū)域主要分布在永豐鎮(zhèn)的東部沿烏魯木齊河一帶，面積約為207.3km2;中等適宜于人工補(bǔ)給地下水的區(qū)域主要分布在板房溝的大部分地區(qū)、永豐鎮(zhèn)的西南部、烏拉泊水庫(kù)的西南部和東北部地區(qū)，面積約為249.8km2;不適宜于人工補(bǔ)給的區(qū)域主要分布在西山農(nóng)場(chǎng)、水西溝南部、烏魯木齊河出山口以下河谷兩岸、烏拉泊水庫(kù)南部及紅雁池水庫(kù)周邊等地區(qū)，面積約為236.4km2。

3 烏拉泊洼地人工補(bǔ)給區(qū)域確定

人工補(bǔ)給區(qū)域的選擇，除了依據(jù)適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果外，還應(yīng)充分考慮人工補(bǔ)給工程的經(jīng)濟(jì)性和地區(qū)用水需求等因素。

本著技術(shù)的可行性和經(jīng)濟(jì)的合理性原則，結(jié)合烏拉泊洼地的水文地質(zhì)條件，選擇天然河道的自然狀態(tài)或者只需在河道開(kāi)展少量的輔助性工程措施的地段進(jìn)行人工補(bǔ)給最為理想。而且，人工補(bǔ)給地下水的水源主要為烏魯木齊河的地表徑流。因此，該地區(qū)選擇烏魯木齊河天然河道作為人工補(bǔ)給的地段，是比較理想的。

人工補(bǔ)給的目的是為了將多余的地表水存儲(chǔ)在地下水含水層，在需水的季節(jié)開(kāi)采用于灌溉。因此，理想的情況是盡可能在需水的區(qū)域?qū)嵤┤斯ぱa(bǔ)給，可以有效降低水資源輸送成本。從需水結(jié)構(gòu)看，烏拉泊洼地農(nóng)業(yè)灌溉是用水大戶，而全區(qū)的農(nóng)業(yè)灌溉主要分布在三個(gè)地區(qū):青年渠北部永豐鎮(zhèn)至西山農(nóng)場(chǎng)一線，板房溝兩側(cè)及烏拉泊水庫(kù)的東南部，其中永豐鎮(zhèn)至西山農(nóng)場(chǎng)一線面積最大，是區(qū)內(nèi)主要依靠地下水灌溉的地區(qū)(圖7)。

圖7 烏拉泊洼地用水來(lái)源圖Fig.7 Water source map in Wulabo basin

基于適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果和上述兩方面的考慮，烏拉泊洼地人工補(bǔ)給區(qū)域有兩個(gè)選擇，第一個(gè)優(yōu)先區(qū)段，約為6.4km，第二個(gè)為備選區(qū)段，約7.2km，區(qū)段位置如圖8所示紅色圈出區(qū)域。

通過(guò)衛(wèi)星遙感影像看，在所選的區(qū)域有大量的場(chǎng)地可用，河道寬度在1km左右，可以計(jì)算出優(yōu)先區(qū)段面積約為5.0 km2，備選區(qū)段面積約為5.5 km2。

當(dāng)然，人工補(bǔ)給工程最終選址還應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的工程勘察結(jié)果最終確定。

圖8 烏拉泊洼地人工補(bǔ)給區(qū)段Fig.8 Selected artificial recharge section in Wulabo basin

4 選擇區(qū)段的入滲能力驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證選擇區(qū)段的入滲能力，在優(yōu)選區(qū)段和備選區(qū)段進(jìn)行了試驗(yàn)，采用光纖測(cè)溫法，利用地表維持0.6m的水位進(jìn)行測(cè)量不同深度含水層溫度的變化，利用水熱傳導(dǎo)模型計(jì)算優(yōu)選區(qū)段和備選區(qū)段的垂向滲透性能分別為4.83×10-7m/s和 1.34×10-7m/s［13］。

利用公式可以近似地計(jì)算入滲能力:

式中:Q入——入滲量;

A——入滲區(qū)面積;

kv——垂向滲透系數(shù);

t——入滲時(shí)間。

計(jì)算結(jié)果表明，維持0.60m水頭高度的條件下，優(yōu)選區(qū)段的年最大入滲量可達(dá)7.6×108m3/a，備選區(qū)段的入滲量為2.3×108m3/a，總計(jì)入滲量為9.9×108m3/a。試驗(yàn)數(shù)據(jù)充分驗(yàn)證了選擇區(qū)段的科學(xué)性與可行性。

5 結(jié)論

(1)地形坡度、土壤類型、地下水位埋深、含水層介質(zhì)、滲透系數(shù)等5個(gè)影響因素可以作為烏拉泊洼地人工補(bǔ)給地下水區(qū)域選擇的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

(2)烏拉泊洼地人工補(bǔ)給地下水區(qū)域的適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果表明:非常適宜于人工補(bǔ)給地下水的區(qū)域面積約為123.4km2，適宜于人工補(bǔ)給地下水的區(qū)域面積約為207.3km2，中等適宜于人工補(bǔ)給地下水的區(qū)域面積約為249.8 km2，不適宜于人工補(bǔ)給的區(qū)域面積約為236.4 km2。

(3)根據(jù)適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性和用水需求分析，在烏魯木齊河谷中選擇了優(yōu)先補(bǔ)給區(qū)段與備選補(bǔ)給區(qū)段，長(zhǎng)度分別為6.4km、7.2 km，面積分別為5.0 km2、5.5 km2。

(4)烏拉泊洼地人工補(bǔ)給適宜性研究結(jié)果表明，該方法可作為人工補(bǔ)給地點(diǎn)選擇的技術(shù)依據(jù)。

致謝:新疆地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院的姜越高級(jí)工程師為本文的寫作提供了很大的幫助，在此表示衷心感謝。

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