瑪河流域地下水補排物理模型研究

黃 炎，劉文濤，馬 潔，吳陶玉，田云琴，劉 兵

（石河子大學水利建筑工程學院，新疆 石河子 832000）

地下水循環系統的重要特征，一個就是交替更新的過程，循環的模式可以直觀的分為垂直循環模式、水平模式還有兩者混合的模式。針對嚴重干旱的瑪河流域，其如何進行循環，超采行為瑪河流域的水循環過程就會受到影響，需要進行相關的科學考察來尋求答案。而新疆地區近年來出現的一系列的變化，讓我們更加需要建立相關的模型進行更多方面的研究。闡述地表-地下水轉化原理，概括瑪河流域的地下水地表水轉化的種種神奇，建立流域水循環模型具有現實必要性。

1 瑪河流域的特征

1.1 瑪河流域水文、地質、氣象等自然現象

瑪納斯河流域簡稱瑪河流域，地處新疆天山北麓、準噶爾盆地南緣。范圍相對廣闊，其流域面積約有2.43萬km2。這其中并非全是綠色平原，平原和山區基本各占一半面積。地勢是南高北低,對于最高的南部山區而言，其海拔高度可以達到5242.5 m左右。海拔1000~3600 m的是中低山區，區域平原的海拔在300~500 m之間，站在稍高的地方都可以一覽無遺,其中一些不能耕種的除外，可以被有效利用的土地約有46.6萬m2左右。瑪河流域有其較為豐富的資源，其豐富之處在于它的水資源，共有6條內陸河流為其供應。自東向西分別為塔西河、瑪納斯河、寧家河、金溝河、大南溝河、巴音溝河，這些河流均發源于天山北麓依連哈比爾尕山脈，并由南向北流入準噶爾盆地，其水資源總量達到了25.43億m3左右。先不說地下水的循環帶來的滋潤，單單這河川徑流總量就大概有22.91億m3。當然地下水的資源也是比較豐富的，其地下水資源的總量雖然比徑流少許多，但也有11.97億m3左右。但是，瑪納斯河流域地處歐亞腹地遠離海洋，同時因其地勢為南高北低(山脊海拔多在3600 m以上),所以受到海洋的氣候影響相對較小，其年降水量也很少，據統計大概只有110~200 mm而已。但是其年蒸發量卻很大，超出降水量的十倍左右，數值在1600~2000 mm之間，按照對氣候的分類，屬于典型的大陸性干旱氣候。

對于瑪河流域而言，它的變化是十分明顯的。在1987年之后，相應的調查數據表明隨著溫度急劇的上升，降水量也明顯增加。所以在20世紀70年代這一段的時間以來，瑪河流域流量的總體情況又形成了上升的趨勢，導致了冰雪融化的情況加劇，這也是不可避免的結果。

1.2 人為因素對瑪河流域的影響

整體的降水量少，溫度也漸漸的呈上升趨勢，帶來的冰雪融化現象更加明顯了，因而對瑪河流域氣墊層產生了相應的影響。其中自然原因只是占據一部分，不能忽略的另一部分是人為因素。隨著人類進行的事業活動，人口的急劇增長，以及一些工廠的經濟發展等等，這些因素影響了大氣的下墊面，下墊面的變化導致瑪河流域問題加劇，從而改變原有的自然現象。

2 瑪河流域補排關系

看到瑪河流域這樣干旱的地區，氣候變化對自然生生不息的境況造成了嚴重的破壞，我們不禁要問瑪河流域的補排與循環又是怎樣實現的呢？

2.1 瑪河流域地下水之間的補給方式

瑪河流域水資源的補給方式大部分還是比較一致的，主要都是一個源頭，來自于山區大氣降水。其中瑪河流域的地表水資源55.0%~68.0%都是來自上游大氣降水，其余的一小部分則來自于地下水。單單看地下水資源方面,比較淺一點的地下水主要依靠河道之間進行的滲漏給予，還有山前側向的補給。按照降水量的補給而言，其通過降水并且直接吸收滲透提供的補給大概有4.0%~18.0%，異常得少。比較深一點的地下水的補給方式相對單一，主要有垂直補給和側向補給。這樣受地表水和降水入滲補給的方式就顯得十分微弱。所以綜合來看，瑪河流域也是遵循大自然的補給方式進行，只不過相對于其他的流域而言，顯得比較脆弱。瑪河流域的補給是一個較為復雜的過程，流域地表水與地下水中途經歷了三次轉化。首先離不開的是大氣降水，降水在山區慢慢的匯聚，最終形成了河流，河水以滲透的補給方式垂直轉化為地下水資源；水順勢往下游匯集到最低處的平原區。河水的滲漏會不間斷的持續下去，最后會向地下水進行相應的轉變。當河水水量超出沖積扇并溢出時，這些地下水就會形成河流；河水又以自己的獨特方式，像農民用水澆灌一樣的方式間接性的補給地下水，產生了河流的補給。所以不管是人類的活動還是自然蒸發，水資源都會慢慢消耗。總體而言,大自然的補給和調節、人類的參與，有時會給補給的方式帶來比較嚴重的影響。

2.2 流域間地下水循環的轉化條件

按照科學的理念，形成水循環的內在因素很簡單，就是水在沒有其他影響的通常環境條件下，在氣態、液態、固態之間進行相互轉化；太陽會直接影響水的蒸發，外界壓力的過高或過低都會使水的形態發生變化。當然影響水循環的因素還有很多。總結幾個方面就是氣候的影響、地理的變化、以及人為的改變。大自然循環的條件是這樣，但是瑪河流域現在遇到的問題是循環條件已經出現了問題，這也導致了相應循環的難以完成。所以面對這樣的現狀需要進行其他改善工作，以更好地完成地下水循環的轉化——以人工為主導。

人工可以使得自然的垂直循環進行得更加充沛，蒸發下滲量增強，水平消耗流通量減少，流失量同時會減少，使得干旱的問題得以適當解決，間接形成了循環條件。

3 補排模型原理

瑪河流域通過模型可以讓人更加直觀地看到補排的相關自然現象。當然這并不是憑空想象的去建立相應的三維模型，也不是所有的流域模型都是一致的。模型的建立使得很多難以解決的問題已經得到了妥善解決，所以建立瑪河流域補排模型是很有必要的，也是有其本身相應的原理的，通過科學計算方法，讓這些數據更加的接近于瑪河流域自然的現實狀況，通過Visual Modflow軟件數據而進行相應模擬數學原理如下：

其中：D為滲透流域K為含水層的滲透系數（m/θ）；H為地下水水頭值（m）；W為源頭等。就是通過這樣精確的數據，該模型將瑪河流域大概的長度，寬度各個方面都已經大致的標注出來，通過很多以前探究瑪河流域的人留下的參考數據總結的內容進行分析，以中間值的參考值明確瑪河流域補排循環之間的對應關系，再結合其他流域的相應循環建立三維圖模型。

4 補排模型的研究探討

很多人因為看到瑪河流域的現象，懷疑自然界的循環補排的系統是否出現了問題，但是到瑪河流域現場去觀察委實不是很方便，所以就很難對瑪河流域進行徹底的研究和觀察，但Visual Modflow三維模型的確立好像真的解決了這樣的一個難題，值得去研究，那么這樣的模型研究者可以從中發現瑪河流域哪些方面的問題呢？

4.1 直觀展示其地形外界的狀況

一直對于瑪河流域相應的地勢狀況只是數據上的“看見”，但是這樣的一個濃縮的模型可以讓人更加直觀地“看見”本質，通過數據建立的瑪河流域地勢明顯呈現南高北低的趨勢，一邊像是陡坡而另一邊仿佛是低谷只是稍微漏出了一個小角罷了，這樣看過來，北面雖然積水量的程度看似比較好，但是卻因受到南邊湖水的影響變得很小；而南邊則相反，雖然受到的影響相對大一些，可是滲透量又稍微有點不足，以至于諸多影響了瑪河流域的種種問題不斷出現。這是模型給予外部的更直觀地研究。

4.2 直觀發現其內部問題

模型研究帶給我們更直觀的瑪河流域外部的體現，但是這只是一部分，要想真正的解決實際問題，就需要從內部進行直觀的分析了解，這樣才能更加熟知和了解。

通過不同的顏色，流線的建立讓我們更加熟悉地表的構質情況，再通過相應一些水質的方向更加直觀看到瑪河流域的局面動態。首先直接建立的是一個相應循環補排的觀念，再深入看這樣的模型時，就會發現因為地勢的影響，補排的方式有點略微的變動。總之看到這樣的內部構成，讓我們對瑪河流域的補排更多了幾分認識或者說不再只是理論，讓研究者更加了解這樣的結構與相關的問題。

雖然只是很簡單的表述了對其瑪河流域的補排模型，但是這兩者可以看到，模型可以方便研究。

5 結語

對于研究一個大型的瑪河流域全程，還不如去建立一個模型來的更加的實在一些。從現在研究的課題上來講，建立一個補排模型對于瑪河流域還是很重要的，因為看到的是瑪河流域長期存在的問題，所以必須要盡快想辦法解決才對，如果找不到解決的辦法話，將帶來不堪設想的后果，因此，這一項對于瑪河流域模型的研究，讓我們看到了瑪河流域存在的問題，更加深入地了解了瑪河流域的補排循環的方式，有時候模型比起現實情況去研究來的更加直觀一些。科學的建模方式，從外到內更加的直觀去進行了解。

因為這樣的模型會帶來更多對于瑪河流域更好的發展建議，也因為這樣的一次研究，使得以后的瑪河流域會有重要的改變，讓大自然更加和諧與進步。相信不僅如此，在以后的研究過程當中，模型的研究都會是一個好的選擇，它將更直觀的引領時代發展。

[1]楊海昌，王東方，邵建榮.干旱區大面積膜下滴灌對灌區地下水位及流場的影響[J].中國農村水利水電，2013(11):60-64.

[2]田華，王文科，荊秀艷.瑪納斯河流域地下水氚同位素研究[J].干旱區資源與環境，2010，24(3):98-102.

[3]劉少玉.西北內陸盆地水資源轉化與開發模式及生態環境效應——以黑河為例[D].北京：中國地質科學研究院，2003.6.

[4]汪世國.瑪納斯河流域水資源優化配置系統研究[J].水利建設與管理,2010，30(5):72-75.

[5]周金龍，王斌.新疆平原區灌溉水入滲補給地下水試驗分析[J].地下水，2002,24（4):202-203.

[6]李小龍，楊廣，何新林，趙純，王翠，陳思，許雙堆，楊明杰，喬長錄.瑪納斯河流域地下水水位變化及水量平衡研究[J].水文，2016，36(04):85-92.

[7]魏忠義.天山北坡水資源開發對地下水資源的影響及其合理利用[J].干旱區資源與環境，1992，（02）:55-62.