新疆天山北麓水資源利用研究

新疆天山北麓水資源利用研究

從不斷補充和轉(zhuǎn)移地下水的角度來看，蓄水結(jié)構(gòu)是地質(zhì)體的組成，是排水和地下水排放的重要結(jié)論的蓄水系統(tǒng)。而地下水系統(tǒng)包含完整地水動力系統(tǒng)、水化學(xué)系統(tǒng)等,在時空上具有四維特征性質(zhì)的實體。因此,蓄水構(gòu)造可是一個完整地地下水系統(tǒng),也可是部分的。同時,山前平原與山體基巖的接觸關(guān)系,是研究水循環(huán)特征的基礎(chǔ)。前人總結(jié)西北干旱區(qū)該接觸關(guān)系分5種類型:基巖山體與平原區(qū)直接接觸;山前平原的第四系與基巖山體之間有第三系泥巖組成的背斜、向斜構(gòu)造;山前第三系泥巖沿山脈走向緊貼古老的基巖上;山前平原第四系與基巖山體直接接觸,但第四系下部有第三系隆起;山前平原第四系與基巖山體直接接觸,但被多排山前隆起分割成串珠狀的山間盆地。另外,山前平原基底變化又是決定蓄水構(gòu)造產(chǎn)狀與水循環(huán)特征的重要條件。西北干旱區(qū)山前平原基底變化主要分為臺階式斷陷、反向式掀斜、凹槽式沉降和隆起式起伏4種類型?；谝陨险J(rèn)識,結(jié)合區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造特征,對天山北麓蓄水構(gòu)造模式和水循環(huán)特征作以探討。1自然地理原因天山北麓山前傾斜平原區(qū)在烏魯木齊以西至烏蘇之間,有第三系前山構(gòu)造帶的存在,形成山前地帶兩排或三排背斜隆起與向斜坳陷彼此相間的構(gòu)造,稱為烏魯木齊山前坳陷(圖1)。由此阻擋了山區(qū)地表水和基巖裂隙水對山前平原的直接補給,而使向斜洼地的卵礫石層接受山區(qū)河流的滲漏補給,并向切穿前山帶的河谷中排泄,通過缺口的河流再次滲入山前傾斜平原。由此因構(gòu)造作用、地形地貌及水文地質(zhì)條件等諸因素控制作用,可將天山北麓蓄水構(gòu)造分為5種模式。1.1地下水開采量過此模式為夾有山間盆地的區(qū)域,如烏魯木齊河流域(圖2)。流域上下游連接成河流含水層系統(tǒng)。河流是山區(qū)基巖裂隙水的排泄通道,在出山前地下水大部分轉(zhuǎn)化為河水;河流出山后進入柴窩堡山間盆地,在山前洪積扇裙帶大量滲漏轉(zhuǎn)化為地下水,在南部受第三紀(jì)構(gòu)造帶影響,地下水位抬高,轉(zhuǎn)化為地表水;河水經(jīng)市區(qū)谷地再次進入山前傾斜平原,大量滲漏補給地下水,地下水以在溢出帶以泉水出露變?yōu)榈乇硭?而基底變化受斷裂影響,起伏較大。柴窩堡山間盆地和烏魯木齊北部傾斜平原之間由地表水與地下水轉(zhuǎn)化和地下徑流產(chǎn)生水力聯(lián)系。1.2安集海背斜、吐谷魯背斜和呼圖壁隱伏背斜三排構(gòu)造此模式指存在山前洼地又有隱伏構(gòu)造的區(qū)域,如呼圖壁河流域、瑪納斯河流域等,存在有安集海背斜、吐谷魯背斜和呼圖壁隱伏背斜三排構(gòu)造(圖3)?；资軜?gòu)造運動的影響,在縱向上起伏較大,在隆起升幅大的地段,潛水以沼澤或泉的形式溢出,且形成地下水位落差較大的“跌水”構(gòu)造。此時,以山區(qū)的地下潛流和河水的滲漏補給山前平原地下水。1.3地下水賦存區(qū)—隆起間歇式蓄水構(gòu)造在奎屯河流域,南山與準(zhǔn)噶爾盆地的沖洪積平原之間,被獨山子背斜隆起所分開,在南山與獨山子背斜的山前坳陷帶形成地下水賦存區(qū),聚集了來自山區(qū)的地下潛流和奎屯河水的滲入補給(圖4)。受背斜隆起影響,與下部山前沖積平原之間僅發(fā)生地表水水力聯(lián)系。1.4連續(xù)儲水結(jié)構(gòu)此類型指南山山體與盆地山前平原直接接觸,無構(gòu)造隆起阻隔(圖5)。山前為斷塊沉降帶,山區(qū)基巖裂隙水與河水滲漏直接補給平原區(qū)。1.5博爾塔拉河流域此類型受南北西3個方向山體地質(zhì)構(gòu)造控制,形成谷地式松散沉積物,如博爾塔拉河流域。通過南北兩側(cè)傾斜平原地下水入滲補給,相向徑流排泄于博爾塔拉河。且谷地受沙尕提斷陷盆地、昆德侖斷陷盆地等控制,造成基底凹陷和隆起,在河流不同地段大氣降水、地表水和地下水發(fā)生多次相互轉(zhuǎn)化。2地表徑流的轉(zhuǎn)化天山北麓存在山間開啟式洼地,導(dǎo)致蓄水構(gòu)造模式各異,由此大氣降水、地表水地下水相互轉(zhuǎn)化作用,主要包括3個循環(huán)過程:(1)山區(qū)大氣降水補給地表水、地下水。由于洼地出口的基底翹起,部分地下水溢出轉(zhuǎn)化成地表水,完成“三水”轉(zhuǎn)化的第一個循環(huán)過程。(2)出山口的地表水及部分地下水進入山前平原后,地表水通過河道、渠系再次入滲補給地下水,少量的大氣降水也補給地表水與地下水。至沖洪積扇邊緣時,由于沉積物顆粒變細(xì),使?jié)撍绯鲛D(zhuǎn)化成地表水或泉集河,完成了第二個循環(huán)過程。(3)地表水進入洼地或水庫,一部分下滲轉(zhuǎn)化為地下水,另一部分以蒸發(fā)、植物蒸騰的形式排向大氣圈,或以人工開采轉(zhuǎn)化為地表水,或以地下徑流的形式進入沙漠區(qū)或湖泊,完成第三個循環(huán)過程。由于天山北麓東西向構(gòu)造特征不同及南北向水資源歸宿的不同,水循環(huán)分為3種類型。2.1大氣降水、地表水山前無開啟式洼地以及沙漠邊緣無低地湖泊存在的地區(qū)或流程較短的河流,大氣降水或冰雪融水直接形成地表徑流或暴雨洪流形式補給地下水,缺失第一、第三次循環(huán)過程,呈現(xiàn)一次循環(huán)型,甚至部分地區(qū)只有入滲而無溢出(圖6),如古爾圖河。2.2湖泊干部地區(qū)山前有開啟式洼地以及無湖泊或沙漠邊緣湖泊干枯地區(qū)或無開啟式洼地但流程較長的河流,呈現(xiàn)2次水循環(huán)型,如瑪納斯河、巴音溝河、呼圖壁河以及四棵樹河等。2.3水循環(huán)過程及其變化山前有開啟式洼地以及沙漠邊緣有湖泊存在的區(qū)域,如奎屯河有三次完整地水循環(huán)過程(圖7)。值得指出的是,以上水循環(huán)過程指天然條件下,近40多年人類工程技術(shù)活動,溢出帶向北遷移2~8km甚至消失,水循環(huán)過程亦相應(yīng)變化。另外,同位素研究也證明了水循環(huán)類型的存在,并從水流交替深度和交替速率方面進一步驗證“三水”轉(zhuǎn)化的平面與剖面循環(huán)特征。3地下水分布特征天山北麓受地質(zhì)構(gòu)造、地貌等因素的控制作用,山前傾斜平原區(qū)地下水分布特征明顯。根據(jù)前述蓄水構(gòu)造模式和水循環(huán)特征研究,提出水資源開發(fā)利用3種方式。3.1氣調(diào)與保水作用在山前平原沖洪積扇地帶,存在單一結(jié)構(gòu)、巨厚含水層組成的天然地下水庫,由于其具有不占耕地、衛(wèi)生防護條件好以及減少無效蒸發(fā)等特點,世界各國推行并取得良好效果。評價地下水庫調(diào)蓄功能主要有4方面:(1)水源上,來自山區(qū)河道入滲、河谷潛流、山前暴雨洪流以及渠系、田間灌溉補給地下水,水流交替強烈,水量、水質(zhì)優(yōu)良。(2)庫容上,第四紀(jì)沉積了單一卵礫石為主的巨厚松散物,含水層厚度100~500m,甚至更厚,地下水儲存空間大。(3)調(diào)蓄工程上,結(jié)合地表水、地下水及大氣降水密切水力聯(lián)系的特點,利用含水層顆粒漸變等天然壩基的優(yōu)勢,通過水利工程或非工程措施進行年內(nèi)、年際和空間調(diào)節(jié),以解決春旱和夏洪問題。(4)調(diào)蓄效益評價上,基于干旱區(qū)水資源與生態(tài)環(huán)境保護可持續(xù)發(fā)展原則,評價地下水庫修建產(chǎn)生的經(jīng)濟、社會和生態(tài)功能。以烏魯木齊河流域烏拉泊洼地地下水庫調(diào)蓄研究為例,擬建西山應(yīng)急水源地運轉(zhuǎn)30年(1998~2028)對已建甘河子水源地影響見表1。由表1可知,在干河子水源地開采1500×104m3·a-1的狀態(tài)下,西山水源地再疊加開采484×104m3·a-1,726×104m3·a-1和968×104m3·a-1,泉水排泄量分別減少8.3%,10.6%和12.5%。而選用何種開采方案,取決于泉水對維持烏拉泊洼地水資源與生態(tài)環(huán)境的作用大小。由此既解決了烏魯木齊城市供水不足問題,又保證了生態(tài)環(huán)境需水,帶來的經(jīng)濟和環(huán)境效應(yīng)明顯可見。3.2山區(qū)水庫的蒸發(fā)作用山區(qū)降水和冰雪融水是西北水資源的搖籃,冰雪融水對地表徑流具有多年調(diào)節(jié)作用。為加大河川徑流調(diào)蓄能力,解決季節(jié)性缺水問題,山區(qū)水庫的無效蒸發(fā)和滲漏損失明顯小于平原水庫是其修建的前提。據(jù)有關(guān)水文站資料,高程越低,蒸發(fā)強度越大,天山北麓平原區(qū)水面蒸發(fā)是山區(qū)的2~3倍。通過山區(qū)水庫的調(diào)蓄作用,使區(qū)域總水資源量增加,為緩解干旱區(qū)水資源短缺提供一種有效途徑。3.3地表地下水流變學(xué)天山北麓山前傾斜平原區(qū)具有西北水資源分布的共性,即河川徑流量、山前側(cè)向補給及大氣降水的總量為山前平原區(qū)的水資源總量。從水資源轉(zhuǎn)化關(guān)系看,地表水、地下水同出一源,均來自山區(qū)的降水。從水循環(huán)角度看,存在數(shù)次轉(zhuǎn)化形式。以瑪納斯河為例,1956~1987年河川徑流與溢出帶泉流量關(guān)系如圖8。由圖8可知,二者變化趨勢以及水資源開發(fā)利用不同階段是相一致的。因此,地表水和地下水由聯(lián)合開發(fā)進入高效開發(fā)階段。同時,水資源開發(fā)利用規(guī)劃必須遵循系統(tǒng)科學(xué)原理,采用系統(tǒng)分析方法,以蓄水構(gòu)造模式和水循環(huán)類型等基礎(chǔ)依據(jù),以典型地區(qū)為示范工程,制定地表水與地下水統(tǒng)一規(guī)劃目標(biāo),充分發(fā)揮地表水、地下水和土壤水3種水庫的中長期和短期調(diào)節(jié)功能,彌補水資源時空分布的不均勻,提高水資源開發(fā)潛力,實現(xiàn)水資源的優(yōu)化配置與生態(tài)環(huán)境保護。4流域水資源總量及形成徑流的轉(zhuǎn)化受地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造控制,蓄水構(gòu)造模式不同,地下水與地表水相互轉(zhuǎn)化積極且多次重復(fù)