天山北麓面向生態(tài)的地下水資源優(yōu)化配置研究

尚海敏，王文科，段 磊，李倩睿，霍傳英

（1. 長(zhǎng)安大學(xué) 旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710054; 2.新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，烏魯木齊 830000）

天山北麓面向生態(tài)的地下水資源優(yōu)化配置研究

尚海敏1，王文科1，段 磊1，李倩睿1，霍傳英2

（1. 長(zhǎng)安大學(xué) 旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710054; 2.新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，烏魯木齊 830000）

為了實(shí)現(xiàn)地下水資源開(kāi)發(fā)與表生生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展，針對(duì)天山北麓水資源開(kāi)采現(xiàn)狀存在的問(wèn)題，應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)地下水資源進(jìn)行了優(yōu)化配置。結(jié)果表明：地下水可開(kāi)采量與水位埋深呈反相關(guān)關(guān)系，水位埋藏越淺，可開(kāi)采量越大，沿著山前戈壁—沖洪積扇—沖積平原—沙漠邊緣的格局，地下水分配比例依次為5%、19%、73%、3%，開(kāi)采閾值為24.1×108m3· a?1，較現(xiàn)狀年增加的開(kāi)采量主要來(lái)自?shī)Z取潛水的無(wú)效蒸發(fā)量。

地下水資源；優(yōu)化配置；數(shù)值模擬；天山北麓

西北干旱地區(qū)降水稀少、蒸發(fā)強(qiáng)烈，水資源時(shí)空分布不均，地下水對(duì)植被的生態(tài)用水起著中長(zhǎng)期的調(diào)節(jié)作用，脆弱的生態(tài)環(huán)境與地下水狀態(tài)密切相關(guān)（Evans and Thams，1981；張長(zhǎng)春等，2003；程?hào)|會(huì)等，2012）。近年來(lái)隨著地下水開(kāi)發(fā)伴隨的各種環(huán)境問(wèn)題的出現(xiàn)，關(guān)于地下水開(kāi)發(fā)與生態(tài)環(huán)境關(guān)系的研究逐漸受到人們的重視。從地下水不合理開(kāi)發(fā)引起的生態(tài)問(wèn)題（Stromberg et al，1996；Zhu et al，2007；Vasilache et al，2012），到地下水引起生態(tài)效應(yīng)的機(jī)理（金曉媚等，2007；Froend and Sommer，2010；Kopéc et al，2013），再到地下水資源評(píng)價(jià)（賈紹鳳等，2004；Mohammadi et al，2014）等研究日益深入，王文科等（2011，2013）針對(duì)旱區(qū)地下水資源評(píng)價(jià)可靠性與生態(tài)環(huán)境脆弱的問(wèn)題，首次提出了“地下水生態(tài)價(jià)值”的概念，建立了中國(guó)西北干旱半干旱地區(qū)地下水狀態(tài)與表生生態(tài)之間的閾值體系。這些研究由現(xiàn)象而及理論分析，凸顯了地下水位與表生生態(tài)密切的關(guān)系，但基于這一規(guī)律的地下水資源優(yōu)化配置，尤其對(duì)區(qū)域尺度而言，并不多見(jiàn)。本文以準(zhǔn)格爾盆地經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)地區(qū)即天山北麓為例，在野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)研究區(qū)地質(zhì)、水文地質(zhì)條件的分析建立了地下水流數(shù)值模型，針對(duì)天山北麓水資源開(kāi)采現(xiàn)狀存在的問(wèn)題，應(yīng)用經(jīng)識(shí)別與驗(yàn)證的數(shù)值模型對(duì)地下水資源進(jìn)行了優(yōu)化配置，研究結(jié)果為區(qū)域地下水資源合理開(kāi)發(fā)和管理規(guī)劃提供了科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

天山北麓位于準(zhǔn)噶爾盆地南緣，地理坐標(biāo)東經(jīng)83°50′ ～ 88°30′，北緯43°25′ ～ 45°20′，面積共約3.4×104km2。氣候?qū)儆诘湫偷母珊胆C半干旱型氣候，蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降雨量，平原區(qū)蒸發(fā)量約為降雨的12 ～ 13倍。河流皆為發(fā)源于天山的內(nèi)陸河流，主要有烏魯木齊河、呼圖壁河、瑪納斯河、奎屯河、古爾圖河等大小河流14條，最后歸宿于沙漠中的湖泊或消失于沙漠中。地形總體由南東向北西緩傾，跨越了山區(qū)—山前傾斜平原—沖、湖積平原—沙漠或湖泊等地貌單元，各個(gè)“河流–含水層”系統(tǒng)由于相似的沉積環(huán)境而具有類(lèi)似的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，含水層由南到北顆粒由粗變細(xì)，層數(shù)由一層變?yōu)槎鄬?，厚度由厚變薄，受“?zhǔn)噶爾南緣坳陷”（Li et al，1995）構(gòu)造的控制，地下水位埋深由大變小再變大。

圖1 研究區(qū)位置圖及水文地質(zhì)剖面圖Fig.1 Location map of the study area with a hydrogeologic prof le

2 研究方法

2.1 野外調(diào)查

為了調(diào)查研究區(qū)地下水位埋深與表生生態(tài)的關(guān)系，筆者所在課題組于2003年以來(lái)開(kāi)展了2次野外調(diào)查。通過(guò)對(duì)研究區(qū)沿著地下水流方向植被演替規(guī)律及植被樣方的調(diào)查，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)，分析了地下水位埋深對(duì)植被生長(zhǎng)狀態(tài)、土壤鹽分以及荒漠化程度的影響，最終得出地下水位適宜埋深。

2.2 地下水流模型

研究區(qū)地下水屬于第四系松散巖類(lèi)孔隙水，地下水含水系統(tǒng)由山前戈壁帶的單一含水巖組向細(xì)土平原區(qū)多層含水巖組過(guò)渡。單一含水巖組主要由卵礫石和砂礫石組成，而多層含水巖組是由粗砂、中細(xì)砂和粘性土重復(fù)疊置組成的。地下水流系統(tǒng)總體呈線性流動(dòng)狀態(tài)，在接受山區(qū)降水和融雪的補(bǔ)給后，以地表或地下徑流的形式匯入山前傾斜平原，期間經(jīng)過(guò)地表水與地下水的多次轉(zhuǎn)化，最后消亡于沙漠或注入尾閭湖。區(qū)內(nèi)地下水流的三維特征顯著，根據(jù)質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律（Bear，1972），其數(shù)學(xué)模型為：

式中，D為滲流域，H為地下水頭（m），K為滲透系數(shù)（m · d?1），Ss為貯水率（d?1），μ為給水度，W為垂向補(bǔ)排量強(qiáng)度之和（m3·d?1·m?2），H0為初始水頭（m），Γ1、Γj為第一及第二類(lèi)邊界，qj為單寬流量（m2·d?1·m?1），n為第二類(lèi)邊界法線方向，Qi為第i口井開(kāi)采量（m3· d?1），δi為第i口井的狄拉克函數(shù)。

采用有限差分方法對(duì)上述數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值離散，由于研究區(qū)內(nèi)2003年10月至2008年11月的水位觀測(cè)、開(kāi)采量等數(shù)據(jù)較為系統(tǒng)，因此選取這一時(shí)段，以區(qū)內(nèi)數(shù)十個(gè)地下水觀測(cè)孔的實(shí)測(cè)水位與末時(shí)刻統(tǒng)測(cè)流場(chǎng)作為擬合對(duì)象對(duì)模型進(jìn)行識(shí)別與驗(yàn)證。由初始粗略地按地貌、巖性、抽水試驗(yàn)等劃分各參數(shù)分區(qū)、各參數(shù)初值出發(fā)，經(jīng)過(guò)多次調(diào)試、優(yōu)選，最終獲得各觀測(cè)孔的模擬水頭值與實(shí)測(cè)水頭值達(dá)到最佳擬合，典型觀測(cè)孔及流場(chǎng)的水頭擬合曲線如圖2，可以看出模擬水頭與實(shí)測(cè)水頭的動(dòng)態(tài)趨勢(shì)基本一致，模擬得到的流場(chǎng)合理地反映了研究區(qū)地下水流動(dòng)的特征與規(guī)律，因此模型具有很高的仿真性，可以用來(lái)研究地下水資源的優(yōu)化配置。

圖2 典型觀測(cè)孔地下水位及流場(chǎng)擬合圖Fig.2 Fitting f gures of groundwater levels in typical observation wells and f ow f eld

3 結(jié)果與討論

3.1 地下水位適宜埋深

河流是水資源的傳輸通道，將山區(qū)形成的水資源帶到平原經(jīng)過(guò)與地下水多次轉(zhuǎn)化后，最后以少量的地表徑流匯集于尾閭湖或消失于沙漠，在這樣的水資源空間格局下，研究區(qū)從南到北組成一個(gè)典型的內(nèi)陸干旱山地–綠洲–荒漠生態(tài)系統(tǒng)?；哪脖豢肯∩俚慕邓靡跃S持，而綠洲是旱區(qū)的精華，須靠山區(qū)形成的徑流及其轉(zhuǎn)化的地下水的補(bǔ)給才能生存，良好的綠洲生態(tài)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的基本前提，其發(fā)育狀況與潛水埋深密切相關(guān)。根據(jù)野外調(diào)查，并結(jié)合前人研究成果（王文科等，2011；Wang et al，2013），在山前戈壁帶應(yīng)減少地表水引用量，增加河流滲漏量，這樣在涵養(yǎng)地下水的同時(shí)也減少河、渠的無(wú)效蒸發(fā)；在細(xì)土平原區(qū)地下水位埋深小于3 m時(shí)地表表層積鹽出現(xiàn)鹽漬化，6 ~ 8 m時(shí)大多數(shù)草本植物死亡，喬灌木出現(xiàn)枯萎現(xiàn)象，地表出現(xiàn)輕度沙化，大于8 m時(shí)喬灌木衰敗，地表干裂產(chǎn)生嚴(yán)重沙化，從地下水位引起的表生生態(tài)效應(yīng)來(lái)看，適宜生態(tài)的地下水位埋深閾值為3 ~ 6 m。

3.2 地下水開(kāi)采現(xiàn)狀評(píng)價(jià)

在現(xiàn)狀水資源開(kāi)發(fā)方式下，不同地貌單元地下水位從2003年到2008年變化趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)于圖3a?？梢钥闯?，與2003年相比，山前戈壁帶由于人工渠道大量引水和提高渠系利用率，造成天然河道輸水不足，河流滲漏量減少，地下水補(bǔ)給不足，水位呈下降的狀態(tài)，水位降幅1 ~ 9 m；細(xì)土平原區(qū)由于大量引用地表水灌溉農(nóng)田，地下水開(kāi)采不足，水位總體呈上升態(tài)勢(shì)，上升幅度0.3 ~ 3.1 m；沙漠邊緣由于上游大量引用地表水造成下游供水不足，過(guò)度開(kāi)采地下水引起地下水位呈下降狀態(tài)，降幅0.1 ~ 1.1 m。

圖3 現(xiàn)狀開(kāi)采下2003至2008年的水位變幅及埋深面積統(tǒng)計(jì)Fig.3 Statistic about water-level amplitude and water-depth area from 2003 to 2008 under current exploitation

上述變化在地下水位埋深面積統(tǒng)計(jì)圖上反映更為直觀：2008年，適宜草本植物及喬灌正常生長(zhǎng)的水位埋深面積占總面積的11.9%，比2003年減少3.1%，主要分布在溢出帶、129團(tuán)場(chǎng)和蔡家湖等地；易誘發(fā)土壤鹽漬化的水位埋深面積占總面積的17.9%，比2003年增加1.1%，主要分布在灌區(qū)及水庫(kù)附近；易引起輕度沙化的水位埋深面積占總面積的13.6%，比2003年增加1.1%；易發(fā)生土地嚴(yán)重沙化的水位埋深面積占總面積的46.7%，比2003年增加1.4%，主要分布在戈壁帶及沙漠邊緣。

通過(guò)2003年與2008年地下水均衡對(duì)比（表1）可以看出：2008年地下水開(kāi)采量為21.8 × 108m3·a?1，比2004年增加了9.6%，增加量來(lái)自于沙漠邊緣的地下水開(kāi)采；蒸發(fā)量為9.7 × 108m3·a?1，比2004增加了22.1%，這是由細(xì)土平原區(qū)地下水位上升，水位埋深低于極限蒸發(fā)深度引起的。上述分析表明，現(xiàn)狀水資源開(kāi)發(fā)方式是不合理性的，不僅易誘發(fā)表生生態(tài)負(fù)效應(yīng)，還導(dǎo)致了水資源浪費(fèi)和地下水質(zhì)惡化。

綜上可知，確定合理的地下水位對(duì)于研究區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)至關(guān)重要，而地下水位的高低直接受控于地下水資源的開(kāi)采布局，為了實(shí)現(xiàn)水資源開(kāi)發(fā)與生態(tài)系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展，必須對(duì)地下水資源開(kāi)發(fā)進(jìn)行優(yōu)化配置。

表1 現(xiàn)狀開(kāi)采下2003年與2008地下水均衡對(duì)比 （單位：104m3·a?1）Table 1 Groundwater-balance comparison between 2003 and 2008 under current exploitation

3.3 水資源的優(yōu)化配置

地下水優(yōu)化配置原則是，應(yīng)使山前戈壁帶地下水位有所恢復(fù)；將細(xì)土平原區(qū)地下水盡量控制在適宜埋深范圍內(nèi)，以最大程度上奪取無(wú)效蒸發(fā)量，防止土地鹽漬化；與此同時(shí)，使沙漠邊緣的地下水位在現(xiàn)狀基礎(chǔ)上有所恢復(fù)，以在一定程度上抑制荒漠化進(jìn)程。

在上述經(jīng)過(guò)識(shí)別與驗(yàn)證的模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)整地下水資源開(kāi)采布局，得到的水資源優(yōu)化分配結(jié)果見(jiàn)圖4。從圖4可以看出：為滿足地下水位最優(yōu)狀態(tài)，各地下水位埋深區(qū)地下水開(kāi)采量與地下水位埋深呈反相關(guān)關(guān)系，地下水位埋藏越淺，地下水開(kāi)采量越大。在沖積平原上游，水位埋深小于1 m區(qū)，地下水可開(kāi)采模數(shù)為0.16 ～ 0.2 m3· m?2· a?1；埋深1 ～ 3 m區(qū)，地下水可開(kāi)采模數(shù)為0.12 ～ 0.16 m3· m?2· a?1。在沖積平原下游，埋深3 ～5 m區(qū)，地下水可開(kāi)采模數(shù)為0.04 ～ 0.08 m3· m?2· a?1；水位埋深5 ～ 8 m區(qū)，地下水可開(kāi)采模數(shù)為0.02 ～ 0.04 m3· m?2· a?1。在沖洪積扇中前緣，地下水可開(kāi)采模數(shù)為0.08 ～ 0.12 m3· m?2· a?1。而在山前戈壁和沙漠邊緣，地下水可開(kāi)采模數(shù)＜ 0.02 m3· m?2· a?1。通過(guò)模擬優(yōu)化，研究區(qū)地下水開(kāi)采閾值為24.1 × 108m3· a?1，較現(xiàn)狀年增加了2.3 × 108m3· a?1，沿著山前戈壁—沖洪積扇—沖積平原上游、沖積平原下游—沙漠邊緣的格局，地下水分配比例依次為5%、19%、73%、3%。

表2為水資源優(yōu)化配置后研究區(qū)地下水在2020年的均衡模擬情況，可以看出地下水開(kāi)采量比2008年增加了2.3 × 108m3·a?1，潛水蒸發(fā)量較2008年減少了1.9 × 108m3·a?1，增加的開(kāi)采量主要來(lái)自于奪取潛水的無(wú)效蒸發(fā)量。

圖4 面向生態(tài)的地下水開(kāi)采模數(shù)分布圖Fig.4 Groundwater-exploitation modulus for supergene ecology in study area

表2 水資源優(yōu)化配置后2020年地下水均衡表 （單位：104m3·a?1）Table 2 Groundwater balance in 2020 under optimized exploitation

4 結(jié)論

（1）天山北麓現(xiàn)狀水資源開(kāi)發(fā)方式存在明顯的不合理性，容易誘發(fā)表生生態(tài)負(fù)效應(yīng)、水資源浪費(fèi)和水質(zhì)惡化等問(wèn)題。

（2）通過(guò)模擬優(yōu)化，研究區(qū)面向生態(tài)的地下水開(kāi)采閾值為24.1 × 108m3·a?1，地下水位埋藏越淺，地下水的開(kāi)采量越大，沿著山前戈壁—沖洪積扇—沖積平原上游、沖擊平原下游—沙漠邊緣的格局，地下水分配比例依次為5%、19%、73%、3%，較現(xiàn)狀年增加的開(kāi)采量主要來(lái)自?shī)Z取潛水的無(wú)效蒸發(fā)量。

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The optimized allocation of groundwater resources for supergene ecology in the northern foot of Tianshan Mountain

SHANG Hai-min1, WANG Wen-ke1, DUAN Lei1, LI Qian-rui1, HUO Chuan-ying2
(1. Key Laboratory of Subsurface Hydrology and Ecology in Arid Areas, Chang'an University, Ministry of Education, Xi'an 710054, China; 2. Institute of Geological Environment Monitoring, Xinjiang Uygur Autonomous Region, Urumqi 830000, China)

To coordinate development between groundwater-resource exploitation and supergene ecology, optimized allocation of groundwater resources was analyzed by numerical simulation for ecological problems induced by current water-resource exploitation. The results indicated that, groundwater sustainable yield was inversely correlated with groundwater depth. The shallower the groundwater depth, the larger the groundwater sustainable yield. The proportion of groundwater exploitation was 5%, 19%, 73% and 3% respectively from piedmont zone to alluvial-proluvial fan, to alluvial plain, to desert edge, the threshold value of groundwater exploitation was 24.1×108m3· a?1. The increased amount of groundwater exploitation was mainly from the reduced evaporation.

groundwater resources; optimized allocation; numerical simulation; northern foot of Tianshan Mountain

P641.8

：A

：1674-9901(2014)03-0221-06

10.7515/JEE201403006

2014-05-15

國(guó)土資源部公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)（200911004）

王文科，E-mail: wenkew@chd.edu.cn