新疆玛纳斯河灌区地下水特征研究

李晓芳，闫 琴，张少博，刘 兵，王 晨，何新林

(石河子大学水利建筑工程学院，新疆 石河子 832000)

新疆地处亚欧大陆腹地，多年平均降水量为147 mm，水资源总量为789 亿m3，其中地下水资源量为332.15 亿m3，平原区地下水总补给量为337.61 亿m3，地下水利用总量为85.1 亿m3，但地下水开发利用在区域上不均衡[1]。在现状条件下，哈密、奇台、乌鲁木齐、玛纳斯、石河子等地区地下水均处于超采状态，地下水负均衡加剧，水位下降，进而导致胡杨、梭梭等植物衰亡，生态环境恶化加剧[2]。近年来新疆玛纳斯河灌区(简称“玛河灌区”)河道引水量不断增大，红山嘴渠首以下河道平时干涸，河道入渗补给大量减少，且地下水的开发利用程度急剧增加，地下水位持续下降。同时，灌区续建配套和节水改造工程的实施，使灌区供水保证率、渠系及田间水利用系数提高，但渠系及田间入渗对地下水补给量逐渐减少，区域水循环条件发生显著变化，导致地下水资源量发生变化。故本研究以玛纳斯河灌区为例，进行地下水进行均衡分析，计算地下水补给量和排泄量，分析源汇项之间的相互关系，阐明不同典型年的地下水均衡情况，对合理开发利用地下水资源，缓解水资源供需矛盾，保证灌区社会经济的可持续发展及改善生态环境具有重要意义，同时为新疆其他类似灌区地下水综合管理提供参考。

1 研究区概况

玛河灌区位于新疆天山北麓玛纳斯河流域中下游冲洪积平原，下设石河子灌区、下野地灌区、莫索湾灌区3个子灌区。灌区属大陆性干旱气候，年降水量110～200 mm，年蒸发量1 500～2 000 mm。随着节水改造工程的实施，灌区渠系水利用率由64%提高至76%，净灌溉定额由5 700 m3/hm2，下降到5 400 m3/hm2[3]。灌溉用水主要为引用的玛河河水和人工开采的地下水。据资料统计，地下水开采量自2001年的2.32 亿m3增加到2009的3.65 亿m3，增加比例为36%。剧增的地下水开发量引发的地下水位迅速下降而导致灌区外围荒漠生态的迅速退化现象已引发高度关注。因此，本研究依据玛河灌区实际情况，构建灌区地下水均衡模型，定量分析灌区不同来水频率典型年地下水均衡要素情况。

2 数据与方法

2.1 数据来源

本研究中所用的数据主要包括玛纳斯河灌区3个典型年(2001、2004和2009年)的降雨量、河道径流量、泉水溢出量、渠系引水量、人工开采量、灌溉面积、作物种植结构、灌溉定额、地下水侧向补给量及侧向排泄量，来源于《石河子年鉴》及灌区相关统计资料。

2.2 典型年

通过对肯斯瓦特水文站 1954-2012年玛纳斯河径流序列进行频率计算，选取P-Ⅲ型频率曲线拟合出最佳径流频率分布曲线，得到不同来水频率下肯斯瓦特站年径流量。来水频率P=25%、P=50%、P=75%时肯斯瓦特站年径流量分别为13.8、12.1、10.9 亿m3。故根据来水频率P=25%、P=50%、P=75%确定相应的典型年分别为2001、2004、2009，地下水均衡计算。

2.3 水均衡法

水均衡是均衡计算区地下水总补给量、储存量和总排泄量之间的关系，目的是通过平衡计算，评价地下水的允许开采量[4]。水均衡法相对数值模拟及数学物理等方法，概念明确，对区域水文地质条件认知度低，资料要求不苛刻，方法灵活、计算方便，适用范围广[5-6]。因此，本文采用水均衡法计算玛河灌区三个典型年(2001、2004、2009年)的地下水均衡。

根据玛河灌区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为均衡时段内地下水总补给量、总排泄量，亿m3/a；△Q为计算的地下水储存量的变化量，亿m3/a；△QCM为储存量变化量, 亿m3/a；μ为给水度；F为均衡区面积， hm2；△t为均衡时段，a；△H为均衡时段内实测的地下水位变幅，m；QCB为侧向补给量，亿m3/a；QR为河道渗漏补给量，万m3/a；QY为降水入渗补给量，亿m3/a；QQ为渠系入渗补给量，亿m3/a；QT为田间入渗补给量，亿m3/a；QS为水库入渗补给量，亿m3/a；QH为井灌回归量，亿m3/a；QCP为侧向排泄，亿m3/a；QE为潜水蒸发量，亿m3/a；QSW为泉水溢出量，亿m3/a；QG为人工开采量，亿m3/a。δ为相对均衡差，δ≤10% 时补排量计算结果合理，模型计算精度符合要求。

3 灌区地下水均衡计算

3.1 均衡区划分及均衡时段确定

依据玛河灌区地形地貌特征及水文地质条件，并考虑到保证行政区界限的完整性，将灌区划分为石河子灌区、莫索湾灌区、下野地灌区3个计算区。本文选取2001、2004、2009年3个典型年的1月1日至12月31日作为均衡时段。

3.2 水文地质参数确定

水文地质参数是水均衡计算的基础，反映了灌区地下水循环特征。计算涉及的水文地质参数主要包括：给水度μ、渗透系数K、降水入渗补给系数α、河道入渗补给系数ρ、水库入渗补给系数ω、渠系水利用系数η、灌溉入渗补给系数β等。这些参数主要依据《新疆地下水》、《准噶尔盆地地下水资源及其环境问题调查评价》，地下水埋深资料及近期相关文献予以确定[7，8]。其中渠系水利用系数η、田间入渗补给系数β主要依据灌区续建配套与节水改造规划报告等相关资料。最终确定的各分区水文地质参数如表1所示.

表1 玛河灌区水文地质参数统计表Tab.1 Hydrogeological parameter statistics ofManasi River Irrigation District

4 结果与分析

首先计算各子灌区地下水均衡要素值，再通过地下水均衡模型进行汇总与补排分析。计算得出各典型年的相对均衡差(δ)最大为4.55%，最小为2.73%，均小于10%，表明所建的水均衡模型计算精度符合要求，能够定量研究不同典型年各均衡要素的变化情况。

4.1 地下水补给量

玛河灌区地下水补给来源包括：侧向补给、河道入渗补给、降雨入渗补给、渠系入渗补给、 田间入渗补给、水库入渗补给和井灌回归补给量。基于水量平衡原理，构建灌区地下水均衡模型，计算得出各子灌区不同典型年地下水补给量，然后汇总得出玛河灌区(表中简称“总灌区”)不同典型年地下水补给量。计算结果如表2、3、4所示。

表2 玛河灌区(P=25%)地下水补给量 亿m3/a

表3 玛河灌区(P=50%)地下水补给量 亿m3/a

表4 玛河灌区(P=75%)地下水补给量 亿m3/a

分析表2可知，在P=25%，玛河灌区地下水总补给量为5.44 亿m3/a，侧向补给、河道渗漏补给、降雨入渗补给、渠系入渗补给、田间入渗补给、水库入渗补给及井灌回归补给占总补给量比例分别为15.55%、22.28%、2.75%、32.34%、15.31%、4.40%、7.37%，因此，渠系入渗补给及河道渗漏补给为玛河灌区地下水主要补给来源，其次为田间入渗补给。

由表3和表4可知，在P=50%，侧向补给、河道渗漏补给、降雨入渗补给、渠系入渗补给、田间入渗补给、水库入渗补给及井灌回归补给占总补给量比例分别为17.83%、15.32%、2.47%、33.26%、17.64%、5.03%、8.17%；在P=75%，占总补给量比例为19.70%、10.22%、3.75%、33.34%、15.62%、5.14%、12.23%，因此渠系、田间入渗补给及侧向补给为玛河灌区地下水的主要补给来源。

在各典型年，石河子灌区地下水主要补给来源均为侧向补给与河道入渗补给，占其地下水总补给量比例分别为31.01%～34.48%、21.02%～38.78%。莫索湾灌区及下野地灌区地下水主要补给来源均为灌溉入渗补给(渠系入渗和田间入渗补给)，占总补给量比例分别为50.71%～57.07%、72.35%～76.30%。因下野地灌区渠系密度大，西岸大渠附近地下水位较高且玛河下游的灌区引水途径较长，地表水有效利用系数相对较低，因此，灌溉入渗补给所占比例较石河子灌区和莫索湾灌区大。

对比分析P=25%、P=50%、P=75%可知，河道渗漏补给量变化较大，这是因为河道渗漏量与河道总过水量有关，受河道丰、平、枯影响较大，丰水年增加，枯水年减少。降水入渗所占比例非常小，是因为灌区降水量少且蒸发量大。渠系入渗补给与田间入渗补给量均减少，但变化较小且所占总补给量比例增加，是由于节水灌溉灌区续建配套与节水改造工程的实施，节水灌溉面积不断增加，渠系及田间水利用系数增加，灌溉定额及引水量减小，大部分农用灌溉机井位于农田或渠道旁，膜下滴灌区域地下水开采后直接进入田间，渠系入渗及田间入渗补给减少。平原水库渗漏量变化较小，这是因为玛河灌区平原水库已运行多年，库床淤积等原因，渗漏损失较小且为稳定渗流过程，当水库枯水期时，会抽取地下水入库。据资料可知，总种植面积增加，河道径流量减少，为满足农作物需水要求，需增加地下水开采量，因而供水增加的同时井灌回归量增加，但增加趋势不明显。

4.2 地下水排泄量

玛河灌区地下水排泄包括侧向排泄、人工开采、泉水溢出和潜水蒸发。计算出各子灌区的地下水排泄量，汇总后得玛河灌区地下水排泄项量。

各子灌区的地下水排泄量计算结果表明： 石河子灌区地下水主要排泄途径为人工开采，占总排泄量比例为43.14%～61.34%，其次为泉水溢出和潜水蒸发，占总排泄量比例分别为13.29%～29.29%、17.31%～19.21%。莫索湾灌区和下野地灌区地下水主要排泄途径均为人工开采，其次为潜水蒸发。

图1 玛河灌区不同典型年地下水排泄量Fig.1 Groundwater discharge in different typical years of Manasi River irrigation

分析图1可知，在各典型年，侧向径流排泄、潜水蒸发量、泉水溢出和人工开采，分别占总排泄量的16.69%～16.90%、22.95%～29.03%、5.38%～12.50%、41.77%～54.83%，因此，玛河灌区地下水主要排泄途径为人工开采，其次为潜水蒸发。

总排泄量、侧向排泄量基本保持稳定，但地下水开采量及泉水溢出量变化较大。由于玛河灌区北部边界为细颗粒地层，地下水水平径流十分缓慢，主要以垂直交替为主，因此侧向排泄量基本保持不变；随着地下水开采量增加，地下水位下降，潜水蒸发量呈下降趋势，但减幅较小，是因为研究区潜水极限蒸发深度为5 m，地下水埋深小于5 m的面积变化不大[9]。玛河径流量减少，河床及渠系入渗补给量减少，水平径流带和潜水溢出带的地下水开采量增加，导致泉水溢出量所占比例呈减小趋势。随着灌区内工农业和生活需水量的急剧增加，且河道径流量减少，为满足工农业生产需求，地下水人工开采力度增大，使其所占总排泄量比例增加。

4.3 均衡分析

运用地下水均衡模型，计算得出子灌区和总灌区地下水均衡要素值，进行补排均衡分析，由上述计算结果可知，在P=25%、P=50%、P=75%时，总灌区地下水均衡差分别为-0.16、-0.79、-1.36 亿m3，处于负均衡状态，与地下水动态变化趋势及相关研究结果基本一致[9,10]。

5 结 论

本研究以玛河灌区为研究区，利用灌区实测统计资料，建立地下水均衡模型，计算得玛河灌区不同典型年地下水均衡要素值，并进行了地下水均衡分析，得出以下结论：

(1)计算结果表明，不同频率典型年各子灌区相对均衡差在10%以内，因此所建的地下水均衡模型的计算精度符合要求，对灌区社会经济的可持续发展及改善生态环境有一定的指导意义。

(2)玛河灌区地下水主要补给来源为渠系入渗、河道渗漏补给、侧向补给、田间入渗补给，分别占总补给量比例为32.34%～33.34%、10.22%～22.28%、15.55%～19.70%、15.31%～17.64%。石河子灌区地下水主要补给来源为河道渗漏补给及侧向补给，莫索湾灌区和下野地灌区地下水主要补给来源均为渠系入渗及田间入渗补给。玛河灌区地下水主要排泄途径为人工开采，占总排泄量比例分别为41.77%～51.83%。

(3)玛河灌区地下水均衡变化主要受灌溉入渗及人工开采地下水影响。随着河道径流量减少，灌区续建及节水改造工程的实施，渠系及田间水利用系数逐渐提高，灌溉定额逐渐变小，但渠系及田间入渗对地下水的补给量随之减少。

新疆地下水可开采量为111 亿m3，2008年地下水人工开采量为72.1 亿m3，已达地下水可开采量的64.95%[2]。因此灌区应合理开采地下水，控制地下水位的持续下降，保障天然植被生态需水。地下水超采区应严格控制地下水开采力度，强化水资源综合管理，不断提高用水效率和效益，为实现“资源—环境—生态”的协调可持续发展。

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