瑪納斯河流域水資源特征淺析

新疆馬納斯河盆地位于西北內(nèi)陸盆地與天山北麓的中部。它是新疆北部的重要糧食和棉花基地，也是烏魯木齊克拉瑪連接帶的重要經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)?，敿{斯河灌區(qū)是新疆農(nóng)墾系統(tǒng)開發(fā)較早、發(fā)展較快的大型灌區(qū)之一,灌區(qū)規(guī)模為全國(guó)第四。解放后40多年來(lái),隨著農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,水利化程度逐步提高,已基本形成了比較配套的引、蓄、灌、排水利系統(tǒng)。水利灌溉一方面促進(jìn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展,人工綠洲不斷擴(kuò)大,促進(jìn)了上游經(jīng)濟(jì)發(fā)展;另一方面由于不合理使用水資源產(chǎn)生次生鹽漬化和瑪納斯河下游荒漠化、沙漠化等生態(tài)環(huán)境問題,直接威脅了墾區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。因而,水資源在本區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和維系生態(tài)環(huán)境中起著重要作用。因此,定量描述地表水、地下水的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系,對(duì)于研究區(qū)地下水資源評(píng)價(jià)、水資源合理配置和承載能力評(píng)價(jià),提高全流域的水資源利用率和保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要意義。1地下水的補(bǔ)給源和排放系統(tǒng)本研究區(qū)以瑪納斯河沖洪積扇和沖洪積平原為主體,東部包括塔西河沖洪積扇的一部分,西部包括寧家河沖洪積扇。扇間地下水既存在水力聯(lián)系又具有相對(duì)獨(dú)立性,通過(guò)扇區(qū)北部的扇緣溢出帶向準(zhǔn)噶爾沖積平原過(guò)渡,為一個(gè)基本完整的水文地質(zhì)單元,平原區(qū)巨厚的第四系松散巖層,為地下水的儲(chǔ)存和運(yùn)移提供了良好的空間。較豐富的地表水資源,為地下水的形成提供了充足的補(bǔ)給來(lái)源。研究區(qū)具有典型西北內(nèi)陸盆地地下水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和特點(diǎn),即地表水、地下水相互轉(zhuǎn)化頻繁,地表水為地下水的最主要補(bǔ)給源,在自然條件下地下水的主要排泄途徑為蒸發(fā)和泉排泄。目前,開采亦成為主要排泄方式之一。1.1地下水補(bǔ)徑排系統(tǒng)通過(guò)地質(zhì)、水文地質(zhì)條件和地下水流動(dòng)方式特點(diǎn),在平面上可以將研究區(qū)劃分為三個(gè)水文地質(zhì)單元:水平徑流帶、溢出帶和垂向交替帶;在垂向上可以分為上部潛水含水層和下部承壓含水層(見圖1)。將研究區(qū)水文地質(zhì)單元作為一個(gè)統(tǒng)一的地下水系統(tǒng),可以從總體上研究該區(qū)地下水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。在沖洪積扇的中上部,地下水系統(tǒng)主要接受山前側(cè)向補(bǔ)給、河流出山口處潛流補(bǔ)給、洪水季節(jié)河流滲漏補(bǔ)給和地下水埋藏較淺處渠道滲漏及少量降水入滲補(bǔ)給。該區(qū)含水層為單一結(jié)構(gòu)潛水含水層,含水層顆粒粗、厚度大,故含水層的導(dǎo)水性好,地下水系統(tǒng)接受補(bǔ)給后,主要以水平徑流方式向北和西北方向徑流,故該區(qū)稱為水平徑流帶。在水平徑流帶,地表水、地下水的關(guān)系表現(xiàn)為地表水大量補(bǔ)給地下水。在烏伊公路以北、大海子—蘑菇湖水庫(kù)以南,即等高線400～430m范圍內(nèi),為地下水系統(tǒng)的溢出帶。該帶內(nèi)含水層由單一潛水含水層過(guò)度到上部潛水含水層和下部多層承壓含水層。潛水含水層顆粒逐漸變細(xì),并夾有多個(gè)粘土層,故潛水含水層導(dǎo)水性能變?nèi)?地下水流動(dòng)受阻,使?jié)撍唤咏乇?在河、溝處可形成泉,在地表低洼處形成沼澤。大部分泉水通過(guò)河、溝流入下游平原水庫(kù)。因此,該帶內(nèi)地表水、地下水的轉(zhuǎn)化關(guān)系主要表現(xiàn)為地下水轉(zhuǎn)化為地表水。溢出帶地下水埋藏淺、含水層富水性較好,是開采地下水的有利地段,故該帶內(nèi)地下水開采量較大,在該帶上游(南部)以開采潛水為主,下游以潛水-承壓水混合開采為主。由于溢出帶粘土層連續(xù)性不好,并有混采井存在,使?jié)撍畬优c承壓含水層水力聯(lián)系密切,水位基本保持一致。承壓含水層的流動(dòng)方式以水平向北徑流為主。大海子-蘑菇湖水庫(kù)以北細(xì)土平原區(qū)為地下水系統(tǒng)的垂向交替帶,該帶潛水含水層顆粒變細(xì),主要為細(xì)砂和粉砂,粘土層增多,滲透性差,水平徑流緩慢。該區(qū)潛水位埋深小,一般0.5～4.0m。潛水含水層除接受水庫(kù)滲漏、渠系滲漏、灌溉回歸、降水入滲等來(lái)自地表水補(bǔ)給外,還接受下部承壓含水層的越流補(bǔ)給,主要排泄方式為蒸發(fā)。自然條件下,承壓含水層的主要排泄方式為向潛水含水層越流補(bǔ)給;在人工開采條件下,開采已成為承壓含水層的主要排泄方式。由于強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用,使該帶土壤鹽漬化嚴(yán)重。1.2地下水系統(tǒng)的水力特性建立地下水系統(tǒng)的概念模型,可以根據(jù)建模的要求、系統(tǒng)的主要因素和狀態(tài)進(jìn)行刻畫,簡(jiǎn)化或忽略與系統(tǒng)目的無(wú)關(guān)的某些系統(tǒng)要素和狀態(tài),以便簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)描述,建立地下水系統(tǒng)模擬模型。本研究的目的是分析地下水系統(tǒng)的水力特性,即研究在開采條件下,地下水與地表水轉(zhuǎn)化關(guān)系,故模型中忽略對(duì)地下水系統(tǒng)的化學(xué)特性模擬。根據(jù)地下水存在狀態(tài),可將地下水系統(tǒng)分為潛水含水層和承壓含水層,二者通過(guò)其間的10～30m厚的粘性土層(弱透水層)發(fā)生水力聯(lián)系。研究區(qū)不同部位地下水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)、輸入輸出、與地表水關(guān)系均不相同,為描述這些要素隨空間的變化規(guī)律,模型采用分布參數(shù)系統(tǒng)。根據(jù)地下水流動(dòng)特點(diǎn),將研究區(qū)概化為非均質(zhì)各向同性、雙層結(jié)構(gòu)、平面二維、非穩(wěn)定地下水系統(tǒng),即地下水系統(tǒng)的概念模型。1.3hs-h3+smx,5.2滲流區(qū)已建立的地下水系統(tǒng)概念模型可用如下數(shù)學(xué)模型描述:{S1?h1?t=??x[(h1-b)Κ1?h1?x]+??y[(h1-b)Κ1?h1?y]+ΚzL(h2-h1)+Q1+p1-εx,y∈Ω1,t≥0S2?h2?t=??x(ΜΚ2?h2?x)+??y((ΜΚ2?h2?y)-ΚzL(h2-h1)+Q2+p2x,y∈Ω2,t≥0h1(x,y,t)|t=0=h01(x,y)x,y∈Ω1,t≥0h2(x,y,t)|t=0=h02(x,y)x,y∈Ω2,t≥0(h1-b)Κ1?h1?→n|Γ=q1(x,y,t)x,y∈Γ,t≥0ΜΚ2?h2?→n|Γ=q2(x,y,t)x,y∈Γ,t≥0p1(x,y,t)+p2(x,y,t)=p(x,y,t)x,y∈混合開采井?t≥0h1(x,y,t)=h2(x,y,t)x,y∈混合開采井?t≥0ε=ε0(hs-h1)x,y,∈,Ω1,t≥0,hs-h1>smax式中:Ω1、Ω2——分別為潛水和承壓含水層滲流區(qū)域;h1、h2——分別為潛水和承壓含水層水位標(biāo)高(m),h1=h1(x,y,t),h2=h2(x,y,t);K1、K2——分別為潛水和承壓含水層的等效滲透系數(shù)(m/d);Kz——弱透水層(越流層)的垂向滲透系數(shù)(m/d);L——弱透水層的厚度(m);S1——潛水含水層的重力給水度;S2——承壓含水層的儲(chǔ)水系數(shù);Q1、Q2——分別為潛水和承壓含水層的開采強(qiáng)度(m3/d·m2);p(x,y,t)——混合開采井的開采強(qiáng)度(m3/d·m2);p1(x,y,t)、p2(x,y,t)——分別為混合開采井在潛水和承壓含水層的開采強(qiáng)度(m3/d·m2);b——潛水含水層底板標(biāo)高(m),h1-b為潛水含水層的厚度(m);M——承壓含水層的厚度(m);h01(x,y)、h02(x,y)分別為潛水和承壓含水層的初始水位分布(m);?！獫B流區(qū)邊界;q1(x,y)、q2(x,y)——分別為潛水和承壓含水層的二類邊界單寬流量(m3/d·m),流入量為正,流出量為負(fù),隔水邊界為0;hs——地面標(biāo)高(m),hs-h1為潛水位埋深;ε——潛水蒸發(fā)強(qiáng)度(m3/d·m2),它是潛水位埋深的函數(shù);ε0——水面蒸發(fā)強(qiáng)度(m);λ(hs-h1)——與潛水位埋深和包氣帶巖性有關(guān)的潛水蒸發(fā)系數(shù);Smax——極限蒸發(fā)深度(m)。通過(guò)求解微分方程的定解問題,建立地下水系統(tǒng)分布參數(shù)模擬模型,該模型通過(guò)識(shí)別和驗(yàn)證,符合研究區(qū)的水文地質(zhì)條件,可用于定量分析地表水和地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系。2地下水的補(bǔ)給源西北內(nèi)陸盆地地下水-地表水聯(lián)系密切,是兩個(gè)既相互依存、相互制約又相對(duì)獨(dú)立的水資源子系統(tǒng)。地表水主要通過(guò)河流、渠系、平原水庫(kù)滲漏和田間灌溉入滲補(bǔ)給地下水,而地下水在溢出帶又以泉排泄的方式作為下游平原水庫(kù)和河流的主要補(bǔ)給源。因此,在以可持續(xù)發(fā)展為宗旨、水資源的開發(fā)利用與社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展為原則的前提下,研究?jī)伤畷r(shí)空轉(zhuǎn)化規(guī)律及其轉(zhuǎn)化量隨水資源開發(fā)利用條件的變化,有利于充分利用這種轉(zhuǎn)化規(guī)律,促使地下水、地表水相互涵養(yǎng),提高水資源的利用率。2.1瑪納斯河流的補(bǔ)給瑪納斯河出山口徑流量的大小對(duì)本區(qū)的地下水和地表水資源起著主導(dǎo)作用,該量決定了渠首引水量和河道瀉水量的大小,這兩種徑流途徑對(duì)地下水補(bǔ)給具有不同的影響?，敿{斯河從山口到夾河子水庫(kù)以上的河床滲漏條件好,滲漏系數(shù)0.40左右,因此,該河段徑流量大小,對(duì)該區(qū)地下水補(bǔ)給具有重要意義。如1956年以前,溢出帶泉流量為4.29×108～5.00×108m3/a,而在1959年?yáng)|岸大渠竣工引水后,改變了河水的流動(dòng)途徑,瑪納斯河河道徑流量大大減少,從而使其對(duì)地下水的補(bǔ)給量減少,造成泉流量顯著減小,1960年泉流量只有3.70×108m3/a左右,與引水渠道建成前的泉流量比較減少了1×108m3/a左右,可見瑪納斯河流量對(duì)地下水的補(bǔ)給作用。瑪納斯河渠首引水量大小受出山口徑流量大小和渠道設(shè)計(jì)引水能力的控制,近年來(lái)平均引水量為9.18×108m3/a左右,假設(shè)渠首引水量基本不變,則保證率為50%的補(bǔ)給量是1.29×108m3/a,大于70%保證率的補(bǔ)給量則小于1.00×108m3/a。由此計(jì)算出多年平均瑪納斯河流滲漏補(bǔ)給量為1.38×108m3/a。2.2渠系有效利用系數(shù)逐步提高,天然氣、地下水的有效渠系滲漏補(bǔ)給是研究區(qū)最大的地下水補(bǔ)給項(xiàng),占多年平均總補(bǔ)給量的23.97%。不同水文地質(zhì)分帶,渠系補(bǔ)給量所起的作用也不同。在水平徑流帶和溢出帶,渠系補(bǔ)給可增加地下水可利用資源量;而在垂向交替帶,渠系滲漏補(bǔ)給造成潛水位埋深變淺,蒸發(fā)加大,不僅沒有增加可利用資源量,而且產(chǎn)生了土壤鹽漬化。經(jīng)模型驗(yàn)證,全區(qū)渠系有效利用系數(shù)平均為0.7716(補(bǔ)給修正系數(shù)按0.88計(jì)算)。隨著水利化程度的提高和渠系防滲措施的加強(qiáng),渠系有效利用系數(shù)將逐步提高,相應(yīng)對(duì)地下水的補(bǔ)給量會(huì)逐漸減少,經(jīng)計(jì)算渠系有效利用系數(shù)提高1%,則滲漏補(bǔ)給量約減少808×104m3/a。圖2給出了在現(xiàn)狀地下水開采條件下,渠系有效利用系數(shù)提高到0.82,泉流量和蒸發(fā)量的變化趨勢(shì)。由圖可見,(1)在水平徑流量和溢出帶,減少了地下水的有效補(bǔ)給量,到2010年泉流量減少到1.1×108m3,這種減少趨勢(shì)不利于地下水資源的涵養(yǎng)和有效利用;(2)在垂向交替帶減少了對(duì)地下水的無(wú)效補(bǔ)給,蒸發(fā)量較現(xiàn)狀開采條件下有所降低,有利于提高地表水利用率,避免或減輕土壤鹽漬化。2.3動(dòng)態(tài)平衡分析泉是地下水的天然露頭,泉流量是地下水系統(tǒng)的狀態(tài)變量,它綜合反映了地下水系統(tǒng)的均衡狀態(tài)。影響泉流量趨勢(shì)性變化的主要因素是水平徑流帶和溢出帶的地下水開采量、瑪納斯河床和渠系滲漏補(bǔ)給量。泉流量與這些均衡量處于一種動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程中,任何量的變化都會(huì)引起泉流量的變化,以達(dá)到一種新的平衡。通過(guò)運(yùn)行已建立的模擬模型,在給定水資源開發(fā)利用條件下(地下水開采量、渠系有效利用系數(shù)),可預(yù)測(cè)泉流量和各水文地質(zhì)分帶地下水位的變化趨勢(shì),以研究各均衡項(xiàng)對(duì)地下水系統(tǒng)及其兩水轉(zhuǎn)化關(guān)系的影響。2.3.1地下水開采量、蒸發(fā)量和含水層累積儲(chǔ)存量應(yīng)進(jìn)一步增加現(xiàn)狀水資源開發(fā)利用條件是在1995年地下水開采量2.63×108m3/a基礎(chǔ)上,各類補(bǔ)給量采用多年平均值,運(yùn)行模擬模型,得到各均衡量變化趨勢(shì)見圖3。分析計(jì)算結(jié)果,可得到以下幾點(diǎn)看法:(1)由于近幾年地下水開采量持續(xù)增加,地下水系統(tǒng)仍處于不平衡狀態(tài)。即使今后地下水開采量保持現(xiàn)狀,泉流量將進(jìn)一步衰減,到2001年以后,泉流量保持在1.40×108m3/a左右,與開采量、補(bǔ)給量達(dá)到了一種新的平衡;(2)未來(lái)蒸發(fā)量有所增加,其原因是垂向交替帶地下水接受過(guò)多的地表水補(bǔ)給,地下水位略有上升造成;(3)地下水系統(tǒng)為達(dá)到新的平衡,仍處于調(diào)整狀態(tài),含水層累計(jì)減少儲(chǔ)存量0.89×108m3,但分帶差異較大。水平徑流帶地下水位有所下降,如沖洪積扇頂部出山口處,地下水位累計(jì)下降0.5m左右。溢出帶地下水位基本保持不變。而在垂向交替帶,局部地下水位略有上升,含水層累積儲(chǔ)存量增加了0.47×108m3?？傊?現(xiàn)狀水資源開發(fā)利用條件下,除泉流量由現(xiàn)在的1.78×108m3/a減少到1.40×108m3/a左右外,地下水狀態(tài)沒有發(fā)生很大變化。2.3.2地下水水層水位變化趨勢(shì)渠系滲漏對(duì)地下水補(bǔ)給起著重要的作用。選定渠系有效利用系數(shù)由原來(lái)的0.7716提高到0.82,在其它條件不變的情況下,全區(qū)地下水補(bǔ)給量將減少約0.37×108m3/a,占原渠系滲漏補(bǔ)給量的19.41%,占全區(qū)多年平均補(bǔ)給量的6.19%。通過(guò)運(yùn)行模擬模型,得到地下水補(bǔ)給量減少條件下泉流量和各區(qū)地下水位變化(見圖2)。由計(jì)算結(jié)果可見:(1)由于水平徑流帶和溢出帶渠系滲漏補(bǔ)給的減少,泉流量持續(xù)下降,直到2006年以后才基本穩(wěn)定在1.10×108m3/a左右,在相同開采條件下,穩(wěn)定泉流量比現(xiàn)狀渠系有效利用系數(shù)條件下減少0.30×108m3/a左右,可見渠系滲漏補(bǔ)給對(duì)地下水、地表水轉(zhuǎn)化的重要影響;(2)全區(qū)蒸發(fā)量基本保持現(xiàn)狀1.84×108m3/a左右,主要是由于垂向交替帶渠系滲漏補(bǔ)給量減小,地下水位總體保現(xiàn)狀水平;(3)由于地下水補(bǔ)給量減少,地下水系統(tǒng)須調(diào)整達(dá)到新的平衡所需時(shí)間更長(zhǎng),含水層儲(chǔ)存量減少2.68××108m3/a,比現(xiàn)狀渠系有效利用系數(shù)條件下大得多,水平徑流帶水位下降較明顯,沖洪積扇頂部出山口處,地下水位累計(jì)下降2.11m。溢出帶地下水位仍基本保持不變。垂向交替帶水位稍有上升,含水層累積儲(chǔ)存量?jī)H增加了0.25×108m3?？傊?渠系有效利用系數(shù)的提高,使溢出帶泉流量和垂向交替帶蒸發(fā)量較現(xiàn)狀水資源開發(fā)利用條件下均有較明顯的減小。2.3.3地下水開采量對(duì)泉流量的影響近幾年泉流量的減小主要是由于地下水開采量增加所致。隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展和人民生活水平的提高,對(duì)水資源的需求將會(huì)不斷增加,根據(jù)石河子市、瑪納斯縣及兵團(tuán)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃精神,到2000年研究區(qū)農(nóng)業(yè)及工業(yè)生活總需水量為2.84×108m3/a,年平均遞增率為1.56%;2010年需水量達(dá)到3.53×108m3/a,2001～2010年間年遞增率為2.17%;2020年需水量將達(dá)到4.18×108m3/a,2011～2020年間年遞增率為1.72%?？梢?2020年總需水量是現(xiàn)狀地下水開采量的1.59倍,已超過(guò)了本區(qū)地下水可開采資源量(3.97×108m3/a),這會(huì)使泉流量發(fā)生較大的變化。通過(guò)運(yùn)行模擬模型,在多年平均補(bǔ)給量的基礎(chǔ)上,研究開采量增加對(duì)泉流量和地下水狀態(tài)變化的影響。圖4給出了這種方案下的地下水主要均衡量和地下水動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)。由此看出:(1)隨著開采量的迅速增加,泉流量一直持續(xù)下降,到2020年泉流量將減小到0.66×108m3/a左右;(2)由于在垂向交替帶也適當(dāng)增加了開采量,使該區(qū)地下水位略有下降,蒸發(fā)量減少到1.70×108m3/a左右;(3)大量開采地下水,使水平徑流帶地下水位降幅較大,沖洪積扇頂部出山口處,地下水位累計(jì)下降達(dá)3.91m。溢出帶上游地下水位下降了2m,而溢出帶下游水位基本不變。垂向交替帶地下水位也有一定下降。由于垂向交替帶承壓含水層開采量由原來(lái)的0.52×108m3/a,逐漸增加到2020年的0.71×108m3/a,使局部承壓含水層水位有明顯下降。含水層儲(chǔ)存量累積減少了6.85×108m3/a,隨著開