黃 炎，劉文濤，馬 潔，吳陶玉，田云琴，劉 兵

（石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832000）

地下水循環(huán)系統(tǒng)的重要特征，一個就是交替更新的過程，循環(huán)的模式可以直觀的分為垂直循環(huán)模式、水平模式還有兩者混合的模式。針對嚴(yán)重干旱的瑪河流域，其如何進(jìn)行循環(huán)，超采行為瑪河流域的水循環(huán)過程就會受到影響，需要進(jìn)行相關(guān)的科學(xué)考察來尋求答案。而新疆地區(qū)近年來出現(xiàn)的一系列的變化，讓我們更加需要建立相關(guān)的模型進(jìn)行更多方面的研究。闡述地表-地下水轉(zhuǎn)化原理，概括瑪河流域的地下水地表水轉(zhuǎn)化的種種神奇，建立流域水循環(huán)模型具有現(xiàn)實(shí)必要性。

1 瑪河流域的特征

1.1 瑪河流域水文、地質(zhì)、氣象等自然現(xiàn)象

瑪納斯河流域簡稱瑪河流域，地處新疆天山北麓、準(zhǔn)噶爾盆地南緣。范圍相對廣闊，其流域面積約有2.43萬km2。這其中并非全是綠色平原，平原和山區(qū)基本各占一半面積。地勢是南高北低,對于最高的南部山區(qū)而言，其海拔高度可以達(dá)到5242.5 m左右。海拔1000~3600 m的是中低山區(qū)，區(qū)域平原的海拔在300~500 m之間，站在稍高的地方都可以一覽無遺,其中一些不能耕種的除外，可以被有效利用的土地約有46.6萬m2左右。瑪河流域有其較為豐富的資源，其豐富之處在于它的水資源，共有6條內(nèi)陸河流為其供應(yīng)。自東向西分別為塔西河、瑪納斯河、寧家河、金溝河、大南溝河、巴音溝河，這些河流均發(fā)源于天山北麓依連哈比爾尕山脈，并由南向北流入準(zhǔn)噶爾盆地，其水資源總量達(dá)到了25.43億m3左右。先不說地下水的循環(huán)帶來的滋潤，單單這河川徑流總量就大概有22.91億m3。當(dāng)然地下水的資源也是比較豐富的，其地下水資源的總量雖然比徑流少許多，但也有11.97億m3左右。但是，瑪納斯河流域地處歐亞腹地遠(yuǎn)離海洋，同時因其地勢為南高北低(山脊海拔多在3600 m以上),所以受到海洋的氣候影響相對較小，其年降水量也很少，據(jù)統(tǒng)計大概只有110~200 mm而已。但是其年蒸發(fā)量卻很大，超出降水量的十倍左右，數(shù)值在1600~2000 mm之間，按照對氣候的分類，屬于典型的大陸性干旱氣候。

對于瑪河流域而言，它的變化是十分明顯的。在1987年之后，相應(yīng)的調(diào)查數(shù)據(jù)表明隨著溫度急劇的上升，降水量也明顯增加。所以在20世紀(jì)70年代這一段的時間以來，瑪河流域流量的總體情況又形成了上升的趨勢，導(dǎo)致了冰雪融化的情況加劇，這也是不可避免的結(jié)果。

1.2 人為因素對瑪河流域的影響

整體的降水量少，溫度也漸漸的呈上升趨勢，帶來的冰雪融化現(xiàn)象更加明顯了，因而對瑪河流域氣墊層產(chǎn)生了相應(yīng)的影響。其中自然原因只是占據(jù)一部分，不能忽略的另一部分是人為因素。隨著人類進(jìn)行的事業(yè)活動，人口的急劇增長，以及一些工廠的經(jīng)濟(jì)發(fā)展等等，這些因素影響了大氣的下墊面，下墊面的變化導(dǎo)致瑪河流域問題加劇，從而改變原有的自然現(xiàn)象。

2 瑪河流域補(bǔ)排關(guān)系

看到瑪河流域這樣干旱的地區(qū)，氣候變化對自然生生不息的境況造成了嚴(yán)重的破壞，我們不禁要問瑪河流域的補(bǔ)排與循環(huán)又是怎樣實(shí)現(xiàn)的呢？

2.1 瑪河流域地下水之間的補(bǔ)給方式

瑪河流域水資源的補(bǔ)給方式大部分還是比較一致的，主要都是一個源頭，來自于山區(qū)大氣降水。其中瑪河流域的地表水資源55.0%~68.0%都是來自上游大氣降水，其余的一小部分則來自于地下水。單單看地下水資源方面,比較淺一點(diǎn)的地下水主要依靠河道之間進(jìn)行的滲漏給予，還有山前側(cè)向的補(bǔ)給。按照降水量的補(bǔ)給而言，其通過降水并且直接吸收滲透提供的補(bǔ)給大概有4.0%~18.0%，異常得少。比較深一點(diǎn)的地下水的補(bǔ)給方式相對單一，主要有垂直補(bǔ)給和側(cè)向補(bǔ)給。這樣受地表水和降水入滲補(bǔ)給的方式就顯得十分微弱。所以綜合來看，瑪河流域也是遵循大自然的補(bǔ)給方式進(jìn)行，只不過相對于其他的流域而言，顯得比較脆弱?，敽恿饔虻难a(bǔ)給是一個較為復(fù)雜的過程，流域地表水與地下水中途經(jīng)歷了三次轉(zhuǎn)化。首先離不開的是大氣降水，降水在山區(qū)慢慢的匯聚，最終形成了河流，河水以滲透的補(bǔ)給方式垂直轉(zhuǎn)化為地下水資源；水順勢往下游匯集到最低處的平原區(qū)。河水的滲漏會不間斷的持續(xù)下去，最后會向地下水進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)變。當(dāng)河水水量超出沖積扇并溢出時，這些地下水就會形成河流；河水又以自己的獨(dú)特方式，像農(nóng)民用水澆灌一樣的方式間接性的補(bǔ)給地下水，產(chǎn)生了河流的補(bǔ)給。所以不管是人類的活動還是自然蒸發(fā)，水資源都會慢慢消耗?？傮w而言,大自然的補(bǔ)給和調(diào)節(jié)、人類的參與，有時會給補(bǔ)給的方式帶來比較嚴(yán)重的影響。

2.2 流域間地下水循環(huán)的轉(zhuǎn)化條件

按照科學(xué)的理念，形成水循環(huán)的內(nèi)在因素很簡單，就是水在沒有其他影響的通常環(huán)境條件下，在氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)之間進(jìn)行相互轉(zhuǎn)化；太陽會直接影響水的蒸發(fā)，外界壓力的過高或過低都會使水的形態(tài)發(fā)生變化。當(dāng)然影響水循環(huán)的因素還有很多。總結(jié)幾個方面就是氣候的影響、地理的變化、以及人為的改變。大自然循環(huán)的條件是這樣，但是瑪河流域現(xiàn)在遇到的問題是循環(huán)條件已經(jīng)出現(xiàn)了問題，這也導(dǎo)致了相應(yīng)循環(huán)的難以完成。所以面對這樣的現(xiàn)狀需要進(jìn)行其他改善工作，以更好地完成地下水循環(huán)的轉(zhuǎn)化——以人工為主導(dǎo)。

人工可以使得自然的垂直循環(huán)進(jìn)行得更加充沛，蒸發(fā)下滲量增強(qiáng)，水平消耗流通量減少，流失量同時會減少，使得干旱的問題得以適當(dāng)解決，間接形成了循環(huán)條件。

3 補(bǔ)排模型原理

瑪河流域通過模型可以讓人更加直觀地看到補(bǔ)排的相關(guān)自然現(xiàn)象。當(dāng)然這并不是憑空想象的去建立相應(yīng)的三維模型，也不是所有的流域模型都是一致的。模型的建立使得很多難以解決的問題已經(jīng)得到了妥善解決，所以建立瑪河流域補(bǔ)排模型是很有必要的，也是有其本身相應(yīng)的原理的，通過科學(xué)計算方法，讓這些數(shù)據(jù)更加的接近于瑪河流域自然的現(xiàn)實(shí)狀況，通過Visual Modflow軟件數(shù)據(jù)而進(jìn)行相應(yīng)模擬數(shù)學(xué)原理如下：

其中：D為滲透流域K為含水層的滲透系數(shù)（m/θ）；H為地下水水頭值（m）；W為源頭等。就是通過這樣精確的數(shù)據(jù)，該模型將瑪河流域大概的長度，寬度各個方面都已經(jīng)大致的標(biāo)注出來，通過很多以前探究瑪河流域的人留下的參考數(shù)據(jù)總結(jié)的內(nèi)容進(jìn)行分析，以中間值的參考值明確瑪河流域補(bǔ)排循環(huán)之間的對應(yīng)關(guān)系，再結(jié)合其他流域的相應(yīng)循環(huán)建立三維圖模型。

4 補(bǔ)排模型的研究探討

很多人因?yàn)榭吹浆敽恿饔虻默F(xiàn)象，懷疑自然界的循環(huán)補(bǔ)排的系統(tǒng)是否出現(xiàn)了問題，但是到瑪河流域現(xiàn)場去觀察委實(shí)不是很方便，所以就很難對瑪河流域進(jìn)行徹底的研究和觀察，但Visual Modflow三維模型的確立好像真的解決了這樣的一個難題，值得去研究，那么這樣的模型研究者可以從中發(fā)現(xiàn)瑪河流域哪些方面的問題呢？

4.1 直觀展示其地形外界的狀況

一直對于瑪河流域相應(yīng)的地勢狀況只是數(shù)據(jù)上的“看見”，但是這樣的一個濃縮的模型可以讓人更加直觀地“看見”本質(zhì)，通過數(shù)據(jù)建立的瑪河流域地勢明顯呈現(xiàn)南高北低的趨勢，一邊像是陡坡而另一邊仿佛是低谷只是稍微漏出了一個小角罷了，這樣看過來，北面雖然積水量的程度看似比較好，但是卻因受到南邊湖水的影響變得很??；而南邊則相反，雖然受到的影響相對大一些，可是滲透量又稍微有點(diǎn)不足，以至于諸多影響了瑪河流域的種種問題不斷出現(xiàn)。這是模型給予外部的更直觀地研究。

4.2 直觀發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部問題

模型研究帶給我們更直觀的瑪河流域外部的體現(xiàn)，但是這只是一部分，要想真正的解決實(shí)際問題，就需要從內(nèi)部進(jìn)行直觀的分析了解，這樣才能更加熟知和了解。

通過不同的顏色，流線的建立讓我們更加熟悉地表的構(gòu)質(zhì)情況，再通過相應(yīng)一些水質(zhì)的方向更加直觀看到瑪河流域的局面動態(tài)。首先直接建立的是一個相應(yīng)循環(huán)補(bǔ)排的觀念，再深入看這樣的模型時，就會發(fā)現(xiàn)因?yàn)榈貏莸挠绊?，補(bǔ)排的方式有點(diǎn)略微的變動?？傊吹竭@樣的內(nèi)部構(gòu)成，讓我們對瑪河流域的補(bǔ)排更多了幾分認(rèn)識或者說不再只是理論，讓研究者更加了解這樣的結(jié)構(gòu)與相關(guān)的問題。

雖然只是很簡單的表述了對其瑪河流域的補(bǔ)排模型，但是這兩者可以看到，模型可以方便研究。

5 結(jié)語

對于研究一個大型的瑪河流域全程，還不如去建立一個模型來的更加的實(shí)在一些。從現(xiàn)在研究的課題上來講，建立一個補(bǔ)排模型對于瑪河流域還是很重要的，因?yàn)榭吹降氖乾敽恿饔蜷L期存在的問題，所以必須要盡快想辦法解決才對，如果找不到解決的辦法話，將帶來不堪設(shè)想的后果，因此，這一項(xiàng)對于瑪河流域模型的研究，讓我們看到了瑪河流域存在的問題，更加深入地了解了瑪河流域的補(bǔ)排循環(huán)的方式，有時候模型比起現(xiàn)實(shí)情況去研究來的更加直觀一些。科學(xué)的建模方式，從外到內(nèi)更加的直觀去進(jìn)行了解。

因?yàn)檫@樣的模型會帶來更多對于瑪河流域更好的發(fā)展建議，也因?yàn)檫@樣的一次研究，使得以后的瑪河流域會有重要的改變，讓大自然更加和諧與進(jìn)步。相信不僅如此，在以后的研究過程當(dāng)中，模型的研究都會是一個好的選擇，它將更直觀的引領(lǐng)時代發(fā)展。

[1]楊海昌，王東方，邵建榮.干旱區(qū)大面積膜下滴灌對灌區(qū)地下水位及流場的影響[J].中國農(nóng)村水利水電，2013(11):60-64.

[2]田華，王文科，荊秀艷.瑪納斯河流域地下水氚同位素研究[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2010，24(3):98-102.

[3]劉少玉.西北內(nèi)陸盆地水資源轉(zhuǎn)化與開發(fā)模式及生態(tài)環(huán)境效應(yīng)——以黑河為例[D].北京：中國地質(zhì)科學(xué)研究院，2003.6.

[4]汪世國.瑪納斯河流域水資源優(yōu)化配置系統(tǒng)研究[J].水利建設(shè)與管理,2010，30(5):72-75.

[5]周金龍，王斌.新疆平原區(qū)灌溉水入滲補(bǔ)給地下水試驗(yàn)分析[J].地下水，2002,24（4):202-203.

[6]李小龍，楊廣，何新林，趙純，王翠，陳思，許雙堆，楊明杰，喬長錄.瑪納斯河流域地下水水位變化及水量平衡研究[J].水文，2016，36(04):85-92.

[7]魏忠義.天山北坡水資源開發(fā)對地下水資源的影響及其合理利用[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，1992，（02）:55-62.