騰格里沙漠鄧馬營湖開發(fā)區(qū)地下水資源現(xiàn)狀評價

田遼西，何劍波

(甘肅省地礦局水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，甘肅張掖734000)

鄧馬營湖地處騰格里沙漠西部邊緣帶，曾是沙漠中的一個天然綠洲，區(qū)內(nèi)基本無地下水的開采，地下水位埋深極淺，每年有近3 000萬m3地下水以蒸發(fā)蒸騰形式排泄。上世紀(jì)90年代以來，由政府組織移民對鄧馬營湖進行農(nóng)業(yè)開墾，隨著地下水開采量大幅增加，地下水位持續(xù)下降，至2006年，湖區(qū)機井達695眼，地下水開采量達5 000萬m3左右。隨著石羊河流域重點治理項目的實施，從2006年開始對鄧馬營湖實行退耕還林、關(guān)井壓田等政策，控制地下水開采量，地下水位開始出現(xiàn)緩慢上升趨勢，至2012年，地下水總開采量減少為3 721.00萬m3/a。而鄧馬營湖區(qū)僅在大規(guī)模農(nóng)業(yè)開發(fā)前做過基礎(chǔ)性的水文地質(zhì)調(diào)查工作，經(jīng)過多年的開采，區(qū)域地下水位下降，地下水補徑排條件與水資源格局均已發(fā)生了較大改變，已有的水文地質(zhì)資料已不能支撐新的農(nóng)業(yè)開發(fā)項目。為科學(xué)合理地開發(fā)利用鄧馬營湖地下水資源，實現(xiàn)“以水定產(chǎn)”，需對區(qū)內(nèi)地下水資源量進行重新評價。

1 區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)概況

1.1 地層及地質(zhì)構(gòu)造

評價區(qū)內(nèi)地表出露的地層僅有第四系全新統(tǒng)風(fēng)積砂和湖積相地層。風(fēng)積砂層主要分布于評價區(qū)周邊及中部固定沙丘帶，巖性多為灰黃色粉細砂至中細砂;湖積相地層分布于評價區(qū)中部大部分地區(qū)，巖性主要為亞砂土、亞粘土及粉細砂。全新統(tǒng)下伏地層為中上更新統(tǒng)粗砂、中粗砂及細砂。第四系厚度由南部到北部呈由厚到薄的變化趨勢，南部第四系厚度超過150m，在評價區(qū)北部東石板井一帶，受基底和斷層抬升作用，第四系厚度只有40m左右，再向北部第四系厚度更薄，在湯家海子一帶僅有上覆全新統(tǒng)地層。

鄧馬營湖積盆地是第四紀(jì)以來新構(gòu)造運動的產(chǎn)物，在區(qū)域上受紅崖山—阿拉古山東西向構(gòu)造帶及其南部的北北西斷裂所控制，東西向構(gòu)造帶使北部基底隆起，在南部構(gòu)成一個范圍較大的阻水型儲水盆地。其西界為赤金堡—泥房坑大斷裂，東界為湯家海子—南井大斷裂，早中更新世盆地處于下降階段普遍接受沉積;中更新世晚期，構(gòu)造運動加劇，主要形式為多次斷塊差異升降運動，升降幅度北部大于南部，而晚更新世—全新世的下降幅度南部大于北部。在評價區(qū)中南部，第四系沉積厚度大，特別是在指揮部至南井村之間，形成了一個寬闊的溝槽，是較為理想的儲水構(gòu)造(圖1)。

圖1 騰格里沙漠鄧馬營湖地質(zhì)構(gòu)造衛(wèi)片解譯圖

1.2 含水層的埋藏、分布及特征

評價區(qū)是以新近系(N2)泥巖為基底的第四系湖積盆地，地下水只有松散巖類孔隙水一種類型，水位埋深一般3.00～10.00 m。依據(jù)含水層成因類型，可將評價區(qū)地下水劃分為風(fēng)積層潛水和湖積層潛水。風(fēng)積層潛水主要分布于評價區(qū)周邊及中部固定、半固定沙丘小洼地中，含水層巖性為現(xiàn)代風(fēng)積砂，下墊層為全新統(tǒng)湖沼沉積，由于風(fēng)蝕作用，形成多個小型風(fēng)蝕洼地，侵蝕面達地下水位附近，在侵蝕較深的部位往往局部含水。湖積層潛水由于含水層巖性、形成時代不同，又可分為淺層水、中層水和深層水。淺層水賦存于全新統(tǒng)湖沼相含水巖組，含水層巖性主要為粉細砂;中層水主要賦存于上更新統(tǒng)沖湖積相含水巖組，含水層巖性以中細砂與中粗砂為主，該層水埋藏淺、水質(zhì)好、水量豐富，是評價區(qū)主要含水層和目的開采層;下層水主要賦存于下更新統(tǒng)粘土夾粉細砂透鏡體及底部礫砂弱含水巖組，含水層以巨厚的粘土、泥質(zhì)砂層為主，富水性極差，無實際的供水意義。湖積層潛水上、中、下三個含水巖組之間無天然隔水層，水力聯(lián)系密切。含水層富水性較好區(qū)分布于評級區(qū)南部及中部，單井涌水量一般單井涌水量500.00～1 000.00 m3/d，富水性較差區(qū)主要分布于評價區(qū)北部及外圍沙漠邊緣地帶，單井涌水量一般小于500.00 m3/d。地下水礦化度一般不超過1.00 g/L，總硬度一般不超過400.00 mg/L，水質(zhì)較好(圖2、圖3)。

圖2 風(fēng)積層潛水水文地質(zhì)剖面

圖3 湖積層潛水水文地質(zhì)剖面

1.3 地下水的補徑排條件

評價區(qū)地下水的補給方式主要有側(cè)向徑流補給、灌溉水入滲及大氣降水與凝結(jié)水入滲補給，地下水側(cè)向徑流補給量比重最大，約占79%;大氣降水與凝結(jié)水入滲補給量約占11%;開采期的灌溉水入滲量約占10%。地下水整體上自西南向北東徑流，在地下水流向上水力坡度由3‰～4‰逐漸變小至1.5‰～2‰。地下水排泄方式為人工開采、地下水蒸發(fā)蒸騰及側(cè)向徑流排泄，人工開采量約占地下水總排泄量的75.4%，蒸發(fā)蒸騰量約占22%，側(cè)向徑流排泄量僅占2.6%(圖4、圖5)。

圖4 鄧馬營湖盆地地下水補給、徑流、排泄示意剖面

圖5 鄧馬營湖盆地地下水位埋深及等值線圖

1.4 地下水位動態(tài)

評價區(qū)內(nèi)地下水動態(tài)觀測始于1999年1月，迄今共有地下水位動態(tài)長期觀測點4個，分別位于南湖鄉(xiāng)甘草井村、夾崗井村、西井村和南井村。

1.4.1 年內(nèi)動態(tài)

評價區(qū)的地下水動態(tài)屬于人工開采型，地下水動態(tài)主要受灌溉開采活動的影響。根據(jù)各觀測井2012年的觀測資料(圖6-圖9)，4個觀測井的地下水位變化趨勢具有高度的一致性，4月份灌溉期開始，地下水開采量急劇增加，地下水位開始持續(xù)下降，至8或9月份水位降至最低，隨著開采期結(jié)束，地下水位開始迅速上升，至第二年3月份升至最高。根據(jù)4個動態(tài)觀測井2012年各月平均水位可以看出，年內(nèi)月平均水位最大變幅不超過2m，最大為1.80m，最小為0.65 m。

圖6 G1觀測孔2012年水位動態(tài)曲線

圖7 G2觀測孔2012年水位動態(tài)曲線

圖8 G3觀測孔2012年水位動態(tài)曲線

圖9 G4觀測孔2012年水位動態(tài)曲線

1.4.2 年際動態(tài)

據(jù)評價區(qū)1999—2012年水位動態(tài)觀測資料，評價區(qū)地下水位從1999年觀測以來受人工開采的影響持續(xù)下降，隨著鄧馬營湖區(qū)內(nèi)關(guān)井壓田政策的實施，評價區(qū)部分地區(qū)地下水位自2008年以來開始呈緩慢上升的趨勢，2011—2012年四個觀測孔的水位普遍上升(圖10—13)。

圖10 G1觀測孔多年(1999-2012年)水位動態(tài)曲線

圖11 G2觀測孔多年(1999-2012年)水位動態(tài)曲線

圖12 G3觀測孔多年(1999-2012年)水位動態(tài)曲線

圖13 G4觀測孔多年(1999-2012年)水位動態(tài)曲線

2 水資源量計算

地下水均衡區(qū)西南邊界與南邊界(AB、BC、CD斷面)為地下水流入邊界，東邊界(DE斷面)為隱伏斷層，東北邊界(EF斷面)為地下水流出邊界，西北邊界(FG斷面)為人為平行于地下水流向的零流量邊界，西邊界(GA斷面)為隱伏斷層(圖14)。

圖14 地下水均衡計算示意圖

評價區(qū)地下水遵循如下方程:

(Q降入+Q凝入+Q灌入+Q側(cè)入)-(Q開+Q側(cè)出+Q蒸)=ΔQ(1)

式中:Q降入為降水入滲量(萬m3/a);Q凝入為凝結(jié)水入滲量(萬m3/a);Q灌入為灌溉水入滲量(萬m3/a);Q側(cè)入為地下水側(cè)向流入量(萬m3/a);Q開為機井開采量(萬m3/a);Q蒸為地下水蒸發(fā)蒸騰量(萬m3/a);Q側(cè)出為地下水側(cè)向流出量(萬m3/a);ΔQ為均衡期始末儲量變化量(萬m3/a)。均衡期為2012年1月1日—12月31日。

2.1 地下水補給量與排泄量

2.1.1 降水入滲量(Q降入)

降水入滲以次降雨量大于10 mm作為水位埋深小于5 m地區(qū)有效降水，降雨入滲量計算公式:

式中:Q降入為降水入滲量(萬m3/a);α為降水入滲系數(shù)，無量綱;F為均衡區(qū)水位埋深小于5 m的面積(m2);X為有效降雨量(mm);

根據(jù)氣象資料，2012年均衡區(qū)有效降水量為61.07 mm，降水入滲系數(shù)取0.52，均衡區(qū)水位埋深小于5m的面積從圖上量取。計算得出均衡區(qū)降水入滲量為328.58萬m3/a(表1)。

表1 均衡區(qū)降雨入滲量計算表

2.1.2 凝結(jié)水入滲量

凝結(jié)水入滲限于水位埋深小于5 m的地區(qū)，凝結(jié)水入滲量以年凝結(jié)水層厚度計算。凝結(jié)水入滲量計算公式:

式中:Q降入為降水入滲量(萬m3/a);F為均衡區(qū)不同水位埋深的面積(m2);h為年凝結(jié)水層厚度(mm);

凝結(jié)水層厚度在水位埋深1～3 m地區(qū)為17.1 mm，水位埋深3 m～5 m地區(qū)為29.1 mm。據(jù)此計算均衡區(qū)內(nèi)凝結(jié)水入滲量為 276.04 萬 m3/a(表2)。

表2 均衡區(qū)凝結(jié)水入滲量計算表

2.1.3 灌溉水入滲量

根據(jù)河西地區(qū)做過的灌溉滲水試驗，包氣帶為細顆粒地層時，當(dāng)潛水埋深小于3 m時，入滲系數(shù)為灌溉量的34.9%;當(dāng)潛水埋深3 m～5 m，入滲系數(shù)為灌溉量的28.4%;當(dāng)潛水埋深5 m～10 m，入滲系數(shù)為灌溉量的18.5%;潛水位埋深大于10 m時，不考慮灌溉水入滲。據(jù)此計算均衡區(qū)田間灌溉入滲量為570.36萬m3/a(表3)。

表3 均衡區(qū)灌溉水入滲量計算表

2.1.4 地下水側(cè)向流入與流出量

地下水側(cè)向流入量是均衡區(qū)地下水的主要補給量。依達西公式計算:

式中:Q側(cè)為地下水側(cè)向流入量或流出量(m3/d);K為滲透系數(shù)(m/d);H為含水層厚度(m);I為水力坡度(‰)，根據(jù)等水位線圖量測;L為徑流斷面寬度(m);θ為地下水流向與斷面間的夾角(°)，根據(jù)等水位線圖量測。

計算均衡區(qū)地下水側(cè)向流入量為4 320.31萬m3/a，側(cè)向流出量為萬128.94m3/a(表4)。

2.1.5 機井開采量

據(jù)水務(wù)部門資料，均衡區(qū)內(nèi)現(xiàn)有開采機井502眼，2012年現(xiàn)狀開采量為3 721.00萬m3/a。

表4 均衡區(qū)地下水側(cè)向流入流出量計算表

2.1.6 蒸發(fā)蒸騰量

蒸發(fā)蒸騰量由陸面蒸發(fā)量和林木、草地葉面蒸騰量兩部分組成。水位埋深1～3m區(qū)潛水蒸發(fā)值取148 mm/a，3～5 m區(qū)取17 mm/a，據(jù)此計算均衡區(qū)地下水蒸發(fā)量為449.37萬m3/a(表5)。植物蒸騰量按照植被類型片林、灌木林和草地進行計算，單位蒸發(fā)量分別取 180 m3/a·畝、25.5 m3/a·畝和 25.5 m3/a·畝，計算均衡區(qū)植物蒸騰量為萬634.49萬m3/a(表6)。綜上，均衡區(qū)蒸騰蒸發(fā)量共計為1 083.86萬m3/a。

表5 陸面潛水蒸發(fā)量計算表

表6 林木草地蒸發(fā)蒸騰量計算表

綜上計算，均衡區(qū)地下水補給量為5 530.41萬m3/a，其中降雨入滲量為328.58萬m3/a，凝結(jié)水入滲量為276.04萬m3/a，田間灌溉水入滲量為570.36萬m3/a，地下徑流側(cè)向流入量為4 355.43萬m3/a。均衡區(qū)地下水排泄量為 4 933.80萬 m3/a，其中機井開采量為3 721.00萬m3/a，蒸發(fā)蒸騰量為1 083.86萬m3/a，地下徑流側(cè)向流出量128.94萬m3/a。

2.2 地下水天然資源量與儲存量

2.2.1 地下水天然資源量

均衡區(qū)地下水天然資源量包括地下水側(cè)向流入量、降水入滲量及凝結(jié)水入滲量三部分，根據(jù)計算結(jié)果，2012年均衡區(qū)地下水天然資源量總計為4 960.05萬m3/a。

2.2.2 地下水儲存量

均衡區(qū)中下更新統(tǒng)含水層泥質(zhì)含量高，富水性極弱，無實際供水價值，本次重點評價上更新統(tǒng)含水層的地下水儲存量。采用體積法對均衡區(qū)地下水儲存量進行計算:

式中，Q儲為地下水儲存量(萬m3);μ為含水層給水度(無量綱)，取平均值0.105;F為含水層分布面積(m2)，根據(jù)mapgis軟件從圖上量取為2.51×108m2;H為含水層平均厚度(m)，取88m;據(jù)此計算均衡區(qū)的地下水儲存量為23.19億m3/a。

2.3 地下水允許開采量

2.3.1 評價原則與計算公式

根據(jù)本次評價的目的任務(wù)，結(jié)合評價區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件，綜合考慮水資源開發(fā)的社會、經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)境效益，提出如下幾條評價允許開采量的原則:1.充分利用地下水天然資源的原則，2.盡可能襲奪地下水無效蒸發(fā)量的原則，3.不造成區(qū)域生態(tài)環(huán)境惡化的原則。

采用均衡法計算地下水允許開采量，計算公式:

式中，Q允為地下水允許開采量(萬m3/a);Q補為開采條件下地下水總補給量(萬m3/a);Q排為開采條件下地下水天然排泄量(萬m3/a);μFΔH/Δt為消耗的地下水儲存資源量(萬m3/a)。

2.3.2 各均衡要素的取值

(1)開采條件下地下水總補給量(Q補)

前已述及，均衡區(qū)地下水天然資源量為4 960.05萬m3/a，在現(xiàn)狀開采條件下，灌溉水入滲量為570.36萬m3/a，屬于地下水資源重復(fù)利用量，在開采條件下可以計入地下水補給量中，故開采條件下地下水總補給量為5 530.41萬m3/a。

(2)開采條件下地下水天然排泄量(Q排)

均衡區(qū)在開采條件下地下水天然排泄方式為地下徑流側(cè)向流出和蒸發(fā)蒸騰，經(jīng)計算為1 211.80萬m3/a。

(3)消耗的地下水儲存資源量(μFΔH/Δt)

為防止區(qū)域生態(tài)環(huán)境的惡化，不使區(qū)域地下水位產(chǎn)生下降，使得區(qū)內(nèi)地下水資源能夠長久可持續(xù)開發(fā)利用，取ΔH/Δt=0 m/a，即不動用地下水儲存量，基本使均衡區(qū)地下水全年處于采補平衡狀態(tài)。

2.3.3 計算結(jié)果

將上述數(shù)據(jù)代入公式計算，均衡區(qū)地下水允許開采量為4 317.61萬 m3/a，其中地下水現(xiàn)狀開采量3 721.00萬 m3/a，可增加開采量596.61萬m3/a。

2.3.4 允許開采量保證程度分析

(1)評價區(qū)地下水天然資源量為4 960.05萬m3/a，開采條件下(含灌溉水入滲量570.36萬m3/a)地下水總補給量為5 530.41萬m3/a，允許開采量占地下水天然資源量的87.05%，占開采條件下地下水總補給量的78.07%。均衡區(qū)地下水儲存量為23.19億m3/a，評價時未動用儲存量，允許開采量僅占儲存量的1.86%，即使在枯水年份允許開采量也是有保證的。因此，從水資源數(shù)量分析，評價區(qū)計算的允許開采量為4 317.61萬m3/a是可靠的。

(2)在上世紀(jì)90年代以前鄧馬營湖未進行大規(guī)模農(nóng)業(yè)開發(fā)時，評價區(qū)基本無地下水的開采，地下水位埋深極淺，天然補給量大多消耗于無效的潛水蒸發(fā)蒸騰。根據(jù)前人的勘查資料，每年有近3 000萬m3地下水以蒸發(fā)蒸騰形式排泄，少部分向下游徑流排泄。大規(guī)模農(nóng)業(yè)開發(fā)后，均衡區(qū)內(nèi)地下水開采量大幅增加，大部分蒸發(fā)蒸騰量轉(zhuǎn)化為人工開采量，水資源得到有效的開發(fā)利用，2006年開采量最大時超過5 000萬m3，而1999-2006年地下水位多年最大下降幅度僅為3.88 m，年均下降0.55 m，說明評價區(qū)地下水補給充足，也間接證明了本次計算的地下水允許開采量保證程度較高。

(3)本次計算的允許開采量不動用地下水儲存量，不會造成區(qū)域地下水位大幅下降，對區(qū)域生態(tài)環(huán)境無明顯影響。通過適量增加地下水開采量:一方面降低了地下水位，使水位埋深增大，部分地段水位埋深超過了地下水蒸發(fā)的臨界深度，有效防治了土壤鹽漬化;另一方面，利用低礦化度的地下水對表層鹽漬土

進行沖洗脫鹽，減少鹽分在表層土壤的積累，這對改良土壤鹽漬化狀況，防治次生鹽漬化的發(fā)生，改善生態(tài)環(huán)境是有利的。

(4)在計算地下水允許開采量時，未考慮開采量增加后地下水位下降引起的蒸發(fā)量減少、灌溉入滲量增加以及襲奪更多的地下水側(cè)向流入量，因此在以允許開采量作為實際開采量的情況下，地下水總補給量比現(xiàn)狀條件要大，評價區(qū)地下水位整體上會呈緩慢上升的趨勢。

3 結(jié)語

(1)鄧馬營湖積盆地是第四紀(jì)以來新構(gòu)造運動的產(chǎn)物，在區(qū)域上受紅崖山—阿拉古山東西向構(gòu)造帶及其南部的北北西所斷裂所所控制，是一個范圍較大的阻水型儲水盆地。評價區(qū)位于鄧馬營湖盆地南部，中南部第四系沉積厚度大，特別是在指揮部至南井之間，形成了一個寬闊的溝槽，是較為理想的儲水構(gòu)造。

(2)評價區(qū)地下水類型為松散巖類孔隙水，水位埋深一般3.00～10.00 m，依據(jù)含水層成因類型將評價區(qū)地下水劃分為風(fēng)積層潛水和湖積層潛水，湖積層中上更新統(tǒng)含水層水位埋深淺、水質(zhì)好、水量豐富，是評價區(qū)的主要含水層和目的開采層。

(3)本次計算的允許開采量為4317.61萬m3/a，占地下水天然資源量的87.05%，占開采條件下地下水總補給量的78.07%，上世紀(jì)90年代以前無人為開采活動影響時，評價區(qū)地下水位埋深極淺，地下水以蒸發(fā)蒸騰為主要排泄方式，現(xiàn)大部分蒸發(fā)蒸騰量轉(zhuǎn)化為人工開采量，水資源得到有效的開發(fā)利用。本次計算的允許開采量不動用地下水儲存量，不會造成區(qū)域地下水位大幅下降，對區(qū)域生態(tài)環(huán)境無明顯影響。因此，將4317.61萬m3/a作為評價區(qū)的允許開采量是合理的、可行的。

(4)評價區(qū)為沙漠中的綠洲盆地，水資源非常寶貴且十分有限，進行農(nóng)業(yè)開發(fā)的同時要加強水資源的保護與合理利用，鼓勵科技興農(nóng)，因地制宜地調(diào)整農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，選擇耗水少、附加值高的農(nóng)作物，采用先進的節(jié)水技術(shù)與設(shè)施，發(fā)展高效節(jié)水農(nóng)業(yè)，盡量提高水資源的利用率。

［1］甘肅省民勤縣鄧馬營灘地農(nóng)田供水水文地質(zhì)詳查報告.1994年.

［2］甘肅省民勤縣區(qū)域水文地質(zhì)調(diào)查報告.1996年.

［3］甘肅省民勤盆地騰格里沙漠邊緣地下水勘查報告.2002年.

［4］騰格里沙漠鄧馬營湖開發(fā)區(qū)農(nóng)田供水水文地質(zhì)詳查報告.2013年.