甘州區農業灌溉深層地下水開采量計量探討

趙文雅

（張掖市甘州區西干渠水利管理所，甘肅 張掖 734000）

1 區域概況

甘州區地處張掖盆地中部，位于黑河流域，東與民樂永固隆起相連，西接榆木山隱伏構造，南北分別以祁連山和龍首山為界，區域地勢由東南向西北傾斜，地勢平坦，南部呈典型的山前沖洪積戈壁平原地貌。黑河流域及支流橫貫全區，區域內為溫帶大陸性干燥氣候，降水稀少，蒸發強烈。甘州區處在張掖盆地內黑河沖洪積平原首個地下水循環帶，地表下與地下水轉化頻繁，富集于第四系中上更新統的地下水主要為第四系松散巖類孔隙水類型。大部分地下水在烏江以北儲線處以泉水形式外溢并轉化為河水匯入黑河，少量地下水繼續流動并最終泄滲于黑河河床。區域內地下水總補給量中有65%左右來自河渠水入滲，地下水排泄途徑主要為徑流側向流出、泉水溢出、人工開采。

2 過程及結果分析

2.1 研究方法及原理

采用最基本、最常用的水量均衡法進行甘州區農業灌溉深層地下水開采水量的計算。水量均衡法可以用于對項目區一定時段內地下水補給量、儲存量及排泄量等數量轉化關系的研究，并通過均衡計算，求得地下水運行開采量，也可以用于其他水量計算結果準確性的驗證方面[1]。

按照水量均衡法基本原理，對于任一均衡區內含水層系統，其任意時段（Δt）的補給量與排泄量之差恒與含水層系統內水體積變動量相等，即:

式中:Q補為含水層系統的總補給量，m3/d；Q排為含水層系統總排泄量，m3/d；μ為重力給水度；μ*為彈性釋水系數；Δh為任一時段（Δt）內均衡區水頭變化均值，m；F為均衡區含水層系統分布面積，m2。

由式（1）可知，為保持均衡區地下水資源的可持續開采，必須加強對地下水允許開采量的控制，即:

對于具體灌區而言，應在均衡區內均衡項目分析的基礎上，確定出區域內所截取的水量排泄量（Q排）和開采補給量（Q補），兩者之和即為區域內地下水允許開采量。排泄量（Q排）和補給量（Q補）的構成較為復雜，但對于具體區域而言，其構成項目并非為全部均衡項目。甘州區地處西北干旱氣候下的沖洪積扇區域，降水稀少，蒸發強烈，降水入滲補給幾乎為零，由于山前基巖裂隙不發育，側向流入補給也可忽略不計。對于單一砂卵礫石層含水層并無越流補給及各種人工補給，地下水補給量主要由山區河水入滲補給（Q河滲）構成，地下水位因開采而降低后排泄項中蒸發量（Q蒸發）、溢出量（Q溢出）都減小為零，此時，水均衡方程可簡寫為:

所允許最大開采量按下式確定:

綜上可知，采用水量均衡法進行甘州區農業灌溉深層地下水開采量計量的關鍵是準確確定河流入滲補給量。

2.2 地下水埋深與河流入滲補給量關系

河流入滲補給取決于飽和含水量與田間持水量之差，其通常通過庫容量與深度變化累積曲線（圖1中曲線Ⅰ）反映。此外，河流入滲補給還取決于隨地下水埋深變化的入滲水量沿程損失，用田間持水量與含水量實際值之差表示，即圖1中曲線Ⅱ。

圖1 地下水埋深與河流入滲補給量關系圖

當地下水埋深為0時，河流入滲補給量也為0，在地下水埋深逐漸增加的過程中，河流入滲補給量開始沿著曲線Ⅰ增加。重力水庫容和入滲水量相交點處的埋深為地下水最佳埋深，此后隨埋深的繼續增大，庫容持續增加，但因可入滲水量的限制，河流入滲量沿曲線Ⅱ逐漸減小，最終趨于穩定狀態。

在某種特定條件下，降水入滲補給量隨地下水埋深的變化曲線上，入滲量最大時的地下水埋深即為地下水最佳埋深。基于對地下水埋深與河流入滲補給量關系分析并結合甘州區降水量與地下水埋深情況可以看出，降水量小的年份，最佳埋深較小；降水量大的年份，最佳埋深大；多年平均綜合線的最佳埋深，小降水年份不起作用,主要由大降水、大入滲年份所形成。對甘州區降水量與地下水埋深資料分析，最佳埋深在3 m,主要是由1997年大水年份形成的。

甘州區農業灌溉用水量與地下水埋深之間的關系研究較為復雜，為準確得到用水量對地下水埋深的影響系數，必須選用恰當的統計方法剔除水文、地質、環境、人為等方面的影響因素后進行定量分析，為簡化分析，本文暫不考慮農業灌溉用水量與地下水埋深之間的關系。

2.3 研究過程及結果分析

2.3.1 均衡區的劃分

根據農業灌溉深層地下水開采量計量的目的和要求，以天然地下水系統邊界所圈定的范圍作為甘州區地下水資源評價的均衡區。甘州區灌溉深層地下水開采量計量均衡區人為劃分以地下水交換量容易確定的邊界為依據。對于面積大且水文要素復雜的均衡區，均衡要素之間存在較大差別，還應根據含水層介質成因及地下水類型進一步分區。甘州區地下水位計量分區見圖2。

圖2 甘州區地下水位計量分區

2.3.2 均衡期的確定

地下水資源量隨時間、空間等坐標的變化而變化，呈明顯的四維特征，所以進行甘州區農業灌溉深層地下水水量均衡計算時還應根據水量評價目的、評價要求及資料情況等確定時間段。本文以大水文周期（1995年～2004年和2004年～2015年）作為研究的均衡期，并以水文年為單位進行水量逐年計算，再以均衡期內總水量進行平衡計算。

2.3.3 均衡要素的確定

通過均衡區周邊和垂向邊界流入及流出的水量項均屬于地下水開采量計量的均衡要素，進入均衡區的水量項屬于補給項，流出的水量項則為排泄項。首先確定天然條件下甘州區農業灌溉深層地下水補給項和排泄項，再進行可開采條件下開采補給量與截取排泄量的量化分析，并由此建立地下水均衡方程。將均衡要素帶入地下水均衡方程中，求出補給量與排泄量之差值，并進行其是否與地下水儲量變化相符的驗證，若不相符，應調整均衡項再次驗證，直至方程平衡[2]。選取甘州區多年水均衡調節的地下水埋深、水均衡調節的地下水變幅為主要均衡要素，變動趨勢見圖3。

圖3 不同分區地下水埋深及降幅對比

表1 甘州區農業灌溉用水多年水均衡調節計算結果

2.3.4 結果分析

根據甘州區多年的動態觀測資料，先確定各年來水量（補給量）和計劃用水量（排泄量），由于農業灌溉用水在枯水年用水量多，豐水年用水量少，所以水量調節不應按原時間序列的次序，而應將枯水年地下水位確定為起調水位。此處以2004年～2005年為起調年，2015年后再接1995年～1996年。根據來水量（補給量）和來用水量差，進行水位變化幅度的計算，由于旱季甘州區農業灌溉用水量較大，年內地下水開采將會使地下水儲量產生水位變動，所以表1中年水均衡調節要求的地下水埋深應為多年水均衡調節的地下水埋深和水均衡調節的地下水變幅之和。

根據甘州區多年農業灌溉用水調節結算結果，就現有的水文觀測周期而言，大多年份地下水補給量嚴重不足，用水量遠遠超出來水量，地下水位下降，地下水位埋深最大為1999年～2000年的9.22 m，最小為2003年～2004年的4.50 m，這表明，按照多年水均衡進行調節，農業灌溉用水水量是有保證的。

3 結論

綜上所述，當前農業灌溉地下水開采量數據通常來自調查與估算，而利用水量均衡法所測算的農業灌溉地下水開采量基礎數據扎實，計算結果精度高，具有很強的實用性。由于甘州區地下水位差別較小，在進行農業灌溉用水量計量時將該行政區作為一個水位區進行計量，分析結果表明:對地下水埋深與河流入滲補給量關系分析并結合甘州區降水量與地下水埋深情況可以看出，降水量小的年份，最佳埋深較小；降水量大的年份，最佳埋深大；多年平均綜合線的最佳埋深，小降水年份不起作用，主要由大降水、大入滲年份所形成。甘州區年水均衡調節要求的地下水埋深為多年水均衡調節的地下水埋深和水均衡調節的地下水變幅之和，雖然大多水文年份地下水補給量嚴重不足，但按照多年水均衡進行調節，農業灌溉用水水量是有保證的。