李曉芳，閆 琴，張少博，劉 兵，王 晨，何新林

(石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)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(bǔ)給量為337.61 億m3，地下水利用總量為85.1 億m3，但地下水開(kāi)發(fā)利用在區(qū)域上不均衡[1]。在現(xiàn)狀條件下，哈密、奇臺(tái)、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(fù)均衡加劇，水位下降，進(jìn)而導(dǎo)致胡楊、梭梭等植物衰亡，生態(tài)環(huán)境惡化加劇[2]。近年來(lái)新疆瑪納斯河灌區(qū)(簡(jiǎn)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(shí)干涸，河道入滲補(bǔ)給大量減少，且地下水的開(kāi)發(fā)利用程度急劇增加，地下水位持續(xù)下降。同時(shí)，灌區(qū)續(xù)建配套和節(jié)水改造工程的實(shí)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(duì)地下水補(bǔ)給量逐漸減少，區(qū)域水循環(huán)條件發(fā)生顯著變化，導(dǎo)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(jìn)行地下水進(jìn)行均衡分析，計(jì)算地下水補(bǔ)給量和排泄量，分析源匯項(xiàng)之間的相互關(guān)系，闡明不同典型年的地下水均衡情況，對(duì)合理開(kāi)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(huì)經(jīng)濟(jì)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(shí)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(shè)石河子灌區(qū)、下野地灌區(qū)、莫索灣灌區(qū)3個(gè)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(shí)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(kāi)采的地下水。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，地下水開(kāi)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(kāi)發(fā)量引發(fā)的地下水位迅速下降而導(dǎo)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(guān)注。因此，本研究依據(jù)瑪河灌區(qū)實(shí)際情況，構(gòu)建灌區(qū)地下水均衡模型，定量分析灌區(qū)不同來(lái)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(lái)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(gè)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(kāi)采量、灌溉面積、作物種植結(jié)構(gòu)、灌溉定額、地下水側(cè)向補(bǔ)給量及側(cè)向排泄量，來(lái)源于《石河子年鑒》及灌區(qū)相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料。

2.2 典型年

通過(guò)對(duì)肯斯瓦特水文站 1954-2012年瑪納斯河徑流序列進(jìn)行頻率計(jì)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(lái)水頻率下肯斯瓦特站年徑流量。來(lái)水頻率P=25%、P=50%、P=75%時(shí)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(lái)水頻率P=25%、P=50%、P=75%確定相應(yīng)的典型年分別為2001、2004、2009，地下水均衡計(jì)算。

2.3 水均衡法

水均衡是均衡計(jì)算區(qū)地下水總補(bǔ)給量、儲(chǔ)存量和總排泄量之間的關(guān)系，目的是通過(guò)平衡計(jì)算，評(píng)價(jià)地下水的允許開(kāi)采量[4]。水均衡法相對(duì)數(shù)值模擬及數(shù)學(xué)物理等方法，概念明確，對(duì)區(qū)域水文地質(zhì)條件認(rèn)知度低，資料要求不苛刻，方法靈活、計(jì)算方便，適用范圍廣[5-6]。因此，本文采用水均衡法計(jì)算瑪河灌區(qū)三個(gè)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(shí)段內(nèi)地下水總補(bǔ)給量、總排泄量，億m3/a；△Q為計(jì)算的地下水儲(chǔ)存量的變化量，億m3/a；△QCM為儲(chǔ)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(shí)段，a；△H為均衡時(shí)段內(nèi)實(shí)測(cè)的地下水位變幅，m；QCB為側(cè)向補(bǔ)給量，億m3/a；QR為河道滲漏補(bǔ)給量，萬(wàn)m3/a；QY為降水入滲補(bǔ)給量，億m3/a；QQ為渠系入滲補(bǔ)給量，億m3/a；QT為田間入滲補(bǔ)給量，億m3/a；QS為水庫(kù)入滲補(bǔ)給量，億m3/a；QH為井灌回歸量，億m3/a；QCP為側(cè)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(kāi)采量，億m3/a。δ為相對(duì)均衡差，δ≤10% 時(shí)補(bǔ)排量計(jì)算結(jié)果合理，模型計(jì)算精度符合要求。

3 灌區(qū)地下水均衡計(jì)算

3.1 均衡區(qū)劃分及均衡時(shí)段確定

依據(jù)瑪河灌區(qū)地形地貌特征及水文地質(zhì)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(gè)計(jì)算區(qū)。本文選取2001、2004、2009年3個(gè)典型年的1月1日至12月31日作為均衡時(shí)段。

3.2 水文地質(zhì)參數(shù)確定

水文地質(zhì)參數(shù)是水均衡計(jì)算的基礎(chǔ)，反映了灌區(qū)地下水循環(huán)特征。計(jì)算涉及的水文地質(zhì)參數(shù)主要包括：給水度μ、滲透系數(shù)K、降水入滲補(bǔ)給系數(shù)α、河道入滲補(bǔ)給系數(shù)ρ、水庫(kù)入滲補(bǔ)給系數(shù)ω、渠系水利用系數(shù)η、灌溉入滲補(bǔ)給系數(shù)β等。這些參數(shù)主要依據(jù)《新疆地下水》、《準(zhǔn)噶爾盆地地下水資源及其環(huán)境問(wèn)題調(diào)查評(píng)價(jià)》，地下水埋深資料及近期相關(guān)文獻(xiàn)予以確定[7，8]。其中渠系水利用系數(shù)η、田間入滲補(bǔ)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(bào)告等相關(guān)資料。最終確定的各分區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)如表1所示.

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

4 結(jié)果與分析

首先計(jì)算各子灌區(qū)地下水均衡要素值，再通過(guò)地下水均衡模型進(jìn)行匯總與補(bǔ)排分析。計(jì)算得出各典型年的相對(duì)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(jì)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(bǔ)給量

瑪河灌區(qū)地下水補(bǔ)給來(lái)源包括：側(cè)向補(bǔ)給、河道入滲補(bǔ)給、降雨入滲補(bǔ)給、渠系入滲補(bǔ)給、 田間入滲補(bǔ)給、水庫(kù)入滲補(bǔ)給和井灌回歸補(bǔ)給量。基于水量平衡原理，構(gòu)建灌區(qū)地下水均衡模型，計(jì)算得出各子灌區(qū)不同典型年地下水補(bǔ)給量，然后匯總得出瑪河灌區(qū)(表中簡(jiǎn)稱“總灌區(qū)”)不同典型年地下水補(bǔ)給量。計(jì)算結(jié)果如表2、3、4所示。

表2 瑪河灌區(qū)(P=25%)地下水補(bǔ)給量 億m3/a

表3 瑪河灌區(qū)(P=50%)地下水補(bǔ)給量 億m3/a

表4 瑪河灌區(qū)(P=75%)地下水補(bǔ)給量 億m3/a

分析表2可知，在P=25%，瑪河灌區(qū)地下水總補(bǔ)給量為5.44 億m3/a，側(cè)向補(bǔ)給、河道滲漏補(bǔ)給、降雨入滲補(bǔ)給、渠系入滲補(bǔ)給、田間入滲補(bǔ)給、水庫(kù)入滲補(bǔ)給及井灌回歸補(bǔ)給占總補(bǔ)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(bǔ)給及河道滲漏補(bǔ)給為瑪河灌區(qū)地下水主要補(bǔ)給來(lái)源，其次為田間入滲補(bǔ)給。

由表3和表4可知，在P=50%，側(cè)向補(bǔ)給、河道滲漏補(bǔ)給、降雨入滲補(bǔ)給、渠系入滲補(bǔ)給、田間入滲補(bǔ)給、水庫(kù)入滲補(bǔ)給及井灌回歸補(bǔ)給占總補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)給及側(cè)向補(bǔ)給為瑪河灌區(qū)地下水的主要補(bǔ)給來(lái)源。

在各典型年，石河子灌區(qū)地下水主要補(bǔ)給來(lái)源均為側(cè)向補(bǔ)給與河道入滲補(bǔ)給，占其地下水總補(bǔ)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(bǔ)給來(lái)源均為灌溉入滲補(bǔ)給(渠系入滲和田間入滲補(bǔ)給)，占總補(bǔ)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(zhǎng)，地表水有效利用系數(shù)相對(duì)較低，因此，灌溉入滲補(bǔ)給所占比例較石河子灌區(qū)和莫索灣灌區(qū)大。

對(duì)比分析P=25%、P=50%、P=75%可知，河道滲漏補(bǔ)給量變化較大，這是因?yàn)楹拥罎B漏量與河道總過(guò)水量有關(guān)，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?yàn)楣鄥^(qū)降水量少且蒸發(fā)量大。渠系入滲補(bǔ)給與田間入滲補(bǔ)給量均減少，但變化較小且所占總補(bǔ)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(shí)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(nóng)用灌溉機(jī)井位于農(nóng)田或渠道旁，膜下滴灌區(qū)域地下水開(kāi)采后直接進(jìn)入田間，渠系入滲及田間入滲補(bǔ)給減少。平原水庫(kù)滲漏量變化較小，這是因?yàn)楝敽庸鄥^(qū)平原水庫(kù)已運(yùn)行多年，庫(kù)床淤積等原因，滲漏損失較小且為穩(wěn)定滲流過(guò)程，當(dāng)水庫(kù)枯水期時(shí)，會(huì)抽取地下水入庫(kù)。據(jù)資料可知，總種植面積增加，河道徑流量減少，為滿足農(nóng)作物需水要求，需增加地下水開(kāi)采量，因而供水增加的同時(shí)井灌回歸量增加，但增加趨勢(shì)不明顯。

4.2 地下水排泄量

瑪河灌區(qū)地下水排泄包括側(cè)向排泄、人工開(kāi)采、泉水溢出和潛水蒸發(fā)。計(jì)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(xiàng)量。

各子灌區(qū)的地下水排泄量計(jì)算結(jié)果表明： 石河子灌區(qū)地下水主要排泄途徑為人工開(kāi)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(kāi)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(cè)向徑流排泄、潛水蒸發(fā)量、泉水溢出和人工開(kāi)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(kāi)采，其次為潛水蒸發(fā)。

總排泄量、側(cè)向排泄量基本保持穩(wěn)定，但地下水開(kāi)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(xì)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(cè)向排泄量基本保持不變；隨著地下水開(kāi)采量增加，地下水位下降，潛水蒸發(fā)量呈下降趨勢(shì)，但減幅較小，是因?yàn)檠芯繀^(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]。瑪河徑流量減少，河床及渠系入滲補(bǔ)給量減少，水平徑流帶和潛水溢出帶的地下水開(kāi)采量增加，導(dǎo)致泉水溢出量所占比例呈減小趨勢(shì)。隨著灌區(qū)內(nèi)工農(nóng)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求，地下水人工開(kāi)采力度增大，使其所占總排泄量比例增加。

4.3 均衡分析

運(yùn)用地下水均衡模型，計(jì)算得出子灌區(qū)和總灌區(qū)地下水均衡要素值，進(jìn)行補(bǔ)排均衡分析，由上述計(jì)算結(jié)果可知，在P=25%、P=50%、P=75%時(shí)，總灌區(qū)地下水均衡差分別為-0.16、-0.79、-1.36 億m3，處于負(fù)均衡狀態(tài)，與地下水動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)及相關(guān)研究結(jié)果基本一致[9,10]。

5 結(jié) 論

本研究以瑪河灌區(qū)為研究區(qū)，利用灌區(qū)實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)資料，建立地下水均衡模型，計(jì)算得瑪河灌區(qū)不同典型年地下水均衡要素值，并進(jìn)行了地下水均衡分析，得出以下結(jié)論：

(1)計(jì)算結(jié)果表明，不同頻率典型年各子灌區(qū)相對(duì)均衡差在10%以內(nèi)，因此所建的地下水均衡模型的計(jì)算精度符合要求，對(duì)灌區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展及改善生態(tài)環(huán)境有一定的指導(dǎo)意義。

(2)瑪河灌區(qū)地下水主要補(bǔ)給來(lái)源為渠系入滲、河道滲漏補(bǔ)給、側(cè)向補(bǔ)給、田間入滲補(bǔ)給，分別占總補(bǔ)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(bǔ)給來(lái)源為河道滲漏補(bǔ)給及側(cè)向補(bǔ)給，莫索灣灌區(qū)和下野地灌區(qū)地下水主要補(bǔ)給來(lái)源均為渠系入滲及田間入滲補(bǔ)給?，敽庸鄥^(qū)地下水主要排泄途徑為人工開(kāi)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(kāi)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(shí)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(duì)地下水的補(bǔ)給量隨之減少。

新疆地下水可開(kāi)采量為111 億m3，2008年地下水人工開(kāi)采量為72.1 億m3，已達(dá)地下水可開(kāi)采量的64.95%[2]。因此灌區(qū)應(yīng)合理開(kāi)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(yīng)嚴(yán)格控制地下水開(kāi)采力度，強(qiáng)化水資源綜合管理，不斷提高用水效率和效益，為實(shí)現(xiàn)“資源—環(huán)境—生態(tài)”的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展。

□

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