黑河中游灌區(qū)水資源利用現(xiàn)狀與發(fā)展對(duì)策

黑河中游灌區(qū)水資源利用現(xiàn)狀與發(fā)展對(duì)策

黑河發(fā)源于黃連中部。在受構(gòu)造和地形條件的限制下，從南山到北平原，地表水和地下水之間形成了一個(gè)龐大而重復(fù)的轉(zhuǎn)化過(guò)程。在山間,地下水接受大氣降水(降雨、冰雪融水)的入滲補(bǔ)給,自山巔向山緣運(yùn)移,在流出山體以前,絕大多數(shù)都排入河道轉(zhuǎn)化為地表水。河流出山后,流入山前沖洪積扇,一部分被引入灌溉渠系和供水系統(tǒng),其余則沿河床下泄,并沿途滲入地下,補(bǔ)給地下水。被引灌的河水,除作物吸收蒸騰、渠系和田間蒸發(fā)外,相當(dāng)一部分也下滲補(bǔ)給了地下水。地下水沿著遠(yuǎn)比地面平緩的水面坡度向前運(yùn)動(dòng),至扇緣及細(xì)土平原復(fù)又呈泉水溢出地表而轉(zhuǎn)化為地表水,再向前或回歸河道,或再被引灌,重復(fù)地表水、地下水的轉(zhuǎn)化過(guò)程。如此反復(fù),至正義峽斷面全部出露為地表水,完成中游的兩水轉(zhuǎn)化。河水經(jīng)正義峽進(jìn)入下游盆地,在洪積扇帶再度滲漏而轉(zhuǎn)化為地下水,至額濟(jì)納湖水位淺埋區(qū)全部消耗于蒸發(fā)蒸騰,至此形成黑河完整的水循環(huán)過(guò)程。黑河流域不同地帶的河水與地下水之間有規(guī)律、大數(shù)量、反復(fù)的轉(zhuǎn)化過(guò)程,反映了其水循環(huán)系統(tǒng)的復(fù)雜性,也反映了地表水與地下水之間不可分割的內(nèi)在聯(lián)系。黑河中游地區(qū)以灌溉農(nóng)業(yè)為主,是水資源的主要利用區(qū),研究掌握其地表水、地下水轉(zhuǎn)化規(guī)律,是黑河水資源開發(fā)利用和保護(hù)的基礎(chǔ)。1不同需水情況下水資源合理配置模型黑河中游地表水、地下水轉(zhuǎn)化及水資源配置模型是個(gè)復(fù)雜的二元結(jié)構(gòu)模型系統(tǒng),目標(biāo)是針對(duì)黑河流域由河網(wǎng)、湖泊、水庫(kù)、沼澤等地表水和地下水構(gòu)成的復(fù)雜而完整的水循環(huán)系統(tǒng),研究影響水資源利用保護(hù)的主要因素,建立地表水、地下水聯(lián)合水資源配置的多目標(biāo)模型,在不同的工程條件下,對(duì)不同的需水方案進(jìn)行供需平衡分析,提出不同水平年的水資源合理配置方案。供需平衡模擬應(yīng)體現(xiàn)黑河中游地表水、地下水頻繁轉(zhuǎn)化的特點(diǎn),并能概化反映河道滲漏、泉水出溢、潛水蒸發(fā)、渠系入滲、田間入滲、人工開采等平衡要素。針對(duì)規(guī)劃水平年的水資源供需平衡,以滿足國(guó)務(wù)院審批的《黑河干流水量分配方案》為先決條件,分析中游各灌區(qū)不同時(shí)段、各類用水的缺水情況及其主要原因,提出不同需水情況下的水資源配置方案。模型系統(tǒng)主要包括中游灌區(qū)地下水均衡模型、地下水有限元計(jì)算模型、供需平衡及水資源配置模型等。其中地下水均衡模型用于不同水資源配置方案地下水的補(bǔ)給、排泄平衡計(jì)算;地下水有限元計(jì)算模型主要用于分析中游灌區(qū)地下水流場(chǎng)的變化規(guī)律;供需平衡及水資源配置模型用于灌區(qū)水資源供需分析及地表水、地下水聯(lián)合配置方案計(jì)算。單元地表水、地下水二元結(jié)構(gòu)模型概化見圖1。2地下水平衡模型2.1地下水補(bǔ)徑排的量之差評(píng)價(jià)地下水的方法很多,但均離不開“水量平衡”這一基本原理。在較大范圍的區(qū)域性平原區(qū)地下水資源評(píng)價(jià)中,由于水文地質(zhì)條件和影響因素復(fù)雜,因此多采用水量均衡法。對(duì)于某獨(dú)立的水文地質(zhì)單元來(lái)說(shuō),在補(bǔ)給量和排泄量不平衡的發(fā)展過(guò)E-mail:lfsghmlyw@163.com程中,任一時(shí)段的補(bǔ)給量和排泄量之差,等于其內(nèi)部水體的變化量?；痉匠虨椤捆蘁ΔΗΔΤ=(Q入-Q出)+(W補(bǔ)-W排)±μFΔHΔT=(Q入?Q出)+(W補(bǔ)?W排)式中:μ為區(qū)內(nèi)含水層的平均給水度;F為均衡區(qū)含水層的面積;ΔT為時(shí)段(或均衡期);ΔH為在ΔT時(shí)段內(nèi)水位的平均變幅;Q入、Q出分別為地下水側(cè)向流入、流出量;W補(bǔ)、W排分別為垂直補(bǔ)給量、排泄量。以灌區(qū)單元為計(jì)算分區(qū),進(jìn)行均衡區(qū)地下水補(bǔ)給項(xiàng)、排泄項(xiàng)的計(jì)算。建立數(shù)學(xué)模型:(q山前側(cè)入+q河+q側(cè)入+q降凝+q渠+q田+q回補(bǔ))-(q蒸+q側(cè)出+q泉+q開采)=Δw(q山前側(cè)入+q河+q側(cè)入+q降凝+q渠+q田+q回補(bǔ))?(q蒸+q側(cè)出+q泉+q開采)=Δw式中:q山前側(cè)入為山前側(cè)向入滲量;q河為河道入滲量;q側(cè)入為斷面?zhèn)认蛉肓髁?q降凝為降水及凝結(jié)水入滲量;q渠為渠系水入滲量;q田為田間水入滲量;q回補(bǔ)為工業(yè)、生活用水回補(bǔ)入滲量;q蒸為潛水蒸發(fā)及植物蒸騰量;q側(cè)出為斷面?zhèn)认虺隽髁?q泉為泉水出溢量;q開采為人工開采量;Δw為地下水均衡差。水量單位均為億m3。2.2計(jì)算平衡因素(1)不同地下水埋深對(duì)土壤含水量的影響q降凝受次降水量、地下水埋深、土壤性質(zhì)、雨強(qiáng)及前期土壤含水量的影響。采用公式q降凝=Fα計(jì)算。其中F為有效降雨入滲面積,按不同地下水埋深計(jì)算;α為降雨入滲系數(shù),與地下水埋深有關(guān),不同埋深采用不同系數(shù)。(2)不同地下水埋深的蒸發(fā)面積及比潛水蒸發(fā)蒸騰是指地下水通過(guò)毛細(xì)作用上升到地表面蒸發(fā)損失的水量,其大小與地下水埋深、土壤土質(zhì)結(jié)構(gòu)及植被情況有關(guān)。采用公式q蒸=Fαβ計(jì)算。其中:F為有效蒸發(fā)面積,按不同地下水埋深計(jì)算;α為蒸發(fā)系數(shù),與地下水埋深有關(guān),不同埋深采用不同系數(shù);β為裸區(qū)與灌區(qū)蒸發(fā)強(qiáng)度折算系數(shù)。(3)河流入滲量為q河一般情況下,按單元滲漏率或輸水量的百分?jǐn)?shù)計(jì)算。(4)地下水開發(fā)方式渠系水入滲指灌區(qū)引水在渠道輸水過(guò)程中,因渠系滲漏而入滲補(bǔ)給地下水。計(jì)算模型為q渠=q引(1-α)(1-β)q渠=q引(1?α)(1?β)式中:q引為灌區(qū)渠首引水量;α為渠系水利用系數(shù),包括干、支、斗渠綜合系數(shù);β為包氣帶消耗系數(shù)。(5)田間水利用系數(shù)q田的計(jì)算q田按下式計(jì)算:q田=q灌(1-α)(1-β)q田=q灌(1?α)(1?β)式中:q灌為進(jìn)入田間的供水量;α為田間水利用系數(shù);β為包氣帶消耗系數(shù)。(6)導(dǎo)水系數(shù)的t山前側(cè)滲補(bǔ)給、斷面?zhèn)热牒蛡?cè)出均按達(dá)西定律計(jì)算,即q側(cè)=ΤBΙsinαq側(cè)=TBIsinα式中:T為導(dǎo)水系數(shù);B為斷面寬度;I為水力坡度;α為地下水流向與斷面夾角,根據(jù)等水位線量算。(7)q泉出溢面積黑河流域泉水出溢主要分布在洪積扇緣的泉溝和黑河河道,對(duì)其按線、點(diǎn)狀量模擬非常困難,故模型開發(fā)中按面狀考慮。即:q泉=Fα。其中,F為泉水出溢面積,根據(jù)當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)部門調(diào)查資料確定泉水出溢區(qū),假定地下水埋深3m以內(nèi)均為泉水出溢面積;α為單位面積泉水出溢強(qiáng)度。(8)工業(yè)、生活用水入滲量計(jì)算人工開采量考慮開采能力和允許可開采量限制;工業(yè)、生活用水主要為人工開采地下水,按排水量回補(bǔ)入滲系數(shù)計(jì)算入滲量,與人工開采量綜合考慮。3地下水動(dòng)態(tài)變化規(guī)律黑河中游張掖盆地、酒泉東盆地積累了較豐富的水文地質(zhì)研究成果及地下水動(dòng)態(tài)變化觀測(cè)資料,可利用數(shù)值法對(duì)該區(qū)地下水補(bǔ)給、儲(chǔ)存、運(yùn)移和消耗進(jìn)行模擬,以掌握其動(dòng)態(tài)變化規(guī)律,為合理調(diào)配使用地表水、地下水提供依據(jù)。3.1地下水流入量分析模型區(qū)為張掖盆地及酒泉東盆地,面積近9000km2。模型區(qū)是只有側(cè)向入流沒(méi)有側(cè)向出流的山間斷陷水文地質(zhì)盆地,其間充填巨厚的第四系松散沉積物是地下水賦存的天然場(chǎng)所,構(gòu)成的含水層呈連續(xù)的、統(tǒng)一的、橫向?yàn)榕璧剡吔缢薜暮畮r系綜合體,周邊的山體為天然的地質(zhì)邊界。張掖盆地地下水流自東南向西北運(yùn)動(dòng),泄于黑河而流出區(qū)外;西部酒泉東盆地地下水由西南向東北運(yùn)動(dòng)。榆木山至高臺(tái)縣城一線為兩盆地天然匯水線。模型區(qū)地下水的主要補(bǔ)給來(lái)源是河水、渠系水、田間水的垂直入滲,而泉水溢出、蒸發(fā)和人工開采是主要排泄方式。模型區(qū)周邊皆為二類流量邊界。山區(qū)邊界沿山前大斷裂分布,流入量主要為基巖裂隙水側(cè)向流入和溝谷潛流。東部民樂(lè)、山丹斷面和西部民花區(qū)斷面為區(qū)外側(cè)向流入。南部新壩至紅崖子隱伏斷層使地下水流不連續(xù),以此作為該段邊界。3.2流潛水模型描述模型區(qū)南半部地下水為潛水、北半部存在承壓水,宜采用潛水—承壓水?dāng)?shù)學(xué)模型。鑒于黑河各灌區(qū)均有不同程度的地下水開采,特別是北部區(qū),已將潛水、承壓水連通,承壓水頭與潛水位基本一致,水位動(dòng)態(tài)具同步性和一致性,因此地下水?dāng)?shù)值模型概化為非均質(zhì)各向同性二維流潛水模型:{??x[k(h-b)?h?x]+??y[k(h-b)?h?y]+Wb-Wp=μ?h?th(x,y,0)=h0(x,y)k(h-b)?h?nΓ2=-q(x,y,t)???????????x[k(h?b)?h?x]+??y[k(h?b)?h?y]+Wb?Wp=μ?h?th(x,y,0)=h0(x,y)k(h?b)?h?nΓ2=?q(x,y,t)式中:h為含水層水位標(biāo)高,m;b為含水層底板標(biāo)高,m;k為含水層滲透系數(shù),m/d;μ為含水層給水度;Wb為各補(bǔ)給項(xiàng)強(qiáng)度之和,m3/(km2·d);Wp為各排泄項(xiàng)強(qiáng)度之和,m3/(km2·d);q為流量邊界單寬流量,m3/(m·d);Γ2為流量邊界代號(hào);n為邊界上的內(nèi)法線方向。3.3固定配置條件(1)節(jié)點(diǎn)及節(jié)點(diǎn)類型采用三角剖分法將模型計(jì)算區(qū)剖分為三角形單元,進(jìn)行單元編號(hào)和節(jié)點(diǎn)編號(hào),區(qū)分內(nèi)節(jié)點(diǎn)、邊界節(jié)點(diǎn),地下水長(zhǎng)觀井測(cè)點(diǎn)盡可能分布于節(jié)點(diǎn)上。模型區(qū)共剖分為1421個(gè)單元、799個(gè)節(jié)點(diǎn),其中內(nèi)節(jié)點(diǎn)624個(gè)、邊界節(jié)點(diǎn)175個(gè)。(2)模型區(qū)參數(shù)選取模型區(qū)涉及到的水文地質(zhì)參數(shù)主要為滲透系數(shù)k、給水度等。根據(jù)黑河水文地質(zhì)條件及前期研究成果進(jìn)行參數(shù)分區(qū),模型區(qū)參數(shù)取值范圍:k值為0.1~150m/d,μ值為0.1~0.35。為便于計(jì)算,參數(shù)分區(qū)邊界大體以灌區(qū)輪廓為基礎(chǔ),按不同埋深劃分為60個(gè)參數(shù)區(qū)。(3)初流場(chǎng)以1999年水位統(tǒng)測(cè)結(jié)果為基礎(chǔ),結(jié)合地下水動(dòng)態(tài)長(zhǎng)期觀測(cè)資料,繪制1月份等水位線圖為初始流場(chǎng)。(4)泉出溢面積及溢水率計(jì)算區(qū)地下水主要靠河水、渠系水、灌溉水、降水凝結(jié)水入滲及邊界流入補(bǔ)給。消耗于蒸騰蒸發(fā)、泉水溢出和人工開采。有關(guān)參數(shù)的選取主要依據(jù)多年來(lái)黑河有關(guān)研究報(bào)告和各縣水利部門研究成果,地下水補(bǔ)、排量由均衡計(jì)算求得。模型區(qū)屬區(qū)域性模擬計(jì)算區(qū),范圍巨大,區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá),干支渠密布,沿黑河干流引水口門眾多,單元剖分不宜過(guò)細(xì),因此將河水入滲、渠系水入滲、灌溉水入滲、降凝水入滲、蒸騰蒸發(fā)和人工開采量均處理為面狀量,按各灌區(qū)不同埋深均衡計(jì)算結(jié)果,以單位面狀量表示。泉水溢出帶均分布于細(xì)土帶水位埋深小于3.0m的區(qū)域,各泉溝及黑河河床地下水位必高于河床標(biāo)高。根據(jù)調(diào)查確定泉水溢出范圍,認(rèn)為地下水埋深小于3.0m的均為泉水溢出帶,將線、點(diǎn)狀量泉水處理成面狀量。由此根據(jù)各區(qū)地下水埋深計(jì)算泉水出溢面積,將泉水溢出量除以該面積,得到單位面積泉水溢出強(qiáng)度。依各時(shí)段地下水位的變化,計(jì)算不同時(shí)段泉水出溢面積的變化,進(jìn)而計(jì)算得出不同時(shí)段的泉水溢出量。模型區(qū)邊界為透水邊界或弱透水邊界,均給出單寬流量,全年一致,不再按時(shí)段劃分。4合理分配水資源量基于上述地下水均衡模型、地下水?dāng)?shù)值計(jì)算模型,以滿足黑河分水方案為基本約束,以灌區(qū)為單元,對(duì)地表水來(lái)水、泉水出溢、地下水開采量進(jìn)行聯(lián)合配置,分析各灌區(qū)的供需狀況、耗水狀況,對(duì)正義峽等重要控制斷面進(jìn)行水量平衡。(1)供需平衡w供=w地表+w開采w供-w需=w缺水(2)水面體積平衡q泉=αifiq入+q泉-w地表-q損=q出(3)地下水總量平衡w補(bǔ)=q山前側(cè)入+q河+q側(cè)入+q降雨+q渠+q田w排=q蒸+q側(cè)出+q泉+q開采w補(bǔ)-w排=Δw(4)消耗水平衡w入=q山前側(cè)入+q入+q側(cè)入+q降雨w出=q出+q側(cè)出+q蒸發(fā)w入-w出-Δw=w耗(5)地下水開采量、進(jìn)出量、消耗強(qiáng)度w開采≤wmax式中:w供為灌區(qū)總供水量;w地表為灌區(qū)地表水供水量;w開采為灌區(qū)地下水開采量;q泉為灌區(qū)泉水出溢量;q損為河段損失量;αi為泉水出溢強(qiáng)度;fi為泉水出溢面積;q入為灌區(qū)地表入境水量;q出為灌區(qū)地表出境水量;w補(bǔ)為灌區(qū)邊界地下水補(bǔ)給量;w排為灌區(qū)邊界地下水排泄量;w入、w出分別為灌區(qū)入境、出境水量;w耗為灌區(qū)凈耗水量;wmax為灌區(qū)地下水最大允許開采量;Δw為