基于GIS技术的人工补给地下水区域选择——以乌鲁木齐河流域乌拉泊洼地为例

曹 峰，郑跃军

(中国地质环境监测院，北京 100081)

地表水地下水是一个统一的整体，尤其在干旱半干旱地区［1］。如何将有限的水资源利用好，一直是该类地区水资源可持续利用的重要课题。长期以来，通过修建地表平原水库存储洪期多余水量，虽然在一定程度上缓解了水资源供需的时空矛盾。但是，这种水资源的利用方式，因无效蒸发等原因引起了水资源的浪费［2］。国内外大量研究表明［3］，在干旱-半干旱区利用人工补给地下水建设地下水库，以代替平原地表水库，可以弥补地表水时空分布不均匀带来的缺陷，减少水资源的无效蒸发，增加可用水资源量，从而通过地表水、地下水联合利用，实现水资源的可持续管理。选择适宜人工补给地下水的地点，是建设地下水库的关键环节。国内外已经有了大量的研究，Alivia Chowdhury等［4］利用遥感结合GIS技术，以西孟加拉地区为例开展了典型研究，Ismail Chenini等［5］以突尼斯中部的Maknassy盆地为例，利用GIS技术选择适合于人工补给地下水的区域并利用数值模型验证了地下水人工补给的能力。SARAF和CHOUDHURY［6］等基于遥感和 GIS数据，对印度Madhya Pradesh基岩地区的人工补给位置进行了划分。这些基于GIS技术对人工补给地下水地点的划分，在选择评价要素及对各要素权重划分上各有特点，但缺乏必要的验证。本文将以乌拉泊洼地为例，从水文地质角度出发，分析影响地下水人工补给的影响因素，运用GIS技术，开展人工补给地下水区域的适宜性评价，结合补给工程的经济性分析，选择人工补给地下水的最佳区域，并利用已有的试验结果，研究入渗能力。

1 研究区概况

乌拉泊洼地位于我国西北地区的准格尔盆地南缘，乌鲁木齐河流域上游，地形东北低、西南高，为典型的洼地特征，属温带大陆性干旱气候，夏季炎热，冬季严寒，春秋季气温升降迅速，日变化剧烈。降水稀少且分配不均匀，蒸发强烈［7～9］。所处流域降水量较少，年际变化较大，季节分配不均，夏季降水量多，降水量随着高程的降低而明显降低。

乌拉泊洼地南部靠近山前地带为山前拗陷区，第四系地层成盆状分布，呈现出典型的中间厚两头薄的特点。由于基底受北东向、南北向断裂控制，断裂带受洪流冲刷，形成了淹埋古河道，沉积了厚度较大的卵砾石层，成为良好的含水地段。含水层厚度由南向北逐渐变薄，含水层颗粒由南向北逐渐变细，上部为单一卵砾石层，下部为卵砾石与黏土互层，含水层由南向北由800余米到20米左右［10～11］。区内第四系孔隙地下水大部分为巨厚的潜水含水层，在靠近西山的部分地区和乌拉泊水库西南部的部分地区存在少量的承压水含水层。从含水层的富水性看，区内大部分地区为中等富水区［12］。潜水位埋深由南向北、由西向东变浅，到西山山前以及乌拉泊水库等地即溢出成泉［1］。区内典型的干旱气候特点决定了降水入渗对潜水水位埋深大于5m的地下水的补给作用微乎其微，地下水最主要的补给源为河水入渗、渠系入渗、田间渗漏及侧向补给［11］。

乌拉泊地区山前倾斜平原区的地表水资源主要是乌鲁木齐河出山口径流量和板房沟出山口径流量。乌鲁木齐河多年出山口径流量为2.45×108m3/a，板房沟多年出山口径流量0.51×108m3/a，水资源总量为2.96×108m3/a。通过分析水资源的时空分布及供水需求，结果表明，6—9月乌鲁木齐河约有 1.30×108m3/a的水资源可供人工补给地下水，6—9月分别占比20.8%、43.8%、33.8%、1.6%。

2 人工补给地下水区域适宜性评价

本次适宜性评价，以不动用大规模的水利工程及开凿入渗井为原则，优先采用入渗水源通过自然的方式入渗补给地下水。

本次研究利用GIS技术，该方法的实现路径包括以下步骤，选择影响人工补给地下水的主要指标、采用专家打分法对各指标进行定量表达及标准化处理、采用层次分析法进行综合评价取得权重分级、通过GIS技术进行人工补给地下水区域的适宜性评价。

2.1 选用的影响指标及数据来源

考虑影响地下水人工补给的主要影响因素和数据的可获取性，本次研究选择的指标包括地形坡度、土壤类型、地下水位埋深、含水层介质、渗透系数。

(1)地形坡度。以1∶250 000数字高程模型为基础，在高程点比较少的地区，利用美国太空总署(NASA)和国防部国家测绘局(NIMA)联合测量获取的SRTM全球数据，截取乌拉泊洼地30m分辨率的STRM1数据，通过ARCGIS软件数据融合，制作成乌拉泊洼地数字高程模型(DEM)，其中单元格大小为500m×500m，进一步制作乌拉泊洼地的坡度图(图1)。

图1 乌拉泊洼地坡度分布图Fig.1 Slope map in Wulabo basin

(2)土壤类型。区内土壤类型主要有三种，栗钙土，棕钙土、灰漠土、灰棕土，盐土。其中，栗钙土面积193.1km2，棕钙土、灰漠土、灰棕土 596.4km2，盐土27.6km2(图2)。

图2 乌拉泊洼地土壤类型图Fig.2 Soil type map inWulabo basin

(3)地下水位埋深。区内虽然局部地下水位下降，但总体上水位呈现出比较稳定的态势。根据2008年枯水期的地下水位监测数据，绘制地下水位埋深等值线图(图3)。从图3可以看出，2008年枯水期乌拉泊洼地最大水位埋深在100m以上，最小水位埋深不到1m。

图3 乌拉泊洼地2008年枯水期地下水位埋深图Fig.3 Groundwater depth map for dry period in 2008 inWulabo basin

(4)含水层介质。区内主要的含水层介质为卵砾石、砂砾石、砂，局部地区分布一些透水不含水的岩层(图4)。从区域分布看，山前大部分地区为卵砾石，面积约356km2;在洼地的中部及乌鲁木齐河的北部一线广泛分布砂砾石带，面积约为241km2;在西山农场一线及乌拉泊水库的西边分布砂层，面积约为192km2，另外在乌拉泊水库的南部分布有面积约为30km2的透水不含水介质。

图4 乌拉泊洼地含水层介质分布图Fig.4 Aquifer materiel map inWulabo basin

(5)渗透系数。区内含水层渗透系数中部地区从西南向东北的大部分地带大于25m/d，面积约465 km2;南部地区和乌拉泊水库以北小部分区域渗透系数为20～25m/d，面积约213km2;西山农场一带的渗透系数为15～20m/d，面积约115km2;其它还有小部分地区的渗透系数在15m/d以下(图5)。

图5 乌拉泊洼地含水层渗透系数分布图Fig.5 Conductivitycoefficient map in Wulabo basin

2.2 不同指标的相关性分析

通过综合分析表明，地形坡度、土壤类型和其它指标之间，几乎不存在相关性，为独立性指标;水位埋深的影响因素主要为地下水补给量、地下水开采量，另外渗透系数和含水层介质也对地下埋深有一定的影响;含水层介质和渗透系数之间的相关性最密切，适用于含水的地层，如卵砾石层、砂卵砾石层，其渗透系数也相应较大，但最重要的影响因素是土体的颗粒大小和风选程度。从人工补给地下水的角度看，这两指标之间是相对独立的。

2.3 指标赋值及标准化处理

不同的指标在空间分布上是一组各自独立的定性描述和半定量数值，为了对指标进行半定量的计算，必须要对不同的指标进行定量描述，并进行标准化处理。不同指标的定量描述及标准化处理限于指标的特殊性，采用专家打分法进行确定。本次研究共发放了20余份专家打分表，经过对专家打分表的汇总整理，得到不同指标的取值。

在标准化处理时，采用:

式中:Ai'——A指标i个属性标准化后的数值;

Ai——专家打分获取的A指标i个属性的取值，或者是野外工作获取的数值;

经过专家打分和野外工作获取的数据，经标准化处理后的各指标的取值及标准化结果见表1～表5。

表1 地形坡度赋值及标准化结果表Table 1 Assignment and standardization value for slope

表2 土壤类型赋值及标准化结果表Table 2 Assignment and standardization value for soil type

表3 水位埋深赋值及标准化结果表Table 3 Assignment and standardization value for groundwater depth

表4 含水层介质赋值及标准化结果表Table 4 Assignment and standardization value for aquifer material

表5 含水层渗透系数赋值及标准化结果表Table 5 Assignment and standardization value for conductivitycoefficient

2.4 综合评价

选用层次分析法进行综合评价。

根据专家对5个影响地下水人工补给指标的重要性评分值，建立判断矩阵，见表6。

表6 各指标的权重系数判断矩阵Table 6 Judgment matrix for different index weight coefficient

根据表6中的权数，地形坡度、土壤类型、地下水位埋深、含水层介质、渗透系数的几何平均数Wi分别为:0.61，0.92，1.12，1.22，1.37。对各几何平均数进行归一化处理，再利用计算，依据计算结果确定各个指标的权重系数。

通过计算，地下水位埋深、渗透系数、地形坡度、含水层介质和土壤介质等五个指标的权重分别为:0.12，0.18，0.21，0.23，0.26。

然后通过加权计算得到适合人工补给的评价值在0.16～0.36之间。

根据计算值的大小，大于0.33的为非常适宜于人工补给的区域，在0.31～0.33之间的为较适宜地区，在0.29～0.31之间的为中等适宜，在0.16～0.29之间的为不适宜。

利用ARCGIS软件，通过空间计算，并通过对图形的融合处理，得到乌拉泊洼地人工补给地下水区域的适宜性评价结果。

图6 乌拉泊洼地人工补给区域适宜性评价结果Fig.6 Results of regional suitability evaluation for artificial recharge in Wulabo basin

从图6可以看出，非常适宜于人工补给地下水的区域主要分布在永丰镇的东南部乌鲁木齐河、板房沟穿过的地区，面积约为123.4km2;适宜于人工补给地下水的区域主要分布在永丰镇的东部沿乌鲁木齐河一带，面积约为207.3km2;中等适宜于人工补给地下水的区域主要分布在板房沟的大部分地区、永丰镇的西南部、乌拉泊水库的西南部和东北部地区，面积约为249.8km2;不适宜于人工补给的区域主要分布在西山农场、水西沟南部、乌鲁木齐河出山口以下河谷两岸、乌拉泊水库南部及红雁池水库周边等地区，面积约为236.4km2。

3 乌拉泊洼地人工补给区域确定

人工补给区域的选择，除了依据适宜性评价结果外，还应充分考虑人工补给工程的经济性和地区用水需求等因素。

本着技术的可行性和经济的合理性原则，结合乌拉泊洼地的水文地质条件，选择天然河道的自然状态或者只需在河道开展少量的辅助性工程措施的地段进行人工补给最为理想。而且，人工补给地下水的水源主要为乌鲁木齐河的地表径流。因此，该地区选择乌鲁木齐河天然河道作为人工补给的地段，是比较理想的。

人工补给的目的是为了将多余的地表水存储在地下水含水层，在需水的季节开采用于灌溉。因此，理想的情况是尽可能在需水的区域实施人工补给，可以有效降低水资源输送成本。从需水结构看，乌拉泊洼地农业灌溉是用水大户，而全区的农业灌溉主要分布在三个地区:青年渠北部永丰镇至西山农场一线，板房沟两侧及乌拉泊水库的东南部，其中永丰镇至西山农场一线面积最大，是区内主要依靠地下水灌溉的地区(图7)。

图7 乌拉泊洼地用水来源图Fig.7 Water source map in Wulabo basin

基于适宜性评价结果和上述两方面的考虑，乌拉泊洼地人工补给区域有两个选择，第一个优先区段，约为6.4km，第二个为备选区段，约7.2km，区段位置如图8所示红色圈出区域。

通过卫星遥感影像看，在所选的区域有大量的场地可用，河道宽度在1km左右，可以计算出优先区段面积约为5.0 km2，备选区段面积约为5.5 km2。

当然，人工补给工程最终选址还应结合现场实际的工程勘察结果最终确定。

图8 乌拉泊洼地人工补给区段Fig.8 Selected artificial recharge section in Wulabo basin

4 选择区段的入渗能力验证

为了进一步验证选择区段的入渗能力，在优选区段和备选区段进行了试验，采用光纤测温法，利用地表维持0.6m的水位进行测量不同深度含水层温度的变化，利用水热传导模型计算优选区段和备选区段的垂向渗透性能分别为4.83×10-7m/s和 1.34×10-7m/s［13］。

利用公式可以近似地计算入渗能力:

式中:Q入——入渗量;

A——入渗区面积;

kv——垂向渗透系数;

t——入渗时间。

计算结果表明，维持0.60m水头高度的条件下，优选区段的年最大入渗量可达7.6×108m3/a，备选区段的入渗量为2.3×108m3/a，总计入渗量为9.9×108m3/a。试验数据充分验证了选择区段的科学性与可行性。

5 结论

(1)地形坡度、土壤类型、地下水位埋深、含水层介质、渗透系数等5个影响因素可以作为乌拉泊洼地人工补给地下水区域选择的评价指标。

(2)乌拉泊洼地人工补给地下水区域的适宜性评价结果表明:非常适宜于人工补给地下水的区域面积约为123.4km2，适宜于人工补给地下水的区域面积约为207.3km2，中等适宜于人工补给地下水的区域面积约为249.8 km2，不适宜于人工补给的区域面积约为236.4 km2。

(3)根据适宜性评价结果，结合经济性和用水需求分析，在乌鲁木齐河谷中选择了优先补给区段与备选补给区段，长度分别为6.4km、7.2 km，面积分别为5.0 km2、5.5 km2。

(4)乌拉泊洼地人工补给适宜性研究结果表明，该方法可作为人工补给地点选择的技术依据。

致谢:新疆地质环境监测院的姜越高级工程师为本文的写作提供了很大的帮助，在此表示衷心感谢。

［1］ 李文鹏，周宏春，周仰效，等.中国西北典型干旱区地下水流系统［M］.北京:地震出版社，1995.［LI W P，ZHOU H C，ZHOU Y X，et al.Groundwater flow system for typical arid inland basin in Northwest China［M］.Beijing:Seismological Press，1995.(in Chinese)］

［2］ 邓铭江，李文鹏，李涛，等.新疆地下储水构造及地下水库关键技术研究［J］.第四纪研究，2014，34(5):918-932.［DENG M J，LI W P，LI T，et al.Investigation of key technologies for underground water storage structures and groundwaterreservoirs in Xinjiang. Quaternary Sciences［J］.Quaternary Sciences，2014，34(5):918-932.(in Chinese)］

［3］ 杜新强，廖资生，李砚阁.含水层储存和回采技术的研究与应用［J］.中国给水排水，2004，20(8):24-26.［DU X Q，LIAO Z S，LI Y G.Research and application of aquifer storage and recovery technology［J］.China Water ＆ Wastewater，2004，20(8):24-26.(in Chinese)］

［4］ Alivia Chowdhury，Madan K Jha，Chowdary V M.Delineation of groundwater recharge zones and identification ofartificialrecharge sites in west Medinipur District，West Bengal，using RS，GIS and MCDM techniques［J］. Environmental Earth Sciences，2010，59(6):1209-1222.

［5］ Ismail Chenini，Abdallah Ben Mammou.Groundwater recharge study in arid region:An approach using GIS techniques and numerical modeling［J］.Computers ＆Geosciences，2010，36:801–817.

［6］ Saraf A K，Choudhury P R.Integrated remote sensing and GIS for groundwater exploration and identification of artificial recharge sites［J］.International Journal of Remote Sensing，1998，19(10):2595 – 2616.

［7］ 新疆综合考察丛书.新疆水文地理［M］.北京:科学出 版 社，1965.［Xinjiang comprehensive survey series.Hydrology and geography in Xinjiang Uygur Autonomous Region［M］.Beijing:Science Press，1965.(in Chinese)］

［8］ 李志安.我国干旱区大型盆地水文地质特征研究［J］.兰州铁道学院学报，1995，14(2):59-66.［LI Z A.Study of the hydrogeological characteristics of large basin in arid area，China［J］.Journal of Lanzhou Railway University，1995，14(2):59-66.(in Chinese)］

［9］ 胡汝骥.中国天山自然地理［M］.北京:中国环境科学出版社，2004.［HU R J.The physical geography feature of the Tianshan mountain in China［M］.Beijing:China Environmental Science Press，2004.(in Chinese)］

［10］ 乔晓英，王文科.乌鲁木齐河流域乌拉泊洼地地下水库调蓄功能研究［J］.干旱区资源与环境，2005，19(4):43-48.［QIAO X Y，WANG W K.Research on the regulation and storage capacity of groundwater reservoir in Wulabo basin of Urumqi River Watershed［J］.Journal of Arid Land Resources and Environment，2005，19(4):43-48.(in Chinese)］

［11］ 霍传英，姜越.乌鲁木齐河流域地下水数值模型及开采方案报告［R］.乌鲁木齐:新疆地质环境监测院，2008.［HUO C Y，JIANG Y.Reportof groundwater numerical model and exploitation schemes ofUrumqiRiverBasin［R］.Urumqi:Xinjiang instituteof Geo-environmental monitoring，2008.(in Chinese)］

［12］ 新疆地质调查院，准格尔盆地地下水环境调查报告［R］.新疆:新疆地质调查院，2006.［Xinjiang Institute of Geological Survey.Report of groundwater environmentinvestigationresultofJunggar basin，Xinjiang［R］.Urumqi:Xinjiang Institute of Geological Survey，2006.(in Chinese)］

［13］ 沈晔，李海涛，黎涛，等.地下水位预测:集合卡尔曼滤波(EnKF)应用概述［J］.水文地质工程地质，2014，41(1):21-24.［SHEN Y，LI H T，LI T，et al.Groundwater level forecast:overview of application ofthe Ensemble Kalmanfilter(EnKF) ［J］.Hydrogeology ＆ Engineering Geology，2014，41(1):21-24.(in Chinese)］

［14］ 杜新强，秦延军，齐素文，等.地下水库特征水位与特征库容的划分及确定研究［J］.水文地质工程地质，2008，35(4):22-26.［DU X Q，QIN Y J，QI S W，et al.Study on the feature water level and storage ofgroundwater reservoir［J］.Hydrogeology ＆Engineering Geology，2008，35(4):22-26.(in Chinese)］

［15］ 王庆兵，段秀铭，高赞东，等.济南岩溶泉域地下水流模拟［J］.水文地质工程地质，2009，36(5):53-60.［WANG Q B，DUAN X M，GAO Z D，et al.Groundwater flow modelling in the Jinan karst spring area［J］.Hydrogeology ＆ Engineering Geology，2009，36(5):53-60.(in Chinese)］

［16］ 刘立才，郑凡东，张春义.南水北调水源与北京地下水混合的水质变化特征［J］.水文地质工程地质，2012，39(1):1-7. ［LIU L C，ZHENG F D，ZHANG C Y.Characteristics of water quality of South to North water diversion mixed with groundwater in Beijing［J］.Hydrogeology ＆ Engineering Geology，2012，39(1):1-7.(in Chinese)］

［17］ 崔秋苹，张增勤，徐丹梅，等.滹沱河地下水库建设条件分析［J］.水文地质工程地质，2011，38(3):19-23.［CUI Q P，ZHANG Z Q，XU D M，et al.An analysis of construction conditions of Hutuo river groundwater reservoir［J］. Hydrogeology ＆Engineering Geology，2011，38(3):19-23.(in Chinese)］

［18］ 康卫东，仇小强，李文鹏，等.秦岭山前截洪引渗与地下水库调蓄及其协同效应研究［J］.水文地质工程地质，2011，38(2):8-13.［KANG W D，QIU X Q，LI W P，et al.Research on diversion-infiltration of flood and storage of underground reservoir and its collaborative effects in the piedmont of the Qinling Mountains［J］.Hydrogeology ＆ Engineering Geology，2011，38(2):8-13.(in Chinese)］