甘州区农业灌溉深层地下水开采量计量探讨

赵文雅

（张掖市甘州区西干渠水利管理所，甘肃 张掖 734000）

1 区域概况

甘州区地处张掖盆地中部，位于黑河流域，东与民乐永固隆起相连，西接榆木山隐伏构造，南北分别以祁连山和龙首山为界，区域地势由东南向西北倾斜，地势平坦，南部呈典型的山前冲洪积戈壁平原地貌。黑河流域及支流横贯全区，区域内为温带大陆性干燥气候，降水稀少，蒸发强烈。甘州区处在张掖盆地内黑河冲洪积平原首个地下水循环带，地表下与地下水转化频繁，富集于第四系中上更新统的地下水主要为第四系松散岩类孔隙水类型。大部分地下水在乌江以北储线处以泉水形式外溢并转化为河水汇入黑河，少量地下水继续流动并最终泄渗于黑河河床。区域内地下水总补给量中有65%左右来自河渠水入渗，地下水排泄途径主要为径流侧向流出、泉水溢出、人工开采。

2 过程及结果分析

2.1 研究方法及原理

采用最基本、最常用的水量均衡法进行甘州区农业灌溉深层地下水开采水量的计算。水量均衡法可以用于对项目区一定时段内地下水补给量、储存量及排泄量等数量转化关系的研究，并通过均衡计算，求得地下水运行开采量，也可以用于其他水量计算结果准确性的验证方面[1]。

按照水量均衡法基本原理，对于任一均衡区内含水层系统，其任意时段（Δt）的补给量与排泄量之差恒与含水层系统内水体积变动量相等，即:

式中:Q补为含水层系统的总补给量，m3/d；Q排为含水层系统总排泄量，m3/d；μ为重力给水度；μ*为弹性释水系数；Δh为任一时段（Δt）内均衡区水头变化均值，m；F为均衡区含水层系统分布面积，m2。

由式（1）可知，为保持均衡区地下水资源的可持续开采，必须加强对地下水允许开采量的控制，即:

对于具体灌区而言，应在均衡区内均衡项目分析的基础上，确定出区域内所截取的水量排泄量（Q排）和开采补给量（Q补），两者之和即为区域内地下水允许开采量。排泄量（Q排）和补给量（Q补）的构成较为复杂，但对于具体区域而言，其构成项目并非为全部均衡项目。甘州区地处西北干旱气候下的冲洪积扇区域，降水稀少，蒸发强烈，降水入渗补给几乎为零，由于山前基岩裂隙不发育，侧向流入补给也可忽略不计。对于单一砂卵砾石层含水层并无越流补给及各种人工补给，地下水补给量主要由山区河水入渗补给（Q河渗）构成，地下水位因开采而降低后排泄项中蒸发量（Q蒸发）、溢出量（Q溢出）都减小为零，此时，水均衡方程可简写为:

所允许最大开采量按下式确定:

综上可知，采用水量均衡法进行甘州区农业灌溉深层地下水开采量计量的关键是准确确定河流入渗补给量。

2.2 地下水埋深与河流入渗补给量关系

河流入渗补给取决于饱和含水量与田间持水量之差，其通常通过库容量与深度变化累积曲线（图1中曲线Ⅰ）反映。此外，河流入渗补给还取决于随地下水埋深变化的入渗水量沿程损失，用田间持水量与含水量实际值之差表示，即图1中曲线Ⅱ。

图1 地下水埋深与河流入渗补给量关系图

当地下水埋深为0时，河流入渗补给量也为0，在地下水埋深逐渐增加的过程中，河流入渗补给量开始沿着曲线Ⅰ增加。重力水库容和入渗水量相交点处的埋深为地下水最佳埋深，此后随埋深的继续增大，库容持续增加，但因可入渗水量的限制，河流入渗量沿曲线Ⅱ逐渐减小，最终趋于稳定状态。

在某种特定条件下，降水入渗补给量随地下水埋深的变化曲线上，入渗量最大时的地下水埋深即为地下水最佳埋深。基于对地下水埋深与河流入渗补给量关系分析并结合甘州区降水量与地下水埋深情况可以看出，降水量小的年份，最佳埋深较小；降水量大的年份，最佳埋深大；多年平均综合线的最佳埋深，小降水年份不起作用,主要由大降水、大入渗年份所形成。对甘州区降水量与地下水埋深资料分析，最佳埋深在3 m,主要是由1997年大水年份形成的。

甘州区农业灌溉用水量与地下水埋深之间的关系研究较为复杂，为准确得到用水量对地下水埋深的影响系数，必须选用恰当的统计方法剔除水文、地质、环境、人为等方面的影响因素后进行定量分析，为简化分析，本文暂不考虑农业灌溉用水量与地下水埋深之间的关系。

2.3 研究过程及结果分析

2.3.1 均衡区的划分

根据农业灌溉深层地下水开采量计量的目的和要求，以天然地下水系统边界所圈定的范围作为甘州区地下水资源评价的均衡区。甘州区灌溉深层地下水开采量计量均衡区人为划分以地下水交换量容易确定的边界为依据。对于面积大且水文要素复杂的均衡区，均衡要素之间存在较大差别，还应根据含水层介质成因及地下水类型进一步分区。甘州区地下水位计量分区见图2。

图2 甘州区地下水位计量分区

2.3.2 均衡期的确定

地下水资源量随时间、空间等坐标的变化而变化，呈明显的四维特征，所以进行甘州区农业灌溉深层地下水水量均衡计算时还应根据水量评价目的、评价要求及资料情况等确定时间段。本文以大水文周期（1995年～2004年和2004年～2015年）作为研究的均衡期，并以水文年为单位进行水量逐年计算，再以均衡期内总水量进行平衡计算。

2.3.3 均衡要素的确定

通过均衡区周边和垂向边界流入及流出的水量项均属于地下水开采量计量的均衡要素，进入均衡区的水量项属于补给项，流出的水量项则为排泄项。首先确定天然条件下甘州区农业灌溉深层地下水补给项和排泄项，再进行可开采条件下开采补给量与截取排泄量的量化分析，并由此建立地下水均衡方程。将均衡要素带入地下水均衡方程中，求出补给量与排泄量之差值，并进行其是否与地下水储量变化相符的验证，若不相符，应调整均衡项再次验证，直至方程平衡[2]。选取甘州区多年水均衡调节的地下水埋深、水均衡调节的地下水变幅为主要均衡要素，变动趋势见图3。

图3 不同分区地下水埋深及降幅对比

表1 甘州区农业灌溉用水多年水均衡调节计算结果

2.3.4 结果分析

根据甘州区多年的动态观测资料，先确定各年来水量（补给量）和计划用水量（排泄量），由于农业灌溉用水在枯水年用水量多，丰水年用水量少，所以水量调节不应按原时间序列的次序，而应将枯水年地下水位确定为起调水位。此处以2004年～2005年为起调年，2015年后再接1995年～1996年。根据来水量（补给量）和来用水量差，进行水位变化幅度的计算，由于旱季甘州区农业灌溉用水量较大，年内地下水开采将会使地下水储量产生水位变动，所以表1中年水均衡调节要求的地下水埋深应为多年水均衡调节的地下水埋深和水均衡调节的地下水变幅之和。

根据甘州区多年农业灌溉用水调节结算结果，就现有的水文观测周期而言，大多年份地下水补给量严重不足，用水量远远超出来水量，地下水位下降，地下水位埋深最大为1999年～2000年的9.22 m，最小为2003年～2004年的4.50 m，这表明，按照多年水均衡进行调节，农业灌溉用水水量是有保证的。

3 结论

综上所述，当前农业灌溉地下水开采量数据通常来自调查与估算，而利用水量均衡法所测算的农业灌溉地下水开采量基础数据扎实，计算结果精度高，具有很强的实用性。由于甘州区地下水位差别较小，在进行农业灌溉用水量计量时将该行政区作为一个水位区进行计量，分析结果表明:对地下水埋深与河流入渗补给量关系分析并结合甘州区降水量与地下水埋深情况可以看出，降水量小的年份，最佳埋深较小；降水量大的年份，最佳埋深大；多年平均综合线的最佳埋深，小降水年份不起作用，主要由大降水、大入渗年份所形成。甘州区年水均衡调节要求的地下水埋深为多年水均衡调节的地下水埋深和水均衡调节的地下水变幅之和，虽然大多水文年份地下水补给量严重不足，但按照多年水均衡进行调节，农业灌溉用水水量是有保证的。