准噶尔盆地重点地段地下水可持续开采方案分析

霍传英 王文科 尚海敏（新疆维吾尔自治区地质环境监测院乌鲁木齐830000长安大学资源与环境科学学院西安710000）

准噶尔盆地重点地段地下水可持续开采方案分析

霍传英①王文科②尚海敏②
（①新疆维吾尔自治区地质环境监测院乌鲁木齐830000②长安大学资源与环境科学学院西安710000）

准噶尔盆地南缘水资源开发已经出现部分地区地下水位持续下降、地下水质恶化和生态环境恶化等问题，针对水资源开发存在的问题，依据区内水资源开发利用现状，并结合近期和远期的经济发展和水资源开发利用规划，提出了水资源优化方案的原则，编制了两大类四个地下水开采方案。通过对四个地下水开采方案的模拟及对比分析，确定了第四个方案为最优化可持续开采方案。

地下水可持续开采方案分析

随着西部大开发战略部署的实施，新疆经济得到迅速发展，尤其是准噶尔盆地南缘天山北坡经济带，因此对水资源的需求量也在不断加大，目前准噶尔盆地南缘水资源开发已经出现部分地区地下水位持续下降、地下水质恶化和生态环境恶化等问题，针对水资源开发存在的问题，提出了水资源优化方案的原则，编制了不同的水资源预测方案，并通过对不同水资源预测方案的模拟，达到对地下水水量和水位进行预测预报的目的。

1 数值模拟区的范围

数值模拟区的范围东起阜康甘河子，西至古尔图河；南到天山北麓山前，北抵沙漠边缘，地理坐标：东经83°50′～88°30′，北纬43°25′～45°20′，面积共约3.46×104km2。模拟区是天山北麓准噶尔盆地水资源开发利用的重点区域和经济最发达的地区，水资源开发利用量占全盆地的69%，所以选择该地区作为数值模拟区对分析区内地下水与环境演化、评价可持续利用的地下水资源具有重要的理论和实际意义。

2 模型区水资源开发存在的问题

准噶尔盆地的地下水开采规模随着区内经济发展而增大，尤其天山北麓地区，进入80年代以来地下水开采量随着西部农业大开发的实施急剧猛增，改变了水资源的时空分配，开发利用水资源的不尽合理使得天山北麓经济带的地质环境发生了较大变化，改变了天然状态下的地下水流场（流向和水力坡度），产生一系列环境问题，主要表现在区域地下水水位下降、泉水枯竭，溢出带北移、湖面面积缩小，盐化、地下水水质恶化、天然植被退化、土地荒漠化等主要环境地质问题。

3 地下水开采方案设计

根据区内水资源开发利用现状，结合近期和远期的经济发展和水资源开发利用规划，制定模型预测方案为两大类四个亚类。

第一大类方案（代号A）是对现状水利工程条件下地下水系统的预测模拟。该方案下分别设计三个亚方案。第一亚方案（代号A1）是保持现状水利工程不变，模拟现状条件下水资源开发利用和人类活动对地下水系统影响，分析现状条件下水资源开发利用中存在的问题，为制定水资源合理开发利用奠定基础；第二亚方案（代号A2）是在A1方案的基础上，在保持区内地质生态环境良性发展的前提下，模拟评价区内地下水可采资源量；第三亚方案（代号A3）在保持现状水利工程下，在保持区内地质生态环境良性发展的前提下，考虑农业节水灌溉推广和渠系利用系数提高后，模拟地下水系统水动力场的演化，评价地下水资源的变化。

第二大类方案（代号B）是考虑水利工程实施后对模型区内地下水系统的影响。由于工作范围包括国际河流额尔齐斯河，考虑到国际影响方面的问题，所以新疆水利厅不提供新疆“十一五”和“十二五”水资源开发利用规划，只收集到引额济乌的分水量，根据2008年和2009年新疆维吾尔自治区水资源公报，全疆GDP2009年比2008年增速了7%，全疆用水量增加了0.5%。由于模型区阜康至乌苏市是新疆主要经济发展区，尤其是未来20年内，该区将成为新疆的主要工农业发展区，GDP增长速度将远远超过全疆GDP平均增速，所以模型区用水量以2009年用水量（37.32亿方）为基数，每年按2%增量计算，可得2015年需水量比2009年将增加4.71亿方，依据近期（2015年）水资源规划需增加地表水3.2亿方，因此还需增加开采地下水1.51亿方；2020年需水量比2009年将增加9.08亿方，依据远期（2020年）水资源规划需增加地表水3.2亿方，因此还需要增加开采地下水2.78亿方。该方案中采用“500工程”引水量进行农田灌溉，置换区内山前现有引水工程灌溉水量，将山前部分引水量输入天然河道，增加山前戈壁带河流渗漏量，涵养区内地下水；同时在保证2015年、2020年增加1.51亿方、2.78亿方的地下水开采量及“500工程”实施后区内增加渠系入渗量的情况下，模拟地下水动力场变化，评价地下水资源量。

4 地下水开采方案的模拟

⑴现状开采条件下的预测预报。现状开采条件下的预测预报就是A1亚方案，主要模拟现状水资源开采方式下，地下水动力场的变化，评价现状水资源开发的合理性及存在问题。以2004年9月底实测流场为初始流场，预测时限为2004年10月～2020年12月。

①地下水位动态预报分析。在现状开采条件下，与2008年相比，除玛纳斯河流域戈壁带地下水位略有回升外，戈壁带潜水、沙漠边缘地下水及大部分地区浅层及中层承压水的水位均呈下降状态；细土平原区地下水位除阜康泄出带附近下降外，其它地区均呈上升态势。至2015年潜水和浅层承压水位降深最大分别为8.59 m和13.1 m，到2020年潜水和浅层承压水水位降深分别达到12.89 m和16.8 m。在原米泉市所属的四个镇、乌苏县、独山子水源地等地地下水水位降幅较大；浅、中层承压水在芳草湖111团灌区、105团灌区及五家渠灌区的降落漏斗有扩大的趋势(图1、图2)。 m3，地下水总排泄量呈逐年上升趋势，至2020年，达到37.45×108m3，大于补给量，均衡差为-2.81×108m3(表1)，维持现状开采，地下水系统不可能达到稳定状态，必然消耗地下水储存量，从而造成地下水位的下降。

图2 A1方案不同含水层不同年份的流场图

表1 A1方案不同年份与2008年地下水均衡结果对比表104m3∕a

⑵A2方案—保持现状水利工程不变，维持地质生态环境良性循环的可采资源量计算。保持现状水利工程不变，维持区内地质生态环境良性发展的条件下，模拟地下水动力场变化，计算地下水可开采量。其地下水可开采量模拟准则是调控地下水位，使戈壁带和沙漠区出现稳定，或出现回升，而使细土平原区地下水位埋深调控在3～5 m，并且使水位达到稳定，地下水系统基本处于均衡状态，此时开采量可以视为区内现状开发条件下地下水可开采资源量。

①地下水位动态预报分析。在调整地下水开采布局以维持区内地质生态环境良性发展的条件下，与2008年相比，戈壁带潜水到2020年最大水位降深为11.4 m，与A1方案相比无论是上升还是下降都有所改善并出现稳定趋势；细土平原区溢出带和中北部灌区地下水位基本调控为3～5 m，水位出现稳定；沙漠区地下水均有回升，这对抑制沙漠扩大具有一定的意义。浅、中层承压水在芳草湖111团、105团及五家渠灌区的降落漏斗总体保持稳定（图3、图4）。35.58×108m3，大于补给量，均衡差为-8.1×108m3(表2)，相对误差约为2.3%，地下水系统基本处于稳定状态，可以维持23.92×108m3的开采量。

图3 山前戈壁带观测孔水位历时曲线图

图4 A2方案不同含水层不同年份的流场图

表2 A2方案不同年份与2008年地下水均衡结果对比表104m3∕a

⑶农田节水条件下的预测预报。A3方案—现状水利工程不变，农田节水条件下的可采资源量计算。保持现状水利工程不变，灌溉定额和渠系渗漏量减少50%的情况下，在维持区内地质生态环境良性发展的前提下，模拟地下水动力场变化，计算地下水可开采量。其地下水可开采资源准则是调控地下水位，使戈壁带和沙漠区出现稳定或稍有回升、细土平原区地下水位埋深小于3 m区将地下水位调控在3～5 m以内，地下水系统基本处于均衡状态。

①地下水位动态预报分析。在农业节水条件下，与2008年相比，2015和2020年戈壁带部分地区地下水位出现一定幅度的上升，部分地区地下水位还处于下降状态（图5和图6），但各区地下水位均趋于稳定。至2015年水位上升幅度最大为17.7 m，至2020年上升幅度最大为18.7 m，主要分布在乌鲁木齐县宣仁墩一带。

在节水条件下，从地下水位降速场来看，受引水渠道渗漏量、田间节水灌溉引起地下水补给量减少等因素的影响，区内地下水位与同期A2亚方案相比，水位上升区的水位上升幅度要小，如山前戈壁带水位上升幅度比A2亚方案幅度减小0.75～8 m；沙漠边缘上升幅度减小0.25～1 m。但各区地下水位均基本达到稳定。地下水梯度场未出现异常。而2015年和2020年泉水泄出量与2008年相比，减少了约0.76×108m3∕a，泉水排泄量维持在现状的最低水平。浅、中层承压水在芳草湖111团、105团及五家渠灌区的降落漏斗。

图5 山前戈壁带观测孔地下水位历时曲线图

图6 A3方案不同含水层不同年份的流场图

⑷引水工程实施后的预测预报。第二大类方案（代号B）是考虑水利工程实施后对模型区内地下水系统的影响。

该方案中采用“500工程”引水量进行农田灌溉，置换区内山前现有引水工程灌溉水量，将山前部分引水量输入天然河道，增加山前戈壁带河流渗漏量，涵养区内地下水；同时在保证2015年、2020年增加1.51亿方、2.78亿方的地下水开采量及“500工程”实施后区内增加渠系入渗量的情况下，模拟地下水动力场变化，评价地下水资源量。

①地下水位动态预报分析。引水工程实施后，与2008年相比，到2015和2020年，大部分地区地下水位出现一定幅度的上升，有部分地区地下水位还处于下降状态（图7、图8），但地下水位总的发展趋势是基本趋于稳定。至2015年水位上升幅度最大为19 m，最大下降幅度为-21.5 m，至2020年上升幅度最大为33 m，最大下降幅度为-23.1 m。

②地下水系统均衡预报分析。引水工程实施后，2015年总补给量为37.99×108m3，总排泄量为37.30× 108m3，均衡差为0.69×108m3；2020年总补给量为39.72×108m3,总排泄量为39.61×108m3,均衡差为0.11× 108m3（表4）,地下水系统处于正均衡,泉水流量基本维持在2004年最低水平上，同时，在维持区内地质生态良性发展的情况下2015年增加的1.51×108m3开采量和2020年增加的2.78×108m3开采量是有保证的。

表3 A3方案不同年份与2008年地下水均衡结果对比104m3∕a

图7 山前戈壁带潜水观测孔水位历时曲线图

图8 B方案不同含水层不同年份的流场图

表4 B方案不同年份与2008年地下水均衡结果对比表104m3∕a

5 四种地下水开采方案模拟结果对比分析

⑴保持现状水利工程和现状开采状态下，地下水总补给量基本维持稳定，约为34.64×108m3，地下水总排泄量呈逐年上升趋势，至2020年，达到37.45× 108m3，大于补给量，均衡差为-2.81×108m3，维持21.87×108m3现状开采量，必然消耗地下水储存量，从而造成地下水位的下降，从而诱发了地质生态环境负效应。

⑵在保持现状水利工程不变的条件下，以维持模拟区地质生态环境良性发展为前提，在地表水与地下水联合开发的原则下，通过对现状水资源开发方式中地下水开采布局调整（即减小山前戈壁带地下水开采，增大细土平原泄出带及中北地带地下水开采），模拟区地下水可开采资源量为23.92×108m3∕a，无论从水均衡还是降速场与梯度场变化来看，均符合区内生态环境良性循环的指标约束条件，评价的23.92×108m3∕a的开采量有保证，可作为区内现状水利工程条件下地下水可开采资源量。

⑶在保持现状水利工程不变的条件下，考虑农田节水技术推广使灌溉定额和渠系渗漏量减少50%，以维持模拟区地质生态环境良性发展为前提，在地表水与地下水联合开发的原则下，通过对现状水资源开发方式中地下水开采布局调整（即减小山前戈壁带地下水开采，增大细土平原泄出带及中、北地带地下水开采），模拟区地下水可开采资源量为18.37×108m3∕a，无论从水均衡还是降速场与梯度场变化来看，均符合区内生态环境良性循环的指标约束条件，评价的18.37×108m3∕a的开采量有保证，可作为上述条件下地下水可开采资源量。同时与现状年相比，地表水利用量可减少6.93×108m3∕a，节余的地表水可用于补充下游湿地或湖泊以及河道生态需水的不足，对提高水资源的利用率，改善生态环境具有重要的意义。

⑷在“500工程”实施后，用“500工程”引水量置换原山前河流引水量用于灌溉，增加渠系入渗量和戈壁带河流渗漏量，同时调整开采布局以保证模型区2015、2020年增加的地下水开采量分别为1.51、2.78亿方，通过模拟地下水系统处于正均衡,泉水流量基本维持在2004年最低水平上，同时，在维持区内地质生态良性发展的情况下2015年增加的1.51亿方开采量和2020年增加的2.78亿方开采量是有保证的。

[1]新疆维吾尔自治区地质环境监测院.新疆乌鲁木齐监测区地下水动态监测五年报告.2006～2010.

[2]昌吉州地质环境监测站.新疆维吾尔自治区昌吉—石河子地区地下水动态监测五年报告.2006～2010.

[3]塔城地区地质环境监测站.新疆维吾尔自治区奎屯—乌苏监测区地下水动态监测五年报告.2006～2010.

[4]新疆地质调查院，新疆准噶尔盆地地下水资源及其环境问题调查评价报告.

[5]新疆维吾尔自治区地质环境监测院.准噶尔盆地地下水动态调查评价报告.

收稿:2014-05-24

DOI∶10.16206∕j.cnki.65-1136∕tg.2015.01.009