酒泉盆地水资源转化研究

谢军健

(甘肃省水文水资源局，甘肃 兰州 730000)

酒泉盆地位于河西走廊的西端，祁连山北麓的缓坡地带，地势西南高，东北低，南部沿祁连山由各山口形成若干较高的冲积扇，造成新地、红山、金佛寺、丰乐等绿洲，各绿洲间为洪漫滩及砾石滩，东部为古代淤积的干旱沙漠和风蚀残丘，北部和中部为山水河和泉水河交织形成的绿洲，地表较平坦，西部为砾石戈壁边缘，以灰漠钙土和灰棕漠钙土为主。盆地平均海拔1 450 m，年降水量 80 mm左右，蒸发量较大，在2 000～3 000 mm之间。

本区域水资源来源多为山区降水和冰雪消融水汇于河谷中，以地表长流方式补给;以河水引入渠系、田间后，渗漏补给地下水。地下水的运动，由南向北流动，基本与地面坡降一致。到北部山前地带，受北山阻截，水位抬高，流动缓慢，多消耗于蒸发，矿化度增高。潜水埋深随地形变化，南深北浅，平均水位埋深7 m，水力坡降为1/1 000～1/1 500。研究区地理位置见图1。

图1 酒泉盆地地理位置图

1 酒泉盆地水资源转化机理

酒泉盆地是一个闭合盆地，盆地的入流主要有丰乐河、洪水河、讨赖河，但只有讨赖河水量进入了酒泉盆地进行地表水地下水的转化，而丰乐河、洪水河水量在出山后基本用完，经过灌溉入渗后以地下水侧向流入的形式补给盆地地下水。河水在盆地内经过地表水～地下水～地表水的转换后进入鸳鸯池水库。盆地计算面积为3 299 km2，含水层给水度μ =0.18。

酒泉盆地水资源转化的基本形式是:河水从山前平原上部开始渗漏补给地下水，地下水以泉水形式在洪积扇前缘溢出带出露并转化为河水，地表水再引灌形成地下水，地下水溢出再形成地表水，反复2～3次。由于每次循环都将损失一部分水量，所以越往下游排泄水量越少。

2 水资源转化规律及概化模型

该盆地的水资源转化规律可概化为如图2所示。

图2 酒泉盆地水资源转化均衡关系示意图

图2是由地表子系统、土壤层子系统、地下水子系统连同构成。根据水均衡原理，我们可以得出各子系统任意计算时段水量平衡关系。

2.1 地表层子系统

水量平衡关系为:

式中:P为降水;Ys1为地表水入流;E为总损失量(包括农业生产用水、植物蒸散发、水面蒸发、潜水蒸发等);Ys2为地面产水量和地表水流出量;A2为地表水入渗量(包括河道、渠道、田间、降雨入渗);Y's1为地下水开采量;Vs1，Vs2为计算时段Δt内时段初与末的地表水蓄量。

2.2 土壤层子系统

水量平衡关系为:

式中:Ysub1为土壤层输入的壤中流;Ysub2为土壤层输出的壤中流;U1为潜水蒸发等垂向输入量;U2为入渗补给量等垂向输出量;A1为垂直输入的水量交换(如土壤蒸发等);Vsub1、Vsub2为计算时段初、末的土壤水蓄量。

2.3 地下水子系统

水量平衡关系为:

式中:Yg1为地下水系统输入量;Yg2为地下水系统输出量;Y's1为地下水开采量;Vg1，Vg2为计算时段初、末的地下水蓄量。

综合上列三个水量平衡方程，可以获得盆地整个单元系统水量交换层的水量转化关系，即:

式(4)中地表水Ys2有地表水流出量观测资料，土壤水和地下水在闭合盆地中无法流出，但在原河道有少量的潜流流出，无法获得实际观测系列资料。Ysub1+Yg1为盆地侧向流入量，Ysub2+Yg2为盆地侧向流出量，这两组变量在特定的盆地内变化幅度相对较小且数量稳定，在水循环系统中占据次要地位。而出山径流通过河道、渠道渗漏，灌溉入渗等补给地下水的有观测资料的量，在系统循环中占据主要地位。因此，主要考虑有实际观测资料的项，对没有实际观测资料的项不作考虑。

因为水文系统模型只注重系统的输入、输出关系和系统的结构，对系统中某些项的相互影响不作考虑。E+A1为系统蒸散发，也仍用 E表示。一年内地表层的蓄水量为零，即Vs1－Vs2=0;土壤层的蓄水变量可归入地下水蓄变量。因盆地内地下水水位持续下降，ΔV应为负值，即:

式中:μ为给水度;F为平原区计算面积;ΔH为计算时段地下水水位差;Δt为计算时段，这里以年为单位，Δt=1年。

则(4)式根据实际需要可变为:

应用(6)式计算盆地时段(如年或月)内的整体系统水量平衡关系的计算模型，ΔV用来模拟地下水位的变化，Ys2用于模拟盆地出流。

由于盆地地面坡度大、水平径流强、地下水位的升高与下降直接影响下游出口断面流量。根据掌握地下水水位资料断续不全、不能完全真实地反映地下水实际变幅，将出口断面的实测流量定为因变量，其他变量定为自变量。为了简化计算方法，将(6)式水量平衡模型方程进一步转化为系统多输入～单输出模型:

式中:a0、a1…a5为模型参数。

3 酒泉盆地水资源转化模型

丰乐河出山口有丰乐河水文站、洪水河出山口有新地水文站、讨赖河出山口有嘉峪关(冰沟)水文站，而在盆地出流有鸳鸯池水库水文站，都有实测资料。

根据(7a)、(7b)式模型结构的需求，将盆地水资源转化模型数据列入而得出的模型为:

式中:Y为系统出流(鸳鸯池水库站的入库流量)，单位:108m3;X1为冰沟、新地、丰乐河站的出山水量，单位:108m3;X2为盆地降水量(已折合成水量)，单位:108m3;X3为地下水蓄变量(已折合成水量，给水度μ=0.18)，单位:108m3;X4为盆地内实际开采量，单位:108m3;X5为盆地内 E601蒸发器的蒸发量(已折合成水量)，单位:108m3。

该模型的复相关系数为0.899，标准差为 0.240，通过了信度 α=0.05的 F检验。

实测值与计算值比较见图3。

图3 酒泉盆地水资源转化模型计算值与实测值比较

如果用盆地平均地下水水位作因变量，其它因子作自变量，由此而获得的水位变化模型为:

该模型的复相关系数为0.754，标准差为 0.927，通过了信度 α=0.05的 F检验。

模型计算结果列表(略)，实测值与计算值比较见图4。

图4 酒泉盆地水资源转化模型计算值与实测值比较

4 结语

从上图中可以看出，1982－2005年酒泉盆地水资源转化模型计算值与实测值基本吻合，完全说明了该模型使用的可靠性。该模型的计算结果显示了自上世纪80年代以来盆地地下水资源的使用状况。自1994年以来，盆地平均地下水水位下降了0.08 m，相当于每年超采地下水0.475×108m3，至2003年底近10年累计超采4.75×108m3。建议在枯水年份开采地下水以弥补地表水的不足，对促进区域经济发展将起到积极作用，但过度超采会使盆地生态环境恶化。

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