天山北麓地下水基于生態(tài)水位的調(diào)控模擬分析

尚海敏, 王文科, 段 磊, 霍傳英

(1.長安大學(xué) 旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點實驗室, 西安 710054;2.新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院, 烏魯木齊 830000)

天山北麓地下水基于生態(tài)水位的調(diào)控模擬分析

尚海敏1, 王文科1, 段 磊1, 霍傳英2

(1.長安大學(xué) 旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點實驗室, 西安 710054;2.新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院, 烏魯木齊 830000)

針對地下水資源可持續(xù)利用與表生生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展的問題，在對天山北麓野外調(diào)查及已有研究結(jié)果分析的基礎(chǔ)上得出細(xì)土平原區(qū)生態(tài)水位埋深為3～6 m。應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)對現(xiàn)狀及調(diào)整開采布局后地下水位引起的表生生態(tài)效應(yīng)進行對比，結(jié)果表明：現(xiàn)狀地下水資源開發(fā)布局不僅易誘發(fā)表生生態(tài)負(fù)效應(yīng)，而且造成了水資源浪費；通過調(diào)控地下水狀態(tài)可以實現(xiàn)地下水資源可持續(xù)利用與表生生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展的目的，并確定了不同地貌單元地下水開采閾值即山前戈壁帶、細(xì)土平原區(qū)和沙漠邊緣分別為7.3億m3/a，16.4億m3/a和2.4億m3/a。

地下水; 生態(tài)水位; 數(shù)值模擬; 天山北麓

中國西北內(nèi)陸干旱盆地脆弱的生態(tài)環(huán)境與地下水狀態(tài)關(guān)系密切，由于以往對水資源的不合理開發(fā)利用，忽略了地下水的生態(tài)屬性，導(dǎo)致“水質(zhì)礦化、植被退化、土壤荒化、生態(tài)惡化”的“四化”形勢日趨嚴(yán)峻[1-2]。近些年來，地下水狀態(tài)與生態(tài)環(huán)境的關(guān)系逐漸引起了人們的重視，主要體現(xiàn)在地下水引起生態(tài)效應(yīng)的機理[3-4]、評價指標(biāo)[5-6]與模型[7-8]等方面的研究。研究認(rèn)為旱區(qū)植被生態(tài)狀況與“地下水生態(tài)平衡埋深”密切相關(guān)[9]，與埋深、礦化度存在某些定量關(guān)系[10-11]，并可對地下水的生態(tài)埋深進行分級劃分[11-12]；王文科[13]在總結(jié)大量研究成果的基礎(chǔ)上提出了面向生態(tài)的地下水資源評價的理論與方法。這些研究雖然豐富了地下水資源的內(nèi)涵，彰顯了地下水的生態(tài)價值，但是仍是集中在小范圍或者理念上的研究，而對在區(qū)域尺度上如何調(diào)控地下水位以實現(xiàn)水資源開發(fā)、經(jīng)濟發(fā)展及生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的研究還比較少。

本文以地下水開發(fā)—生態(tài)環(huán)境響應(yīng)—地下水位調(diào)控為主線，以天山北麓為例，采用野外調(diào)查、水位動態(tài)觀測、數(shù)值仿真模擬的方法，分別對研究區(qū)現(xiàn)狀地下水開發(fā)方式和調(diào)控地下水位至適宜埋深進行了模擬、分析和對比，以期實現(xiàn)水資源可持續(xù)利用及表生生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展之目的。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處天山北麓，東起阜康甘河子，西至古爾圖河，南到天山山前，北抵沙漠邊緣(東經(jīng)83°50′—88°30′，北緯43°25′—45°20′)，為一東西長380 km、南北長80～150 km的狹長區(qū)域，面積共約3.47萬km2。氣候?qū)俦卑肭蛑袦貛Т箨懶愿珊怠敫珊禋夂騾^(qū)，蒸發(fā)量遠大于降水量，河流皆為發(fā)源于山區(qū)的內(nèi)陸河流。地形由南東向北西傾斜，地貌由山區(qū)—丘陵—山麓傾斜平原—沖、湖積平原—沙漠漸次過渡，形成有次序的帶形交替。水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出明顯分帶性，即：山區(qū)垂向交換帶→丘陵區(qū)徑流帶→沖洪積扇垂向交替帶→細(xì)土平原水平徑流帶→沙漠區(qū)消耗帶，地下水具有完整的補給—徑流—排泄系統(tǒng)。

2 表生生態(tài)與地下水位的關(guān)系

干旱地區(qū)的地下水位埋深直接影響著地表植被演替、土地鹽漬化與荒漠化進程，從而影響著表生生態(tài)環(huán)境。在地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造等條件影響下，地下水生態(tài)水位是一個隨時空變化的函數(shù)，其上、下限在不同區(qū)域有不同內(nèi)涵。合理的地下水生態(tài)水位能夠滿足生態(tài)環(huán)境要求，不會造成生態(tài)環(huán)境的惡化；當(dāng)?shù)叵滤裆钶^淺，則蒸發(fā)強烈、土壤鹽分積累，發(fā)生土壤鹽漬化；當(dāng)?shù)叵滤裆钶^深，則土壤水分不足，植被退化、土地荒漠化等問題也隨之出現(xiàn)。從天山北麓山區(qū)到沙漠邊緣表生生態(tài)隨地下水位埋深的演化模式來看，地下水位埋深的小幅度波動將會造成表生生態(tài)的深刻變化。通過野外調(diào)查并結(jié)合前人研究成果[11-13]，得出細(xì)土平原區(qū)地下水位最佳埋深為3～6 m，小于3 m時地表將出現(xiàn)鹽漬化，6～7 m出現(xiàn)輕度沙化，大于8 m將產(chǎn)生嚴(yán)重沙化。

3 地下水位調(diào)控模擬及分析

3.1 地下水流數(shù)值模擬

研究區(qū)山前戈壁帶是由巨厚松散的卵礫石和砂礫石組成的單一含水層，細(xì)土平原區(qū)主要由粗砂、中細(xì)砂和粘性土重復(fù)疊置組成，地下水屬于松散巖類孔隙水，總體上呈線性流動狀態(tài)。區(qū)內(nèi)地下水接受降雨、河流、水庫等滲漏的補給后，向中、深部徑流，最后排泄于湖泊或以側(cè)向徑流、蒸發(fā)蒸騰、泉的形式排泄。本區(qū)地下水流的三維特征顯著，因此需建立非均質(zhì)三維非穩(wěn)定流模型來刻畫。基于非均質(zhì)流體的線性動量守恒方程[14]，研究區(qū)地下水流方程表示如下：

式中：D——滲流區(qū)域；H——地下水位(m)；K——滲透系數(shù)(m/d)；Ss——儲水率(1/d)；μ——潛水面上的重力給水度；W——垂向上補排量強度的綜合[m2/(d·m2)]；H0——初始地下水位(m)；Γ1，Γj——一及二類邊界；qj——二類邊界的單寬流量[m2/(d·m)]；n——二類邊界的法線方向；Qi——第i口井的抽水量(m3/d)；δi——第i口井的狄拉克函數(shù)。

考慮到研究區(qū)內(nèi)2003年10月至2008年11月的觀測孔、開采量等資料較為系統(tǒng)，即選取這一時段，以區(qū)內(nèi)數(shù)十個觀測孔地下實測水位與末時刻統(tǒng)測流場作為擬合對象進行模型識別與驗證。擬合誤差統(tǒng)計見表1，可以看出模型計算水位與實測水位差值小于0.5 m的節(jié)點為74%，計算流場與統(tǒng)測流場整體擬合程度較好，說明所建立的地下水流模型較好地模擬了天山北麓地下水運移特征，合理地反映了地下水運移規(guī)律，具有很高的仿真性。

表1 模型識別驗證期觀測孔殘差分析表

3.2 地下水位調(diào)控模擬

3.2.1 現(xiàn)狀條件下水位預(yù)測 根據(jù)識別驗證后的模型，可對研究區(qū)地下水位在現(xiàn)狀開發(fā)方式下的動態(tài)變化做出預(yù)測，預(yù)測時限為2008年11月至2020年12月。相對于現(xiàn)狀年，2020年不同地貌單元地下水位變幅及地下水位埋深面積統(tǒng)計如圖1所示。可以看出：山前戈壁帶地下水位呈下降態(tài)勢，降幅5～23 m；細(xì)土平原區(qū)地下水位總體呈上升態(tài)勢，升幅1.2～6.5 m；沙漠邊緣地下水位呈下降狀態(tài)，降幅0.3～2.5 m。

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因主要是山前戈壁帶人工渠道大量引水和提高渠系利用率，造成天然河道輸水不足，河流滲漏量減少，地下水補給不足，從而引起地下水位持續(xù)下降；細(xì)土平原由于大量引用地表水灌溉農(nóng)田，地下水開采不足，水位總體呈上升態(tài)勢，誘發(fā)土壤鹽漬化；沙漠邊緣由于上游大量引用地表水造成下游供水不足，過度開發(fā)地下水引起水位下降。

這一變化在地下水位埋深面積統(tǒng)計圖上有更為直觀的反映：至2020年，具有適宜生態(tài)水位及喬灌木正常生長水位的區(qū)域面積占全區(qū)面積的13.8%，比現(xiàn)狀減少8.1%，主要分布在山前溢出帶、蔡家湖及129團場等地區(qū)，呈條狀分布；易誘發(fā)土壤次生鹽漬化的水位埋深面積占全區(qū)面積的20.3%，比現(xiàn)狀增加2.4%，主要分布在細(xì)土平原灌區(qū)和水庫附近；易出現(xiàn)輕度沙化的水位埋深面積為占全區(qū)面積的16.1%，比現(xiàn)狀增加2.5%；易引起土地嚴(yán)重沙化的水位埋深面積占全區(qū)面積的49.8%，比現(xiàn)狀增加3.2%，主要分布于戈壁帶及沙漠邊緣地帶。

圖1 現(xiàn)狀條件下水位變幅及埋深面積統(tǒng)計

現(xiàn)狀條件下2020年地下水開采量為21.8億m3/a，蒸發(fā)量為10.1億m3/a。蒸發(fā)量比現(xiàn)狀年增加了15.7%，這是由細(xì)土平原區(qū)地下水位上升，水位埋深低于極限蒸發(fā)深度導(dǎo)致的。這說明現(xiàn)狀水資源開發(fā)布局存在明顯的不合理性，不僅易誘發(fā)表生生態(tài)負(fù)效應(yīng)，而且導(dǎo)致了地下水質(zhì)礦化和水資源浪費。

3.2.2 基于生態(tài)水位的調(diào)控模擬 為了維持合理生態(tài)水位，避免表生生態(tài)負(fù)效應(yīng)，最適合的水位調(diào)控方法就是調(diào)整地下水開采量。以現(xiàn)狀資料作為模型輸入，在地下水位適宜埋深的約束條件下，通過調(diào)整水資源開采布局即減少山前地表水引用量，增加細(xì)土平原區(qū)地下水開采量，模擬了2008年11月至2020年12月地下水動力場的演化過程。相對于現(xiàn)狀年，2020年不同地貌單元地下水位變化情況及水位埋深面積統(tǒng)計如圖2所示。可以看出：山前戈壁帶地下水位有所上升，升幅0.4～8 m；細(xì)土平原區(qū)除水庫附近外，地下水位埋深基本控制在3～6 m之間；沙漠邊緣地下水位有所回升，升幅0.2～1.2 m。

由圖2可知至2020年，具有適宜生態(tài)水位及喬灌木正常生長水位的區(qū)域面積占總面積的32.1%，比現(xiàn)狀增加10.2%，多分布于山前溢出帶及細(xì)土平原區(qū)，呈片狀分布；易誘發(fā)土壤次生鹽漬化的水位埋深面積占總面積的11.4%，比現(xiàn)狀減少6.4%，多分布于細(xì)土平原區(qū)水庫附近；易出現(xiàn)輕度沙化的水位埋深面積為占全區(qū)面積的12.5%，比現(xiàn)狀減少1.1%；易引起土地嚴(yán)重沙化的水位埋深面積占總面積的43.9%，比現(xiàn)狀減少2.7%，主要分布于戈壁帶及沙漠邊緣地帶。

圖2 基于生態(tài)水位的水位變幅及埋深面積統(tǒng)計

通過調(diào)控地下水位，山前戈壁帶、細(xì)土平原區(qū)和沙漠邊緣地下水開采閾值分別為7.3億m3/a，16.4億m3/a和2.4億m3/a，開采總量比現(xiàn)狀年開采量增加了4.3億m3/a，增加的開采量主要來自于奪取潛水的無效蒸發(fā)量。可見調(diào)整地下水開采布局使地下水位埋深至適宜范圍內(nèi)，不僅可以促進表生生態(tài)向良性方向發(fā)展，還提高了水資源利用效率，能夠?qū)崿F(xiàn)水資源的可持續(xù)利用與表生生態(tài)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

4 結(jié) 論

(1) 天山北麓地下水位埋深與地表生態(tài)關(guān)系密切，地下水位埋深直接影響著植被演替、土壤鹽漬化及荒漠化程度。

(2) 天山北麓現(xiàn)狀水資源開發(fā)方式存在不合理性，易誘發(fā)表生生態(tài)負(fù)效應(yīng)和水資源浪費。通過調(diào)控地下水位至適宜埋深能夠?qū)崿F(xiàn)水資源可持續(xù)利用與表生生態(tài)的協(xié)調(diào)發(fā)展，此時山前戈壁帶、細(xì)土平原區(qū)和沙漠邊緣地下水開采閾值分別為7.3億m3/a，16.4億m3/a和2.4億m3/a，開采總量比現(xiàn)狀年開采量增加了4.3億m3/a，提高了水資源利用率。

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SimulationonGroundwaterRegulationBasedonEcologicalWaterTableintheNorthernFootofTianshanMountain

SHANG Hai-min1, WANG Wen-ke1, DUAN Lei1, HUO Chuan-ying2

(1.KeyLaboratoryofSubsurfaceHydrologyandEcologyinAridAreas,MinistryofEducation,Chang′anUniversity,Xi′an710054,China; 2.InstituteofGeologicalEnvironmentMonitoring,XinjiangUygurAutonomousRegion,Urumqi830000,China)

To coordinate development between sustainable utilization of groundwater resources and supergene ecology, ecological water depth was drawn from 3 m to 6 m based on field survey and previous achievements. In the current and regulated exploitation of groundwater resources, potential ecological effects induced by water-level fluctuations were compared and analyzed by numerical simulation. Results of this study indicated that negative effects of supergene ecology had been not only induced in the current exploitation of groundwater resources, but also lots of water resources had been wasted. Furthermore, the coordinated development could be achieved by regulating groundwater status. The calculated threshold values of groundwater exploitation were 0.73 billion m3/a, 1.64 billion m3/a and 0.24 billion m3/a in the piedmont Gobi, alluvial plain and desert edge, respectively.

groundwater; ecological water table; numerical simulation; northern foot of Tianshan Mountain

2014-05-14

：2014-07-22

國土資源部公益性行業(yè)科研專項(200911004)

尚海敏(1983—),女,遼寧沈陽人,博士研究生,主要從事地下水循環(huán)與合理開發(fā)利用的研究。E-mail:shanghm1983@126.com

王文科(1962—),男,陜西岐山人,教授,博士,主要從事地下水資源合理開發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護的研究。E-mail:wenkew@chd.edu.cn

X143

：A

：1005-3409(2014)06-0144-04