甘肅東部黃土區(qū)董志塬水沙變化特征

甘肅東部黃土區(qū)董志塬水沙變化特征

1自然地理總結(jié)1.1文化中心水系董志干位于甘肅省東部。洛杉磯高原是洛杉磯高原最大、保存最完好、黃土最厚的高原。它也是慶陽市政治、經(jīng)濟(jì)和文化中心的中心。地理位置介于東經(jīng)107°26′～107°51′,北緯35°19′～36°06′之間,塬區(qū)海拔1200～1500m。塬面南北狹長110km,東西最寬處約50km,最窄處約50m,董志塬塬面面積812km2,占慶陽市總面積的3.3%,塬區(qū)總耕地面積107.28萬畝。1.2降雨強(qiáng)度及降雨董志塬深居內(nèi)陸,遠(yuǎn)離海洋,處于干旱半干旱區(qū)。年均氣溫8.6℃。年均降雨480～660mm。年蒸發(fā)量1500～1600(20cm口徑蒸發(fā)量),折合E-601型蒸發(fā)量975～1040mm(折算系數(shù)0.65系經(jīng)驗值)。1.3降水量在地域上的分布規(guī)律董志塬塬面植被以農(nóng)作物為主,植被分布與降水量在地域上的分布一致,南部濕潤區(qū)植被較好,北部干旱區(qū)植被稀少。董志塬土壤以黑壚土為主,從南到北基本一致,無大的差異。1.4馬蓮河的自然概況董志塬塬面無河流水系發(fā)育,東、南、西、北側(cè)面分別被馬蓮河、涇河、蒲河和蔡家廟溝、教子川切割,河流與塬面相對高差在250～300m之間。董志塬四周被無數(shù)小支流切割、侵蝕董志塬,較大的有蔡家廟溝、教子川、硯瓦川、齊家川、蓋家川、南小河溝、水門溝、爛泥溝等。馬蓮河位于董志塬東側(cè),是慶陽市最大的河流,全長374.8km,集水面積19086km2,多年平均流量14.2m3/s,多年平均徑流量4.49億m3/a,多年平均輸沙量1.22億t。蒲河位于董志塬西側(cè),屬于涇河一級支流,全長175km,流域面積7443km2,多年平均流量7.7m3/s,多年平均徑流量2.248億m3/a,多年平均含沙量236kg/m3。2降水、蒸發(fā)和徑流2.1地下水的補給、徑流、地域分布特點董志塬深居內(nèi)陸腹地,遠(yuǎn)離海洋,處于半濕潤半干旱區(qū),溫帶大陸性季風(fēng)氣候,降水是董志塬地下水的唯一補給來源。董志塬南北跨度較大,降水量在地域分布上差異較大,一般東南部大于西北部。年內(nèi)分配也極不均勻,降水多集中在5-9月,占年降水量的77%以上,7-9月降水量占年降水量的62.0%。多年平均降水量為536.2mm。2.2水面蒸發(fā)量測定根據(jù)對西峰氣象站1956-2005年水面蒸發(fā)量資料的統(tǒng)計計算,多年平均水面蒸發(fā)量為1010mm(E-601型蒸發(fā)器)。4-8月蒸發(fā)量最大,占年蒸發(fā)量的65%。2.3徑流難以實現(xiàn)董志塬兩側(cè)河溝地表徑流量為6.738億m3,占慶陽市河川地表徑流量的46.5%,占全市自產(chǎn)地表徑流量的89.5%,董志塬周邊河川地表徑流主要補給來源為降水,屬降水補給型河流,因此,在汛期河川地表徑流量大,7、8、9月是全年徑流量的高峰期,降水集中,徑流變化非常迅速,經(jīng)常呈大起大落的洪水過程,7、8、9月為全年的豐水期,占年徑流量的60%以上。徑流的年內(nèi)分配為:春季占17%;夏季占55%;秋季占21%;冬季占7%。非汛期徑流量明顯偏少,主要補給來源為塬區(qū)地下水和山丘區(qū)地下水滲出匯流而成。地表徑流含沙量大,馬蓮河平均含沙量268kg/m3,年輸沙量1.22億t,這在大江大河中是絕無僅有的。河流的高含沙,造成徑流難以利用,進(jìn)一步加劇了水資源的緊缺狀況。蒲河多年平均含沙量236kg/m3,7-8月含沙量最大可達(dá)1070kg/m3。3地下水的補給、增溶與降水董志塬是隴東最大的黃土塬,塬面平坦,微向東南傾斜。東西兩側(cè)分別為馬蓮河、蒲河及其支流所切割,塬面高出河床達(dá)300m左右,流水切入前第四系地層達(dá)30～50m。由于特殊的地理位置和地形條件,在董志塬形成了一個具有獨立補給排泄條件的水文地質(zhì)單元,大氣降水是潛水唯一補給來源。降雨對地下水的補給主要受多年降水影響,與當(dāng)年降水的關(guān)系并不密切。董志塬地下水的徑流,一般從水位比較高的塬心向塬邊流動,徑流速度比較慢,含水層的水平滲透速度介于0.02～2.01m/d之間,潛水的排泄主要有泉水天然排泄和人為開采兩種類型。根據(jù)甘肅省西峰環(huán)境地質(zhì)觀測站123個水位觀測點5～15a的動態(tài)觀測資料,董志塬多年動態(tài)類型主要有:下降、上升、穩(wěn)定及波動變化4種類型。4東志干潛水資源量評價4.1地下水評價主要水文參數(shù)水文地質(zhì)參數(shù)的試驗、分析、確定是地下水資源量評價的重要基礎(chǔ)性工作,其準(zhǔn)確度直接影響地下水資源量評價的精度。董志塬地下水評價中常用的水文地質(zhì)參數(shù)為:滲透系數(shù)k采用試驗結(jié)果,董志塬的k值分布不均勻,其變化幅度為0.02～2.01m/d。給水度μ根據(jù)有關(guān)試驗結(jié)果,介于0.01～0.29之間,平均值采用0.13。降水入滲系數(shù)α根據(jù)甘肅省水資源綜合規(guī)劃中《地下水資源量評價報告》和董志塬巖性條件、分區(qū)降水大小分析,確定為0.11。4.2加滲補給量計算降水入滲是董志塬潛水唯一的補給來源。根據(jù)地域條件、氣候特征等,將董志塬劃分為慶城縣、西峰區(qū)、合水縣、寧縣四個區(qū)域,按照不同區(qū)域的多年平均降水量,依據(jù)降水入滲補給量公式計算潛水補給量。根據(jù)計算結(jié)果,董志塬多年平均降水入滲補給量為4789.36萬m3,降水入滲補給模數(shù)為5.9萬m3/km2,根據(jù)各分區(qū)面積和多年平均降水量,按降水量入滲補給量計算公式計算各分區(qū)補給量。董志塬降水入滲分區(qū)補給量如表1所列。4.3地下水泄量評價董志塬潛水排泄形式主要有泉水天然排泄和人工開采兩大類型。潛水排泄量是地下水資源評價的一個重要參數(shù),以濾波法割基流計算出董志塬潛水排泄量為3794萬m3。人工開采量經(jīng)調(diào)查資料詳細(xì)分析、歸納統(tǒng)計為762.19萬m3,供水人口達(dá)43.6745萬人。4.4董志塬潛水天然儲存量計算結(jié)果董志塬天然儲存量為21.7172億m3,扣除含水層厚度小于10m無實際意義的儲存量后,董志塬潛水天然儲存量為16.6317億m3。計算結(jié)果如表2所列。從分析計算結(jié)果看,董志塬潛水儲存量主要分布于西峰區(qū),其次為寧縣一帶,驛馬以北地區(qū)含水層厚度小,儲存量較小。4.5段末儲存量差值的計算淺層地下水蓄變量是指均衡計算區(qū)計算時段初儲存量與計算時段末儲存量的差值。根據(jù)能量守衡原理,蓄變量等于塬區(qū)潛水的總補給量(Q降入)減去塬區(qū)側(cè)向排泄量(Q泉排)與潛水開采量。董志塬各分區(qū)潛水蓄變量計算結(jié)果如表3所列。4.6算法的準(zhǔn)確性判斷水均衡分析是在水文地質(zhì)單元內(nèi)多年地下水總補給量與總排泄量的均衡關(guān)系,即Q總補=Q總排,但是在打井開采地下水,引流灌溉等人類活動影響下,地下水水位上升或下降,水均衡便與均衡計算期間淺層地下水的蓄變量(ΔW)有關(guān),因此,在實際進(jìn)行地下水資源均衡分析時總補給、總排泄及地下水蓄變量三者之間的均衡關(guān)系如下:X——絕對均衡差。|x|值或|δ|值較小時,可近似判斷為Q總補、Q總排、ΔW三項計算成果的計算誤差較小,亦即計算精確程度較高;|x|值或|δ值較大時,可近似判斷為Q總補、Q總排、ΔW三項計算成果的計算誤差較大,亦即計算精確程度較低。為提高計算成果的可靠性,當(dāng)|δ|>20%時,要求對各項補給量、排泄量和淺層地下水蓄變量進(jìn)行核算,必要時,對某個或某些計算參數(shù)做合理調(diào)整,直至其|δ|≤20%為止。從分析結(jié)果看,相對誤差除西峰區(qū)較大外,其余各分區(qū)均小于20%,整個計算區(qū)相對誤差為9.98%。董志塬各分區(qū)地下水資源均衡分析計算結(jié)果如表4所列。4.7實際開采量分布董志塬潛水可開采量為2873.62萬m3,實際開采量762.195萬m3。其中:西峰區(qū)可開采量為1610.69萬m3為最多。其他分區(qū)潛水可開采量計算結(jié)果如表5所列。4.8地下水超采區(qū)分布根據(jù)甘肅省地礦局環(huán)境水文地質(zhì)總站發(fā)布的1996-2000年《董志塬地下水動態(tài)監(jiān)測五年報》,分析總結(jié)了董志塬潛水多年發(fā)展勢態(tài),按照《地下水超采區(qū)評價導(dǎo)則》2.3.3和2.3.4之規(guī)定劃分,地下水超采區(qū)面積達(dá)158km2,占董志塬總面積的19.5%,超采區(qū)全部分布在西峰區(qū)。一般超采區(qū)位于彭原草灘村以南,沿公路兩側(cè)人口密集區(qū),南至肖金鎮(zhèn)以北公路兩側(cè),長約30km,寬約5km。嚴(yán)重超采區(qū)在一般超采區(qū)范圍內(nèi),主要分布在十里灣水源地和城區(qū)水源地,呈不規(guī)則分布,總面積約20.2km2。4.9建立數(shù)據(jù)庫,預(yù)測降水、水資源量變化情況,進(jìn)行計算機(jī)在線監(jiān)測、分類、背景、機(jī)大氣降水是董志塬潛水唯一補給來源,降水量的多少對地下水的補給具有直接的影響,而降水量受大氣循環(huán)影響具有周期性變化規(guī)律,利用電子計算機(jī)對董志塬降水資料建立數(shù)學(xué)模型,預(yù)測未來20a或更長時期降水量的變化,從而預(yù)測未來地下水資源量變化情況,僅供水行政主管部門在水資源管理工作中參考。4.10地下水資源量降水量預(yù)測利用董志塬1973-2006年34a的面平均雨量,以建立的數(shù)學(xué)模型預(yù)測近期(2020年)降水量,預(yù)測期為14a。從預(yù)測結(jié)果看,2006-2020年平均降水量為521.3mm,比多年平均降水量減少2.8%,2010-2020年10a平均值為535.2mm,比多年平均降水量減少0.2%,與2006年多年平均值極為接近,2012-2017年可能出現(xiàn)連續(xù)6a的枯水期,6a平均值僅為480.3mm,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于多年平均值536.2mm,比多年平均降水量減少10.4%,降水量總的變化趨勢呈下降態(tài)勢。(2)近期(2020年)董志塬地下水資源量預(yù)測分析地下水資源量受降水補給的影響,其變化趨勢與降水量基本一致,但隨著人口和經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展對地下水資源量的消耗將大為增加。由于降水量在總的預(yù)測期內(nèi)基本穩(wěn)定,個別時段降水量出現(xiàn)連續(xù)枯水年份,地下水的補給量減少,對地下水資源有一定的影響,而這種影響往往滯后1.0～1.5a左右的時間,在其后的這段時間降水量將恢復(fù)到正常水平,當(dāng)豐水年出現(xiàn)時人們對地下水的依賴程度也隨之減少。地下水資源的變化主要是由于開采規(guī)模的增大所致,由于董志塬潛水主要儲存在孔隙裂隙黃土中,降水對地下水的補給是非常緩慢的,因此,地下水資源的恢復(fù)也需要很長的時間。潛水資源量的多少是由降水補給量決定的,根據(jù)以上對降水量的預(yù)測,預(yù)計2006-2020年董志塬潛水天然資源量為4656.25萬m3,比多年平均值減少2.8%,2010-2020年10a平均值為4780.41萬m3,比多年平均值減少0.2%,與2006年多年平均值極為接近,潛水天然資源量的變化與降水量變化幅度一致,基本呈下降趨勢。要想在降水量減少趨勢下使地下水資源量保持穩(wěn)定,必須采取一定的措施使地下水水位基本穩(wěn)定。5地下水水化學(xué)類型本次評價收集地礦部門、慶陽市西峰區(qū)自來水公司、甘肅省水環(huán)境監(jiān)測中心董志塬地下水監(jiān)測資料以及2008年5月慶陽水文水資源勘測局監(jiān)測的50個水樣水質(zhì)資料,采用舒卡列夫分類法確定地下水化學(xué)類型,董志塬地下水水化學(xué)類型主要是2A型(HCO3--Mg2+-Ca2+),pH值最大值為8.4、最小值為7.6;重碳酸鹽平均值為291mg/L;氯化物平均值為8.50mg/L;硫酸鹽平均值為6.69mg/L;鈣平均值為31.1mg/L;鎂離子平均值為27.4mg/L;鈉離子平均值為32.8mg/L;礦化度(溶解性總固體)平均值為337mg/L;總硬度平均值為191mg/L?，F(xiàn)狀水質(zhì)評價,依據(jù)GB/T14848-93《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》,采取綜合評價法進(jìn)行評價,全部達(dá)到Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。6地下水開采量董志塬地下水開采量最大的是西峰區(qū),由于城市規(guī)模和城市人口的迅速增加,城市用水量也迅速增加,由1990年日需水量1萬m3左右,到2007年西峰城區(qū)日用水量增加到1.57萬m3,用水量的迅速增加,不得不大量開采地下水,西峰區(qū)自來水公司管理的城區(qū)地下水水源井大部分枯竭,十里灣水源地開采量由初期日開采量1萬m3,降至目前日開采量0.4萬m3左右,只能作為應(yīng)急供水水源地,西峰城區(qū)和十里灣水源地已經(jīng)形成了16.18km2的地下水漏斗區(qū)。西峰區(qū)以外地下水開采量雖然比以前有很大增加,但并沒有造成超采,沒有出現(xiàn)地下水漏斗現(xiàn)象,其集中開采地都在鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口稠密地帶,主要以城鄉(xiāng)居民生活用水為主,有少量零星分布的工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)用水,規(guī)模都比較小。此外,還有農(nóng)業(yè)灌溉用水,主要以澆灌果園為主,年灌溉次數(shù)和用水量都不確定,特別干旱年份灌溉量大,連片果園灌溉量比分散果園灌溉量要大。在調(diào)查中發(fā)現(xiàn),連片果園都打了機(jī)井或埋設(shè)了供水管網(wǎng),一般以戶為單位,果園面積3～10畝,分散果園面積在3～5畝左右,灌溉多以拉水澆灌為主,灌溉水量較小。農(nóng)村居民飲用水多數(shù)以分散供水為主,管網(wǎng)供水分布在條件較好的鄉(xiāng)鎮(zhèn)周圍。至2007年底,董志塬現(xiàn)狀機(jī)井?dāng)?shù)量1048眼,停用91眼,現(xiàn)狀使用機(jī)井?dāng)?shù)量957眼,年開采量762.19萬m3,供水人口43.6745萬人,灌溉果園面積19970畝。各行業(yè)用水情況為:工業(yè)用水量58.26萬m3,農(nóng)業(yè)用水量58.09萬m3,服務(wù)業(yè)用水量21.5萬m3,城市生活用水量115.21萬m3,農(nóng)村生活用水量508.13萬m3。農(nóng)村生活用水量是董志塬主要用水大戶,占總開采量的66.7%,因為農(nóng)村人口占董志塬總?cè)丝诘谋戎剌^大,農(nóng)村人均用水量水平目前還比較低。上述用水情況不能完全反映實際用水情況,只能反映潛水開發(fā)利用情況,因為在西峰城區(qū),主要依靠地表水進(jìn)行供水,潛水只是補充供水,另外,農(nóng)村取