酒泉盆地水資源轉(zhuǎn)化研究

謝軍健

(甘肅省水文水資源局，甘肅 蘭州 730000)

酒泉盆地位于河西走廊的西端，祁連山北麓的緩坡地帶，地勢(shì)西南高，東北低，南部沿祁連山由各山口形成若干較高的沖積扇，造成新地、紅山、金佛寺、豐樂等綠洲，各綠洲間為洪漫灘及礫石灘，東部為古代淤積的干旱沙漠和風(fēng)蝕殘丘，北部和中部為山水河和泉水河交織形成的綠洲，地表較平坦，西部為礫石戈壁邊緣，以灰漠鈣土和灰棕漠鈣土為主。盆地平均海拔1 450 m，年降水量 80 mm左右，蒸發(fā)量較大，在2 000～3 000 mm之間。

本區(qū)域水資源來源多為山區(qū)降水和冰雪消融水匯于河谷中，以地表長(zhǎng)流方式補(bǔ)給;以河水引入渠系、田間后，滲漏補(bǔ)給地下水。地下水的運(yùn)動(dòng)，由南向北流動(dòng)，基本與地面坡降一致。到北部山前地帶，受北山阻截，水位抬高，流動(dòng)緩慢，多消耗于蒸發(fā)，礦化度增高。潛水埋深隨地形變化，南深北淺，平均水位埋深7 m，水力坡降為1/1 000～1/1 500。研究區(qū)地理位置見圖1。

圖1 酒泉盆地地理位置圖

1 酒泉盆地水資源轉(zhuǎn)化機(jī)理

酒泉盆地是一個(gè)閉合盆地，盆地的入流主要有豐樂河、洪水河、討賴河，但只有討賴河水量進(jìn)入了酒泉盆地進(jìn)行地表水地下水的轉(zhuǎn)化，而豐樂河、洪水河水量在出山后基本用完，經(jīng)過灌溉入滲后以地下水側(cè)向流入的形式補(bǔ)給盆地地下水。河水在盆地內(nèi)經(jīng)過地表水～地下水～地表水的轉(zhuǎn)換后進(jìn)入鴛鴦池水庫。盆地計(jì)算面積為3 299 km2，含水層給水度μ =0.18。

酒泉盆地水資源轉(zhuǎn)化的基本形式是:河水從山前平原上部開始滲漏補(bǔ)給地下水，地下水以泉水形式在洪積扇前緣溢出帶出露并轉(zhuǎn)化為河水，地表水再引灌形成地下水，地下水溢出再形成地表水，反復(fù)2～3次。由于每次循環(huán)都將損失一部分水量，所以越往下游排泄水量越少。

2 水資源轉(zhuǎn)化規(guī)律及概化模型

該盆地的水資源轉(zhuǎn)化規(guī)律可概化為如圖2所示。

圖2 酒泉盆地水資源轉(zhuǎn)化均衡關(guān)系示意圖

圖2是由地表子系統(tǒng)、土壤層子系統(tǒng)、地下水子系統(tǒng)連同構(gòu)成。根據(jù)水均衡原理，我們可以得出各子系統(tǒng)任意計(jì)算時(shí)段水量平衡關(guān)系。

2.1 地表層子系統(tǒng)

水量平衡關(guān)系為:

式中:P為降水;Ys1為地表水入流;E為總損失量(包括農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水、植物蒸散發(fā)、水面蒸發(fā)、潛水蒸發(fā)等);Ys2為地面產(chǎn)水量和地表水流出量;A2為地表水入滲量(包括河道、渠道、田間、降雨入滲);Y's1為地下水開采量;Vs1，Vs2為計(jì)算時(shí)段Δt內(nèi)時(shí)段初與末的地表水蓄量。

2.2 土壤層子系統(tǒng)

水量平衡關(guān)系為:

式中:Ysub1為土壤層輸入的壤中流;Ysub2為土壤層輸出的壤中流;U1為潛水蒸發(fā)等垂向輸入量;U2為入滲補(bǔ)給量等垂向輸出量;A1為垂直輸入的水量交換(如土壤蒸發(fā)等);Vsub1、Vsub2為計(jì)算時(shí)段初、末的土壤水蓄量。

2.3 地下水子系統(tǒng)

水量平衡關(guān)系為:

式中:Yg1為地下水系統(tǒng)輸入量;Yg2為地下水系統(tǒng)輸出量;Y's1為地下水開采量;Vg1，Vg2為計(jì)算時(shí)段初、末的地下水蓄量。

綜合上列三個(gè)水量平衡方程，可以獲得盆地整個(gè)單元系統(tǒng)水量交換層的水量轉(zhuǎn)化關(guān)系，即:

式(4)中地表水Ys2有地表水流出量觀測(cè)資料，土壤水和地下水在閉合盆地中無法流出，但在原河道有少量的潛流流出，無法獲得實(shí)際觀測(cè)系列資料。Ysub1+Yg1為盆地側(cè)向流入量，Ysub2+Yg2為盆地側(cè)向流出量，這兩組變量在特定的盆地內(nèi)變化幅度相對(duì)較小且數(shù)量穩(wěn)定，在水循環(huán)系統(tǒng)中占據(jù)次要地位。而出山徑流通過河道、渠道滲漏，灌溉入滲等補(bǔ)給地下水的有觀測(cè)資料的量，在系統(tǒng)循環(huán)中占據(jù)主要地位。因此，主要考慮有實(shí)際觀測(cè)資料的項(xiàng)，對(duì)沒有實(shí)際觀測(cè)資料的項(xiàng)不作考慮。

因?yàn)樗南到y(tǒng)模型只注重系統(tǒng)的輸入、輸出關(guān)系和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，對(duì)系統(tǒng)中某些項(xiàng)的相互影響不作考慮。E+A1為系統(tǒng)蒸散發(fā)，也仍用 E表示。一年內(nèi)地表層的蓄水量為零，即Vs1－Vs2=0;土壤層的蓄水變量可歸入地下水蓄變量。因盆地內(nèi)地下水水位持續(xù)下降，ΔV應(yīng)為負(fù)值，即:

式中:μ為給水度;F為平原區(qū)計(jì)算面積;ΔH為計(jì)算時(shí)段地下水水位差;Δt為計(jì)算時(shí)段，這里以年為單位，Δt=1年。

則(4)式根據(jù)實(shí)際需要可變?yōu)?

應(yīng)用(6)式計(jì)算盆地時(shí)段(如年或月)內(nèi)的整體系統(tǒng)水量平衡關(guān)系的計(jì)算模型，ΔV用來模擬地下水位的變化，Ys2用于模擬盆地出流。

由于盆地地面坡度大、水平徑流強(qiáng)、地下水位的升高與下降直接影響下游出口斷面流量。根據(jù)掌握地下水水位資料斷續(xù)不全、不能完全真實(shí)地反映地下水實(shí)際變幅，將出口斷面的實(shí)測(cè)流量定為因變量，其他變量定為自變量。為了簡(jiǎn)化計(jì)算方法，將(6)式水量平衡模型方程進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)多輸入～單輸出模型:

式中:a0、a1…a5為模型參數(shù)。

3 酒泉盆地水資源轉(zhuǎn)化模型

豐樂河出山口有豐樂河水文站、洪水河出山口有新地水文站、討賴河出山口有嘉峪關(guān)(冰溝)水文站，而在盆地出流有鴛鴦池水庫水文站，都有實(shí)測(cè)資料。

根據(jù)(7a)、(7b)式模型結(jié)構(gòu)的需求，將盆地水資源轉(zhuǎn)化模型數(shù)據(jù)列入而得出的模型為:

式中:Y為系統(tǒng)出流(鴛鴦池水庫站的入庫流量)，單位:108m3;X1為冰溝、新地、豐樂河站的出山水量，單位:108m3;X2為盆地降水量(已折合成水量)，單位:108m3;X3為地下水蓄變量(已折合成水量，給水度μ=0.18)，單位:108m3;X4為盆地內(nèi)實(shí)際開采量，單位:108m3;X5為盆地內(nèi) E601蒸發(fā)器的蒸發(fā)量(已折合成水量)，單位:108m3。

該模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.899，標(biāo)準(zhǔn)差為 0.240，通過了信度 α=0.05的 F檢驗(yàn)。

實(shí)測(cè)值與計(jì)算值比較見圖3。

圖3 酒泉盆地水資源轉(zhuǎn)化模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較

如果用盆地平均地下水水位作因變量，其它因子作自變量，由此而獲得的水位變化模型為:

該模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.754，標(biāo)準(zhǔn)差為 0.927，通過了信度 α=0.05的 F檢驗(yàn)。

模型計(jì)算結(jié)果列表(略)，實(shí)測(cè)值與計(jì)算值比較見圖4。

圖4 酒泉盆地水資源轉(zhuǎn)化模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較

4 結(jié)語

從上圖中可以看出，1982－2005年酒泉盆地水資源轉(zhuǎn)化模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值基本吻合，完全說明了該模型使用的可靠性。該模型的計(jì)算結(jié)果顯示了自上世紀(jì)80年代以來盆地地下水資源的使用狀況。自1994年以來，盆地平均地下水水位下降了0.08 m，相當(dāng)于每年超采地下水0.475×108m3，至2003年底近10年累計(jì)超采4.75×108m3。建議在枯水年份開采地下水以彌補(bǔ)地表水的不足，對(duì)促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展將起到積極作用，但過度超采會(huì)使盆地生態(tài)環(huán)境惡化。

［1］王靜，胡興林.黃河上游主要支流徑流時(shí)空分布規(guī)律及演變趨勢(shì)分析［J］.水文.2011，(03).

［2］胡興林，藍(lán)永超.近三十年黑河中下游盆地地下水資源變化特征與演變趨勢(shì)分析［J］.地下水.2009，(4).

［3］劉進(jìn)琪，牛最榮.內(nèi)陸干旱區(qū)土地利用及覆被變化對(duì)水資源影響研究［M］.甘肅人民出版社.2009.

［4］陳利群，劉昌明.黃河源區(qū)氣候和土地覆被變化對(duì)徑流的影響［J］.中國(guó)環(huán)境科學(xué).2007，27(4):559 ～565.

［5］林紓，陸登榮.近40年來甘肅省降水變化的基本特征［J］.高原氣象.2004，23(6):898～904.

［6］宋連春，張存杰.20世紀(jì)西北地區(qū)降水量變化特征［J］.冰川凍土.2003，25(2):143～148.