趙文雅

（張掖市甘州區(qū)西干渠水利管理所，甘肅 張掖 734000）

1 區(qū)域概況

甘州區(qū)地處張掖盆地中部，位于黑河流域，東與民樂永固隆起相連，西接榆木山隱伏構(gòu)造，南北分別以祁連山和龍首山為界，區(qū)域地勢(shì)由東南向西北傾斜，地勢(shì)平坦，南部呈典型的山前沖洪積戈壁平原地貌。黑河流域及支流橫貫全區(qū)，區(qū)域內(nèi)為溫帶大陸性干燥氣候，降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈。甘州區(qū)處在張掖盆地內(nèi)黑河沖洪積平原首個(gè)地下水循環(huán)帶，地表下與地下水轉(zhuǎn)化頻繁，富集于第四系中上更新統(tǒng)的地下水主要為第四系松散巖類孔隙水類型。大部分地下水在烏江以北儲(chǔ)線處以泉水形式外溢并轉(zhuǎn)化為河水匯入黑河，少量地下水繼續(xù)流動(dòng)并最終泄?jié)B于黑河河床。區(qū)域內(nèi)地下水總補(bǔ)給量中有65%左右來自河渠水入滲，地下水排泄途徑主要為徑流側(cè)向流出、泉水溢出、人工開采。

2 過程及結(jié)果分析

2.1 研究方法及原理

采用最基本、最常用的水量均衡法進(jìn)行甘州區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉深層地下水開采水量的計(jì)算。水量均衡法可以用于對(duì)項(xiàng)目區(qū)一定時(shí)段內(nèi)地下水補(bǔ)給量、儲(chǔ)存量及排泄量等數(shù)量轉(zhuǎn)化關(guān)系的研究，并通過均衡計(jì)算，求得地下水運(yùn)行開采量，也可以用于其他水量計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的驗(yàn)證方面[1]。

按照水量均衡法基本原理，對(duì)于任一均衡區(qū)內(nèi)含水層系統(tǒng)，其任意時(shí)段（Δt）的補(bǔ)給量與排泄量之差恒與含水層系統(tǒng)內(nèi)水體積變動(dòng)量相等，即:

式中:Q補(bǔ)為含水層系統(tǒng)的總補(bǔ)給量，m3/d；Q排為含水層系統(tǒng)總排泄量，m3/d；μ為重力給水度；μ*為彈性釋水系數(shù)；Δh為任一時(shí)段（Δt）內(nèi)均衡區(qū)水頭變化均值，m；F為均衡區(qū)含水層系統(tǒng)分布面積，m2。

由式（1）可知，為保持均衡區(qū)地下水資源的可持續(xù)開采，必須加強(qiáng)對(duì)地下水允許開采量的控制，即:

對(duì)于具體灌區(qū)而言，應(yīng)在均衡區(qū)內(nèi)均衡項(xiàng)目分析的基礎(chǔ)上，確定出區(qū)域內(nèi)所截取的水量排泄量（Q排）和開采補(bǔ)給量（Q補(bǔ)），兩者之和即為區(qū)域內(nèi)地下水允許開采量。排泄量（Q排）和補(bǔ)給量（Q補(bǔ)）的構(gòu)成較為復(fù)雜，但對(duì)于具體區(qū)域而言，其構(gòu)成項(xiàng)目并非為全部均衡項(xiàng)目。甘州區(qū)地處西北干旱氣候下的沖洪積扇區(qū)域，降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，降水入滲補(bǔ)給幾乎為零，由于山前基巖裂隙不發(fā)育，側(cè)向流入補(bǔ)給也可忽略不計(jì)。對(duì)于單一砂卵礫石層含水層并無越流補(bǔ)給及各種人工補(bǔ)給，地下水補(bǔ)給量主要由山區(qū)河水入滲補(bǔ)給（Q河滲）構(gòu)成，地下水位因開采而降低后排泄項(xiàng)中蒸發(fā)量（Q蒸發(fā)）、溢出量（Q溢出）都減小為零，此時(shí)，水均衡方程可簡(jiǎn)寫為:

所允許最大開采量按下式確定:

綜上可知，采用水量均衡法進(jìn)行甘州區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉深層地下水開采量計(jì)量的關(guān)鍵是準(zhǔn)確確定河流入滲補(bǔ)給量。

2.2 地下水埋深與河流入滲補(bǔ)給量關(guān)系

河流入滲補(bǔ)給取決于飽和含水量與田間持水量之差，其通常通過庫容量與深度變化累積曲線（圖1中曲線Ⅰ）反映。此外，河流入滲補(bǔ)給還取決于隨地下水埋深變化的入滲水量沿程損失，用田間持水量與含水量實(shí)際值之差表示，即圖1中曲線Ⅱ。

圖1 地下水埋深與河流入滲補(bǔ)給量關(guān)系圖

當(dāng)?shù)叵滤裆顬?時(shí)，河流入滲補(bǔ)給量也為0，在地下水埋深逐漸增加的過程中，河流入滲補(bǔ)給量開始沿著曲線Ⅰ增加。重力水庫容和入滲水量相交點(diǎn)處的埋深為地下水最佳埋深，此后隨埋深的繼續(xù)增大，庫容持續(xù)增加，但因可入滲水量的限制，河流入滲量沿曲線Ⅱ逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

在某種特定條件下，降水入滲補(bǔ)給量隨地下水埋深的變化曲線上，入滲量最大時(shí)的地下水埋深即為地下水最佳埋深?；趯?duì)地下水埋深與河流入滲補(bǔ)給量關(guān)系分析并結(jié)合甘州區(qū)降水量與地下水埋深情況可以看出，降水量小的年份，最佳埋深較??；降水量大的年份，最佳埋深大；多年平均綜合線的最佳埋深，小降水年份不起作用,主要由大降水、大入滲年份所形成。對(duì)甘州區(qū)降水量與地下水埋深資料分析，最佳埋深在3 m,主要是由1997年大水年份形成的。

甘州區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水量與地下水埋深之間的關(guān)系研究較為復(fù)雜，為準(zhǔn)確得到用水量對(duì)地下水埋深的影響系數(shù)，必須選用恰當(dāng)?shù)慕y(tǒng)計(jì)方法剔除水文、地質(zhì)、環(huán)境、人為等方面的影響因素后進(jìn)行定量分析，為簡(jiǎn)化分析，本文暫不考慮農(nóng)業(yè)灌溉用水量與地下水埋深之間的關(guān)系。

2.3 研究過程及結(jié)果分析

2.3.1 均衡區(qū)的劃分

根據(jù)農(nóng)業(yè)灌溉深層地下水開采量計(jì)量的目的和要求，以天然地下水系統(tǒng)邊界所圈定的范圍作為甘州區(qū)地下水資源評(píng)價(jià)的均衡區(qū)。甘州區(qū)灌溉深層地下水開采量計(jì)量均衡區(qū)人為劃分以地下水交換量容易確定的邊界為依據(jù)。對(duì)于面積大且水文要素復(fù)雜的均衡區(qū)，均衡要素之間存在較大差別，還應(yīng)根據(jù)含水層介質(zhì)成因及地下水類型進(jìn)一步分區(qū)。甘州區(qū)地下水位計(jì)量分區(qū)見圖2。

圖2 甘州區(qū)地下水位計(jì)量分區(qū)

2.3.2 均衡期的確定

地下水資源量隨時(shí)間、空間等坐標(biāo)的變化而變化，呈明顯的四維特征，所以進(jìn)行甘州區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉深層地下水水量均衡計(jì)算時(shí)還應(yīng)根據(jù)水量評(píng)價(jià)目的、評(píng)價(jià)要求及資料情況等確定時(shí)間段。本文以大水文周期（1995年～2004年和2004年～2015年）作為研究的均衡期，并以水文年為單位進(jìn)行水量逐年計(jì)算，再以均衡期內(nèi)總水量進(jìn)行平衡計(jì)算。

2.3.3 均衡要素的確定

通過均衡區(qū)周邊和垂向邊界流入及流出的水量項(xiàng)均屬于地下水開采量計(jì)量的均衡要素，進(jìn)入均衡區(qū)的水量項(xiàng)屬于補(bǔ)給項(xiàng)，流出的水量項(xiàng)則為排泄項(xiàng)。首先確定天然條件下甘州區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉深層地下水補(bǔ)給項(xiàng)和排泄項(xiàng)，再進(jìn)行可開采條件下開采補(bǔ)給量與截取排泄量的量化分析，并由此建立地下水均衡方程。將均衡要素帶入地下水均衡方程中，求出補(bǔ)給量與排泄量之差值，并進(jìn)行其是否與地下水儲(chǔ)量變化相符的驗(yàn)證，若不相符，應(yīng)調(diào)整均衡項(xiàng)再次驗(yàn)證，直至方程平衡[2]。選取甘州區(qū)多年水均衡調(diào)節(jié)的地下水埋深、水均衡調(diào)節(jié)的地下水變幅為主要均衡要素，變動(dòng)趨勢(shì)見圖3。

圖3 不同分區(qū)地下水埋深及降幅對(duì)比

表1 甘州區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水多年水均衡調(diào)節(jié)計(jì)算結(jié)果

2.3.4 結(jié)果分析

根據(jù)甘州區(qū)多年的動(dòng)態(tài)觀測(cè)資料，先確定各年來水量（補(bǔ)給量）和計(jì)劃用水量（排泄量），由于農(nóng)業(yè)灌溉用水在枯水年用水量多，豐水年用水量少，所以水量調(diào)節(jié)不應(yīng)按原時(shí)間序列的次序，而應(yīng)將枯水年地下水位確定為起調(diào)水位。此處以2004年～2005年為起調(diào)年，2015年后再接1995年～1996年。根據(jù)來水量（補(bǔ)給量）和來用水量差，進(jìn)行水位變化幅度的計(jì)算，由于旱季甘州區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水量較大，年內(nèi)地下水開采將會(huì)使地下水儲(chǔ)量產(chǎn)生水位變動(dòng)，所以表1中年水均衡調(diào)節(jié)要求的地下水埋深應(yīng)為多年水均衡調(diào)節(jié)的地下水埋深和水均衡調(diào)節(jié)的地下水變幅之和。

根據(jù)甘州區(qū)多年農(nóng)業(yè)灌溉用水調(diào)節(jié)結(jié)算結(jié)果，就現(xiàn)有的水文觀測(cè)周期而言，大多年份地下水補(bǔ)給量嚴(yán)重不足，用水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出來水量，地下水位下降，地下水位埋深最大為1999年～2000年的9.22 m，最小為2003年～2004年的4.50 m，這表明，按照多年水均衡進(jìn)行調(diào)節(jié)，農(nóng)業(yè)灌溉用水水量是有保證的。

3 結(jié)論

綜上所述，當(dāng)前農(nóng)業(yè)灌溉地下水開采量數(shù)據(jù)通常來自調(diào)查與估算，而利用水量均衡法所測(cè)算的農(nóng)業(yè)灌溉地下水開采量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)扎實(shí)，計(jì)算結(jié)果精度高，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。由于甘州區(qū)地下水位差別較小，在進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉用水量計(jì)量時(shí)將該行政區(qū)作為一個(gè)水位區(qū)進(jìn)行計(jì)量，分析結(jié)果表明:對(duì)地下水埋深與河流入滲補(bǔ)給量關(guān)系分析并結(jié)合甘州區(qū)降水量與地下水埋深情況可以看出，降水量小的年份，最佳埋深較小；降水量大的年份，最佳埋深大；多年平均綜合線的最佳埋深，小降水年份不起作用，主要由大降水、大入滲年份所形成。甘州區(qū)年水均衡調(diào)節(jié)要求的地下水埋深為多年水均衡調(diào)節(jié)的地下水埋深和水均衡調(diào)節(jié)的地下水變幅之和，雖然大多水文年份地下水補(bǔ)給量嚴(yán)重不足，但按照多年水均衡進(jìn)行調(diào)節(jié)，農(nóng)業(yè)灌溉用水水量是有保證的。