石羊河流域地下水取水許可gis數(shù)據(jù)庫的建立與應(yīng)用

石羊河流域地下水取水許可gis數(shù)據(jù)庫的建立與應(yīng)用

由于石羊河流域水資源的總體管理和地下水資源的嚴(yán)重開采，環(huán)境生態(tài)惡化，流域協(xié)調(diào)管理和流域水資源優(yōu)化配置已成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)之一。盆地地下水資源的綜合管理，尤其是盆地地下水資源的綜合管理，已成為研究的重點(diǎn)之一。由于GIS具有高效的空間數(shù)據(jù)管理和靈活的綜合能力,目前在國內(nèi)外把GIS引入到地下水資源管理,特別是在地下水取水許可管理方面,已經(jīng)有許多比較成熟的研究案例。比如WRDMAP項(xiàng)目(中英合作水資源需求管理援助項(xiàng)目),該項(xiàng)目通過建立包括地下水觀測數(shù)據(jù)和各類社會(huì)、經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)的綜合數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),結(jié)合WEAP模型(水資源評(píng)估和規(guī)劃系統(tǒng)),展示流域地下水資源開發(fā)利用數(shù)據(jù)的空間分布格局,直觀地掌握不同開采方案條件下區(qū)域地下水的利用強(qiáng)度,并根據(jù)其不同的變化趨勢快速做出相應(yīng)決策,使本區(qū)域內(nèi)對(duì)地下水資源的綜合管理達(dá)到系統(tǒng)化和科學(xué)化。另外,目前在水文、水資源領(lǐng)域,建立流域生態(tài)-水文空間數(shù)據(jù)庫,開發(fā)基于GIS的流域水資源管理系統(tǒng)和分布式的地表、地下水模擬系統(tǒng),應(yīng)用這些系統(tǒng)以建立適合研究區(qū)的實(shí)際模型,模擬不同情景下的生態(tài)-水文過程,獲得流域管理的優(yōu)化模式,以指導(dǎo)流域管理和規(guī)劃也是目前研究的發(fā)展方向。利用流域內(nèi)的水文、水資源、氣象等相關(guān)數(shù)據(jù),借助GIS強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫和空間分析功能,通過對(duì)流域內(nèi)地下水資源現(xiàn)狀及開發(fā)利用強(qiáng)度中關(guān)鍵要素的空間分布格局進(jìn)行展示,用于分析和研究該流域在地下水資源管理中存在的問題,目的在于使水資源管理決策更為科學(xué)合理。1c地下水資源現(xiàn)狀石羊河流域發(fā)源于祁連山東麓,位于甘肅省河西走廊東部,烏稍嶺以西,祁連山北麓,在祁連山東段與巴丹吉林沙漠、滕格里沙漠南緣之間,流域總面積4.16萬km2,涉及甘肅省武威、金昌、張掖、白銀4市(圖1)。石羊河流域上游較大的支流從東到西分別為大靖河、古浪河、黃羊河、雜木河、金塔河、西營河、東大河和西大河等8條河流,產(chǎn)流總面積1.1萬km2,河流補(bǔ)給來源主要為山區(qū)大氣降水和高山冰雪融水。流域內(nèi)多年平均降水量為222mm,水資源總量為16.6億m3,其中地表水資源量為15.6億m3,地下水資源量為0.99億m3,現(xiàn)狀可利用水資源總量為17.6億m3(含景電二期和“引硫濟(jì)金”調(diào)水)。石羊河流域的地下水開采含水層主要為淺層地下水,地下水資源主要集中在流域中部走廊平原區(qū)的南北兩個(gè)盆地之間,地下水資源包括與地表水重復(fù)的地下水資源量和與地表水不重復(fù)的地下水資源量,與地表水不重復(fù)的地下水資源量,具體有降水、凝結(jié)水補(bǔ)給量和側(cè)向流入量,其中降水、凝結(jié)水補(bǔ)給量為0.43億m3,側(cè)向流入量0.56億m3,地下水資源總量為0.99億m3。2005年流域共有各類機(jī)井18647眼,地下水開采量為15.44億m3。可以說,整個(gè)流域在人均水資源量、人均地下水資源量、畝均水資源量上均低于全省平均值,屬于典型的資源型缺水地區(qū)。2資料編碼與分析應(yīng)用的原始數(shù)據(jù)主要包括水文、水資源、氣象數(shù)據(jù)以及含經(jīng)緯度和高程的流域地下水取水許可數(shù)據(jù)和觀測井?dāng)?shù)據(jù),還有社會(huì)、經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等。水文、水資源數(shù)據(jù)來源于甘肅省水文管理部門的39個(gè)雨量站以及14個(gè)水文站1980—2005年的整編資料,要素有流量、降水等要素。氣象數(shù)據(jù)來源于甘肅省氣象管理部門在石羊河流域的阿拉善右旗、山丹、民勤、門源、烏鞘嶺、武威、松山、景泰和永昌10個(gè)氣象站1961—2005年的氣溫、風(fēng)速、相對(duì)濕度和太陽輻射值等,其中民勤和烏鞘嶺為國家骨干站點(diǎn)。地下水取水許可數(shù)據(jù)來源于流域水資源管理部門,主要包括已完成GPS定位和屬性調(diào)查的一萬多條地下水取水許可數(shù)據(jù)。地下水觀測井?dāng)?shù)據(jù)來源于水文地質(zhì)、地礦部門在流域設(shè)立和觀測的1985—2001年的整編資料,共計(jì)18眼觀測井?dāng)?shù)據(jù),包含經(jīng)緯度和高程以及水位等要素。此外還有來源于政府部門發(fā)布的各類統(tǒng)計(jì)年鑒和流域管理機(jī)構(gòu)中全流域和分縣的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和WRDMAP項(xiàng)目在該流域案例示范研究區(qū)的基線調(diào)查數(shù)據(jù)。3地下水利用強(qiáng)度空間模型的分析3.1石羊河流域機(jī)井密度空間數(shù)據(jù)2005年,石羊河流域各類機(jī)井總數(shù)20173眼,其中有證機(jī)井18591眼,地下水許可總水量14.23億m3,其中:武威市共有機(jī)井16870眼,有證機(jī)井15288眼,許可水量9.87億m3;金昌市共有機(jī)井3303眼,有證機(jī)井3303眼,許可水量4.36億m3。據(jù)此,由以上數(shù)據(jù)生成石羊河流域各縣區(qū)機(jī)井密度空間分布圖(圖2),從中可以看出,整個(gè)流域許可的地下水機(jī)井密度有三個(gè)高值區(qū)存在。第一個(gè)高值區(qū)是民勤縣城周圍的部分灌區(qū),有西渠鎮(zhèn),東湖鎮(zhèn),泉山鎮(zhèn),東壩鎮(zhèn),并且密度面積最大,且有三個(gè)次一級(jí)的高值中心:以城關(guān)鎮(zhèn)為中心,由大壩鄉(xiāng)、三雷鄉(xiāng)、新河鄉(xiāng)和薛百鄉(xiāng)所構(gòu)成;由雙茨科鄉(xiāng)、大灘鄉(xiāng)和東壩鎮(zhèn)構(gòu)成的另一個(gè)高值中心;由收成鄉(xiāng)、東湖鎮(zhèn)和中渠鄉(xiāng)構(gòu)成的次一級(jí)高值中心。第二個(gè)高值區(qū)是金昌市東北的灌區(qū),中心位于金川區(qū)和民勤縣的交界地帶,以金川區(qū)的雙灣鎮(zhèn)、昌寧鄉(xiāng)和民勤的昌盛鄉(xiāng)所構(gòu)成。第三個(gè)高值中心以武威市涼州區(qū)為主,包括永昌縣的一部分,該區(qū)域有兩個(gè)次一級(jí)的高值中心:一是以涼州區(qū)城區(qū)及其北郊的中壩鄉(xiāng)、雙城鎮(zhèn)、大柳鄉(xiāng)、羊下壩鄉(xiāng)為中心的高值區(qū);二是位于涼州、民勤、永昌交界處的次一級(jí)高值中心,極值點(diǎn)出現(xiàn)在永昌縣的朱王堡鎮(zhèn)和水源鎮(zhèn)。3.2石羊河流域地下水開采量和經(jīng)濟(jì)效益分析在地下水機(jī)井資源方面,每萬人特別是每萬農(nóng)業(yè)人口所占有的機(jī)井以民勤縣最高,其次為金川區(qū),兩者每萬農(nóng)業(yè)人口機(jī)井?dāng)?shù)是其他縣區(qū)的5~10倍至多。每萬戶機(jī)井?dāng)?shù)以民勤縣最高,達(dá)到1265.86眼/萬戶,占有絕對(duì)優(yōu)勢。在單位耕地面積流域各縣區(qū)所擁有的機(jī)井?dāng)?shù)量上,以民勤縣(為14.743眼/萬hm2)和金川區(qū)(為15.253眼/萬hm2)最高,兩者占整個(gè)流域的50%,反映石羊河流域的中下游,特別是下游區(qū)域地下水開采不但在機(jī)井?dāng)?shù)量上以占有絕對(duì)優(yōu)勢,在開采量上也居高不下。流域機(jī)井資源情況統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表1。在地下水機(jī)井產(chǎn)生效益方面,雖然單位耕地面積所擁有的機(jī)井?dāng)?shù)量以金川區(qū)和民勤縣為高,但單位機(jī)井產(chǎn)值金川區(qū)和民勤縣卻最低,說明該地區(qū)屬于大面積農(nóng)業(yè)種植區(qū)域,由于灌溉用水定額普遍偏高,因此產(chǎn)生利用地下水灌溉而消耗量過大的現(xiàn)象。流域機(jī)井產(chǎn)生效益情況統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表2。在單位機(jī)井農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值方面,以涼州區(qū)為最高,其次為永昌縣、古浪縣和民勤縣,金川區(qū)最差,說明在石羊河流域以民勤為主的下游區(qū)域由于農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)不盡合理,缺少高產(chǎn)值的農(nóng)作物種植以及特色農(nóng)業(yè)的發(fā)展,因此雖然地下水開發(fā)強(qiáng)度較大,但利用地下水產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益卻不如中上游地區(qū)。3.3地下水開采量分布2005年,在人口224.87萬人和耕地面積39.42萬hm2的情況下,流域整體用水量達(dá)到27.92億m3,這其中的大部分用水來自于地下水。流域多年平均地下水可開采量為8.7億m3,而2005年實(shí)際開采量卻達(dá)到15.4億m3,超采量達(dá)到6.7億m3。按流域2005年當(dāng)年平均自產(chǎn)水資源總量和實(shí)際總用水量統(tǒng)計(jì)分析,水資源開發(fā)利用程度為153%,水資源消耗量大于水資源總量,在流域供水量構(gòu)成比例中,地下水供水占總供水量的45%,可見取用水完全依靠超采地下水來維持,因此成為地下水嚴(yán)重超采區(qū)。2005年流域各縣區(qū)人均年取水量對(duì)比數(shù)據(jù)見圖3所示。在流域單位面積年取水量空間分布圖上,取水量的大小存在明顯的空間分異,高值區(qū)主要出現(xiàn)在涼州區(qū)、永昌縣和民勤縣區(qū)的三個(gè)地帶,在金川區(qū)周圍其他地段也有一些小范圍的高值區(qū)存在,如圖4所示。根據(jù)流域1980—2005年的地下水年開采總量系列資料進(jìn)行分析得出,石羊河流域地下水不但嚴(yán)重超采,而且增幅也較強(qiáng),1980年開采量為6.8億m3,2005年開采量為15.4億m3,25a增加8.6億m3。石羊河流域各縣區(qū)地下水取水量多年統(tǒng)計(jì)值見圖5所示。在民勤盆地,2005年地下水開采量達(dá)到5.4億m3,超采近4.4億m3,在開采量較大的湖區(qū)、泉山、壩區(qū)等灌區(qū)開采量增幅較強(qiáng)且變化十分明顯。由于嚴(yán)重超采,已經(jīng)造成全縣范圍的土地沙化、植被退化和水質(zhì)惡化等生態(tài)環(huán)境的破壞,并產(chǎn)生降落漏斗等地質(zhì)環(huán)境問題,特別是在開采量較大的湖區(qū)、泉山、壩區(qū)等灌區(qū)變化十分明顯,使當(dāng)?shù)厮Y源已經(jīng)不能支撐該區(qū)域的經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。3.4地下水的水位變化趨勢因城市特定而發(fā)展自20世紀(jì)80年代后期開始,受全球氣溫升高的影響,石羊河流域降水量普遍出現(xiàn)減少趨勢,河流天然來水量持續(xù)處在枯水期,地表水資源量減少使地下水的補(bǔ)給量也相應(yīng)減少,可供開采的地下水資源量隨之減少,由此產(chǎn)生地下水水位持續(xù)下降而出現(xiàn)采補(bǔ)失衡。該流域整體地下水位埋深普遍下降5~10m,在武威市形成漏斗區(qū)面積為10km2,漏斗中心水位埋深達(dá)75m,永昌縣漏斗面積為15km2,中心水位埋深達(dá)57m。對(duì)石羊河流域地下水取水許可數(shù)據(jù)的機(jī)井深和水位進(jìn)行插值處理,生成流域井深趨勢面,用以表示石羊河流域地下水水位埋深(圖6)。從圖6中可以看出,石羊河流域的地下水機(jī)井水位存在很大的空間變異性,最深處出現(xiàn)在三個(gè)區(qū)域內(nèi):第一個(gè)是涼州區(qū)的武南鎮(zhèn)、東河鄉(xiāng)、吳家井鄉(xiāng)、黃花灘鄉(xiāng)、河?xùn)|鄉(xiāng)、永豐灘鄉(xiāng)、黃羊鎮(zhèn)一線;第二個(gè)是永昌縣的東寨鎮(zhèn)、六壩鄉(xiāng)、城關(guān)鎮(zhèn)一帶;第三個(gè)是金川區(qū)城區(qū)及雙灣鎮(zhèn)一帶;另外,還存在一線次一級(jí)的高埋深中心,由民勤的新河鄉(xiāng)、東壩鎮(zhèn)、三雷鄉(xiāng)、羊路鄉(xiāng)和夾河鄉(xiāng)所構(gòu)成,是整個(gè)流域的主要超采區(qū)。由于中下游地區(qū)地下水的大量超采導(dǎo)致地下水位不斷下降,從地域性分析,石羊河流域地下水的下降幅度和速率具有明顯的區(qū)域性和分帶特點(diǎn),在山前洪積扇上緣下降幅度較大,向北至泉水溢出帶逐漸減小,再向北至民勤盆地下降幅度又開始增大,局地形成降落漏斗。不同的區(qū)域其地下水水位相差較大,最大變幅在1.5~200m之間,在中下游,特別是在下游的民勤盆地地下水的水位最低。從圖7中可以看出,石羊河流域地下水位下降有4個(gè)高值中心:一是以金川區(qū)的雙灣鎮(zhèn)為中心,輻射達(dá)到民勤的昌寧和昌盛鄉(xiāng)和金川城區(qū),最高下降幅度達(dá)23m;二是以民勤東壩鎮(zhèn)為中心,輻射達(dá)新河、羊路鄉(xiāng)和雙茨科鄉(xiāng)及城關(guān)鎮(zhèn),最高下降幅度達(dá)15m;三是以涼州區(qū)的武南鎮(zhèn)為中心,輻射范圍達(dá)東河、六壩鄉(xiāng),最高下降幅度達(dá)12m;四是以民勤中渠鄉(xiāng)為中心,范圍達(dá)西渠鎮(zhèn),最高下降幅度達(dá)12m,其規(guī)律為在山前洪積扇上緣下降幅度較大,向北至泉水溢出帶逐漸減小,再向北至民勤盆地和金川區(qū)下降幅度又開始增大并局部形成降落漏斗。民勤縣位于石羊河流域的最下游,用水主要靠石羊河入境水量和盆地內(nèi)的地下水維系。但由于近年來,受自然環(huán)境演變和人為活動(dòng)的影響,進(jìn)入民勤的地表水量由20世紀(jì)50年代的5.9億m3減少到目前的不足1.0億m3,同時(shí)由于耕地面積擴(kuò)大等自身需水規(guī)模的需求,地下水井位及開采量大幅度增加。我們根據(jù)民勤盆地1984年至2000年的代表井點(diǎn)地下水觀測資料分析并得出其水位變化過程線就可以看出,自80年代開始該盆地地下水位呈逐年下降的趨勢(圖8)。從技術(shù)層面上分析,石羊河流域地下水位的持續(xù)下降主要有以下3個(gè)原因:一是該流域地下水位下降是持續(xù)超量開采地下水凈儲(chǔ)量所致。近20多年來,石羊河流域耕地面積不斷擴(kuò)大,1960—1980年耕地面積增加9.4%,1980—2000年增加3.8%,因此導(dǎo)致用水量的相應(yīng)增加,加上地表水資源的嚴(yán)重短缺,便過量開采地下水;二是在上游修建水庫、中游渠道高標(biāo)準(zhǔn)襯砌和渠網(wǎng)化、渠系水利用率的提高,使得地下水補(bǔ)給量相應(yīng)減少,其結(jié)果是導(dǎo)致了非回歸性的耗水量增大,參與水循環(huán)的水資源數(shù)量減少,從而引起區(qū)域性的地下水水位持續(xù)下降;三是由于石羊河流域是以農(nóng)業(yè)為主要發(fā)展模式的地區(qū),種植結(jié)構(gòu)還不盡合理,尤其缺少高產(chǎn)值和高效益的特色農(nóng)業(yè),加上農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)相對(duì)落后,計(jì)劃用水和節(jié)約用水的觀念不強(qiáng)以及措施不力等都會(huì)產(chǎn)生流域地下水資源的浪費(fèi)而導(dǎo)致地下水水位的持續(xù)下降。4按流域水量分配農(nóng)業(yè)方案造成流域目前這種地下水資源開發(fā)及利用的現(xiàn)狀,既是由流域資源型缺水所引起的,也是流域內(nèi)的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人類活動(dòng)的長期演變和積累的結(jié)果。針對(duì)流域當(dāng)前地下水資源管理中存在的問題,結(jié)合以上技術(shù)分析,應(yīng)采取下列措施逐步加強(qiáng)水資源的需求管理:一是在流域地下水機(jī)井密度的高值區(qū)內(nèi)(主要集中在民勤縣城周圍的部分灌區(qū),以及金昌市東北的部分灌區(qū)和武威市的涼州區(qū)一部分,如圖2所示),要嚴(yán)格根據(jù)流域水量分配方案,層層分解落實(shí)地下水允許開采量和削減量的指標(biāo),采取分步關(guān)閉機(jī)井、以電控制水和安裝IC卡計(jì)量控制等有效措施,有計(jì)劃地壓縮地下水開采量,首先達(dá)到地下水的采補(bǔ)平衡,進(jìn)而達(dá)到補(bǔ)大于采。二是在流域地下水取水量的高值區(qū)內(nèi)(以涼州區(qū)、永昌縣和民勤縣