石羊河流域地下水取水许可gis数据库的建立与应用

石羊河流域地下水取水许可gis数据库的建立与应用

由于石羊河流域水资源的总体管理和地下水资源的严重开采，环境生态恶化，流域协调管理和流域水资源优化配置已成为当前研究的重点之一。盆地地下水资源的综合管理，尤其是盆地地下水资源的综合管理，已成为研究的重点之一。由于GIS具有高效的空间数据管理和灵活的综合能力,目前在国内外把GIS引入到地下水资源管理,特别是在地下水取水许可管理方面,已经有许多比较成熟的研究案例。比如WRDMAP项目(中英合作水资源需求管理援助项目),该项目通过建立包括地下水观测数据和各类社会、经济数据的综合数据库系统,结合WEAP模型(水资源评估和规划系统),展示流域地下水资源开发利用数据的空间分布格局,直观地掌握不同开采方案条件下区域地下水的利用强度,并根据其不同的变化趋势快速做出相应决策,使本区域内对地下水资源的综合管理达到系统化和科学化。另外,目前在水文、水资源领域,建立流域生态-水文空间数据库,开发基于GIS的流域水资源管理系统和分布式的地表、地下水模拟系统,应用这些系统以建立适合研究区的实际模型,模拟不同情景下的生态-水文过程,获得流域管理的优化模式,以指导流域管理和规划也是目前研究的发展方向。利用流域内的水文、水资源、气象等相关数据,借助GIS强大的数据库和空间分析功能,通过对流域内地下水资源现状及开发利用强度中关键要素的空间分布格局进行展示,用于分析和研究该流域在地下水资源管理中存在的问题,目的在于使水资源管理决策更为科学合理。1c地下水资源现状石羊河流域发源于祁连山东麓,位于甘肃省河西走廊东部,乌稍岭以西,祁连山北麓,在祁连山东段与巴丹吉林沙漠、滕格里沙漠南缘之间,流域总面积4.16万km2,涉及甘肃省武威、金昌、张掖、白银4市(图1)。石羊河流域上游较大的支流从东到西分别为大靖河、古浪河、黄羊河、杂木河、金塔河、西营河、东大河和西大河等8条河流,产流总面积1.1万km2,河流补给来源主要为山区大气降水和高山冰雪融水。流域内多年平均降水量为222mm,水资源总量为16.6亿m3,其中地表水资源量为15.6亿m3,地下水资源量为0.99亿m3,现状可利用水资源总量为17.6亿m3(含景电二期和“引硫济金”调水)。石羊河流域的地下水开采含水层主要为浅层地下水,地下水资源主要集中在流域中部走廊平原区的南北两个盆地之间,地下水资源包括与地表水重复的地下水资源量和与地表水不重复的地下水资源量,与地表水不重复的地下水资源量,具体有降水、凝结水补给量和侧向流入量,其中降水、凝结水补给量为0.43亿m3,侧向流入量0.56亿m3,地下水资源总量为0.99亿m3。2005年流域共有各类机井18647眼,地下水开采量为15.44亿m3。可以说,整个流域在人均水资源量、人均地下水资源量、亩均水资源量上均低于全省平均值,属于典型的资源型缺水地区。2资料编码与分析应用的原始数据主要包括水文、水资源、气象数据以及含经纬度和高程的流域地下水取水许可数据和观测井数据,还有社会、经济统计数据等。水文、水资源数据来源于甘肃省水文管理部门的39个雨量站以及14个水文站1980—2005年的整编资料,要素有流量、降水等要素。气象数据来源于甘肃省气象管理部门在石羊河流域的阿拉善右旗、山丹、民勤、门源、乌鞘岭、武威、松山、景泰和永昌10个气象站1961—2005年的气温、风速、相对湿度和太阳辐射值等,其中民勤和乌鞘岭为国家骨干站点。地下水取水许可数据来源于流域水资源管理部门,主要包括已完成GPS定位和属性调查的一万多条地下水取水许可数据。地下水观测井数据来源于水文地质、地矿部门在流域设立和观测的1985—2001年的整编资料,共计18眼观测井数据,包含经纬度和高程以及水位等要素。此外还有来源于政府部门发布的各类统计年鉴和流域管理机构中全流域和分县的社会、经济统计数据和WRDMAP项目在该流域案例示范研究区的基线调查数据。3地下水利用强度空间模型的分析3.1石羊河流域机井密度空间数据2005年,石羊河流域各类机井总数20173眼,其中有证机井18591眼,地下水许可总水量14.23亿m3,其中:武威市共有机井16870眼,有证机井15288眼,许可水量9.87亿m3;金昌市共有机井3303眼,有证机井3303眼,许可水量4.36亿m3。据此,由以上数据生成石羊河流域各县区机井密度空间分布图(图2),从中可以看出,整个流域许可的地下水机井密度有三个高值区存在。第一个高值区是民勤县城周围的部分灌区,有西渠镇,东湖镇,泉山镇,东坝镇,并且密度面积最大,且有三个次一级的高值中心:以城关镇为中心,由大坝乡、三雷乡、新河乡和薛百乡所构成;由双茨科乡、大滩乡和东坝镇构成的另一个高值中心;由收成乡、东湖镇和中渠乡构成的次一级高值中心。第二个高值区是金昌市东北的灌区,中心位于金川区和民勤县的交界地带,以金川区的双湾镇、昌宁乡和民勤的昌盛乡所构成。第三个高值中心以武威市凉州区为主,包括永昌县的一部分,该区域有两个次一级的高值中心:一是以凉州区城区及其北郊的中坝乡、双城镇、大柳乡、羊下坝乡为中心的高值区;二是位于凉州、民勤、永昌交界处的次一级高值中心,极值点出现在永昌县的朱王堡镇和水源镇。3.2石羊河流域地下水开采量和经济效益分析在地下水机井资源方面,每万人特别是每万农业人口所占有的机井以民勤县最高,其次为金川区,两者每万农业人口机井数是其他县区的5~10倍至多。每万户机井数以民勤县最高,达到1265.86眼/万户,占有绝对优势。在单位耕地面积流域各县区所拥有的机井数量上,以民勤县(为14.743眼/万hm2)和金川区(为15.253眼/万hm2)最高,两者占整个流域的50%,反映石羊河流域的中下游,特别是下游区域地下水开采不但在机井数量上以占有绝对优势,在开采量上也居高不下。流域机井资源情况统计数据见表1。在地下水机井产生效益方面,虽然单位耕地面积所拥有的机井数量以金川区和民勤县为高,但单位机井产值金川区和民勤县却最低,说明该地区属于大面积农业种植区域,由于灌溉用水定额普遍偏高,因此产生利用地下水灌溉而消耗量过大的现象。流域机井产生效益情况统计数据见表2。在单位机井农业总产值方面,以凉州区为最高,其次为永昌县、古浪县和民勤县,金川区最差,说明在石羊河流域以民勤为主的下游区域由于农业种植结构不尽合理,缺少高产值的农作物种植以及特色农业的发展,因此虽然地下水开发强度较大,但利用地下水产生的经济效益却不如中上游地区。3.3地下水开采量分布2005年,在人口224.87万人和耕地面积39.42万hm2的情况下,流域整体用水量达到27.92亿m3,这其中的大部分用水来自于地下水。流域多年平均地下水可开采量为8.7亿m3,而2005年实际开采量却达到15.4亿m3,超采量达到6.7亿m3。按流域2005年当年平均自产水资源总量和实际总用水量统计分析,水资源开发利用程度为153%,水资源消耗量大于水资源总量,在流域供水量构成比例中,地下水供水占总供水量的45%,可见取用水完全依靠超采地下水来维持,因此成为地下水严重超采区。2005年流域各县区人均年取水量对比数据见图3所示。在流域单位面积年取水量空间分布图上,取水量的大小存在明显的空间分异,高值区主要出现在凉州区、永昌县和民勤县区的三个地带,在金川区周围其他地段也有一些小范围的高值区存在,如图4所示。根据流域1980—2005年的地下水年开采总量系列资料进行分析得出,石羊河流域地下水不但严重超采,而且增幅也较强,1980年开采量为6.8亿m3,2005年开采量为15.4亿m3,25a增加8.6亿m3。石羊河流域各县区地下水取水量多年统计值见图5所示。在民勤盆地,2005年地下水开采量达到5.4亿m3,超采近4.4亿m3,在开采量较大的湖区、泉山、坝区等灌区开采量增幅较强且变化十分明显。由于严重超采,已经造成全县范围的土地沙化、植被退化和水质恶化等生态环境的破坏,并产生降落漏斗等地质环境问题,特别是在开采量较大的湖区、泉山、坝区等灌区变化十分明显,使当地水资源已经不能支撑该区域的经济社会可持续发展。3.4地下水的水位变化趋势因城市特定而发展自20世纪80年代后期开始,受全球气温升高的影响,石羊河流域降水量普遍出现减少趋势,河流天然来水量持续处在枯水期,地表水资源量减少使地下水的补给量也相应减少,可供开采的地下水资源量随之减少,由此产生地下水水位持续下降而出现采补失衡。该流域整体地下水位埋深普遍下降5~10m,在武威市形成漏斗区面积为10km2,漏斗中心水位埋深达75m,永昌县漏斗面积为15km2,中心水位埋深达57m。对石羊河流域地下水取水许可数据的机井深和水位进行插值处理,生成流域井深趋势面,用以表示石羊河流域地下水水位埋深(图6)。从图6中可以看出,石羊河流域的地下水机井水位存在很大的空间变异性,最深处出现在三个区域内:第一个是凉州区的武南镇、东河乡、吴家井乡、黄花滩乡、河东乡、永丰滩乡、黄羊镇一线;第二个是永昌县的东寨镇、六坝乡、城关镇一带;第三个是金川区城区及双湾镇一带;另外,还存在一线次一级的高埋深中心,由民勤的新河乡、东坝镇、三雷乡、羊路乡和夹河乡所构成,是整个流域的主要超采区。由于中下游地区地下水的大量超采导致地下水位不断下降,从地域性分析,石羊河流域地下水的下降幅度和速率具有明显的区域性和分带特点,在山前洪积扇上缘下降幅度较大,向北至泉水溢出带逐渐减小,再向北至民勤盆地下降幅度又开始增大,局地形成降落漏斗。不同的区域其地下水水位相差较大,最大变幅在1.5~200m之间,在中下游,特别是在下游的民勤盆地地下水的水位最低。从图7中可以看出,石羊河流域地下水位下降有4个高值中心:一是以金川区的双湾镇为中心,辐射达到民勤的昌宁和昌盛乡和金川城区,最高下降幅度达23m;二是以民勤东坝镇为中心,辐射达新河、羊路乡和双茨科乡及城关镇,最高下降幅度达15m;三是以凉州区的武南镇为中心,辐射范围达东河、六坝乡,最高下降幅度达12m;四是以民勤中渠乡为中心,范围达西渠镇,最高下降幅度达12m,其规律为在山前洪积扇上缘下降幅度较大,向北至泉水溢出带逐渐减小,再向北至民勤盆地和金川区下降幅度又开始增大并局部形成降落漏斗。民勤县位于石羊河流域的最下游,用水主要靠石羊河入境水量和盆地内的地下水维系。但由于近年来,受自然环境演变和人为活动的影响,进入民勤的地表水量由20世纪50年代的5.9亿m3减少到目前的不足1.0亿m3,同时由于耕地面积扩大等自身需水规模的需求,地下水井位及开采量大幅度增加。我们根据民勤盆地1984年至2000年的代表井点地下水观测资料分析并得出其水位变化过程线就可以看出,自80年代开始该盆地地下水位呈逐年下降的趋势(图8)。从技术层面上分析,石羊河流域地下水位的持续下降主要有以下3个原因:一是该流域地下水位下降是持续超量开采地下水净储量所致。近20多年来,石羊河流域耕地面积不断扩大,1960—1980年耕地面积增加9.4%,1980—2000年增加3.8%,因此导致用水量的相应增加,加上地表水资源的严重短缺,便过量开采地下水;二是在上游修建水库、中游渠道高标准衬砌和渠网化、渠系水利用率的提高,使得地下水补给量相应减少,其结果是导致了非回归性的耗水量增大,参与水循环的水资源数量减少,从而引起区域性的地下水水位持续下降;三是由于石羊河流域是以农业为主要发展模式的地区,种植结构还不尽合理,尤其缺少高产值和高效益的特色农业,加上农业灌溉技术相对落后,计划用水和节约用水的观念不强以及措施不力等都会产生流域地下水资源的浪费而导致地下水水位的持续下降。4按流域水量分配农业方案造成流域目前这种地下水资源开发及利用的现状,既是由流域资源型缺水所引起的,也是流域内的工农业生产及人类活动的长期演变和积累的结果。针对流域当前地下水资源管理中存在的问题,结合以上技术分析,应采取下列措施逐步加强水资源的需求管理:一是在流域地下水机井密度的高值区内(主要集中在民勤县城周围的部分灌区,以及金昌市东北的部分灌区和武威市的凉州区一部分,如图2所示),要严格根据流域水量分配方案,层层分解落实地下水允许开采量和削减量的指标,采取分步关闭机井、以电控制水和安装IC卡计量控制等有效措施,有计划地压缩地下水开采量,首先达到地下水的采补平衡,进而达到补大于采。二是在流域地下水取水量的高值区内(以凉州区、永昌县和民勤县