準噶爾盆地重點地段地下水可持續(xù)開采方案分析

霍傳英 王文科 尚海敏（新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院烏魯木齊830000長安大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院西安710000）

準噶爾盆地重點地段地下水可持續(xù)開采方案分析

霍傳英①王文科②尚海敏②
（①新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院烏魯木齊830000②長安大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院西安710000）

準噶爾盆地南緣水資源開發(fā)已經(jīng)出現(xiàn)部分地區(qū)地下水位持續(xù)下降、地下水質(zhì)惡化和生態(tài)環(huán)境惡化等問題，針對水資源開發(fā)存在的問題，依據(jù)區(qū)內(nèi)水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀，并結(jié)合近期和遠期的經(jīng)濟發(fā)展和水資源開發(fā)利用規(guī)劃，提出了水資源優(yōu)化方案的原則，編制了兩大類四個地下水開采方案。通過對四個地下水開采方案的模擬及對比分析，確定了第四個方案為最優(yōu)化可持續(xù)開采方案。

地下水可持續(xù)開采方案分析

隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略部署的實施，新疆經(jīng)濟得到迅速發(fā)展，尤其是準噶爾盆地南緣天山北坡經(jīng)濟帶，因此對水資源的需求量也在不斷加大，目前準噶爾盆地南緣水資源開發(fā)已經(jīng)出現(xiàn)部分地區(qū)地下水位持續(xù)下降、地下水質(zhì)惡化和生態(tài)環(huán)境惡化等問題，針對水資源開發(fā)存在的問題，提出了水資源優(yōu)化方案的原則，編制了不同的水資源預(yù)測方案，并通過對不同水資源預(yù)測方案的模擬，達到對地下水水量和水位進行預(yù)測預(yù)報的目的。

1 數(shù)值模擬區(qū)的范圍

數(shù)值模擬區(qū)的范圍東起阜康甘河子，西至古爾圖河；南到天山北麓山前，北抵沙漠邊緣，地理坐標：東經(jīng)83°50′～88°30′，北緯43°25′～45°20′，面積共約3.46×104km2。模擬區(qū)是天山北麓準噶爾盆地水資源開發(fā)利用的重點區(qū)域和經(jīng)濟最發(fā)達的地區(qū)，水資源開發(fā)利用量占全盆地的69%，所以選擇該地區(qū)作為數(shù)值模擬區(qū)對分析區(qū)內(nèi)地下水與環(huán)境演化、評價可持續(xù)利用的地下水資源具有重要的理論和實際意義。

2 模型區(qū)水資源開發(fā)存在的問題

準噶爾盆地的地下水開采規(guī)模隨著區(qū)內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展而增大，尤其天山北麓地區(qū)，進入80年代以來地下水開采量隨著西部農(nóng)業(yè)大開發(fā)的實施急劇猛增，改變了水資源的時空分配，開發(fā)利用水資源的不盡合理使得天山北麓經(jīng)濟帶的地質(zhì)環(huán)境發(fā)生了較大變化，改變了天然狀態(tài)下的地下水流場（流向和水力坡度），產(chǎn)生一系列環(huán)境問題，主要表現(xiàn)在區(qū)域地下水水位下降、泉水枯竭，溢出帶北移、湖面面積縮小，鹽化、地下水水質(zhì)惡化、天然植被退化、土地荒漠化等主要環(huán)境地質(zhì)問題。

3 地下水開采方案設(shè)計

根據(jù)區(qū)內(nèi)水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀，結(jié)合近期和遠期的經(jīng)濟發(fā)展和水資源開發(fā)利用規(guī)劃，制定模型預(yù)測方案為兩大類四個亞類。

第一大類方案（代號A）是對現(xiàn)狀水利工程條件下地下水系統(tǒng)的預(yù)測模擬。該方案下分別設(shè)計三個亞方案。第一亞方案（代號A1）是保持現(xiàn)狀水利工程不變，模擬現(xiàn)狀條件下水資源開發(fā)利用和人類活動對地下水系統(tǒng)影響，分析現(xiàn)狀條件下水資源開發(fā)利用中存在的問題，為制定水資源合理開發(fā)利用奠定基礎(chǔ)；第二亞方案（代號A2）是在A1方案的基礎(chǔ)上，在保持區(qū)內(nèi)地質(zhì)生態(tài)環(huán)境良性發(fā)展的前提下，模擬評價區(qū)內(nèi)地下水可采資源量；第三亞方案（代號A3）在保持現(xiàn)狀水利工程下，在保持區(qū)內(nèi)地質(zhì)生態(tài)環(huán)境良性發(fā)展的前提下，考慮農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉推廣和渠系利用系數(shù)提高后，模擬地下水系統(tǒng)水動力場的演化，評價地下水資源的變化。

第二大類方案（代號B）是考慮水利工程實施后對模型區(qū)內(nèi)地下水系統(tǒng)的影響。由于工作范圍包括國際河流額爾齊斯河，考慮到國際影響方面的問題，所以新疆水利廳不提供新疆“十一五”和“十二五”水資源開發(fā)利用規(guī)劃，只收集到引額濟烏的分水量，根據(jù)2008年和2009年新疆維吾爾自治區(qū)水資源公報，全疆GDP2009年比2008年增速了7%，全疆用水量增加了0.5%。由于模型區(qū)阜康至烏蘇市是新疆主要經(jīng)濟發(fā)展區(qū)，尤其是未來20年內(nèi)，該區(qū)將成為新疆的主要工農(nóng)業(yè)發(fā)展區(qū)，GDP增長速度將遠遠超過全疆GDP平均增速，所以模型區(qū)用水量以2009年用水量（37.32億方）為基數(shù)，每年按2%增量計算，可得2015年需水量比2009年將增加4.71億方，依據(jù)近期（2015年）水資源規(guī)劃需增加地表水3.2億方，因此還需增加開采地下水1.51億方；2020年需水量比2009年將增加9.08億方，依據(jù)遠期（2020年）水資源規(guī)劃需增加地表水3.2億方，因此還需要增加開采地下水2.78億方。該方案中采用“500工程”引水量進行農(nóng)田灌溉，置換區(qū)內(nèi)山前現(xiàn)有引水工程灌溉水量，將山前部分引水量輸入天然河道，增加山前戈壁帶河流滲漏量，涵養(yǎng)區(qū)內(nèi)地下水；同時在保證2015年、2020年增加1.51億方、2.78億方的地下水開采量及“500工程”實施后區(qū)內(nèi)增加渠系入滲量的情況下，模擬地下水動力場變化，評價地下水資源量。

4 地下水開采方案的模擬

⑴現(xiàn)狀開采條件下的預(yù)測預(yù)報。現(xiàn)狀開采條件下的預(yù)測預(yù)報就是A1亞方案，主要模擬現(xiàn)狀水資源開采方式下，地下水動力場的變化，評價現(xiàn)狀水資源開發(fā)的合理性及存在問題。以2004年9月底實測流場為初始流場，預(yù)測時限為2004年10月～2020年12月。

①地下水位動態(tài)預(yù)報分析。在現(xiàn)狀開采條件下，與2008年相比，除瑪納斯河流域戈壁帶地下水位略有回升外，戈壁帶潛水、沙漠邊緣地下水及大部分地區(qū)淺層及中層承壓水的水位均呈下降狀態(tài)；細土平原區(qū)地下水位除阜康泄出帶附近下降外，其它地區(qū)均呈上升態(tài)勢。至2015年潛水和淺層承壓水位降深最大分別為8.59 m和13.1 m，到2020年潛水和淺層承壓水水位降深分別達到12.89 m和16.8 m。在原米泉市所屬的四個鎮(zhèn)、烏蘇縣、獨山子水源地等地地下水水位降幅較大；淺、中層承壓水在芳草湖111團灌區(qū)、105團灌區(qū)及五家渠灌區(qū)的降落漏斗有擴大的趨勢(圖1、圖2)。 m3，地下水總排泄量呈逐年上升趨勢，至2020年，達到37.45×108m3，大于補給量，均衡差為-2.81×108m3(表1)，維持現(xiàn)狀開采，地下水系統(tǒng)不可能達到穩(wěn)定狀態(tài)，必然消耗地下水儲存量，從而造成地下水位的下降。

圖2 A1方案不同含水層不同年份的流場圖

表1 A1方案不同年份與2008年地下水均衡結(jié)果對比表104m3∕a

⑵A2方案—保持現(xiàn)狀水利工程不變，維持地質(zhì)生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)的可采資源量計算。保持現(xiàn)狀水利工程不變，維持區(qū)內(nèi)地質(zhì)生態(tài)環(huán)境良性發(fā)展的條件下，模擬地下水動力場變化，計算地下水可開采量。其地下水可開采量模擬準則是調(diào)控地下水位，使戈壁帶和沙漠區(qū)出現(xiàn)穩(wěn)定，或出現(xiàn)回升，而使細土平原區(qū)地下水位埋深調(diào)控在3～5 m，并且使水位達到穩(wěn)定，地下水系統(tǒng)基本處于均衡狀態(tài)，此時開采量可以視為區(qū)內(nèi)現(xiàn)狀開發(fā)條件下地下水可開采資源量。

①地下水位動態(tài)預(yù)報分析。在調(diào)整地下水開采布局以維持區(qū)內(nèi)地質(zhì)生態(tài)環(huán)境良性發(fā)展的條件下，與2008年相比，戈壁帶潛水到2020年最大水位降深為11.4 m，與A1方案相比無論是上升還是下降都有所改善并出現(xiàn)穩(wěn)定趨勢；細土平原區(qū)溢出帶和中北部灌區(qū)地下水位基本調(diào)控為3～5 m，水位出現(xiàn)穩(wěn)定；沙漠區(qū)地下水均有回升，這對抑制沙漠?dāng)U大具有一定的意義。淺、中層承壓水在芳草湖111團、105團及五家渠灌區(qū)的降落漏斗總體保持穩(wěn)定（圖3、圖4）。35.58×108m3，大于補給量，均衡差為-8.1×108m3(表2)，相對誤差約為2.3%，地下水系統(tǒng)基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，可以維持23.92×108m3的開采量。

圖3 山前戈壁帶觀測孔水位歷時曲線圖

圖4 A2方案不同含水層不同年份的流場圖

表2 A2方案不同年份與2008年地下水均衡結(jié)果對比表104m3∕a

⑶農(nóng)田節(jié)水條件下的預(yù)測預(yù)報。A3方案—現(xiàn)狀水利工程不變，農(nóng)田節(jié)水條件下的可采資源量計算。保持現(xiàn)狀水利工程不變，灌溉定額和渠系滲漏量減少50%的情況下，在維持區(qū)內(nèi)地質(zhì)生態(tài)環(huán)境良性發(fā)展的前提下，模擬地下水動力場變化，計算地下水可開采量。其地下水可開采資源準則是調(diào)控地下水位，使戈壁帶和沙漠區(qū)出現(xiàn)穩(wěn)定或稍有回升、細土平原區(qū)地下水位埋深小于3 m區(qū)將地下水位調(diào)控在3～5 m以內(nèi)，地下水系統(tǒng)基本處于均衡狀態(tài)。

①地下水位動態(tài)預(yù)報分析。在農(nóng)業(yè)節(jié)水條件下，與2008年相比，2015和2020年戈壁帶部分地區(qū)地下水位出現(xiàn)一定幅度的上升，部分地區(qū)地下水位還處于下降狀態(tài)（圖5和圖6），但各區(qū)地下水位均趨于穩(wěn)定。至2015年水位上升幅度最大為17.7 m，至2020年上升幅度最大為18.7 m，主要分布在烏魯木齊縣宣仁墩一帶。

在節(jié)水條件下，從地下水位降速場來看，受引水渠道滲漏量、田間節(jié)水灌溉引起地下水補給量減少等因素的影響，區(qū)內(nèi)地下水位與同期A2亞方案相比，水位上升區(qū)的水位上升幅度要小，如山前戈壁帶水位上升幅度比A2亞方案幅度減小0.75～8 m；沙漠邊緣上升幅度減小0.25～1 m。但各區(qū)地下水位均基本達到穩(wěn)定。地下水梯度場未出現(xiàn)異常。而2015年和2020年泉水泄出量與2008年相比，減少了約0.76×108m3∕a，泉水排泄量維持在現(xiàn)狀的最低水平。淺、中層承壓水在芳草湖111團、105團及五家渠灌區(qū)的降落漏斗。

圖5 山前戈壁帶觀測孔地下水位歷時曲線圖

圖6 A3方案不同含水層不同年份的流場圖

⑷引水工程實施后的預(yù)測預(yù)報。第二大類方案（代號B）是考慮水利工程實施后對模型區(qū)內(nèi)地下水系統(tǒng)的影響。

該方案中采用“500工程”引水量進行農(nóng)田灌溉，置換區(qū)內(nèi)山前現(xiàn)有引水工程灌溉水量，將山前部分引水量輸入天然河道，增加山前戈壁帶河流滲漏量，涵養(yǎng)區(qū)內(nèi)地下水；同時在保證2015年、2020年增加1.51億方、2.78億方的地下水開采量及“500工程”實施后區(qū)內(nèi)增加渠系入滲量的情況下，模擬地下水動力場變化，評價地下水資源量。

①地下水位動態(tài)預(yù)報分析。引水工程實施后，與2008年相比，到2015和2020年，大部分地區(qū)地下水位出現(xiàn)一定幅度的上升，有部分地區(qū)地下水位還處于下降狀態(tài)（圖7、圖8），但地下水位總的發(fā)展趨勢是基本趨于穩(wěn)定。至2015年水位上升幅度最大為19 m，最大下降幅度為-21.5 m，至2020年上升幅度最大為33 m，最大下降幅度為-23.1 m。

②地下水系統(tǒng)均衡預(yù)報分析。引水工程實施后，2015年總補給量為37.99×108m3，總排泄量為37.30× 108m3，均衡差為0.69×108m3；2020年總補給量為39.72×108m3,總排泄量為39.61×108m3,均衡差為0.11× 108m3（表4）,地下水系統(tǒng)處于正均衡,泉水流量基本維持在2004年最低水平上，同時，在維持區(qū)內(nèi)地質(zhì)生態(tài)良性發(fā)展的情況下2015年增加的1.51×108m3開采量和2020年增加的2.78×108m3開采量是有保證的。

表3 A3方案不同年份與2008年地下水均衡結(jié)果對比104m3∕a

圖7 山前戈壁帶潛水觀測孔水位歷時曲線圖

圖8 B方案不同含水層不同年份的流場圖

表4 B方案不同年份與2008年地下水均衡結(jié)果對比表104m3∕a

5 四種地下水開采方案模擬結(jié)果對比分析

⑴保持現(xiàn)狀水利工程和現(xiàn)狀開采狀態(tài)下，地下水總補給量基本維持穩(wěn)定，約為34.64×108m3，地下水總排泄量呈逐年上升趨勢，至2020年，達到37.45× 108m3，大于補給量，均衡差為-2.81×108m3，維持21.87×108m3現(xiàn)狀開采量，必然消耗地下水儲存量，從而造成地下水位的下降，從而誘發(fā)了地質(zhì)生態(tài)環(huán)境負效應(yīng)。

⑵在保持現(xiàn)狀水利工程不變的條件下，以維持模擬區(qū)地質(zhì)生態(tài)環(huán)境良性發(fā)展為前提，在地表水與地下水聯(lián)合開發(fā)的原則下，通過對現(xiàn)狀水資源開發(fā)方式中地下水開采布局調(diào)整（即減小山前戈壁帶地下水開采，增大細土平原泄出帶及中北地帶地下水開采），模擬區(qū)地下水可開采資源量為23.92×108m3∕a，無論從水均衡還是降速場與梯度場變化來看，均符合區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)的指標約束條件，評價的23.92×108m3∕a的開采量有保證，可作為區(qū)內(nèi)現(xiàn)狀水利工程條件下地下水可開采資源量。

⑶在保持現(xiàn)狀水利工程不變的條件下，考慮農(nóng)田節(jié)水技術(shù)推廣使灌溉定額和渠系滲漏量減少50%，以維持模擬區(qū)地質(zhì)生態(tài)環(huán)境良性發(fā)展為前提，在地表水與地下水聯(lián)合開發(fā)的原則下，通過對現(xiàn)狀水資源開發(fā)方式中地下水開采布局調(diào)整（即減小山前戈壁帶地下水開采，增大細土平原泄出帶及中、北地帶地下水開采），模擬區(qū)地下水可開采資源量為18.37×108m3∕a，無論從水均衡還是降速場與梯度場變化來看，均符合區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)的指標約束條件，評價的18.37×108m3∕a的開采量有保證，可作為上述條件下地下水可開采資源量。同時與現(xiàn)狀年相比，地表水利用量可減少6.93×108m3∕a，節(jié)余的地表水可用于補充下游濕地或湖泊以及河道生態(tài)需水的不足，對提高水資源的利用率，改善生態(tài)環(huán)境具有重要的意義。

⑷在“500工程”實施后，用“500工程”引水量置換原山前河流引水量用于灌溉，增加渠系入滲量和戈壁帶河流滲漏量，同時調(diào)整開采布局以保證模型區(qū)2015、2020年增加的地下水開采量分別為1.51、2.78億方，通過模擬地下水系統(tǒng)處于正均衡,泉水流量基本維持在2004年最低水平上，同時，在維持區(qū)內(nèi)地質(zhì)生態(tài)良性發(fā)展的情況下2015年增加的1.51億方開采量和2020年增加的2.78億方開采量是有保證的。

[1]新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院.新疆烏魯木齊監(jiān)測區(qū)地下水動態(tài)監(jiān)測五年報告.2006～2010.

[2]昌吉州地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測站.新疆維吾爾自治區(qū)昌吉—石河子地區(qū)地下水動態(tài)監(jiān)測五年報告.2006～2010.

[3]塔城地區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測站.新疆維吾爾自治區(qū)奎屯—烏蘇監(jiān)測區(qū)地下水動態(tài)監(jiān)測五年報告.2006～2010.

[4]新疆地質(zhì)調(diào)查院，新疆準噶爾盆地地下水資源及其環(huán)境問題調(diào)查評價報告.

[5]新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院.準噶爾盆地地下水動態(tài)調(diào)查評價報告.

收稿:2014-05-24

DOI∶10.16206∕j.cnki.65-1136∕tg.2015.01.009