不同灌溉模式对玛纳斯河流域平原区地下水位的影响预测

李文倩

(西藏自治区水利电力规划勘测设计研究院，西藏 拉萨 850000)

在新疆等地表水资源较紧张及利用难度较大的地区，为达到作物高产、高效，需采取充分利用灌溉水资源的技术措施[1-2]。节水灌溉的应用引起地下水补给量减少而造成地下水位变化，从而使流域水循环方式发生变化[3-4]。自20世纪以来，膜下滴灌节水技术在新疆生产建设兵团被大面积推广，针对不同灌溉模式条件下地下水位变化问题，以玛纳斯河流域绿洲平原区为研究对象，在概化水文地质参数及流域边界的基础上，建立地下水数值模型，对不同灌溉模式下地下水水量及水位的变化范围及程度进行定量分析，为寻求合理的灌溉模式及控制地下水位具有重要的实用价值和理论意义。

1 研究区概况

新疆玛纳斯河(以下简称玛河)发源于北天山中段喀拉乌成山和比依达克山、依连哈比尔尕山，全长400 km，顺着山地向北流进准格尔盆地，最后流入玛纳斯湖。该流域的总控制面积(绿洲平原区)为9474 km2。玛河流域行政上含35个团场、乡，其中主要包括石河子市及石河子垦区团场、昌吉回族自治州的玛纳斯县、新湖农场及塔城地区的沙湾县等。玛河流域还是建国后新疆开垦的最大人工绿洲[5]。

2 模型建立

玛河流域平原区的计算范围具体为：东边为玛纳斯县玛河灌区各个乡(镇)的东行政边界及新湖总场；南边为玛河山区与平原区的分界线；西边为从143团到海子湾水库西界，从西岸大渠到132团及136团；北边为玛河古道、西岸大渠136团及莫索湾灌区沙漠边缘。

以2013年为计算基准年，在三种灌溉模式下地下水的开采量为48 586.6×104m3，蒸发蒸腾量为38 102.98×104m3。对到2020年的地下水水量及水位变化情况进行数值模拟：模式一，采用2013年的现状年灌溉模式(膜下滴灌节水灌溉)，灌溉定额为13.00 m3/hm2；模式二，采用传统的沟灌模式，灌溉定额为15.67 m3/hm2；模式三，采用高效节水灌溉模式，灌溉定额为10.33 m3/hm2，即研究区的单位田间农业需水量比现状年有所降低，农业节水灌溉技术水平提高了一个台阶。

2.1 包气带水流数值模型

为实现以点代面的计算过程，对研究区垂向水分入渗量以及参数进行分区刻画，利用HYDRUS-1D构建研究区的包气带概念模型，从而模拟计算得出包气带底部淋滤的水量以及地表水垂向输入包气带的运移转化过程，并为含水层模型提供初始输入量。

用 Richards 方程来描述非饱和孔隙介质中的一维均质(平衡)水流运动[6]。在描述土壤水分特征曲线时采用VG模型，且不考虑水流运动的滞后现象[7]。水流模型上边界选择为地表层的大气边界条件，下边界选为变水头边界，水头值由模型底部埋深减去实测地下水埋深得到，并作为模型输入值。石河子气象局网站为研究的气象数据来源。玛河平原区各气象站的潜在蒸发量采用Penman-Monteith公式计算[8]。用一般形式的度-日因子来计算融雪量，玛河流域春季的融雪量与冰雪表面的温度升高有主要关系。

模型的深度确定为1500 cm，模拟时间总计为365 d。以2012年整年的水文数据资料为预热期，以2013年作为模拟期，在模型土柱的底部设置观测点。

2.2 含水层数值模型

为确定水文地质参数边界条件、源汇项、含水层特征等参数，对研究区进行水文地质资料收集，并综合分析其水文地质结构特征。利用 Visual-MODFLOW建立水文地质概念模型，将模型剖分为 75 列×50 行(共计3750个单元格)，每个单元格的长宽为 1.5 km×1.5 km。以2013年1—12月(365 d)作为模拟期，模拟期的初始流场为2013年1月的地下水流场，末时刻流场为2013年12月的地下水流场。

在模型范围内，根据含水层系统的介质特征以及结构特征，将模拟对象概化为非均质各向同性含水层。模拟深度为220 m，并把含水层结构概化为三层，其中弱透水层在两含水层中间，浅层地下水模拟深度为72～90 m，承压水模拟深度为100～118 m。

模型赋值：(1)降水入渗、渠灌田间入渗补给量、渠系渗漏补给量可作为面状补给项，主要是由于渠道纵横在整个研究区，农田比重大于85%。这部分面状补给由上文中得出包气带底部淋滤出的水量输入recharge模块进行模拟；(2)采用GHB模块进行侧向补给模拟，补给量由调节距离和水头差来控制。采用river模块对玛河的补给进行模拟，由于玛河流域只在洪水期河道来水，其6—9月为补给时间，河流补给由渗透率控制，河水水位由玛河流域上游山区肯斯瓦特水文站的多年平均径流量来确定；(3)在排泄项中，开采井用Pumping wells模块赋值。采用Evapotranspiration模块进行潜水蒸散发项赋值模拟，蒸散发量通过调节蒸散发深度及蒸散发强度来控制。类似侧向补给的模拟，采用GHB模块对北部边界的侧向排泄进行模拟，通过调节渗透系数、距离及水头控制排泄量,如表1所示。

表1 源汇项赋值方式表

3 不同灌溉模式对地下水水量及水位的影响

3.1 地下水水量预测

三种灌溉模式下研究区的地下水均衡计算结果见表2。

表2 不同灌溉模式下数值法计算地下水均衡量 ×104 m3

注：面状补给量=面状入渗量(降雨入渗量+田间入渗量+渠系入渗量+回归量+水库入渗量)-开采量

从表2研究区的补给项和排泄项中可以看出，模式一的面状补给量、侧向流出量分别为6254.73×104m3、1985.00×104m3，其中面状入渗量包括降雨入渗量、田间入渗量、渠系入渗量、回归量、水库入渗量，即面状补给量与开采量(48 586×104m3)之和，面状入渗量为54 841.33×104m3，与基准年相比，其面状入渗量减少了1091.40×104m3，表明该模式的面状入渗量变化幅度不是很大；模式二的面状补给量、面状入渗量及蒸发蒸腾量分别为10 570.84×104m3、59 157.44×104m3、40 322.00×104m3，与基准年比较，其面状入渗量增加了4224.11×104m3，蒸发蒸腾量增加了2103.02×104m3，主要是由于在传统的沟畦灌模式下加大了田间灌溉入渗量，从而使得地表水面有所增加，并促进了蒸发蒸腾；模式三的面状补给量、面状入渗量分别为2762.00×104m3、51 348.60×104m3，与基准年相比，其面状入渗量减少了3584.73×104m3，表明高效节水灌溉模式不仅能保证作物的正常需水量，还能有效的节约水资源，从而使得面状补给量和潜水的无效蒸发直接减少。

3.2 地下水水位预测

三种模式下对2020年的地下水位预测结果如图1所示。

图1 2020年不同灌溉模式下研究区地下水位降深示意图

由图1可知，模式一与基准年(2013年)相比，地下水位总体下降幅度比较小，除了小部分地域(东南方向)下降幅度大于0.2 m，大部分地域的地下水水位下降值处于0.11～0.23 m范围内，从整个研究区的下降值来看，其下降的最大值为0.23 m，平均值为0.15 m；模式二与基准年相比，地下水位总体上有不同程度的上升，在东北和西北方向地下水水位的上升幅度大于1.3 m，剩余区域的上升值处于0.5～1.3 m范围内，总观整个研究区的上升值，其上升的最高值为2.1 m，平均值为1.35 m。模式三与基准年相比，地下水位总体上有不同程度的下降，大部分区域的下降值处于0.3 m，其他部分地区(东北方向)的下降值大于0.4 m，从整个研究区的下降值来看，其下降的最大值为0.8 m，平均值为0.35 m。经过以上分析，三种模式与基准年相比较，其研究区地下水位变化幅度的最大值分别为0.23 m(下降)，2.1 m(上升)，0.8 m(下降)。其中一方面原因是在研究区的灌排比不恰当导致地下水位上升，即排碱渠等排水设施已经取消，排水不畅；另一方面原因是灌溉量的加大，故在传统沟灌模式的地下水位总体上有不同程度的上升。另外，导致地下水的入渗补给量减少的原因是灌溉用水量的减少，因此在高效节水灌溉模式下地下水位总体上有不同程度的下降。

4 讨 论

根据研究区实际情况，玛河流域平原区天然补给量不足20%，自然条件下的地下水位变化不大。通过对地下水系统分析，地下水补给量的减少是造成研究区每年地下水位下降严重的根本原因。从模拟结果可以看出，灌溉模式直接影响研究区地表水入渗补给量的大小。在模型构建方面，把原本复杂的水文地质条件进行了简化，对模型精度有一定程度的影响。在模型的建立中，仅对研究区内地下水位影响较大的地下水补给和排泄项进行了考虑，未考虑泉水出流排泄等其他各种补排项，对地下水位有一定影响。

总体而言，包气带模型计算结果与含水层模型的耦合可较好地模拟研究区地下水位变化情况，为寻求合理地灌溉模式及控制地下水位具有一定意义。

5 结 论

(1)运用Hydrus-1D和Visual Modflow4.2建立玛河流域平原区包气带及含水层水分迁移转变的数值模型，该模型的准确性与合理性都比较高，模型得出的结构和参数可被采用对整个研究区的地下水均衡量及水位进行预测。

(2)现状年灌溉模式、传统沟灌模式及高效节水灌溉模式到2020年和基准年相比较，整个研究区地下水位变化幅度的最大值分别为0.23 m(下降)、2.1 m(上升)、0.8 m(下降)。从而表明新疆生产建设兵团大面积推广的膜下滴灌节水技术不仅能有效的节约内陆干旱区的水资源，又能保证作物需水的要求，进而可以减少无效的潜水蒸发，并且能有效的降低小幅度变化的地下水位。