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張掖盆地的水資源調(diào)控條件
6. 1. 1 山前戈壁帶的地下水動態(tài)特征及水資源調(diào)節(jié)能力分析
以 65 號長期監(jiān)測孔為例進行分析。65 號孔位于民樂縣祁連山前海潮壩河灌區(qū)和洪水河灌區(qū)之間,屬海潮壩河和洪水河的洪積扇頂部大厚度潛水含水層分布區(qū),孔深 300. 10m,初始地下水位埋深 218. 03m,1985 年 11 月成井??傮w來看 ( 圖 6. 1) ,65 號孔地下水位多年來呈持續(xù)下降狀態(tài),但持續(xù)下降過程中仍存在 1990 年、1994 年、1997 年和 1999 年的相對上升階段,其中 1990 年最為明顯。為進一步研究 65 號孔的地下水位動態(tài)變化特征,首先對地下水的補給影響因素做一簡要分析。
圖 6. 1 民樂縣祁連山前戈壁帶 65 號孔潛水位動態(tài)
其一,根據(jù) 65 號孔所處位置,可以肯定其地下水位的變化主要受兩方面因素的控制,一是渠系滲漏和灌溉回歸補給,二是天然河道滲漏補給。
其二,由于海潮壩河和洪水河的出山口徑流監(jiān)測資料很不完整 ( 海潮壩河沒有監(jiān)測資料,洪水河只有短期監(jiān)測資料) ,將僅有的洪水河短期監(jiān)測資料和西側(cè)相鄰的大堵麻河徑流監(jiān)測資料與黑河干流鶯落峽的完整徑流資料進行對比 ( 圖 6. 2,圖 6. 3) ,可以看出,三者之間的逐年和逐月徑流量具有十分相似的變化規(guī)律。因此,可以根據(jù)鶯落峽徑流動態(tài)變化分析海潮壩河和洪水河沖洪積扇地下水的補給特征。
圖 6. 2 民樂縣祁連山前小型河流年徑流量與黑河干流鶯落峽年徑流量比較
圖 6. 3 1989 年黑河干流鶯落峽與大堵麻河出山口逐月徑流量比較
基于上述兩點,就可以很好地解釋 65 號孔地下水位動態(tài)變化的原因。
除個別豐水年外,3~11 月份,海潮壩河和洪水河出山地表徑流全部引入灌區(qū),渠系滲漏和灌溉回歸成為戈壁帶地下水主要的甚至唯一的補給來源; 12~2 月份,出山口地表徑流量非常小,即使排入天然河道,對地下水的補給量也十分有限。因此,現(xiàn)狀地下水補給量較天然條件下的河道滲漏補給量明顯減少,65 號孔地下水位呈持續(xù)下降狀態(tài)。
1989 年、1993 年、1996 年和 1998 年,黑河干流鶯落峽年徑流量分別為 23. 07×108m3、18. 06×108m3、18. 09×108m3和 21. 59×108m3,1989 年和 1998 年為保證率低于 5%的特大豐水年,1993 年和1996 年為保證率 15%左右的豐水年??梢哉J為,海潮壩河和洪水河在這 4 年也是豐水年,超過渠系引水能力的汛期洪水排入天然河道,滲漏補給地下水,是地下水位相對上升的原因。6~9 月份是上述豐水年汛期洪水在天然河道滲漏補給地下水的可能階段,65 號孔地下水位分別在第二年的 4 月( 1990 年) 、10 月 ( 1994 年) 、8 月 ( 1997 年) 和 3 月 ( 1999 年) 達到相對最高時期,較天然河道滲漏補給分別滯后 ( 以 9 月份計) 7 個月、13 個月、11 個月和 6 個月。滯后期與補給量成反比的特點說明,單位時間滲漏量越大,補給速度越快,地下水接受的有效補給越多。
上述地下水動態(tài)變化很好地說明了戈壁帶的水資源調(diào)控能力。在平面位置上,65 號孔位于海潮壩河和洪水河天然河道之間,到兩河的距離在 3km 之內(nèi)。65 號孔地下水位的變化滯后補給期6 ~ 12個月,代表了地表水轉(zhuǎn)化為地下水的時間。進一步分析圖 6. 1 中 65 號孔 1989 ~ 1991 年的地下水位動態(tài)變化,可以看出,地下水位達到相對最高后,可以在 1 年多 ( 14 個月) 的時間內(nèi)保持高于前期的地下水位。因此,戈壁帶內(nèi),汛期洪水 ( 特大豐水年) 通過天然河道滲漏補給地下水后,可以在 1 年半以上的時間內(nèi)緩慢釋放,這就說明戈壁帶大厚度含水層具有非常好的調(diào)控能力。
6. 1. 2 張掖盆地含水層系統(tǒng)的水資源調(diào)節(jié)能力分析
為說明張掖盆地含水層系統(tǒng)的水資源調(diào)控能力,對黑河干流鶯落峽年徑流量與整個盆地地下水溢出量進行對比分析,如圖 6. 4。其中,地下水溢出量的多年系列數(shù)據(jù)是在少數(shù)年份實測結(jié)果( 1966 年、1967 年、1984 年和 1986 年) 和典型泉水 ( 泉 6) 長期監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,利用均衡法推算得到的 ( 詳見第 4 章) 。從圖 6. 4 可以看出,鶯落峽年徑流量具有很好的長周期變化特征,豐枯周期在 12~15 年之間。張掖盆地地下水溢出量的動態(tài)變化可以分為兩個階段: 1978 年以前,呈現(xiàn)出長周期的、較平緩的動態(tài)變化特征,周期長度與鶯落峽年徑流量豐枯周期長度基本相同,但豐枯變化正好與鶯落峽年徑流量變化相反; 1978 年以后,雖然具有短周期的豐枯變化,但總體上呈持續(xù)衰減狀態(tài)。
圖 6. 4 黑河干流徑流量與地下水溢出量關(guān)系
新中國建立以來,張掖盆地修建了大量引水渠系,但 1978 年以前沒有對渠系進行防滲處理,因此,即使通過人工渠系把大量河水引入灌區(qū),對地下水的補給并沒有減少。也就是說,1950~1978 年,張掖盆地的地下水補給由原來的天然河道入滲補給為主,變?yōu)楹拥篮腿斯で倒餐a給為主,補給總量沒有減少 ( 反而有可能增加,因為增加了地下水補給途徑) ,因此地下水溢出量呈相對穩(wěn)定的周期變化,且這種周期變化與地表水的豐枯周期變化正好相反,互為補充。1978 年以后,隨著主要干渠的改建與防滲處理,地下水的渠系入滲補給量大幅度減少,成為地下水溢出量衰減的主要原因之一。
因此,1956~1978 年地下水溢出量的變化規(guī)律基本反映了張掖盆地含水層系統(tǒng)強大的水資源調(diào)節(jié)能力。即在地表水的豐水期,地下水得到較多補給,存儲在大厚度含水層系統(tǒng)中,緩慢釋放( 溢出) ,其對溢出量的影響達 10 年以上。通過含水層系統(tǒng)的調(diào)節(jié),在地表水的枯水周期內(nèi),仍保持較高的地下水溢出量,可利用的水資源總量在時間上更趨穩(wěn)定。
6. 1. 3 戈壁帶地下水人工補給條件分析
下面主要從水源條件、工程措施條件和地下儲存空間條件等對戈壁帶地下水人工補給條件進行分析。
6. 1. 3. 1 水源條件
表6. 1 列出了1981 年以來鶯落峽來水量與正義峽下泄量。如果以國務(wù)院1997 年批準的分水方案為參考標準,則 20 世紀 80 年代初期 ( 包括以前) 還處于比較理想的狀況; 1985~2000 年,僅在豐水年和個別平水年達到分水要求; 2001 年以后,由于采取了一些強制性措施,也達到或超過了分水要求。
表 6. 1 黑河干流鶯落峽來水量與正義峽下泄水量對比 單位: 108m3
注: 2003 年數(shù)據(jù)來源于黑河網(wǎng)//xintu. yrcc. gov. cn。
前面的分析中已經(jīng)表明 ( 圖 4. 11) ,1981 年以來,黑河干流經(jīng)過的張掖、臨澤、高臺三縣市的地表水引用量并沒有增加,反而有所減少,造成正義峽下泄量減少的直接原因是張掖盆地地下水溢出量的持續(xù)減少。另外,洪水季節(jié),天然河道徑流量大大超過其滲漏能力。因此,適度截取豐水年份的汛期洪水,儲存在地下含水層系統(tǒng)中,增加平、枯水年份的地下水溢出量,是現(xiàn)狀水資源利用水平下,保證正義峽下泄水量目標的重要調(diào)控手段。在豐水年份截取的汛期洪水并沒有消耗在張掖盆地,而是儲存在張掖盆地,通過含水層系統(tǒng)的調(diào)節(jié),增加平、枯水年份的地下水溢出量,進而增加正義峽下泄量,為達到分水目標提供保證。另外,截取汛期洪水的重要意義還在于襲奪地表水的無效蒸發(fā),增加全流域可利用的水資源量,因為這部分洪水進入下游額濟納平原后,其效用主要是增加居延海的入湖水量,然后消耗于水面蒸發(fā)。
圖 6. 5 鶯落峽來水量與草灘莊以上引水量逐月變化特征
為確定在何種豐水年份可以合理截取汛期洪水進行地下水人工補給,圖 6. 5 給出了黑河干流鶯落峽代表性年份 ( 不同保證率水平) 逐月徑流量 ( 來水量) 變化特征??梢钥闯?,鶯落峽來水量的豐枯水平主要取決于 7 月、8 月份的徑流量。根據(jù) 2001~2003 年鶯落峽來水量和正義峽下泄量的實際情況,在現(xiàn)狀水資源利用水平下,鶯落峽來水量保證率水平低于 25%的豐水年份,正義峽下泄量是較為有保證的。因此,初步確定,鶯落峽來水量保證率在 25%以下的豐水年份,可以在 7月、8 月份截取一定量的洪水,用于張掖盆地地下水人工補給。具體操作過程中,由于難以準確預(yù)測鶯落峽 7 月、8 月份的來水量,因此,以長期監(jiān)測結(jié)果為依據(jù),以 25%保證率水平年的 7 月、8 月份流量平均值 ( 125m3/ s) 為基準,當(dāng)鶯落峽來水量超過 125m3/ s 時,就可以利用多出部分進行地下水人工補給。另外,在確定可供用于地下水人工補給的洪水徑流量時,沒有考慮廢棄平原水庫后可能增加的正義峽下泄量。因此,在豐水年份,進行地下水人工補給是有水源保證的。
6. 1. 3. 2 工程措施條件
在衛(wèi)星遙感圖像 ( 圖 6. 6) 上可以看出,在黑河干流草灘莊引水樞紐的河道西側(cè),為大片戈壁荒漠區(qū),南北長約 20km,東西寬約 10km,面積約 200km2。通過實地調(diào)查,該地區(qū)地表以卵礫石堆積為主,地形相對較平緩,可以很方便地從草灘莊引水樞紐和西總干渠等引水至該地區(qū),是理想的地下水人工補給場所。具體方案為: 以現(xiàn)有引水渠系為基礎(chǔ),修建多條簡易滲水渠道,渠首位于草灘莊引水樞紐和引水干渠,渠的末端為黑河干流主河道; 在滿足沖沙要求的前提下,盡量使?jié)B水渠道保持較平緩的坡度 ( 如沿等高線走向) ,增加流程,使洪水充分地入滲補給地下水,剩余的水回歸天然河道。
圖 6. 6 黑河干流地下水人工補給區(qū)示意圖
6. 1. 3. 3 入滲與儲存條件
在西北干旱區(qū)戈壁帶,如果引水渠系不做防滲處理,其利用系數(shù)只有 0. 3 左右,即 70%左右的引水量將損耗于滲漏補給地下水、包氣帶和水面蒸發(fā),其中前者占總損耗量的 80%以上。因此,人工滲水渠道可以將 50%以上的引水量補給地下水,其余大部分回歸天然河道,小部分消耗于包氣帶和水面蒸發(fā)。
第 4 章的計算結(jié)果表明,僅 20 世紀 90 年代,張掖盆地地下水儲存量的消耗量就達到 20×108m3以上 ( 表 4. 31) 。因此,有足夠的含水層空間用于存儲人工補給的地下水。
6. 1. 4 襲奪地下水無效蒸發(fā)的潛力分析
襲奪地下水淺埋帶的無效蒸發(fā)是干旱區(qū)增加可利用水資源量的重要途徑,但需要處理好與生態(tài)保護的關(guān)系。均衡計算結(jié)果表明,張掖盆地水位埋深小于 10m 的淺埋帶地下水蒸發(fā)量為 1. 95×108m3/ a ( 見表 2. 27) 。除局部地區(qū)外,張掖盆地大部分天然綠洲已逐漸改造為人工綠洲,只要保持適當(dāng)?shù)牡叵滤唬筒粫ι鷳B(tài)環(huán)境造成明顯影響。因此,襲奪地下水淺埋帶的無效蒸發(fā)量具有較大潛力。
為進一步論證襲奪淺埋帶地下水無效蒸發(fā)的能力,利用地下水?dāng)?shù)值模型 ( 見第 8 章) ,模擬了增加地下水開采對溢出量、蒸發(fā)量和儲存量的消耗量的影響。結(jié)果表明 ( 表 6. 2) ,在現(xiàn)狀地下水補給量不變的情況下,維持目前地下水開采布局,每增加 1×108m3的開采量,僅可奪取淺埋帶地下水蒸發(fā)量 0. 21×108m3,其余靠消耗地下水儲存量和減少地下水溢出量補償。因此,不改變現(xiàn)狀地下水開采布局,僅增加開采量,難以取得襲奪無效蒸發(fā)量的理想效果。
表 6. 2 現(xiàn)狀補給量條件下不同開采量的數(shù)值模擬成果表 單位: 108m3/ a
由于大量關(guān)閉現(xiàn)有地下水開采井是不現(xiàn)實的,因此,為有效襲奪地下水無效蒸發(fā),需要在現(xiàn)狀地下水開采布局的基礎(chǔ)上,增加淺埋帶地下水開采量。如何達到這一目的,主要應(yīng)考慮兩方面的問題。一是地下水淺埋帶為多層含水層結(jié)構(gòu),需要確定合理的開采層位; 二是在確定開采層位的基礎(chǔ)上,設(shè)計合理的開采布局。下面對確定合理的開采層位進行分析。
圖 6. 7 是淺埋帶同一位置不同深度監(jiān)測孔地下水位 ( 頭) 動態(tài)變化曲線 ( 監(jiān)測孔信息見表6. 3) 。可以看出,不同位置潛水與承壓水之間的關(guān)系呈三種類型:
一是潛水與承壓水之間存在一定的水頭差,且年際和季節(jié)動態(tài)變化均不一致 [圖 6. 7 中 ( a)( b) ( c) ]。潛水位多年來呈相對穩(wěn)定狀態(tài),季節(jié)動態(tài)變化明顯受灌溉影響; 而承壓水水頭多年來呈持續(xù)下降趨勢,季節(jié)變化與開采密切相關(guān)。這說明,潛水與 ( 淺層) 承壓水之間的水力聯(lián)系較弱。
二是潛水與承壓水的年際與季節(jié)變化基本一致,潛水與淺層承壓水的水頭接近,但與深層承壓水存在一定的水頭 ( 位) 差 [圖 6. 7 中 ( d) ( e) ]。這說明,潛水與淺層承壓水之間的水力聯(lián)系較強,兩層承壓水之間的聯(lián)系較弱。
三是潛水與淺層承壓水的水位 ( 頭) 相同,且動態(tài)變化完全一致 [圖 6. 7 中 ( g) ( h) ]) ,說明二者之間有很強的水力聯(lián)系。對圖 6. 7 ( e) ,雖然潛水與承壓水的季節(jié)動態(tài)變化不一致,但總體下降的趨勢是一致的; 仔細分析可看出,受開采影響,承壓水季節(jié)下降幅度較大,潛水向下滲漏補給承壓水,因此年內(nèi)潛水的最低水位期滯后于承壓水,到高水位期潛水與承壓水的動態(tài)變化趨于一致。圖 6. 7 ( e) 表現(xiàn)出的特點也說明潛水與承壓水之間存在很好的水力聯(lián)系。
上述潛水與 ( 淺層) 承壓水的關(guān)系說明,為有效襲奪地下水無效蒸發(fā),在潛水與承壓水聯(lián)系較弱的地區(qū),應(yīng)以增加潛水的開采為主; 在潛水與承壓水聯(lián)系較強的地區(qū),應(yīng)共同增加潛水與淺層承壓水的開采量才能取得較好效果。
在地下水淺埋帶,一般潛水含水層富水性較差 ( 單位涌水量低) ,地下水礦化度較高,側(cè)向徑流緩慢,因此,在以增加潛水開采量為主的地區(qū),應(yīng)以較高密度均勻布井,且與地表水或承壓水混合 ( 或交替) 使用; 在需要共同增加潛水與淺層承壓水開采量的地區(qū),宜以較高密度均勻布設(shè)潛水井,以較低密度 ( 潛水井?dāng)?shù)量的 1 /3 ~ 1 /4) 布設(shè)淺層承壓水井,潛水與承壓水混合利用。
表 6. 3 張掖盆地地下水淺埋帶部分觀測孔信息
圖 6. 7 張掖盆地地下水淺埋帶同一位置潛水與承壓水動態(tài)變化曲線
6. 1. 5 小結(jié)
目前,張掖盆地的引水渠系建設(shè)已達到一定規(guī)模。根據(jù)國務(wù)院批復(fù)的 《黑河流域近期治理規(guī)劃》( 2001) ,在今后一段時期內(nèi),重點加強干、支、斗渠的高標準襯砌,這勢必會進一步減少張掖盆地地下水的補給量,加劇地下水溢出量的衰減。因此,采取一定的工程措施,將豐水年份多余的洪水存儲在戈壁帶大厚度含水層系統(tǒng)中,增加地下水的補給,是實現(xiàn)張掖盆地地表水、地下水的聯(lián)合調(diào)度與優(yōu)化利用的重要手段之一。
上述分析表明,張掖盆地大厚度含水層系統(tǒng)是一巨大的天然地下水庫,具備水資源調(diào)控的有利條件且經(jīng)濟可行,可以達到以豐補歉、多年調(diào)節(jié)的目的,對減少水面蒸發(fā),增加可利用的水資源量,保證平、枯水年份達到正義峽下泄量目標具有重要作用。
襲奪地下水淺埋帶無效蒸發(fā)是增加黑河流域可利用水資源量的重要途徑,關(guān)鍵是在處理好與生態(tài)保護關(guān)系的基礎(chǔ)上,確定合理的開采層位和開采布局。上面的分析中給出了初步結(jié)論,具體實施過程中還需做進一步的工作。
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