玛河流域地下水补排物理模型研究

黄 炎，刘文涛，马 洁，吴陶玉，田云琴，刘 兵

（石河子大学水利建筑工程学院，新疆 石河子 832000）

地下水循环系统的重要特征，一个就是交替更新的过程，循环的模式可以直观的分为垂直循环模式、水平模式还有两者混合的模式。针对严重干旱的玛河流域，其如何进行循环，超采行为玛河流域的水循环过程就会受到影响，需要进行相关的科学考察来寻求答案。而新疆地区近年来出现的一系列的变化，让我们更加需要建立相关的模型进行更多方面的研究。阐述地表-地下水转化原理，概括玛河流域的地下水地表水转化的种种神奇，建立流域水循环模型具有现实必要性。

1 玛河流域的特征

1.1 玛河流域水文、地质、气象等自然现象

玛纳斯河流域简称玛河流域，地处新疆天山北麓、准噶尔盆地南缘。范围相对广阔，其流域面积约有2.43万km2。这其中并非全是绿色平原，平原和山区基本各占一半面积。地势是南高北低,对于最高的南部山区而言，其海拔高度可以达到5242.5 m左右。海拔1000~3600 m的是中低山区，区域平原的海拔在300~500 m之间，站在稍高的地方都可以一览无遗,其中一些不能耕种的除外，可以被有效利用的土地约有46.6万m2左右。玛河流域有其较为丰富的资源，其丰富之处在于它的水资源，共有6条内陆河流为其供应。自东向西分别为塔西河、玛纳斯河、宁家河、金沟河、大南沟河、巴音沟河，这些河流均发源于天山北麓依连哈比尔尕山脉，并由南向北流入准噶尔盆地，其水资源总量达到了25.43亿m3左右。先不说地下水的循环带来的滋润，单单这河川径流总量就大概有22.91亿m3。当然地下水的资源也是比较丰富的，其地下水资源的总量虽然比径流少许多，但也有11.97亿m3左右。但是，玛纳斯河流域地处欧亚腹地远离海洋，同时因其地势为南高北低(山脊海拔多在3600 m以上),所以受到海洋的气候影响相对较小，其年降水量也很少，据统计大概只有110~200 mm而已。但是其年蒸发量却很大，超出降水量的十倍左右，数值在1600~2000 mm之间，按照对气候的分类，属于典型的大陆性干旱气候。

对于玛河流域而言，它的变化是十分明显的。在1987年之后，相应的调查数据表明随着温度急剧的上升，降水量也明显增加。所以在20世纪70年代这一段的时间以来，玛河流域流量的总体情况又形成了上升的趋势，导致了冰雪融化的情况加剧，这也是不可避免的结果。

1.2 人为因素对玛河流域的影响

整体的降水量少，温度也渐渐的呈上升趋势，带来的冰雪融化现象更加明显了，因而对玛河流域气垫层产生了相应的影响。其中自然原因只是占据一部分，不能忽略的另一部分是人为因素。随着人类进行的事业活动，人口的急剧增长，以及一些工厂的经济发展等等，这些因素影响了大气的下垫面，下垫面的变化导致玛河流域问题加剧，从而改变原有的自然现象。

2 玛河流域补排关系

看到玛河流域这样干旱的地区，气候变化对自然生生不息的境况造成了严重的破坏，我们不禁要问玛河流域的补排与循环又是怎样实现的呢？

2.1 玛河流域地下水之间的补给方式

玛河流域水资源的补给方式大部分还是比较一致的，主要都是一个源头，来自于山区大气降水。其中玛河流域的地表水资源55.0%~68.0%都是来自上游大气降水，其余的一小部分则来自于地下水。单单看地下水资源方面,比较浅一点的地下水主要依靠河道之间进行的渗漏给予，还有山前侧向的补给。按照降水量的补给而言，其通过降水并且直接吸收渗透提供的补给大概有4.0%~18.0%，异常得少。比较深一点的地下水的补给方式相对单一，主要有垂直补给和侧向补给。这样受地表水和降水入渗补给的方式就显得十分微弱。所以综合来看，玛河流域也是遵循大自然的补给方式进行，只不过相对于其他的流域而言，显得比较脆弱。玛河流域的补给是一个较为复杂的过程，流域地表水与地下水中途经历了三次转化。首先离不开的是大气降水，降水在山区慢慢的汇聚，最终形成了河流，河水以渗透的补给方式垂直转化为地下水资源；水顺势往下游汇集到最低处的平原区。河水的渗漏会不间断的持续下去，最后会向地下水进行相应的转变。当河水水量超出冲积扇并溢出时，这些地下水就会形成河流；河水又以自己的独特方式，像农民用水浇灌一样的方式间接性的补给地下水，产生了河流的补给。所以不管是人类的活动还是自然蒸发，水资源都会慢慢消耗。总体而言,大自然的补给和调节、人类的参与，有时会给补给的方式带来比较严重的影响。

2.2 流域间地下水循环的转化条件

按照科学的理念，形成水循环的内在因素很简单，就是水在没有其他影响的通常环境条件下，在气态、液态、固态之间进行相互转化；太阳会直接影响水的蒸发，外界压力的过高或过低都会使水的形态发生变化。当然影响水循环的因素还有很多。总结几个方面就是气候的影响、地理的变化、以及人为的改变。大自然循环的条件是这样，但是玛河流域现在遇到的问题是循环条件已经出现了问题，这也导致了相应循环的难以完成。所以面对这样的现状需要进行其他改善工作，以更好地完成地下水循环的转化——以人工为主导。

人工可以使得自然的垂直循环进行得更加充沛，蒸发下渗量增强，水平消耗流通量减少，流失量同时会减少，使得干旱的问题得以适当解决，间接形成了循环条件。

3 补排模型原理

玛河流域通过模型可以让人更加直观地看到补排的相关自然现象。当然这并不是凭空想象的去建立相应的三维模型，也不是所有的流域模型都是一致的。模型的建立使得很多难以解决的问题已经得到了妥善解决，所以建立玛河流域补排模型是很有必要的，也是有其本身相应的原理的，通过科学计算方法，让这些数据更加的接近于玛河流域自然的现实状况，通过Visual Modflow软件数据而进行相应模拟数学原理如下：

其中：D为渗透流域K为含水层的渗透系数（m/θ）；H为地下水水头值（m）；W为源头等。就是通过这样精确的数据，该模型将玛河流域大概的长度，宽度各个方面都已经大致的标注出来，通过很多以前探究玛河流域的人留下的参考数据总结的内容进行分析，以中间值的参考值明确玛河流域补排循环之间的对应关系，再结合其他流域的相应循环建立三维图模型。

4 补排模型的研究探讨

很多人因为看到玛河流域的现象，怀疑自然界的循环补排的系统是否出现了问题，但是到玛河流域现场去观察委实不是很方便，所以就很难对玛河流域进行彻底的研究和观察，但Visual Modflow三维模型的确立好像真的解决了这样的一个难题，值得去研究，那么这样的模型研究者可以从中发现玛河流域哪些方面的问题呢？

4.1 直观展示其地形外界的状况

一直对于玛河流域相应的地势状况只是数据上的“看见”，但是这样的一个浓缩的模型可以让人更加直观地“看见”本质，通过数据建立的玛河流域地势明显呈现南高北低的趋势，一边像是陡坡而另一边仿佛是低谷只是稍微漏出了一个小角罢了，这样看过来，北面虽然积水量的程度看似比较好，但是却因受到南边湖水的影响变得很小；而南边则相反，虽然受到的影响相对大一些，可是渗透量又稍微有点不足，以至于诸多影响了玛河流域的种种问题不断出现。这是模型给予外部的更直观地研究。

4.2 直观发现其内部问题

模型研究带给我们更直观的玛河流域外部的体现，但是这只是一部分，要想真正的解决实际问题，就需要从内部进行直观的分析了解，这样才能更加熟知和了解。

通过不同的颜色，流线的建立让我们更加熟悉地表的构质情况，再通过相应一些水质的方向更加直观看到玛河流域的局面动态。首先直接建立的是一个相应循环补排的观念，再深入看这样的模型时，就会发现因为地势的影响，补排的方式有点略微的变动。总之看到这样的内部构成，让我们对玛河流域的补排更多了几分认识或者说不再只是理论，让研究者更加了解这样的结构与相关的问题。

虽然只是很简单的表述了对其玛河流域的补排模型，但是这两者可以看到，模型可以方便研究。

5 结语

对于研究一个大型的玛河流域全程，还不如去建立一个模型来的更加的实在一些。从现在研究的课题上来讲，建立一个补排模型对于玛河流域还是很重要的，因为看到的是玛河流域长期存在的问题，所以必须要尽快想办法解决才对，如果找不到解决的办法话，将带来不堪设想的后果，因此，这一项对于玛河流域模型的研究，让我们看到了玛河流域存在的问题，更加深入地了解了玛河流域的补排循环的方式，有时候模型比起现实情况去研究来的更加直观一些。科学的建模方式，从外到内更加的直观去进行了解。

因为这样的模型会带来更多对于玛河流域更好的发展建议，也因为这样的一次研究，使得以后的玛河流域会有重要的改变，让大自然更加和谐与进步。相信不仅如此，在以后的研究过程当中，模型的研究都会是一个好的选择，它将更直观的引领时代发展。

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