新疆叶尔羌河灌区地下水特征及均衡分析

吾尔来西·吾提库尔,玉米提·吾提库尔

(1.新疆额尔齐斯河投资开发(集团)有限公司,乌鲁木齐 830000;2.新疆水土保持生态环境监测总站,乌鲁木齐 830000)

0 引 言

新疆地区降雨稀少,地下水资源开发利用存在明显的地域不均衡性。当前,乌鲁木齐、石河子、喀什、莎车等地区均面临地下水超采及地下水负均衡不断严峻的局面,地下水位持续下降,植物大面积衰亡,生态环境日益恶化。近年来,随着叶尔羌河灌区河道引水量的增大,河道入渗补给持续减少,再加上灌区续建配套及节水改造工程的建设实施,灌溉供水保证率、渠系水利用系数和田间水利用系数不断提高,但渠系入渗补给和田间入渗补给逐渐减少。

基于此,文章通过计算叶尔羌河灌区地下水补给量和排泄量,重点展开灌区典型年地下水均衡以及源汇项相互关系分析,为缓解灌区地下水资源供需矛盾,促进灌区农业及社会经济有序发展,改善生态环境提供借鉴参考。

1 灌区概况

叶尔羌河灌区发端于喀喇昆仑山脉,自南向北依次流经喀什地区、阿克苏地区等地州市县,并在阿瓦提县域内和阿克苏河交汇,进而汇入塔里木河。叶尔羌河全长1168.45km,属于塔里木河的主要源流。叶尔羌河主要包括乌鲁克河、提孜那甫河等水系,地表水及地下水资源总量达到129.39×108m3。叶尔羌河河床中地下水位埋深最浅,出山口地下水埋深在0～30m。叶尔羌河灌区包括数个子灌区,属于典型的大陆性干旱气候,年降水量仅为120～210mm,而年蒸发量却达到1600～2100mm。随着灌区续建配套及节水改造工程的建设与实施,渠系水利用率从实施前的62.8%提升至当前的78.1%,净灌溉定额持续下降。灌区灌溉用水主要引自叶尔羌河河水和开采的地下水,在过去疏于管理的情况下,无序的地下水开采使得灌区地下水位迅速下降,生态环境迅速退化。近年来,随着对地下水无序开采行为的管制与治理,此类问题得到一定程度缓解,但仍严重威胁着灌区地下水资源平衡及生态稳定。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

根据叶尔羌河流域中游库鲁克栏杆水文站1980—2021年径流序列展开频率计算,通过P-Ⅲ型频率曲线展开流域最佳径流频率分布曲线拟合,以得出测站不同来水频率对应的年径流量[1]。结果显示,在P=25%、P=50%、P=75%的来水频率下,水文站年径流量分别为14.1×108m3、12.2×108m3和11.3×108m3。故以相应来水频率所确定出的2011、2016、2020年为典型年展开灌区地下水均衡计算。

文章以新疆叶尔羌河灌区2011、2016、2020年3个典型年降水量、径流量、渠系引水量、地下水侧向补给量、灌溉定额、地下水侧向排泄量等数据为基础资料,展开该灌区地下水特征及均衡分析,相关数据均来自《新疆统计年鉴(2000—2021)》、《莎车县统计年鉴(2000—2021)》、《喀什统计年鉴(2000—2021)》及灌区相关统计资料。

2.2 研究方法

文章采用平衡计算灌区地下水补给量、储存量和排泄量关系的水均衡法,以评价灌区地下水储量变化趋势及均衡状况[2]。与数值模拟技术相比,水均衡法对灌区水文地质条件具有较低认知度,对资料序列要求也不高,计算便捷,适用范围广。故文章通过水均衡法展开叶尔羌河灌区典型年地下水特征及均衡分析。

3 地下水均衡计算

结合叶尔羌河灌区水文地质条件及行政区划,将灌区划分成叶城灌区、泽普灌区、莎车灌区、麦盖提灌区、巴楚灌区、岳普湖灌区、前海灌区等7个计算区。选取2011、2016、2020三个典型年的1月1日～12月31日为均衡分析时段。为反映灌区地下水循环特征,还必须确定各计算区水文地质参数,具体包括渗透系数、给水度、降水入渗补给系数、水库入渗补给系数、河道入渗补给系数等,以上参数值主要根据《新疆维吾尔自治区地下水资源管理条例》、《叶尔羌河灌区地下水资源及环境问题调查报告(2021)》以及相关文献研究内容予以确定,具体见表1。

表1 叶尔羌河灌区水文地质参数取值

3.1 地下水补给量

侧向补给,河道入渗、降雨入渗、渠系入渗、田间入渗及水库入渗补给等是叶尔羌河灌区地下水补给的主要来源。根据水量平衡理论,进行灌区各计算区不同保证率地下水平衡状态下各典型年地下水补给量,再汇总得到叶尔羌河灌区地下水总补给量。结果见表2～表4。

表2 保证率P=25%时叶尔羌河灌区地下水补给量 108m3/a

表3 保证率P=50%时叶尔羌河灌区地下水补给量 108m3/a

续表3 保证率P=50%时叶尔羌河灌区地下水补给量 108m3/a

表4 保证率P=75%时叶尔羌河灌区地下水补给量 108m3/a

根据表2结果,在P=25%的保证率下,叶尔羌河灌区地下水总补给量为12.05×108m3/a,侧向补给、河道渗漏补给量、降水入渗补给量、渠系入渗补给量、田间入渗补给量、水库入渗补给量、井灌回归补给量分别为1.46×108m3/a、2.22×108m3/a、0.5×108m3/a、4.03×108m3/a、2.08×108m3/a、0.71×108m3/a、1.05×108m3/a,分别占灌区总补给量的12.12%、18.42%、4.15%、33.44%、17.26%、5.9%、8.71%。可见在该保证率下,渠系入渗是该灌区地下水最主要的补给来源,其次为河道渗漏补给和田间入渗补给。

根据表3结果,在P=50%的保证率下,叶尔羌河灌区地下水总补给量为9.04×108m3/a,侧向补给、河道渗漏补给量、降水入渗补给量、渠系入渗补给量、田间入渗补给量、水库入渗补给量、井灌回归补给量分别为1.46×108m3/a、1.43×108m3/a、0.37×108m3/a、2.98×108m3/a、1.22×108m3/a、0.71×108m3/a、0.87×108m3/a,分别占灌区总补给量的16.15%、15.82%、4.09%、32.96%、13.51%、7.9%、9.62%。在该保证率下,渠系入渗仍为该灌区地下水最主要的补给来源,其次为侧向补给和河道渗漏补给。

根据表4,在P=75%的保证率下,叶尔羌河灌区地下水总补给量为8.94×108m3/a,侧向补给、河道渗漏补给量、降水入渗补给量、渠系入渗补给量、田间入渗补给量、水库入渗补给量、井灌回归补给量分别为1.46×108m3/a、1.33×108m3/a、0.35×108m3/a、2.95×108m3/a、1.21×108m3/a、0.75×108m3/a、0.89×108m3/a,分别占灌区总补给量的16.33%、14.87%、3.91%、32.99%、13.53%、8.41%、9.95%。在该保证率下,渠系入渗仍为该灌区地下水最主要的补给来源,其次为侧向补给和河道渗漏补给。

根据以上分析,不同保证率下灌区河道渗漏补给存在较大变化,主要原因在于河道渗漏量受河道过水量的影响较大,而河道过水量又与河道丰、枯有关[3]。因为灌区降水少且蒸发量较大,降水入渗补给占比非常小。自灌区节水灌溉续建配套工程实施以来,渠系水利用系数和田间水利用系数持续增大,引水量和灌溉定额减小;农田灌溉机位基本设置在渠道及农田旁侧,渠系入渗补给和田间入渗补给明显减少。由于叶尔羌河灌区平原水库运行年限长,库床存在淤积,基本处于稳定渗流过程,故水库渗漏补给变化小[4]。

3.2 地下水排泄量

侧向排泄、潜水蒸发、泉水溢出、人为开采等是叶尔羌河流域地下水主要的排泄渠道。根据灌区地下水排泄量计算结果,人为开采排泄量在灌区总排泄量中的占比达到40.41%～61.28%;其次为潜水蒸发和泉水溢出,在灌区总排泄量中的占比依次为14.28%～29.31%和16.19%～19.07%,见图1。

图1 叶尔羌河灌区不同典型年地下水排泄量

叶尔羌河灌区大部分为细粒土地层,地下水垂直交替运动频繁,水平径流缓慢,故侧向排泄基本稳定;开采过程造成地下水位下降,潜水蒸发随之降低,但因为灌区潜水蒸发极限深度为5.0m,故地下水埋深在该极限深度以下的面积变化较小,潜水蒸发降幅不大[5-7]。

3.3 地下水均衡

通过地下水均衡模型进行叶尔羌河灌区地下水均衡要素计算及补排均衡分析,结合以上分析结果,在保证率依次为P=25%、P=50%、P=75%的情况下,灌区地下水供需平衡差依次为-0.15×108m3/a、-0.76×108m3/a、-1.34×108m3/a,缺口较大,灌区地下水资源均衡管理形势十分严峻。此分析结果也与灌区地下水变动趋势及相关研究成果基本吻合。

4 结 论

综上所述,新疆叶尔羌河灌区叶城灌区、泽普灌区、莎车灌区、麦盖提灌区、巴楚灌区、岳普湖灌区、前海灌区等计算区地下水变动趋势的影响因素不尽相同,但总变动趋势和主要影响因素均表现为农田灌溉、潜水蒸发、人为开采等方面。水均衡分析结果显示,渠系入渗是该灌区地下水主要的补给来源,但随着灌区节水灌溉续建配套工程的建设实施,渠系水利用系数和田间水利用系数持续提高,渠系入渗补给随之减少;典型年灌区地下水均表现为负均衡状态[8-10]。基于此,灌区管理部门必须从影响灌区地下水补给的各项影响因素出发,采取针对性强的措施严格地下水开采管理,强化区域水资源协调调度,提升水资源开发使用效益,实现灌区农业及社会经济可持续发展。