石羊河流域永昌縣地下水及水資源供需平衡分析

李筱

摘要：石羊河位于甘肅河西走廊東段，是我國人口最密集、水資源開發(fā)利用程度最高、生態(tài)環(huán)境問題最嚴重的內(nèi)陸河流域之一，因此對水昌縣地下水及水資源供需平衡分析的研究有助于改善流域內(nèi)生態(tài)環(huán)境。文章采用2020年為現(xiàn)狀水平年，將流域內(nèi)劃分為西河灌區(qū)、四壩灌區(qū)、東河灌區(qū)、金川灌區(qū)和清河灌區(qū)5個計算單元，對永昌縣地下水及水資源供需平衡進行了分析。地下水水位下降是引發(fā)泉水干涸、植被退化等環(huán)境問題的主要因素，地下水壓采是保證地下水資源持續(xù)利用和逐漸改善、修復(fù)由于地下水超采造成的生態(tài)環(huán)境問題的重要舉措。地下水位變化，是地下水補排不平衡的結(jié)果，在補給、徑流及天然排泄量不變的條件下，由開采地下水數(shù)量來決定，二者呈正相關(guān)關(guān)系。

關(guān)鍵詞：石羊河;水資源;供需平衡

中圖分類號：TV213.4文獻標志碼：A

0 引言

石羊河位于甘肅河西走廊東段，是我國人口最密集、水資源開發(fā)利用程度最高、生態(tài)環(huán)境問題最嚴重的內(nèi)陸河流域之一。石羊河長162km，年徑流量5.17億立方米，主要由地下水補給，夏季山洪補給也占一定比例。各支流在出山后進入走廊平原，河道在沖積、洪積扇上多呈放射狀，水流滲漏嚴重，河水斷流。諸泉水河由武威市北流，匯合成石羊河，入民勤縣境，稱石羊河。

石羊河流域存在嚴重的水資源及生態(tài)環(huán)境問題，并呈現(xiàn)出日益加重的趨勢，主要表現(xiàn)為：（1）石羊河流入民勤的地表水量劇減，地下水超采嚴重;（2）植被大量枯死，荒漠化日趨嚴重;（3）地表水污染嚴重，地下水水質(zhì)惡化[2]。因此，針對石羊河流域水資源開發(fā)利用嚴重過度，人水矛盾不斷加劇，生態(tài)環(huán)境愈加惡化的情形，我們有必要對流域內(nèi)的水資源進行研究，充分認識和了解水資源情況，以便對其實施有效的管理。對流域內(nèi)的水資源供需平衡進行分析，并合理配置有限的水資源，對于水資源的合理開發(fā)利用和生態(tài)環(huán)境的保護都具有十分重要的意義[3]。

本論述以石羊河流域永昌縣地下水及水資源為研究對象，結(jié)合以上研究思路，皆在為流域內(nèi)的水資源利用提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

1地質(zhì)環(huán)境條件及地下水資源

1.1縣域及評價單元概況

1.1.1縣域概況

永昌縣地處祁連山北麓、阿拉善臺地南緣、河西走廊中東部，南與武威市涼州區(qū)、張掖市肅南裕固族自治縣交界，北鄰金昌市金川區(qū)，東接武威市民勤縣，西與青海省門源回族自治縣及張掖市山丹縣相連，是甘肅省的重要商品糧基地。

1.1.2灌區(qū)概況

永昌縣共有西河、四壩、東河、金川、清河等五處灌區(qū)。

西河灌區(qū)位于永昌縣西部，以西大河地表水為主，補充灌區(qū)內(nèi)小溝小河地表水及地下水進行灌溉的大型自流灌區(qū)。四壩灌區(qū)位于永昌盆地，灌區(qū)水資源主要來自泉水、小溝小河地表水，不足部分靠開采地下水和西河灌區(qū)調(diào)水補充。東河灌區(qū)位于永昌縣東南，屬于武威盆地，屬大型自流灌區(qū)，灌溉水源以東大河地表水為主，補充地下水。金川灌區(qū)位于永昌縣北部，屬于武威盆地，灌溉水源主要來自金川峽水庫。清河灌區(qū)位于永昌縣東部，屬于武威盆地，水源全部來自開采地下水，是永昌縣唯一的純井灌區(qū)。

1.2自然地理

1.2.1氣象

永昌縣屬中溫帶干旱大陸季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均氣溫4.9℃，極端最高氣溫32.5℃，極端最低氣溫-26.7℃;區(qū)內(nèi)降水時空分布不均勻，降水量自東北向西南隨地勢增高而遞增，降水量在年內(nèi)分配很不平衡，汛期（7～9月）占全年降水量的60%。主導(dǎo)風(fēng)向為西風(fēng)，全年無霜期128d，年平均相對濕度53%，年日照時數(shù)2884h。

1.2.2水文

永昌縣地表水系屬石羊河流域，主要河流有東大河、西大河和金川河。

東大河是縣內(nèi)第一大河，發(fā)源于祁連山冷龍嶺北坡。于南莊子出山后大多被渠系引用灌溉，余水主要滲入地下補給地下水。

西大河發(fā)源于祁連山冷龍嶺北坡，是境內(nèi)第二大河。水資源量占境內(nèi)地表水總量的33%，非灌溉期，洪水泄入老河床，補給水昌盆地地下水，通過地下潛流轉(zhuǎn)化為泉水溢出。

金川河發(fā)源于永昌北海子一帶，屬于西大河河水入滲二次溢出匯流后形成的泉水河流。

1.2.3土壤

永昌縣土壤類型分為高山寒漠土、高山草甸土、亞高山草甸土、灰褐土、黑鈣土、栗鈣土、灰鈣土、灰棕漠土、風(fēng)沙土、鹽土、草甸土、沼澤土、灌漠土13個土類，28個亞類，39個土屬，33個土種。

走廊綠洲平川農(nóng)業(yè)區(qū)包括各鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)區(qū)和綠洲間的部分荒灘，土壤類型主要有灰黃平土、黃平土和沙壤土。

1.2.4 植被

永昌縣自然植被從南部的高山草甸、森林逐步過渡到北部的半荒漠和荒漠草原，大致有四種類型：祁連山地天然森林、草原植被;綠洲平原人工林植被;石質(zhì)低山丘陵草原化荒漠植被;砂礫質(zhì)和礫砂質(zhì)戈壁荒漠植被。

1.3地質(zhì)環(huán)境條件

1.3.1地形地貌

永昌縣地形復(fù)雜，地勢總體西南高東北低，山地、平川、戈壁荒漠東西展開，南北更替，相間排列，縣域大致可分為南部中山和高山山地、中部低中山丘陵、走廊綠洲平原和北部沙漠戈壁四種地貌類型。

1.3.2地層巖性

永昌縣出露地層主要有震旦系、寒武系、泥盆系、石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系、新近系、第四系和侵入巖。

1.3.3地質(zhì)構(gòu)造

永昌縣區(qū)域大地構(gòu)造處于中朝準地臺與昆侖祁連褶皺系兩個I級構(gòu)造單元的過渡地帶。北部為中潮準地臺的阿拉善隆起區(qū)，南部為昆侖祁連褶皺帶的北祁連褶皺帶。按Ⅳ級構(gòu)造單位劃分，由北向南分別為龍首山拱斷束、大黃山下古生代隆起、永昌-武威中新世斷陷、永昌南山古生代隆起。其中走廊過渡帶又可劃分為永昌盆地、武威盆地、花草灘盆地、紅山窯月牙湖盆地、毛卜喇盆地5個相對獨立的構(gòu)造盆地單元，是主要的含水構(gòu)造。

1.4水文地質(zhì)條件

根據(jù)地下水的賦存特征，可將區(qū)內(nèi)地下水劃分為基巖裂隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水和松散巖類孔隙水三大類型。

基巖裂隙水主要分布于南部祁連山區(qū)、永昌南山、中部大黃山及北部龍首山的高中山區(qū)，多為潛水，由于南北部地質(zhì)環(huán)境條件不同，基巖裂隙水特征也不同。

碎屑巖類孔隙裂隙水主要分布于永昌南山、大黃山及龍首山的低山丘陵區(qū)，多為潛水，賦存于上古生界至新生界粗細相間的砂巖和砂礫巖中，主要接受降水補給，多以泉的形式排泄。

松散巖類孔隙水主要賦存山前（或山間）平原區(qū)武威盆地、永昌盆地、紅山窯-月牙湖盆地、毛不喇盆地及花草灘盆地第四系松散堆積層中，均為單一的潛水類型，是主要具有供水意義的地下水類型。

1.5地下水開發(fā)利用現(xiàn)狀

1.5.1現(xiàn)狀水平年用水情況

永昌縣淺層地下水的的開發(fā)利用主要為城鎮(zhèn)公共居民生活用水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水和其他用水。

2020年永昌縣淺層地下水開采利用心量為15896×104m3，其中城鎮(zhèn)公共居民生活用水700.37×104m23，占4.41%，工業(yè)用水81.8×104m3，占0.51%，農(nóng)業(yè)灌溉用水14461.12×104m3，占90.97%，其他用水652.71×104m3，占4.11%，地下水用水量以農(nóng)業(yè)用水為主，各灌區(qū)中又以清河灌區(qū)開采量最大，占全縣地下水量開采總量的77.76%。當年地下水實際開采量15896×104m。

綜上，2020年永昌縣地下水用水總量控制指標為15900×104m2，當年實際開采量15896×104m2，未超過地下水用水總量控制指標。

1.5.2地下水開采引發(fā)的生態(tài)環(huán)境問題

永昌縣地下水開采引發(fā)的生態(tài)環(huán)境問題主要是區(qū)域性地下水水位下降以及泉水溢出量減少。

（1）區(qū)域性地下水水位下降

永昌縣近年來地下水開發(fā)利用程度較高，2020年全縣共有開采井1710眼，2020年地下水開采量達到15896×104m2。2012年以前永昌縣地下水水位整體下降，平均降幅為0.05～0.50m/a，其中清河地區(qū)平均下降幅度0.5m/a。近年由于各類措施的實施，地下水水位穩(wěn)中開始回升。

（2）泉水溢出量減少或干枯

泉水是河西內(nèi)陸河流域水資源系統(tǒng)循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，也是研究水資源系統(tǒng)轉(zhuǎn)化、人類活動對水資源的影響的重要依據(jù)。永昌縣由于地下水開采造成的泉水溢出量減少或干枯現(xiàn)象較為明顯。最為嚴重的是清河灌區(qū)，由于地下水位下降，泉水流量不斷減少，清河灌區(qū)的泉水從此消失。

1.6地下水資源量及可開采量

1.6.1地下水資源量

地下水資源量為地下水總補給量減去井灌回歸補給量。由于各灌區(qū)間共用計算斷面，存在補給量與排泄量重復(fù)計算的問題，雖然總補給量與總排泄量之差的計算不受影響，但是在計算水資源量時，應(yīng)將重復(fù)計算量扣除。

1.6.2地下水可開采量

地下水可開采量代表一定范圍均衡單元內(nèi)的含水層中，在不引起生態(tài)環(huán)境惡化的條件下，單位時間內(nèi)最優(yōu)取水方案可以開采的最大水量。實際開采量應(yīng)小于可開采量，否則會引起地下水位持續(xù)下降、水質(zhì)惡化等一系列生態(tài)環(huán)境問題。

可開采量的大小是由地下水的總補給量和儲存量的大小決定的，同時還受自然條件和經(jīng)濟條件的雙重限制。永昌縣地下水在經(jīng)過長期的人工開采以后，改變了其天然的補給和排泄條件，導(dǎo)致地下水水位持續(xù)下降。隨著生態(tài)環(huán)境治理的形成與發(fā)展，自2010年以后年度地下水下降幅度減小并開始回升，這說明地下水的補給量和排泄量達到了新的平衡。因此，永昌縣地下水可開采量的計算，應(yīng)在新的平衡條件下進行。

2水資源供需平衡分析

2.1水資源量

地表水資源量是指河流、湖泊、冰川等地表水體中由當?shù)亟邓纬傻摹⒖梢灾鹉旮碌膭討B(tài)水量，用天然河川徑流量表示6。

永昌縣地表水資源量主要包括三個方面：一是有水文觀測站控制的河流地表水資源量，采用實測徑流加還原量的值;二是無觀測資料的小溝、小河地表水資源量，采用收集資料值或調(diào)查值;三是淺山區(qū)地表水水資源量，采用等值線量算值[7]。

2.2水資源供需平衡分析

將永昌縣近期（2020年）、中期（2025年）和遠期（2030年）的供水量和需水量進行對比，如平衡差為正值（供水量大于需水量），則供水量滿足用水需求;如平衡差為負值（供水量小于需水量），則供水量不能滿足用水需求[*-10]。

根據(jù)前述計算結(jié)果，永昌縣地表水總資源量為53197×104m/a，淺層地下水允許開采量為21106.68×104m/a，滿足近期（2020年）、中期（2025年）和遠期（2030年）的用水需求。但根據(jù)石羊河流域治理總體目標及金昌市2020年、2030年水資源管理控制指標，永昌縣用水總量控制指標2020年為38000×104m2，2030年為38900×104m3，2025年控制指標按內(nèi)插法求得為38450×104m。將上述用水控制指標與需水量預(yù)測結(jié)果進行水資源供需平衡對比分析，2020年、2025年、2030年平衡差均為負值，其中2020年缺水3113.05×104m3，2025年缺水3457.70×104m3，2030年缺水3 768.38×104 m3[11-12]

因此，為確保水資源管理控制指標任務(wù)落實，實現(xiàn)中遠期用水供需平衡，需采取措施進行水資源合理配置[13]。

地下水水位下降是引發(fā)泉水干涸、植被退化等環(huán)境問題的主要因素，地下水壓采是保證地下水資源持續(xù)利用和逐漸改善、修復(fù)由于地下水超采造成的生態(tài)環(huán)境問題的重要舉措[14-151。

地下水位變化，是地下水補排不平衡的結(jié)果，在補給、徑流及天然排泄量不變的條件下，由開采地下水數(shù)量來決定，二者呈正相關(guān)關(guān)系。

由此可見，實施壓采措施后，各灌區(qū)地下水位將會普遍上升3～16cm不等。需要特別說明的是此次地下水位預(yù)測是在地表水來水量保證率p=50%，并在嚴格執(zhí)行本方案的情況下預(yù)測的，在枯水年份地下水位達不到此次預(yù)測上升幅度[16]。

根據(jù)前述規(guī)劃及水資源配置，壓采方案實施后，全縣地下水水位將穩(wěn)步回升，在現(xiàn)狀條件下不會明顯產(chǎn)生新的地質(zhì)環(huán)境問題。相應(yīng)北海子、焦家莊等地的泉水溢出量將會增加，泉水溢出帶向上游逐漸發(fā)展，地下水戰(zhàn)略儲備水量的也會相應(yīng)增加[17]。

3結(jié)論

（1）2020年永昌縣淺層地下水開采利用總量為15896×104m3，其中城鎮(zhèn)公共居民生活用水700.37×104m2占4.41%，工業(yè)用水81.8×104m2占0.51%，農(nóng)業(yè)灌溉用水14461.12×104m3占90.97%，其他用水652.71×104m2占4.11%，地下水用水量以農(nóng)業(yè)用水為主，各灌區(qū)中又以清河灌區(qū)開采量最大，占全縣地下水量開采總量的77.76%。當年地下水實際開采量15896×104m2。

（2）地下水開采引發(fā)的生態(tài)環(huán)問題主要是區(qū)域性地下水水位下降以及泉水溢出量減少。

（3）2020年永昌縣平原區(qū)淺層地下水總補給量為30884.50×104m2，水資源量為27182.45×104m2，可開采量為21106.68×104m，大于永昌縣2020年地下水實際開采量15896×104m3。

（4）預(yù)測永昌縣2025年需水量為41907.70×104m2，2030年需水量為42668.38×104m2。永昌縣用水總量控制指標2025年為38450×104m3，2030年為38900×104m3，平衡差均為負值，其中2025年缺水3457.70×104m2，2030年缺水3768.38×104m3，需采取措施進行水資源合理配置。

（5）2020年永昌縣地下水實際開采量15896×104m2，大于2020年永昌縣地下水總量控制指標15700×104m2，需進行壓采，壓采量為地下水實際開采量（現(xiàn)狀年）與地下水目標開采量之差196×104m2，中遠期不需進行壓采。

（6）在地表水來水量保證率p=50%并嚴格實施各項措施的前提下，預(yù)測各灌區(qū)地下水位將會上升3～16cm，相應(yīng)泉水溢出帶向上游逐漸發(fā)展，北海子、焦家莊等地的泉水溢出量逐漸增加。

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