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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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。
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。
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。
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]。
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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