不同灌溉模式對瑪納斯河流域平原區(qū)地下水位的影響預(yù)測

李文倩

(西藏自治區(qū)水利電力規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，西藏 拉薩 850000)

在新疆等地表水資源較緊張及利用難度較大的地區(qū)，為達(dá)到作物高產(chǎn)、高效，需采取充分利用灌溉水資源的技術(shù)措施[1-2]。節(jié)水灌溉的應(yīng)用引起地下水補給量減少而造成地下水位變化，從而使流域水循環(huán)方式發(fā)生變化[3-4]。自20世紀(jì)以來，膜下滴灌節(jié)水技術(shù)在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團被大面積推廣，針對不同灌溉模式條件下地下水位變化問題，以瑪納斯河流域綠洲平原區(qū)為研究對象，在概化水文地質(zhì)參數(shù)及流域邊界的基礎(chǔ)上，建立地下水?dāng)?shù)值模型，對不同灌溉模式下地下水水量及水位的變化范圍及程度進行定量分析，為尋求合理的灌溉模式及控制地下水位具有重要的實用價值和理論意義。

1 研究區(qū)概況

新疆瑪納斯河(以下簡稱瑪河)發(fā)源于北天山中段喀拉烏成山和比依達(dá)克山、依連哈比爾尕山，全長400 km，順著山地向北流進準(zhǔn)格爾盆地，最后流入瑪納斯湖。該流域的總控制面積(綠洲平原區(qū))為9474 km2?，敽恿饔蛐姓虾?5個團場、鄉(xiāng)，其中主要包括石河子市及石河子墾區(qū)團場、昌吉回族自治州的瑪納斯縣、新湖農(nóng)場及塔城地區(qū)的沙灣縣等?，敽恿饔蜻€是建國后新疆開墾的最大人工綠洲[5]。

2 模型建立

瑪河流域平原區(qū)的計算范圍具體為：東邊為瑪納斯縣瑪河灌區(qū)各個鄉(xiāng)(鎮(zhèn))的東行政邊界及新湖總場；南邊為瑪河山區(qū)與平原區(qū)的分界線；西邊為從143團到海子灣水庫西界，從西岸大渠到132團及136團；北邊為瑪河古道、西岸大渠136團及莫索灣灌區(qū)沙漠邊緣。

以2013年為計算基準(zhǔn)年，在三種灌溉模式下地下水的開采量為48 586.6×104m3，蒸發(fā)蒸騰量為38 102.98×104m3。對到2020年的地下水水量及水位變化情況進行數(shù)值模擬：模式一，采用2013年的現(xiàn)狀年灌溉模式(膜下滴灌節(jié)水灌溉)，灌溉定額為13.00 m3/hm2；模式二，采用傳統(tǒng)的溝灌模式，灌溉定額為15.67 m3/hm2；模式三，采用高效節(jié)水灌溉模式，灌溉定額為10.33 m3/hm2，即研究區(qū)的單位田間農(nóng)業(yè)需水量比現(xiàn)狀年有所降低，農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)水平提高了一個臺階。

2.1 包氣帶水流數(shù)值模型

為實現(xiàn)以點代面的計算過程，對研究區(qū)垂向水分入滲量以及參數(shù)進行分區(qū)刻畫，利用HYDRUS-1D構(gòu)建研究區(qū)的包氣帶概念模型，從而模擬計算得出包氣帶底部淋濾的水量以及地表水垂向輸入包氣帶的運移轉(zhuǎn)化過程，并為含水層模型提供初始輸入量。

用 Richards 方程來描述非飽和孔隙介質(zhì)中的一維均質(zhì)(平衡)水流運動[6]。在描述土壤水分特征曲線時采用VG模型，且不考慮水流運動的滯后現(xiàn)象[7]。水流模型上邊界選擇為地表層的大氣邊界條件，下邊界選為變水頭邊界，水頭值由模型底部埋深減去實測地下水埋深得到，并作為模型輸入值。石河子氣象局網(wǎng)站為研究的氣象數(shù)據(jù)來源?，敽悠皆瓍^(qū)各氣象站的潛在蒸發(fā)量采用Penman-Monteith公式計算[8]。用一般形式的度-日因子來計算融雪量，瑪河流域春季的融雪量與冰雪表面的溫度升高有主要關(guān)系。

模型的深度確定為1500 cm，模擬時間總計為365 d。以2012年整年的水文數(shù)據(jù)資料為預(yù)熱期，以2013年作為模擬期，在模型土柱的底部設(shè)置觀測點。

2.2 含水層數(shù)值模型

為確定水文地質(zhì)參數(shù)邊界條件、源匯項、含水層特征等參數(shù)，對研究區(qū)進行水文地質(zhì)資料收集，并綜合分析其水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征。利用 Visual-MODFLOW建立水文地質(zhì)概念模型，將模型剖分為 75 列×50 行(共計3750個單元格)，每個單元格的長寬為 1.5 km×1.5 km。以2013年1—12月(365 d)作為模擬期，模擬期的初始流場為2013年1月的地下水流場，末時刻流場為2013年12月的地下水流場。

在模型范圍內(nèi)，根據(jù)含水層系統(tǒng)的介質(zhì)特征以及結(jié)構(gòu)特征，將模擬對象概化為非均質(zhì)各向同性含水層。模擬深度為220 m，并把含水層結(jié)構(gòu)概化為三層，其中弱透水層在兩含水層中間，淺層地下水模擬深度為72～90 m，承壓水模擬深度為100～118 m。

模型賦值：(1)降水入滲、渠灌田間入滲補給量、渠系滲漏補給量可作為面狀補給項，主要是由于渠道縱橫在整個研究區(qū)，農(nóng)田比重大于85%。這部分面狀補給由上文中得出包氣帶底部淋濾出的水量輸入recharge模塊進行模擬；(2)采用GHB模塊進行側(cè)向補給模擬，補給量由調(diào)節(jié)距離和水頭差來控制。采用river模塊對瑪河的補給進行模擬，由于瑪河流域只在洪水期河道來水，其6—9月為補給時間，河流補給由滲透率控制，河水水位由瑪河流域上游山區(qū)肯斯瓦特水文站的多年平均徑流量來確定；(3)在排泄項中，開采井用Pumping wells模塊賦值。采用Evapotranspiration模塊進行潛水蒸散發(fā)項賦值模擬，蒸散發(fā)量通過調(diào)節(jié)蒸散發(fā)深度及蒸散發(fā)強度來控制。類似側(cè)向補給的模擬，采用GHB模塊對北部邊界的側(cè)向排泄進行模擬，通過調(diào)節(jié)滲透系數(shù)、距離及水頭控制排泄量,如表1所示。

表1 源匯項賦值方式表

3 不同灌溉模式對地下水水量及水位的影響

3.1 地下水水量預(yù)測

三種灌溉模式下研究區(qū)的地下水均衡計算結(jié)果見表2。

表2 不同灌溉模式下數(shù)值法計算地下水均衡量 ×104 m3

注：面狀補給量=面狀入滲量(降雨入滲量+田間入滲量+渠系入滲量+回歸量+水庫入滲量)-開采量

從表2研究區(qū)的補給項和排泄項中可以看出，模式一的面狀補給量、側(cè)向流出量分別為6254.73×104m3、1985.00×104m3，其中面狀入滲量包括降雨入滲量、田間入滲量、渠系入滲量、回歸量、水庫入滲量，即面狀補給量與開采量(48 586×104m3)之和，面狀入滲量為54 841.33×104m3，與基準(zhǔn)年相比，其面狀入滲量減少了1091.40×104m3，表明該模式的面狀入滲量變化幅度不是很大；模式二的面狀補給量、面狀入滲量及蒸發(fā)蒸騰量分別為10 570.84×104m3、59 157.44×104m3、40 322.00×104m3，與基準(zhǔn)年比較，其面狀入滲量增加了4224.11×104m3，蒸發(fā)蒸騰量增加了2103.02×104m3，主要是由于在傳統(tǒng)的溝畦灌模式下加大了田間灌溉入滲量，從而使得地表水面有所增加，并促進了蒸發(fā)蒸騰；模式三的面狀補給量、面狀入滲量分別為2762.00×104m3、51 348.60×104m3，與基準(zhǔn)年相比，其面狀入滲量減少了3584.73×104m3，表明高效節(jié)水灌溉模式不僅能保證作物的正常需水量，還能有效的節(jié)約水資源，從而使得面狀補給量和潛水的無效蒸發(fā)直接減少。

3.2 地下水水位預(yù)測

三種模式下對2020年的地下水位預(yù)測結(jié)果如圖1所示。

圖1 2020年不同灌溉模式下研究區(qū)地下水位降深示意圖

由圖1可知，模式一與基準(zhǔn)年(2013年)相比，地下水位總體下降幅度比較小，除了小部分地域(東南方向)下降幅度大于0.2 m，大部分地域的地下水水位下降值處于0.11～0.23 m范圍內(nèi)，從整個研究區(qū)的下降值來看，其下降的最大值為0.23 m，平均值為0.15 m；模式二與基準(zhǔn)年相比，地下水位總體上有不同程度的上升，在東北和西北方向地下水水位的上升幅度大于1.3 m，剩余區(qū)域的上升值處于0.5～1.3 m范圍內(nèi)，總觀整個研究區(qū)的上升值，其上升的最高值為2.1 m，平均值為1.35 m。模式三與基準(zhǔn)年相比，地下水位總體上有不同程度的下降，大部分區(qū)域的下降值處于0.3 m，其他部分地區(qū)(東北方向)的下降值大于0.4 m，從整個研究區(qū)的下降值來看，其下降的最大值為0.8 m，平均值為0.35 m。經(jīng)過以上分析，三種模式與基準(zhǔn)年相比較，其研究區(qū)地下水位變化幅度的最大值分別為0.23 m(下降)，2.1 m(上升)，0.8 m(下降)。其中一方面原因是在研究區(qū)的灌排比不恰當(dāng)導(dǎo)致地下水位上升，即排堿渠等排水設(shè)施已經(jīng)取消，排水不暢；另一方面原因是灌溉量的加大，故在傳統(tǒng)溝灌模式的地下水位總體上有不同程度的上升。另外，導(dǎo)致地下水的入滲補給量減少的原因是灌溉用水量的減少，因此在高效節(jié)水灌溉模式下地下水位總體上有不同程度的下降。

4 討 論

根據(jù)研究區(qū)實際情況，瑪河流域平原區(qū)天然補給量不足20%，自然條件下的地下水位變化不大。通過對地下水系統(tǒng)分析，地下水補給量的減少是造成研究區(qū)每年地下水位下降嚴(yán)重的根本原因。從模擬結(jié)果可以看出，灌溉模式直接影響研究區(qū)地表水入滲補給量的大小。在模型構(gòu)建方面，把原本復(fù)雜的水文地質(zhì)條件進行了簡化，對模型精度有一定程度的影響。在模型的建立中，僅對研究區(qū)內(nèi)地下水位影響較大的地下水補給和排泄項進行了考慮，未考慮泉水出流排泄等其他各種補排項，對地下水位有一定影響。

總體而言，包氣帶模型計算結(jié)果與含水層模型的耦合可較好地模擬研究區(qū)地下水位變化情況，為尋求合理地灌溉模式及控制地下水位具有一定意義。

5 結(jié) 論

(1)運用Hydrus-1D和Visual Modflow4.2建立瑪河流域平原區(qū)包氣帶及含水層水分遷移轉(zhuǎn)變的數(shù)值模型，該模型的準(zhǔn)確性與合理性都比較高，模型得出的結(jié)構(gòu)和參數(shù)可被采用對整個研究區(qū)的地下水均衡量及水位進行預(yù)測。

(2)現(xiàn)狀年灌溉模式、傳統(tǒng)溝灌模式及高效節(jié)水灌溉模式到2020年和基準(zhǔn)年相比較，整個研究區(qū)地下水位變化幅度的最大值分別為0.23 m(下降)、2.1 m(上升)、0.8 m(下降)。從而表明新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團大面積推廣的膜下滴灌節(jié)水技術(shù)不僅能有效的節(jié)約內(nèi)陸干旱區(qū)的水資源，又能保證作物需水的要求，進而可以減少無效的潛水蒸發(fā)，并且能有效的降低小幅度變化的地下水位。