酒泉盆地水資源轉化研究

謝軍健

(甘肅省水文水資源局，甘肅 蘭州 730000)

酒泉盆地位于河西走廊的西端，祁連山北麓的緩坡地帶，地勢西南高，東北低，南部沿祁連山由各山口形成若干較高的沖積扇，造成新地、紅山、金佛寺、豐樂等綠洲，各綠洲間為洪漫灘及礫石灘，東部為古代淤積的干旱沙漠和風蝕殘丘，北部和中部為山水河和泉水河交織形成的綠洲，地表較平坦，西部為礫石戈壁邊緣，以灰漠鈣土和灰棕漠鈣土為主。盆地平均海拔1 450 m，年降水量 80 mm左右，蒸發量較大，在2 000～3 000 mm之間。

本區域水資源來源多為山區降水和冰雪消融水匯于河谷中，以地表長流方式補給;以河水引入渠系、田間后，滲漏補給地下水。地下水的運動，由南向北流動，基本與地面坡降一致。到北部山前地帶，受北山阻截，水位抬高，流動緩慢，多消耗于蒸發，礦化度增高。潛水埋深隨地形變化，南深北淺，平均水位埋深7 m，水力坡降為1/1 000～1/1 500。研究區地理位置見圖1。

圖1 酒泉盆地地理位置圖

1 酒泉盆地水資源轉化機理

酒泉盆地是一個閉合盆地，盆地的入流主要有豐樂河、洪水河、討賴河，但只有討賴河水量進入了酒泉盆地進行地表水地下水的轉化，而豐樂河、洪水河水量在出山后基本用完，經過灌溉入滲后以地下水側向流入的形式補給盆地地下水。河水在盆地內經過地表水～地下水～地表水的轉換后進入鴛鴦池水庫。盆地計算面積為3 299 km2，含水層給水度μ =0.18。

酒泉盆地水資源轉化的基本形式是:河水從山前平原上部開始滲漏補給地下水，地下水以泉水形式在洪積扇前緣溢出帶出露并轉化為河水，地表水再引灌形成地下水，地下水溢出再形成地表水，反復2～3次。由于每次循環都將損失一部分水量，所以越往下游排泄水量越少。

2 水資源轉化規律及概化模型

該盆地的水資源轉化規律可概化為如圖2所示。

圖2 酒泉盆地水資源轉化均衡關系示意圖

圖2是由地表子系統、土壤層子系統、地下水子系統連同構成。根據水均衡原理，我們可以得出各子系統任意計算時段水量平衡關系。

2.1 地表層子系統

水量平衡關系為:

式中:P為降水;Ys1為地表水入流;E為總損失量(包括農業生產用水、植物蒸散發、水面蒸發、潛水蒸發等);Ys2為地面產水量和地表水流出量;A2為地表水入滲量(包括河道、渠道、田間、降雨入滲);Y's1為地下水開采量;Vs1，Vs2為計算時段Δt內時段初與末的地表水蓄量。

2.2 土壤層子系統

水量平衡關系為:

式中:Ysub1為土壤層輸入的壤中流;Ysub2為土壤層輸出的壤中流;U1為潛水蒸發等垂向輸入量;U2為入滲補給量等垂向輸出量;A1為垂直輸入的水量交換(如土壤蒸發等);Vsub1、Vsub2為計算時段初、末的土壤水蓄量。

2.3 地下水子系統

水量平衡關系為:

式中:Yg1為地下水系統輸入量;Yg2為地下水系統輸出量;Y's1為地下水開采量;Vg1，Vg2為計算時段初、末的地下水蓄量。

綜合上列三個水量平衡方程，可以獲得盆地整個單元系統水量交換層的水量轉化關系，即:

式(4)中地表水Ys2有地表水流出量觀測資料，土壤水和地下水在閉合盆地中無法流出，但在原河道有少量的潛流流出，無法獲得實際觀測系列資料。Ysub1+Yg1為盆地側向流入量，Ysub2+Yg2為盆地側向流出量，這兩組變量在特定的盆地內變化幅度相對較小且數量穩定，在水循環系統中占據次要地位。而出山徑流通過河道、渠道滲漏，灌溉入滲等補給地下水的有觀測資料的量，在系統循環中占據主要地位。因此，主要考慮有實際觀測資料的項，對沒有實際觀測資料的項不作考慮。

因為水文系統模型只注重系統的輸入、輸出關系和系統的結構，對系統中某些項的相互影響不作考慮。E+A1為系統蒸散發，也仍用 E表示。一年內地表層的蓄水量為零，即Vs1－Vs2=0;土壤層的蓄水變量可歸入地下水蓄變量。因盆地內地下水水位持續下降，ΔV應為負值，即:

式中:μ為給水度;F為平原區計算面積;ΔH為計算時段地下水水位差;Δt為計算時段，這里以年為單位，Δt=1年。

則(4)式根據實際需要可變為:

應用(6)式計算盆地時段(如年或月)內的整體系統水量平衡關系的計算模型，ΔV用來模擬地下水位的變化，Ys2用于模擬盆地出流。

由于盆地地面坡度大、水平徑流強、地下水位的升高與下降直接影響下游出口斷面流量。根據掌握地下水水位資料斷續不全、不能完全真實地反映地下水實際變幅，將出口斷面的實測流量定為因變量，其他變量定為自變量。為了簡化計算方法，將(6)式水量平衡模型方程進一步轉化為系統多輸入～單輸出模型:

式中:a0、a1…a5為模型參數。

3 酒泉盆地水資源轉化模型

豐樂河出山口有豐樂河水文站、洪水河出山口有新地水文站、討賴河出山口有嘉峪關(冰溝)水文站，而在盆地出流有鴛鴦池水庫水文站，都有實測資料。

根據(7a)、(7b)式模型結構的需求，將盆地水資源轉化模型數據列入而得出的模型為:

式中:Y為系統出流(鴛鴦池水庫站的入庫流量)，單位:108m3;X1為冰溝、新地、豐樂河站的出山水量，單位:108m3;X2為盆地降水量(已折合成水量)，單位:108m3;X3為地下水蓄變量(已折合成水量，給水度μ=0.18)，單位:108m3;X4為盆地內實際開采量，單位:108m3;X5為盆地內 E601蒸發器的蒸發量(已折合成水量)，單位:108m3。

該模型的復相關系數為0.899，標準差為 0.240，通過了信度 α=0.05的 F檢驗。

實測值與計算值比較見圖3。

圖3 酒泉盆地水資源轉化模型計算值與實測值比較

如果用盆地平均地下水水位作因變量，其它因子作自變量，由此而獲得的水位變化模型為:

該模型的復相關系數為0.754，標準差為 0.927，通過了信度 α=0.05的 F檢驗。

模型計算結果列表(略)，實測值與計算值比較見圖4。

圖4 酒泉盆地水資源轉化模型計算值與實測值比較

4 結語

從上圖中可以看出，1982－2005年酒泉盆地水資源轉化模型計算值與實測值基本吻合，完全說明了該模型使用的可靠性。該模型的計算結果顯示了自上世紀80年代以來盆地地下水資源的使用狀況。自1994年以來，盆地平均地下水水位下降了0.08 m，相當于每年超采地下水0.475×108m3，至2003年底近10年累計超采4.75×108m3。建議在枯水年份開采地下水以彌補地表水的不足，對促進區域經濟發展將起到積極作用，但過度超采會使盆地生態環境惡化。

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