（水利工程专业论文）甘肃疏勒河项目昌马灌区地下水动态预测研究.pdf

独创性申明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重中明：本人所呈交的学 位论文是我个人任导师指导f 进行的研究工作及取得的成果。尽我所知， 除特别加以标注和致谢的地方外论文中不包含其他人的研究成果。与我 一同工作的同志对本文所论述的丁作的任何贡献均已住论文巾作了明确的 说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名丢主茎b 。月。h 保护知识产权申明 本人完全了解西安理工大学有关保护知识产枞的规定，即：研究生任 校攻读学位期问所取得的所有研究成果的知识产权属西安理工大学所有。 本人保证：发表或使用与本论文相关的成果时署名单位仍然为西安理丁大 学，无论何时何地未经学校许可，决不转移或扩散与之相关的任何技术 或成果。学校有权保留本人所提交论文的原件或复印件，允许论文被查阅 或借阅；学校可以公布本论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或 其他手段复制保存本论文。 ( 加密学位论文解密之前后，以上申明同样适用) 论文作者签名丝导师签名：耻产月w 日 夕 摘要 甘肃疏勒河项目昌马灌区地下水 动态预测研究 学科名称：水文地质及地下水资源答辩日期：2 0 0 4 i 0 研究生姓名：马明作者签名：能 导师姓名：王全九教授导师签名：c 虎竹u 王旭华高级工程师 王他鲜 摘要 疏勒河流域位于甘肃河西走廊西端，属干早内陆河区域流域依靠发源于祁连 山脉的疏勒河，滋养着流域昌马、双塔、花海等平原绿洲。流域经长期开发，形成了 天然生态与灌溉农业相结合半人工绿洲2 0 0 0 年水资源利用率达到4 2 。 1 9 9 2 年，甘肃省政府在世界银行支持f ，启动了疏勒河项目。该项目位于疏勒河 流域中一下游，是以水利灌排，垦荒选田，农、林、牧开发，移民安置，环境保护， 水土保持，工业供水为主，兼顾小水电开发。利用世界银行贷款建设的扶贫和环境治 理与保护的大型农业综合项目。项目计划开垦4 0 8 2 万亩耕地，移入7 5 万人口。项 目实时后水资源开发利用率将达到6 4 6 。 疏勒河项目的实施，将大大改变流域现状水资源利用格局，这些变化必将引起地 下水资源构成的改变，从而引起灌区生态环境的变化。本文结合疏勒河项目灌区水文 地质勘察及地下水动态预测研究工作，针对其中最大的昌马灌区农业开发及水资源利 用所引起的水循环变化，分析评价水利工程对昌马灌区地下水环境的影响，提出昌马 灌区土壤盐渍化改良措施。制定出灌区水资源合理开发利用方案及相应的环境预防与 治理措施。 针对上述问题，本论文重点进行如下研究工作： i 、充分搜集并系统整理了前人不同时期、不同行业、不同目的、不同精度在研 究区内的地质及水文地质勘察成果分析各项成果的异同性，进行了甄别、整合处理 西安理工大学工程硕士学位论文 2 、结合项目，补充进行灌区综合性水文地质勘察工作，进一步查明灌区气候、 水文、地形地貌、地质及水文地质特征，灌区地下水动态和地下水化学特征及其分布 规律。宏观评价了昌马灌区水资源利用现状及地下水资源均衡状态。 3 、以系统理论和可持续发展观念为指导运用现代水资源和水文地质理论方法 以及计算机模拟技术开展灌区地下水预测研究工作地下水模拟计算采用了较为成 熟先进的三维可视化地下水分析计算软件- v i s u a lm o d f l o w - - 建立了昌马灌区地下 水系统的数学摸型，分析预测灌区在现状和规划条件下的地下水运移规律。 通过实地勘察和模型预测，对项目区开发规模方案下的地下水动态及其环境影响， 进行了系统分析和评价，预测昌马灌区在现状、规划条件下的水质动态变化规律。并据 此提出该项目区的盐碱地治理措施建议以及水资源利用和生态环境保护策略。 关键词：疏勒河昌马灌区地下水预测 i i 摘要 g a n s us h u l er i v e rp r o j e c t d y n a m i cf o r e c a s t i n gr e s e a r c h o ng r o u n d w a t e ri nc h a n g m a i r r i g a t i o nd i s t r i c t m a j o r ：h y d r o g e o l o g i ca n dg r o u n d w a t e rr e s o u r c e s d a t e ：2 0 0 4 9 2 a u t h o r ：m a m i n g a u t h o r s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rw a n gq u a nj i us u p e r v i s e n i o r - e n g i n e e r w a n gx uh u a a b s t r a c t s h u l er i v e rb a s i ni sl o c a t e di nw e s te n do f h e x ic o r r i d o r , g a n s up r o v i n c e , b e l o n g e dt o c o n t i n e n t a lr i v e rb a s i n t h eb a s i nr e l i e su p o ns h u l e r i v e ro r i g i n a t e df r o mq i l i a nm o u n t a i n r a n g e t on o u r i s hc h a n g m a , s h u a n g t a , h u a h a ip l a i no a s i sa n ds o0 1 1 w i t h l o n g - t e r m d e v e l o p m e n t , t h eb a s i nf o r m e ds e m i a r t i f i c i a lo a s i sa s s o c i a t e dn a t u r a le c o l o g i cw i t hi r r i g a t i o n a g r i c u l t u r e i t sw a t e rr e s o u l c e su t i l i z a t i o nr a t ew a s4 2 i n2 0 0 0 ： w i t hs u p p o r t i n go ft h ew o r l db a n k , g a n s up r o v i n c eg o v e m i n e n tl a u n c h e dt h es h u l e r i v e rp r o j e c ti n1 9 9 2 t h ep r o j e c ts i t u a t e di nt h em i d d l e - d o w nr e a c h e so fs h u l er i v e ri sa l a r g e s i z e di n t e g r a t e da g r i c u l t u r a ld e v e l o p m e n tp r o j e c tm a i n l yi n c l u d i n gi r r i g a t i o na n d d r a i n a g ew o r k s ，l a n dr e c l a m a t i o n , d e v e l o p m e n to f a g r i c u l t u r e 、f o r e s t r ya n da n i m a lh u s b a n d r y , r e s e t t l e m e n t , e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n , w a t e ra n ds o i lc o n s e r v a t i o n ，w a t e rs u p p l yf o ri n d u s t r y , m e a n w h i l e ，i tt a k e dh y d r o e l e c t r i cd e v e l o p m e n t , p o v e r t ye l i m i n a t i o na n de n v i r o n m e n t p r o t e c t i o n i n t oc o n s i d e r a t i o nb ym a k i n gu s eo fl o a no ft h ew o r l db a n k i tw a sp l a n n e df o r t h i sp r o j e c tt oe s s a r t4 0 8 2t h o u s a n dm uo fc u l t i v a t e dl a n da n dt os e t t l e7 5t h o u s a n dp e o p l e a f t e ri m p l e m e n t a t i o no f t h ep r o j e c t , w a t e rr e s o u r e e su t i l i z a t i o nr a t ew o u l dc o m et o6 4 6 i n t h eb a s i n i m p l e m e n t a t i o no f t h i sp r o j e c tw o u l dg r e a t l yc h a n g e de x i s t i n gw a t e rr e s o u r c e su t i l i z a t i o n s i t u a t i o na n dc o r r e s p o n d i n gg r o u n d w a t e rr e s o u r e e ss t r u c t u r e , t h e r e b yr e s u l ti ni m p r o v e m e n to f e c o - a n v i r o n m e n ti nt h ei r r i g a t i o nd i s t r i c t t h i sp a p e ra n a l y s ea n da s s e s si n f l u e n c eo fi r r i g a t i o n w o r k st og r o u n d w a t e re n v i r o n m e n ta i m i n gt ow a t e rc i r c u l a t i o n c h a n g e sp r o d u c e d b y l i i 西安理工大学工程硕士学位论文 a g r i c u l t u r ed e v e l o p m e n ta n dw a t e rr e s o u r c e su t i l i z a t i o no ft h el a r g e s tc h e n g m ai r r i g a t i o n d i s 咄“i d ) c o m b i n e dh y d r o g e o l o g i c a ls u r v e y i n ga n dg r o u n d w a t e r d y n a m i cf o r e c a s t i n gi nt h e b a s i n , b r i n gf o r w a r da m e l i o r a t i o nm e a s r r e so fs a l i n i z e ds o i li nt h ec h a n g m ai d 。a sw e l la s e s t a b l i s hw a t e rr e s o u r c e ss o u n dd e v e l o p m e n tu t i l i z a t i o n p r o g r a m a n dc o r r e s p o n d i n g e n v i r o n m e n tp r e v e n t i o na n dc u r em e a s u r i nt h ec h a n g m ai d f o rt h ea b o v ei s s u e s ，t h i sp a p e rs t u d yf o l l o w i n gm a i ni s s u e s ： 1 f u l l yc o l l e c td a t ao rr e s e a r c hr e s u l t sd o n eb yp r e d e c e s s o r si nt h ef i e l d so f g e o l o g i ca n d h y d r o g e o l o g i c a ls u r v e y i n gi nd i f f e r e n tp e r i o d s ，i nd i f f e r e n tw a l k so fl i f e ，w i t hd i f f e r e n t p u r p o s ee n dd i f f e r e n tp r e c i s i o n ，i nt h i sb a s i n a n da n a l y s ed a t ac o n s i s t e n c y , t a k ep r o b a t i o n a r y a n di n t e g r a t i o nt r e a t m e n t 2 ，l i n k i n gw i t ht h ep r o j e c t , c a r r yo u ta l l - r o u n dh y d r o g e o l o g i c a lr e i n f o r c e ds u r v e y i n gi n t h ei d ，f l l r t h e ra s c e r t a i ne x i s t i n gf e a t u r e ss u c ha sc l i m a t e ，h y d r o l o g y , t o p o g r a p h ya n dl a n d f e a t u r e ，g e o l o g i ca n dh y d r o g e o l o g i ci nt h e1 d ，a sw e l l 豳f i n do u tg r o u n d w a t e rd y n a m i c f e a t u r ea n di t sw a t e rc h e m i s t r yf e a t u r ea sw e l la sw h a ti t sd i s t r i b u t i o nl a wi si nt h e1 d f i n a l l y , i tw a sm a c r oa s s e s s e df o rw a t e rr e s o u r c e su t i l i z a t i o ns t a t u sq u oa n dg r o u n d w a t e re q u i l i b r i u m s t a t ei nt h ec h a n g m ai d 3 t a k i n gs y s t e m a t i ct h e o r ya n ds u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ti d e aa sd i r e c t i o n , u s i n gm o d e mw a t e rr e s o u r c e sa n dh y d r o g e o l o g i ct h e o r ym e t h o d o l o g ya sw e l la sc o m p u t e r a n a l o g u et e c h n o l o g y , w ec a r r yo u t g r o u n d w a t e rf o r e c a s t i n ga n dr e s e a r c hw o r ki nt h ei d f o r g r o u n d w a t e ra n a l o g u e c a l c u l a t i o no ft h i st i m e ，w e i n t r o d u c e dm o r ea d v a n c e d t h r e e d i m e n s i o n a lv i s u n lc a l c u l a t i o ns o , w a r e _ v i s u a lm o d f l o w e s t a b l i s h e dm a t h m o d e lo fg r o u n d w a t e rs y s t e mi nt h ec g a n g m ai d t of o r e c a s tg r o u n d w a t e rm o t i o nl a wa n d g r o u n d w a t e rq u a l i t yd y n a m i ct r a n s f o r m a t i o nl a wi nt h ec o n d i t i o no fe x i s t i n ga n dp l a n n i n g s i t u a t i o n t h r o u g hf i e l di n v e s t i g a t i o na n dm o d e lf o r e c a s t i n g ，w em a d eas y s t e m a t i ca n a l y z ea n d a s s e s s m e n tt og r o u n d w a t e rm o t i o nt r e n da n di t se n v i r o n m e n ti n f l u e n c eu n d e rt h ep l a n n i n g d e v e l o p m e n ts c a l e ，f o r e c a s t e dg r o u n d w a t e rm o t i o nl a wa n dg r o u n d w a t e rq u a l i t yd y n a m i c t r a n s f o r m a t i o nl a wi nt h ec o n d i t i o no fe x i s t i n ga n dp l a n n i n gs i t u a t i o n o nt h eb a s i so ft h e a b o v es t u d i e s ，w ep u tf o r w a r ds u g g e s t i o n sa b o u ts a l i n e - a l k a l is o i li m p r o v e m e n tm e a s u r e s ，a n d s t r a t e g yf o rw a t e rr e s o u r c e su t i l i z a t i o na n de c c - e n v i r e n m e n tp r o t e c t i o n 【k e yw o r d s 】 s h u l e r i v e r c h a n g m ai r r i g a t i o n d i s t r i c tg r o u n d w a t e r f o r e c a s t h l g l 前言 1 刖舌 1 1 研究背景 疏勒河项目位于疏勒河流域中一下游，是以水利灌排，垦荒选田，农、 林、牧开发，移民安置，环境保护，水土保持，工业供水为主，兼顾小水 电开发，利用世界银行贷款建设的扶贫和环境治理与保护的大型农业综合 项目。项目包括昌马灌区、双塔灌区、花海灌区，其中昌马灌区为流域内 最大的灌区，面积为7 9 7 3 平方公里，地理座标：东径9 6 。2 3 一9 7 。3 0 ， 北纬4 0 。0 0 一4 0 。3 5 。 昌马灌区自五十年代以来，由地质、水利、农垦等部门做过大量水文 地质勘察工作，积累了大量的地质、水文地质和试验资料。灌区的可行性 研究阶段水文地质勘察工作也于1 9 9 1 1 9 9 2 年完成。 随着疏勒河项目的全面实施，将大大改变流域现状水资源利用格局， 这些变化必将引起昌马灌区地下水资源构成的改变，从而引起灌区生态环 境的变化。为保证昌马灌区农业开发的成功实施，必须完成较高精度的灌 区水文地质资料，并且对地下水动态进行预测和研究，分析评价水利工程 对昌马灌区地下水环境的影响，提出昌马灌区土壤盐渍化改良措施，制定 出灌区水资源合理开发利用方案及相应的环境预防与治理措施。 1 2 相关理论及研究动态综述 主要研究区域是位于疏勒河流域的昌马灌区、双塔灌区和花海灌区，根据 灌区水资源转化的特点，首先对灌区现状和规划的供需平衡、引水一耗水一排 水平衡进行了分析。为了寻求合理的灌溉模式，论文考虑水分与盐分的耦合， 通过m o d e lf l o w 模型建立水盐平衡模型，对不同地下水位，不同盐分分 布的盐碱地进行了灌溉模拟，以探求能够节约用水、改良壤的灌溉方式。 1 2 1 水资源转化基本理论 疏勒河项目区问题，是一个典型的干旱区水循环改变引起的水资源转化问 西安理工大学工程硕士学位论文 题，可以用水资源转化理论描述。水资源转化的理论体系经历了一个由简至繁 的发展过程，最初人们提出的是“三水”【1 】转化机理，即降水、地表水、地下 水：后来又出现了现在应用较广的“四水”【2 】转化理论，即大气水、地表水、 地下水、壤水。 大气水、地表水、地下水、土壤水( 以下简称“四水”) 是水资源的四种 不同形式，它们之间相互联系，相互转化，构成水资源循环，水量转化发生在 水循环过程中，现代水循环的概念是把它们视为一个动态有序的系统，即“四 水”转化系统。对于灌区来说【3 】，由于引水灌溉、排水、开采地下水等人为水 事活动，改变了自然条件下的“四水”循环转化规律，农业水资源转化系统实 际上是一个自然人工复合系统，所以，该系统除“四水”系统外，还应该 包括灌溉用水系统。 地表水来源于从区外引用的地表径流w s a 和由区域当地降水p 产生的地 表径流。地表水在输水过程中有水量损失，即部分水量转化为大气水( 蒸发) 、 土壤水和地下水。引用的地表水灌溉农田，转化为土壤水和地下水。土壤水来 源于降水与灌溉水的入渗、在地下水埋深较小的情况下还有潜水蒸发对土壤水 的补给。土壤水除部分下渗补给地下水外，通过地表蒸发与植物( 作物) 蒸腾 转化为大气水而消耗掉。地下水来源于地表水的入渗补给、降水的入渗补给、 和区域外的侧渗w g a 。地下水通过井灌与潜水蒸发转化为土壤水，通过农田 排水转化为地表水，部分地下水w g b 通过侧渗排出区外。区域排出区外的水 量w s b 的组成较为复杂，有地表水输水过程中的退水( 含当地降水无法拦蓄 的地表径流) 、农田的排水、城乡生活与工业的排水等。区域的水量最终消耗 于蒸发蒸腾、即e t 。 以年为单位、不考虑地下水的超采，忽略土壤水与地下水储水量的变化， 区域年消耗的总水量e t 为： e t = p + ( w s a - w s b ) + ( w g a - w g b 、 ( 1 - 1 ) 式中：w s a - - w s b 为区域地表水的引排差；w g a - - w g b 为区域地下 2 1 前言 水的侧渗差。 围绕水资源转化关系的理论体系，国内外学者不断地完善这一转化关系， 在转化的各个环节上取得了进展。 以往的水资源转化关系都是用每年的径流、降雨、蒸发等资料来分析， 进入9 0 年代初，一些科学家开始使用以月为单位的资料建立水资源转化关系。 如澳大利亚m a r q u a r i c 大学1 4 l 在1 9 9 2 年分别对三个流域1 2 年、8 年和6 年的 资料进行了回归分析，并对地下水的存储量进行了计算，由于时间步长较短， 计算取得了很好的精度。又如我国学者杨建锋在禹城试验站进行了全面而长期 的测定水分蒸发的试验【5 】他运用新型的土壤渗漏仪，测定地表蒸发量、地下 水的排泄量、地下水和地表水的交换量，以及作物的蒸散发作用，取得了较为 全面的数据，认为浅层地下水对土壤水盐运动和植物蒸发有很大的影响，应该 把浅层地下水作为大气一水一土壤连续体的一部分。 在应用领域，水资源转化模型在国内外得到了广泛的运用。早在1 9 9 1 年， 尼日尔就运用g i s 提供的空间和时间资料【6 】，在1 5 0 0 k m 2 的流域面积上建立了 水资源转化模型；在国内，辽宁省在1 9 9 8 年用“三水”转化的机理【7 i ，以降 水为输入，以计算水资源量为输出，建立了降水、地表水、地下水转化模型， 用于估算水资源量：同年，中科院通过对西部干旱地区内陆河流域山前平原地 区河水、地下水和泉水相互转化机制的研究分析【8 】建立了模拟与计算相结合， 兼有预测性质的水资源转化与开发利用模型。 在现行的水转化理论和应用中，大多偏重于均匀下垫面均一介质条件下 的水分转化研究，只能适用于较小的尺度范围，对于不均匀下垫面非均一条件 下，由空间变异和时间变化所引起的问题还未能很好的解决。 1 2 2 土壤水运动 土壤水运动基本方程是1 9 3 1 年，里查兹应用非饱和流动的达西定律与连 续原理导出非饱和流基本方程【9 j ： j 口 兰iv 限旧) v 砂1 ( 1 2 ) 西安理工大擘工程硕士学位论文 式中：0 为土壤笛水翠：妒为土水努：k 为非饱和寻水翠：v 为曙碰坝算 子。 基本方程可以随着应用的需要，改写成以基质势妒。、含水率0 、位置坐 标( x 、z ) 或参变量( u 、v ) 为应变量的表达式。常用的基本方程有： 百0 0 - 去【d ( 一) 詈 + 嘉【d ( a ) 争+ 圭【d ( 荸旦掣 ( - - 3 ) 峨) 挚d t - 去肚警】+ 熹陋粤o y 】+ 导o z 陆孥0 7 , 】掣0 7 们就d y ( 1 - 4 ) 咿) - 老即) - 器 ( 1 - s ) 式中：c ( o ) 为比水容量：o ( o ) 为扩散率。 当研究土壤中的溶质( 盐分、化肥、农药) 运移时， 移方程，如： 必旦( 如与一掣+ s 。 o ta z a z a z 需用土壤中盐分运 ( 1 - 6 ) 式中：c 为土壤水溶质浓度；q 为土壤水通量；d 。为溶质运移的弥散系 数；d 。兰为弥散项；q c 为对流项；c ，为液项以外的溶质动态储存量；s 。为 溶质的源汇项。 - 溶质的源汇项和动态储存量的变化，涉及土壤水中溶质物理的、化学的、 生物的行为与变化，要通过研究问题的背景，根据经验、试验与机理的分析来 确定其表达的模式。 用数值模拟方法求解的精度主要取决于土壤水分物理参数。水分运动的 关键参数为比水容量( 即水分特征曲线斜率的倒数) c p ) ，非饱和导水率i 徊) ， 非饱和扩散率d p ) 。若进行溶质运移计算，需要水动力弥散系数d 。若进行 水热模拟计算，同样需相应的参数。因此，在国内外土壤水的研究中，不可避 l 前言 免地要涉及参数的研究。 近2 0 年来，对参数的测定方法做过许多探讨，但至今没有十分成熟而又 统一的方法。1 9 8 9 年1 1 月，在美国加州召开了一次关于土壤水力性质评估的 国际会议【1 0 l ，主要讨论了用间接方法估计非饱和土壤的水力特征。v a n g e n u c h t e n 教授等人提出的估算方法颇流行，即用下列表达式表示水分特征曲 线： 口一日，+ i 赫 c 一， 【1 + ( 口，1 ) “ l - 1 ” 式中：p 、0 ，、0 ，为含水率、饱和含水率、残余含水率：h 为土壤基质势； n 、n 为非线性回归系数。 然后用m u a l e m 的统计模型可导出非饱和导水率的计算公式如下，简称 v g 模型： c ( h ) - k ， 1 一( a h ) ”1 1 + ( a h ) “p 。1 2 ，【1 + ) “r w “ ( 1 - 8 ) 由于描述土壤水运动机理基本方程的复杂性( 非线性、高阶偏微分方程) ， 解析求解是十分困难的。即使是最简单的定解条件，还需要在各种简化条件下 运用较复杂的数学推导求解。为土壤水定量研究带来很大的困难。 土壤水分运动、水热迁移及土壤水与溶质迁移的基本方程求解得益于计 算技术和模拟技术的发展。随着计算机的普及和计算技术的发展，各种相当复 杂的实际问题均可通过数学模拟方法定量求解。求解非饱和土壤水流的数值方 法主要为有限差分法( f d m ) 和有限单元法( f e m ) 。国内已由此发展了很多 计算技术，例如：任理把有限解析法( f a m ) 引入求解非饱和流问剐1 l 】：朱 学愚、谢春红发展了非饱和流动问题的s u p g 有限元数值法【1 2 】；溶质运移中 对流项在数值计算中容易产生数值弥散问题，杨大文等采用上风差分法1 1 3 】有 效的处理了数值弥散和振荡。 1 2 3 地下水与地表水联合调度理论与实践 地表水和地下水联合调度的模拟，基本上与理论同步发展。6 0 年代初， 5 西安理工大学工程硕士学位论文 美国哈佛大学水规划小组首先采用数学模拟方法解决地表水与地下水的联合 运用问题。1 9 7 2 年，y o u n g 和b r e d h o e f l 提出了一个模拟模型，这个模型由两 个子模型组成，一个是水文模型，另一个是经济模型。1 9 8 6 年，m o r e s e y t o u x 分别推导了河流系统、含水层系统以及复合系统的离散积分核函数和卷积形式 【h 】，从而对联合运用系统进行了严格的物理描述，该方法只在物理模型中求 解单位脉冲条件下系统的响应，从而使模拟模型与管理模型解耦。 在我国，1 9 8 4 年，清华大学水资源所的翁文斌等以北京市大石河流域为 对象，率先进行了地面水和地下水资源的联合模拟计算，并利用微机进行多方 案优选和多参数计算。模拟系统包括二个地面水库、一个地下水库、一段河床 中的潜流蓄水。1 9 9 2 年，马文正等建立了湖南白沙灌区地面水与地下水联合 调度的模拟模型，计算的结果要比用典型年和多年平均资料计算的结果更准 确，并能反映多种系统状态的变化。 结合到灌区的多水源调度，许多研究者根据研究区域的实际情况进行了 探讨，建立了一些有实用性的模型。在1 9 8 2 年，袁宏源等研究了河南省引黄 人民胜利渠灌区地面水与地下水联合利用最优运行策略。1 9 9 2 年武汉水利 电力大学的工作者【l ”，以枣庄市水资源系统为实例，根据该地区的供水特点， 建立了包含分区管理调度及统一管理调度模型在内的大系统分解协调模型。 1 9 9 8 年，辽宁省的李秀堂以提高灌溉保证率、扩大灌溉面积为目标【1 6 】，对浑 河流域地表水、地下水联合运用的水源条件、灌溉保证程度、工程措施和灌溉 效益的问题进行了探讨。 。 综上所述，几十年来系统分析理论在地表水与地下水联合调度中的研究 与应用，已有了很大的进展，取得了不少有价值的成果，这些成果不仅在提高 流域经济效益和社会效益方面发挥了作用，而且在理论上也有不少创新。今后 还应采用人工智能技术、决策支持系统、专家系统、灰色模糊系统等计算机技 术从根本上提高农业水资源的管理水平，充分发挥已有的系统分析成果和专家 的知识、经验，调动使用者的积极性和能动性，使科研成果真正转化为生产力， 1 前言 也唯其如此，才能使水资源系统科学研究取得更大的进展。 1 2 4 疏勒河流域地下水资源研究进展 ( 1 ) 疏勒河流域水资源分布、转化规律研究 早在1 9 8 1 年，就有学者对疏勒河流域水资源问题进行了初步研究f 用。研 究表明，近半个世纪特别是近1 0a 以来，由于中游灌溉面积不断扩大引起的 引用河水量的增加和渠系利用率的提高等人类经济活动的不断加剧及全球干 旱化趋势的影响所导致的对地下水补给量的不断减少，已引起疏勒河流域中游 地区地下水位累计下降1 s m ，泉水资源衰减0 0 5 x 1 0 8 0 0 8 1 0 8 m3 a - i 进而导致进入下游安西一敦煌盆地地表水资源量由1 9 9 2 年的2 6 1 1 0 8 m 3 减 少到1 9 9 9 年的1 9 7 1 0 8 m 3 ，致使安西县城附近泉水资源全部消失，区域地 下水位累计下降幅度超过3 m ，已经诱发了植被衰退、土地沙化等新的生态环 境地质问题。 疏勒河流域中下游因中新生代以来大幅度沉降所形成的一系列“构造一地 貌”盆地，堆积了数百米厚的第四系松散物质，其间聚集和赋存了丰富的地下 水资源，其基底为第三系或白垩系泥质砂岩和砂岩。根据1 9 9 7 1 9 9 9 年流域 内各灌区提供的河源来水量、渠首引水量、渠系利用率、灌溉面积、灌溉定额 和实测的泉水溢出量、地下水开采量及4 0 多年来的地下水勘查、均衡试验、 地下水动态长观所确立的各种水文地质参数，采用水均衡法分析了疏勒河流域 平原区多年平均地下水补给量i l ”。 ( 2 ) 疏勒河流域生态环境保护与地下水开发利用研究 疏勒河流域地处极度干旱的河西走廊西部，是正在兴建的农业灌溉区。随 着流域新一轮水土资源的大规模开发利用，必然引起与地表水一地下水循环转 化系统密切相关的生态环境条件的恶化，己出现了类似石羊河、黑河流域水土 资源开发利用过程出现的植被衰亡、草场退化、泉水衰减、土地盐渍化、沙漠 化等生态环境问题【1 9 j 。 疏勒河流域降水稀少，降水对生态环境的直接影响不大。而地表水与地下 西安理工大学工程硕士学位论文 水的循环转化对维持生态系统的稳定性起主导作用。丁宏伟等人依据2 0 世纪 9 0 年代对疏勒河流域的实地调查资料，在对流域环境变迁历史进行分析对比 的基础上，着重研究了天然植被的生长( 荒漠化程度) 与地下水的埋深、矿化 度、含水层岩性之间的关系，并提出了流域地下水影响带内植被演化模式，在 此基础上得出疏勒河流域农业灌溉暨移民安置综合开发( 未调整前) 工程 实施之后下游地区高大灌木将全部死亡、中游草甸植被向盐生草甸转化、花海 盆地植被基本维持现状的结论【2 0 i 。丁宏伟等人认为，产生生态环境恶化的原 因在于水资源利用模式不合理，多年来重视大量引用地表水而忽视了对地下水 资源的开发利用，河水引用率过高而导致灌区地下水位抬升、土壤盐渍化加剧， 形成了中游扇缘带泉水溢出减少、下游河川径流量减少、尾部干涸的结果i2 l 】。 陈志辉等人应用续惯性目标规划方法对疏勒河流域中游水资源利用方案 进行优化，提出了昌马灌区和双塔灌区适宜的地表水和地下水开采量，在充分 考虑生态环境需要的基础上，预测优化方案实施5 1 0 年后，绿洲现状水位埋 深小于2 m 地段的地下水位将降至2 3 m 以上，可以有效的防止土壤次生盐 碱化的发生i “i 。 ( 3 ) 疏勒河流域水盐运移研究 疏勒河流域处于西北内陆典型的干旱区，由于自然环境差，蒸发作用强烈， 平原区土壤含盐量较高，如何将开垦土地转变盐渍土，各方学者一直致力于研 究其现状、改良方式以及水盐平衡的变化对环境特别是下游溶泄区的影响。 h 秋霞研究了昌马灌区、双塔灌区和花海灌区主要的盐土类型，认为疏勒 河流域盐碱化的形成主要来源于气候条件和不当的水资源开发。疏勒河流域岩 石风化物和成土母质中都普遍含盐，这些盐分被流水源源不断地带到平原地 区，而三大灌区地形相对闭塞，水盐都没有出路，在相当干旱的气候条件下水 分强烈蒸发盐分在土壤中大量积累没有或很少被淋浴于是在盆地内部形成大 面积的盐土。“3 1 此外，b 秋霞还有针对性的总结了盐土改良的捧水措施、农业 措施和生态措施。 8 1 前言 赵成、姜才文在分析土壤盐份动态影响因素基础上，根据昌马灌区水土盐 动态观测资料，将土壤盐分动态分为脱盐型、灌期脱盐型、灌期积盐型、平稳 型、灌期解盐型、降水积盐型等6 种类型。同时发现在疏勒河流域这样的干旱 环境中，难溶盐c a c o ，的稳定带不在中游，而在下游安西一敦煌盆地及花海盆 地，从而为中游盆地土壤可溶盐含量计算和排盐设计找到了理论依据。在对比 典型的原位淋滤试验资料的基础上，赵成认为当工程排盐时土壤含盐量达 1 1 5 ( o 1 0 0cm 平均含盐量) ，以后洗盐效果不明显；对于不同的淋洗方 式，深排系统效果明显，浅排系统毛排间距大者较小者效果更为明显。并利用 试验中原盐剩余率与累计入田间的淋洗水量建立了相关关系式，规划决策者可 以根据土壤原始含盐量计算出所需淋洗水量，并根据河源来水量决定改造规 模，从而达到水土资源的优化利用。1 李维洲等人分析了双塔灌区地下水资源分布特征，将双塔灌区的地下水动 态变化特征分为渗入一径流型、灌溉型、灌溉一开采型、蒸发型等4 种不同类 型，并对不同类型地区的井灌区设置提出了针对性的建议i 硎。周拓对双塔水 库周围灌区不同的开垦洗盐方案进行计算，认为双塔水库周边灌区1 2 8 1 万亩 盐碱地应按8 年列计划，每年的开荒面积不能超过灌区面积的1 5 6 否则双 塔水库洗盐后的矿化度就会超过2 9 l i ”j 。 1 3 主要研究内容 充分搜集并系统整理前人在研究区内的地质及水文地质勘察成果，进行 分析、甄别、整合处理。结合项目研究的目的，补充进行灌区综合性水文 地质勘察工作，进一步查明灌区气候、水文、地形地貌、地质及水文地质 特征，灌区地下水动态和地下水化学特征及其分布规律，宏观评价昌马灌 区水资源利用现状及地下水资源均衡状态。 以系统理论和可持续发展观念为指导，运用现代水资源和水文地质理 论方法以及计算机模拟技术，开展灌区地下水预测研究工作。利用较为成 熟先进的三维可视化地下水分析计算软件- - v i s u a lm o d f l o w - - 建立昌马灌 9 西安理工大学工程硕士学位论文 区地下水系统的数学摸型，分析预测灌区在现状和规划条件下的地下水运 移规律。通过实地勘察和模型预测，对项目区开发规模方案下的地下水动 态及其对环境影响，进行系统分析和评价，预测昌马灌区在现状、规划条 件下的水位、水质动态变化规律。并据此提出该项目区的盐碱地治理措施、 建议以及水资源利用和生态环境保护策略。 1 0 2 灌区自然地理概况 2 灌区自然地理概况 2 1 气象、水文 2 1 1 气象 昌马灌区位处欧亚大陆腹地，深居内陆，远离海洋，气候变化复杂多样， 昼夜温差大，水气缺乏，蒸发强烈，春季风沙大，冬季寒冷干燥，具典型大陆 性气候特征，是我国和世界极度干旱地区之一。 据i f - j 镇气象站多年气象资料统计分析，平原区日照时间充足，多年平 均气温6 9 c ，降水量6 3 2m m a ，蒸发量2 9 8 9 6m l a ，般蒸发量是降水量的 2 0 多倍，降水量由南而北、由东到西呈递减趋势，多年最大冻土深度1 5 0 c m 。 ( 见表2 - 1 ) 2 1 2 水文 疏勒河干流全长6 7 0 k m ，其从昌马大坝至双塔水库1 2 9 k m ，多年平均出 山口径流量为1 0 3 1 亿m 3 ，其中冰川融水量3 2 0 亿m 3 a ，约占出山口径流量 的3 1 6 ，其余为山区降水及地下水补给。 2 7 1 该河流在昌马洪积扇上从东到西 发育沟道十余条，常年有水的沟道有三道沟、七道沟、九道沟、十道沟，多为 泉水汇集而成，构成疏勒河中游的径流量，流入双塔水库。 灌区东北部泉水溢出形成了北石河，由西向东经红山峡进入花海灌区，河 水量受季节性影响很大，如2 0 0 0 年7 月份红山峡流量为o 7 2m 3 s ，而2 0 0 1 年河流干枯。河水矿化度一般大于5 e e l ，不适于灌溉。南石河为人工河，沿 河仅在低洼处可见河水。 2 2 地形地貌 2 2 1 地形 昌马灌区为一完整的盆地，四周群山环绕，南为祁连山，西有北截山，北 有桥湾北山、饮马北山，东为干峡，海拔高程分别为2 3 5 0 m ，1 4 0 8 m ， 1 4 3 3 m ，1 4 5 2 m 。盆地内地形平坦开阔，地势南高北低，海拔高程南部为2 0 0 0 m ， 北部1 2 9 8 m ，相对高差1 0 0 7 0 0 m ，盆地南部昌马洪积扇戈壁砾石平原坡降 尊蚺谗n汁悼h蒲燕中咏主书冷 _ 表n 1 斟癌白c羚-站a淞婀游涨 盏蚺 蓄 薹 茎 薹 蚺 m 嫡 茸艚罩普酋 陆书豳书瞄 碍蓝甚蓝 皿 总 术ii 导 一 高 女 血 奄 u 苫 。 譬厶 睁 艚 2 2 灌区自然地理概况 为1 0 1 5 ，中、北部细土平原坡降3 5 ，疏勒河沿昌马洪积扇东部边 缘呈南北向进入细土平原后又呈东西向，向西流入双塔水库。在细土平原内 沼泽、湿地星罗棋布，荒地良田大片分布，在洪积扇前部所发育的近南北向 冲沟十余条，沟谷切割深度5 1 0 m 。 2 2 2 地貌 本区根据其内力地质作用和海拔高程不同，分为平原区和山区两大不同 地貌单元。 a 山区( i ) ： 根据山体切割程度及海拔和相对高程的不同可分为两个亚区：中山区， 低山丘陵区。 ( 1 ) 、中山区( ia ) ：该区分布在昌马大坝渠首南部。照壁山、鹰咀山、 托赖山统称为走廊南山，走廊南山主要由古生界轻变质岩系构成其骨干，山 体两侧为巨大的冲断层所限，成为典型的断块山。疏勒河在山体的东段横切 通过，形成长达8 k m 的峡谷地形，昌马水库就建于此，而本图幅所涉及到的 仅是照壁山北麓的- - d 部分，平均海拔在2 0 0 0 m 以上，故为中山区。i 硎 ( 2 ) 、低山丘陵区( ib ) ：主要分布在走廊以北和东部，大地构造上属走 廊北山，海拔高程均在1 0 0 0 m 以下，相对高差5 0 3 0 0 m 。主要由震旦系地 层和花岗岩