李曉芳，閆 琴，張少博，劉 兵，王 晨，何新林

(石河子大學水利建筑工程學院，新疆 石河子 832000)

新疆地處亞歐大陸腹地，多年平均降水量為147 mm，水資源總量為789 億m3，其中地下水資源量為332.15 億m3，平原區(qū)地下水總補給量為337.61 億m3，地下水利用總量為85.1 億m3，但地下水開發(fā)利用在區(qū)域上不均衡[1]。在現(xiàn)狀條件下，哈密、奇臺、烏魯木齊、瑪納斯、石河子等地區(qū)地下水均處于超采狀態(tài)，地下水負均衡加劇，水位下降，進而導致胡楊、梭梭等植物衰亡，生態(tài)環(huán)境惡化加劇[2]。近年來新疆瑪納斯河灌區(qū)(簡稱“瑪河灌區(qū)”)河道引水量不斷增大，紅山嘴渠首以下河道平時干涸，河道入滲補給大量減少，且地下水的開發(fā)利用程度急劇增加，地下水位持續(xù)下降。同時，灌區(qū)續(xù)建配套和節(jié)水改造工程的實施，使灌區(qū)供水保證率、渠系及田間水利用系數(shù)提高，但渠系及田間入滲對地下水補給量逐漸減少，區(qū)域水循環(huán)條件發(fā)生顯著變化，導致地下水資源量發(fā)生變化。故本研究以瑪納斯河灌區(qū)為例，進行地下水進行均衡分析，計算地下水補給量和排泄量，分析源匯項之間的相互關系，闡明不同典型年的地下水均衡情況，對合理開發(fā)利用地下水資源，緩解水資源供需矛盾，保證灌區(qū)社會經濟的可持續(xù)發(fā)展及改善生態(tài)環(huán)境具有重要意義，同時為新疆其他類似灌區(qū)地下水綜合管理提供參考。

1 研究區(qū)概況

瑪河灌區(qū)位于新疆天山北麓瑪納斯河流域中下游沖洪積平原，下設石河子灌區(qū)、下野地灌區(qū)、莫索灣灌區(qū)3個子灌區(qū)。灌區(qū)屬大陸性干旱氣候，年降水量110～200 mm，年蒸發(fā)量1 500～2 000 mm。隨著節(jié)水改造工程的實施，灌區(qū)渠系水利用率由64%提高至76%，凈灌溉定額由5 700 m3/hm2，下降到5 400 m3/hm2[3]。灌溉用水主要為引用的瑪河河水和人工開采的地下水。據(jù)資料統(tǒng)計，地下水開采量自2001年的2.32 億m3增加到2009的3.65 億m3，增加比例為36%。劇增的地下水開發(fā)量引發(fā)的地下水位迅速下降而導致灌區(qū)外圍荒漠生態(tài)的迅速退化現(xiàn)象已引發(fā)高度關注。因此，本研究依據(jù)瑪河灌區(qū)實際情況，構建灌區(qū)地下水均衡模型，定量分析灌區(qū)不同來水頻率典型年地下水均衡要素情況。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究中所用的數(shù)據(jù)主要包括瑪納斯河灌區(qū)3個典型年(2001、2004和2009年)的降雨量、河道徑流量、泉水溢出量、渠系引水量、人工開采量、灌溉面積、作物種植結構、灌溉定額、地下水側向補給量及側向排泄量，來源于《石河子年鑒》及灌區(qū)相關統(tǒng)計資料。

2.2 典型年

通過對肯斯瓦特水文站 1954-2012年瑪納斯河徑流序列進行頻率計算，選取P-Ⅲ型頻率曲線擬合出最佳徑流頻率分布曲線，得到不同來水頻率下肯斯瓦特站年徑流量。來水頻率P=25%、P=50%、P=75%時肯斯瓦特站年徑流量分別為13.8、12.1、10.9 億m3。故根據(jù)來水頻率P=25%、P=50%、P=75%確定相應的典型年分別為2001、2004、2009，地下水均衡計算。

2.3 水均衡法

水均衡是均衡計算區(qū)地下水總補給量、儲存量和總排泄量之間的關系，目的是通過平衡計算，評價地下水的允許開采量[4]。水均衡法相對數(shù)值模擬及數(shù)學物理等方法，概念明確，對區(qū)域水文地質條件認知度低，資料要求不苛刻，方法靈活、計算方便，適用范圍廣[5-6]。因此，本文采用水均衡法計算瑪河灌區(qū)三個典型年(2001、2004、2009年)的地下水均衡。

根據(jù)瑪河灌區(qū)地理位置及地形地貌特征，基于水量平衡原理，建立地下水均衡模型：

QB-QP=ΔQ

(1)

(2)

QB=QCB+QR+QY+QQ+QT+QS+QH

(3)

QP=QCP+QE+QSW+QG

(4)

(5)

式中：QB、QP為均衡時段內地下水總補給量、總排泄量，億m3/a；△Q為計算的地下水儲存量的變化量，億m3/a；△QCM為儲存量變化量, 億m3/a；μ為給水度；F為均衡區(qū)面積， hm2；△t為均衡時段，a；△H為均衡時段內實測的地下水位變幅，m；QCB為側向補給量，億m3/a；QR為河道滲漏補給量，萬m3/a；QY為降水入滲補給量，億m3/a；QQ為渠系入滲補給量，億m3/a；QT為田間入滲補給量，億m3/a；QS為水庫入滲補給量，億m3/a；QH為井灌回歸量，億m3/a；QCP為側向排泄，億m3/a；QE為潛水蒸發(fā)量，億m3/a；QSW為泉水溢出量，億m3/a；QG為人工開采量，億m3/a。δ為相對均衡差，δ≤10% 時補排量計算結果合理，模型計算精度符合要求。

3 灌區(qū)地下水均衡計算

3.1 均衡區(qū)劃分及均衡時段確定

依據(jù)瑪河灌區(qū)地形地貌特征及水文地質條件，并考慮到保證行政區(qū)界限的完整性，將灌區(qū)劃分為石河子灌區(qū)、莫索灣灌區(qū)、下野地灌區(qū)3個計算區(qū)。本文選取2001、2004、2009年3個典型年的1月1日至12月31日作為均衡時段。

3.2 水文地質參數(shù)確定

水文地質參數(shù)是水均衡計算的基礎，反映了灌區(qū)地下水循環(huán)特征。計算涉及的水文地質參數(shù)主要包括：給水度μ、滲透系數(shù)K、降水入滲補給系數(shù)α、河道入滲補給系數(shù)ρ、水庫入滲補給系數(shù)ω、渠系水利用系數(shù)η、灌溉入滲補給系數(shù)β等。這些參數(shù)主要依據(jù)《新疆地下水》、《準噶爾盆地地下水資源及其環(huán)境問題調查評價》，地下水埋深資料及近期相關文獻予以確定[7，8]。其中渠系水利用系數(shù)η、田間入滲補給系數(shù)β主要依據(jù)灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造規(guī)劃報告等相關資料。最終確定的各分區(qū)水文地質參數(shù)如表1所示.

表1 瑪河灌區(qū)水文地質參數(shù)統(tǒng)計表Tab.1 Hydrogeological parameter statistics ofManasi River Irrigation District

4 結果與分析

首先計算各子灌區(qū)地下水均衡要素值，再通過地下水均衡模型進行匯總與補排分析。計算得出各典型年的相對均衡差(δ)最大為4.55%，最小為2.73%，均小于10%，表明所建的水均衡模型計算精度符合要求，能夠定量研究不同典型年各均衡要素的變化情況。

4.1 地下水補給量

瑪河灌區(qū)地下水補給來源包括：側向補給、河道入滲補給、降雨入滲補給、渠系入滲補給、 田間入滲補給、水庫入滲補給和井灌回歸補給量?；谒科胶庠恚瑯嫿ü鄥^(qū)地下水均衡模型，計算得出各子灌區(qū)不同典型年地下水補給量，然后匯總得出瑪河灌區(qū)(表中簡稱“總灌區(qū)”)不同典型年地下水補給量。計算結果如表2、3、4所示。

表2 瑪河灌區(qū)(P=25%)地下水補給量 億m3/a

表3 瑪河灌區(qū)(P=50%)地下水補給量 億m3/a

表4 瑪河灌區(qū)(P=75%)地下水補給量 億m3/a

分析表2可知，在P=25%，瑪河灌區(qū)地下水總補給量為5.44 億m3/a，側向補給、河道滲漏補給、降雨入滲補給、渠系入滲補給、田間入滲補給、水庫入滲補給及井灌回歸補給占總補給量比例分別為15.55%、22.28%、2.75%、32.34%、15.31%、4.40%、7.37%，因此，渠系入滲補給及河道滲漏補給為瑪河灌區(qū)地下水主要補給來源，其次為田間入滲補給。

由表3和表4可知，在P=50%，側向補給、河道滲漏補給、降雨入滲補給、渠系入滲補給、田間入滲補給、水庫入滲補給及井灌回歸補給占總補給量比例分別為17.83%、15.32%、2.47%、33.26%、17.64%、5.03%、8.17%；在P=75%，占總補給量比例為19.70%、10.22%、3.75%、33.34%、15.62%、5.14%、12.23%，因此渠系、田間入滲補給及側向補給為瑪河灌區(qū)地下水的主要補給來源。

在各典型年，石河子灌區(qū)地下水主要補給來源均為側向補給與河道入滲補給，占其地下水總補給量比例分別為31.01%～34.48%、21.02%～38.78%。莫索灣灌區(qū)及下野地灌區(qū)地下水主要補給來源均為灌溉入滲補給(渠系入滲和田間入滲補給)，占總補給量比例分別為50.71%～57.07%、72.35%～76.30%。因下野地灌區(qū)渠系密度大，西岸大渠附近地下水位較高且瑪河下游的灌區(qū)引水途徑較長，地表水有效利用系數(shù)相對較低，因此，灌溉入滲補給所占比例較石河子灌區(qū)和莫索灣灌區(qū)大。

對比分析P=25%、P=50%、P=75%可知，河道滲漏補給量變化較大，這是因為河道滲漏量與河道總過水量有關，受河道豐、平、枯影響較大，豐水年增加，枯水年減少。降水入滲所占比例非常小，是因為灌區(qū)降水量少且蒸發(fā)量大。渠系入滲補給與田間入滲補給量均減少，但變化較小且所占總補給量比例增加，是由于節(jié)水灌溉灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造工程的實施，節(jié)水灌溉面積不斷增加，渠系及田間水利用系數(shù)增加，灌溉定額及引水量減小，大部分農用灌溉機井位于農田或渠道旁，膜下滴灌區(qū)域地下水開采后直接進入田間，渠系入滲及田間入滲補給減少。平原水庫滲漏量變化較小，這是因為瑪河灌區(qū)平原水庫已運行多年，庫床淤積等原因，滲漏損失較小且為穩(wěn)定滲流過程，當水庫枯水期時，會抽取地下水入庫。據(jù)資料可知，總種植面積增加，河道徑流量減少，為滿足農作物需水要求，需增加地下水開采量，因而供水增加的同時井灌回歸量增加，但增加趨勢不明顯。

4.2 地下水排泄量

瑪河灌區(qū)地下水排泄包括側向排泄、人工開采、泉水溢出和潛水蒸發(fā)。計算出各子灌區(qū)的地下水排泄量，匯總后得瑪河灌區(qū)地下水排泄項量。

各子灌區(qū)的地下水排泄量計算結果表明： 石河子灌區(qū)地下水主要排泄途徑為人工開采，占總排泄量比例為43.14%～61.34%，其次為泉水溢出和潛水蒸發(fā)，占總排泄量比例分別為13.29%～29.29%、17.31%～19.21%。莫索灣灌區(qū)和下野地灌區(qū)地下水主要排泄途徑均為人工開采，其次為潛水蒸發(fā)。

圖1 瑪河灌區(qū)不同典型年地下水排泄量Fig.1 Groundwater discharge in different typical years of Manasi River irrigation

分析圖1可知，在各典型年，側向徑流排泄、潛水蒸發(fā)量、泉水溢出和人工開采，分別占總排泄量的16.69%～16.90%、22.95%～29.03%、5.38%～12.50%、41.77%～54.83%，因此，瑪河灌區(qū)地下水主要排泄途徑為人工開采，其次為潛水蒸發(fā)。

總排泄量、側向排泄量基本保持穩(wěn)定，但地下水開采量及泉水溢出量變化較大。由于瑪河灌區(qū)北部邊界為細顆粒地層，地下水水平徑流十分緩慢，主要以垂直交替為主，因此側向排泄量基本保持不變；隨著地下水開采量增加，地下水位下降，潛水蒸發(fā)量呈下降趨勢，但減幅較小，是因為研究區(qū)潛水極限蒸發(fā)深度為5 m，地下水埋深小于5 m的面積變化不大[9]?，敽訌搅髁繙p少，河床及渠系入滲補給量減少，水平徑流帶和潛水溢出帶的地下水開采量增加，導致泉水溢出量所占比例呈減小趨勢。隨著灌區(qū)內工農業(yè)和生活需水量的急劇增加，且河道徑流量減少，為滿足工農業(yè)生產需求，地下水人工開采力度增大，使其所占總排泄量比例增加。

4.3 均衡分析

運用地下水均衡模型，計算得出子灌區(qū)和總灌區(qū)地下水均衡要素值，進行補排均衡分析，由上述計算結果可知，在P=25%、P=50%、P=75%時，總灌區(qū)地下水均衡差分別為-0.16、-0.79、-1.36 億m3，處于負均衡狀態(tài)，與地下水動態(tài)變化趨勢及相關研究結果基本一致[9,10]。

5 結 論

本研究以瑪河灌區(qū)為研究區(qū)，利用灌區(qū)實測統(tǒng)計資料，建立地下水均衡模型，計算得瑪河灌區(qū)不同典型年地下水均衡要素值，并進行了地下水均衡分析，得出以下結論：

(1)計算結果表明，不同頻率典型年各子灌區(qū)相對均衡差在10%以內，因此所建的地下水均衡模型的計算精度符合要求，對灌區(qū)社會經濟的可持續(xù)發(fā)展及改善生態(tài)環(huán)境有一定的指導意義。

(2)瑪河灌區(qū)地下水主要補給來源為渠系入滲、河道滲漏補給、側向補給、田間入滲補給，分別占總補給量比例為32.34%～33.34%、10.22%～22.28%、15.55%～19.70%、15.31%～17.64%。石河子灌區(qū)地下水主要補給來源為河道滲漏補給及側向補給，莫索灣灌區(qū)和下野地灌區(qū)地下水主要補給來源均為渠系入滲及田間入滲補給。瑪河灌區(qū)地下水主要排泄途徑為人工開采，占總排泄量比例分別為41.77%～51.83%。

(3)瑪河灌區(qū)地下水均衡變化主要受灌溉入滲及人工開采地下水影響。隨著河道徑流量減少，灌區(qū)續(xù)建及節(jié)水改造工程的實施，渠系及田間水利用系數(shù)逐漸提高，灌溉定額逐漸變小，但渠系及田間入滲對地下水的補給量隨之減少。

新疆地下水可開采量為111 億m3，2008年地下水人工開采量為72.1 億m3，已達地下水可開采量的64.95%[2]。因此灌區(qū)應合理開采地下水，控制地下水位的持續(xù)下降，保障天然植被生態(tài)需水。地下水超采區(qū)應嚴格控制地下水開采力度，強化水資源綜合管理，不斷提高用水效率和效益，為實現(xiàn)“資源—環(huán)境—生態(tài)”的協(xié)調可持續(xù)發(fā)展。

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