Journal of Water Resources Research 水资源研究, 2013, 2, 134-140 http://dx.doi.org/10.12677/jwrr.2013.22020 Published Online April 2013 (http://www.hanspub.org/journal/jwrr.html) Dynamic of Groundwater System under Human Abstraction in the Loessial Hilly Area —A Case Study in the Neiguan-Xiangquan Basin* Linshan Ya ng1,2, Changbin Li2, Wenyan Li1,2, Wenjin Ya ng2, Shuaibing Wang1 1College of Earth and Environment Science, Lanzhou University, Lanzhou 2Center for Dryland Water Resources Research and Watershed Science at the Key Laboratory of Western China’s Environmental Systems (Ministry of Education), Lanzhou University, Lanzhou Email: yanglsh12@lzu.edu.cn Received: Feb. 11th, 2013; revised: Mar. 1st, 2013; accepted: Mar. 16th, 2013 Copyright © 2013 Linshan Yang et al. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Abstract: In this study, we investigated the groundwater system dynamic influenced by the human abstrac- tion in a typical loessial hilly area named the Neiguan-Xiangquan Basin (NXB). Groundwater level meas- urements of the 44 wells in the region from 2001 to 2010 were used to quantify the change during the time period. A holistic method of groundwater assessment was adopted to quantitatively illustrate the groundwater dynamic. Quantifications suggested a strong impact of human abstraction on both recharge and discharge of the groundwater system. Patterns of groundwater were deeply influenced and varied broadly when compared between groundwater levels of the year 2001 and 2010, revealed that the groundwater system in the NXB had represented an obvious human abstraction-forced dynamic, with a very active and sensible drawdown across the whole area. Keywords: Abstraction; Dynamic; Groundwater System; Loess Hilly Area 开采条件下黄土丘陵区地下水系统动态研究 ——以内官–香泉盆地为例* 杨林山 1,2,李常斌 2,李文艳 1,2,杨文瑾 2,王帅兵1 1兰州大学资源环境学院,兰州 2兰州大学西部环境教育部重点实验室旱区水资源与流域科学研究中心,兰州 Email: yanglsh12@lzu.edu.cn 收稿日期:2013 年2月11 日;修回日期:2013年3月1日;录用日期:2013 年3月16 日 摘 要:以甘肃省定西市内官–香泉盆地为研究区,根据2001~2010 年该区地下水实际开发利用,地 下水动态及资源评价基本理论方法,计算并分析了区内 44 口长观井所代表的地下水系统变化规律。 结果表明,强烈的地下水开采改变了内官–香泉盆地地下水系统的天然源汇项构成,进而影响到地下 水系统格局及动态。2001 年以来,内官–香泉盆地地下水位呈现明显的开采型动态,并处于活跃下降 阶段。 关键词:开采;动态;地下水均衡;黄土丘陵区 *基金项目:国家自然科学基金青年科学基金项目(41001014),高等学校博士学科点专项科研基金项目(20110211110011)。 作者简介:杨林山(1989-),男,甘肃榆中人,硕士研究生,主要从事旱区水资源研究。 Copyright © 2013 Hanspub 134 杨林山,等:开采条件下黄土丘陵区地下水系统动态研究——以内官–香泉盆地为例 Copyright © 2013 Hanspub 第2卷 · 第2期 135 1. 引言 地下水是水资源的重要组成部分,在保障我国城 乡居民生活用水,支持社会经济发展和维持生态平衡 等方面发挥着重要作用,尤其是在地表水资源相对贫 乏的西北地区,地下水资源具有不可替代的作用[1]。 人类活动对地下水的影响主要是通过对水土资源的 开发利用而产生的。随着社会经济的快速发展,人类 对地下水的干预愈来愈明显,并产生了一系列环境负 效应[2]。开展地下水动态研究,是地下水资源可持续 开发利用与管理的依据,也是进行与地下水资源有关 的工程规划、设计及运行管理的前提。地下水动态研 究为合理开发利用地下水资源提供科学的决策依据, 对实现地下水资源的合理开发、高效利用、科学管理 和有效保护,促进经济社会和生态环境的协调发展具 有重要的理论意义和实用价值[3]。甘肃省定西市内官 –香泉盆地地处我国黄土高原低山丘陵区,盆地内发 育有河谷型平原潜水,是定西市生活和工业的集中供 水水源地,同时还承担着盆地内农业灌溉供水的任务 [4]。该区地处半干旱黄土高原腹地,降水量少,可利 用水资源十分紧缺。近年来,随着经济社会的发展, 各行业用水量不断增加,地下水超采状况更加严重, 地下水位下降呈加快趋势,水质也趋于恶化,业已产 生一系列生态环境问题[5]。从目前关于该区的发表来 看,高恩基分析了定西市水资源利用现状[6];黄伟东 等分析了内官–香泉盆地历年地下水位变化规律,在 水均衡基础上对引洮施灌后的地下水动态做了趋势 预测[5];温续余等结合内官–香泉盆地地质状况和需 水情况,对引洮施灌后的地表水–地下水联合调度做 了初步分析[7];郭富赟分析了定西市地下水开发利用 引起的环境地质问题和对策[8];黄伟东分析了引洮供 水对关川河径流的影响,计算了回归水量[9]。这些成 果以讨论水利工程对区域地下水系统的影响较多,但 对人类活动改变地下水流场格局和地下水动态的重 要性涉及较少,即在该区的地下水研究中对人类活动 如何改变地下水源汇项,致使地下水系统发生改变较 少深入分析。 本文拟从内官–香泉盆地地下水开发利用实际 出发,厘清地下水系统源汇项构成,计算区域地下水 位变化的时空特征,分析人工开采条件下地下水系统 动态及格局变化的原因,为黄土丘陵区地下水资源合 理利用及有序管理提供参考。 2. 理论和方法 2.1. 地下水均衡理论 地下水均衡研究的目的在于阐明某个地区在某 一段时间内地下水系统收入与支出之间的数量关系 [10]。黄土丘陵区地下水收入通常包括大气降雨入渗补 给量、洪水入渗补给量、渠系田间回归水量和侧向潜 流等,地下水支出则主要有下游排泄量和人工开采 量。地下水均衡方程如下[10,11]: pr rr irinouta QQQQQ Qh A (1) 式中: p r Q为降雨入渗补给量,万m3/a; 为洪水入 渗补给地下水量,万 m3/a;为灌溉回归补 给地 下 水量,万 m3/a;为沟谷潜流补给水量,万 m3/a; 为流出出口断面的水量,万m3/a; 为人工开采量, 万m3/a; rr Q ir Q in Qout Q a Q 为给水度,无量纲,本文取 0.1[11];∆h为 水位变幅,m; A 为研究区面积,ha。 2.1.1. 降雨入渗 利用降雨入渗系数法计算降雨入渗补给量: pr 0.1QPaA (2) 式中: p r Q为降雨入渗补给量,万 m3/a; 为有效降 雨量,mm;为有效降雨入渗补给系数,无量纲, 本文取 0.05[5]; P a A 为入渗补给发生面积,km2。 2.1.2. 洪水入渗 根据洪水入渗系数法计算洪水入渗补给量: rr r QQ (3) 式中:为洪水入渗补给地下水量,万 m³/a; 为 盆地内洪水量,万m³/ a ; rr Qr Q 为河道洪水入渗补给系数, 无量纲,本文中香泉盆地取值0.51,卧龙川盆地取值 0.28,内官盆地取值 0.36[11]。 2.1.3. 渠系田间入渗 根据农田灌溉及渠系水回归补给系数法计算渠 系田间入渗补给量: ir i QQ (4) 式中:为灌溉用水入渗补给地下水量,万 m3/a; 为毛灌溉用水量,万m3/a; ir Qi Q 为灌溉水回归系数,无 杨林山,等:开采条件下黄土丘陵区地下水系统动态研究——以内官–香泉盆地为例 第2卷 · 第2期 量纲,本文取0.15[6]。 2.2. 可开采量计算 地下水可开采量是指在可预见的时期内,通过经 济合理、技术可行的措施,在不引起生态环境恶化条 件下的允许从含水层中获取的最大水量[12]。若 不使地 下水位下降,实现采补平衡,根据水量平衡原理,地 下水开采量为补给量中除去自然排泄量,即 aR QQQ d (5) 式中:为可开采量,万 m3/a; 为地下水补给量, 万m3/a;为自然排泄项,万m3/a。 a QR Q d Q 2.3. 地下水动态理论 地下水动态是指在各种因素的综合影响下,地下 水的水位、水量、水温及水化学成分等要素随时间的 变化,本文主要侧重地下水位动态。 年均地下水位埋深下降速率按式(6)计算: 12 Z Z vt (6) 式中:v为年均地下水埋深下降速率(m/a);1 Z 为初始 地下水埋深(m);2 Z 为现状地下水埋深(m);t为时间 间隔(a)。 地下水埋深累计变幅按式(7)计算: 12 Z ZZ (7) 式中: Z 为地下水埋深累计变幅(m);1 Z 为初始地下 水埋深(m);2 Z 为现状地下水埋深(m)。 3. 研究区 内官–香泉盆地地处陇西黄土高原祖厉河左支 关川河上游西河河谷地带,位于定西市安定区西南 部,介于东经104˚20′~104˚50′,北纬 35˚17′~36˚02′之 间。盆地东北接会宁,南连通渭、陇西、渭源,西靠 临洮,西北和榆中县毗邻(图1)。全境属黄土高原丘陵 沟壑低山区,内官盆地面积为42.73 km2,香泉盆地面 积为 29.85 km2,卧龙川盆地面积为 13.20 km2,海拔 1750~ 2580 m。境内沟壑纵横,丘陵起伏,山多川少。 内官–香泉盆地位于陇西黄土高原腹地,属中温 带干旱半干旱区,具典型大陆性气候。冬春季多西北 Figure 1. The location of Neiguan-Xiangquan basin 图1. 内官–香泉盆地地理位置图 Copyright © 2013 Hanspub 136 杨林山,等:开采条件下黄土丘陵区地下水系统动态研究——以内官–香泉盆地为例 第2卷 · 第2期 风,夏秋季多东南风,风力一般为二至五级,最大为 八级。区内极端最高气温 34.3℃,极端最低气温 −32.5℃,年均气温 5.7℃~7.7℃,≥10℃有效积温 2239.1℃,年日照时数 2500 h,无霜期 141 天,最大 冻土深度为 0.90 m。区内降水受时空影响分布不均, 南部山区年降水475 mm,盆地内 456 mm;年蒸发能 力达 1529 mm,空气相对湿度64.6 %,干燥度 1.5~4.0。 降水年内分配受季节变化影响,多集中于6~9 月,约 占年降水量的60%。 地质构造方面,内官–香泉盆地为NNW 向小型 断陷沟谷盆地,其南为内官南山山前断裂带,北为锦 鸡塬断裂。内官盆地位于西河上游断陷盆地的西侧, 香泉盆地位于断陷盆地的东侧,卧龙川盆地被夹持在 中间。盆地内不同来源的地下水汇集,由于盆地底层 为下更新统和中更新统以粉质粘土为主的相对隔水 地层,上覆河流侵蚀堆积物构成具有富水性较好的潜 水含水层,三个盆地之间隔以中更新统粉质粘土,使 得地下水在完成潜水和承压水之间的转化后,沿着三 个盆地各自的排泄通道(河谷)流向盆地出口断面,形 成相对不透水的独立水文地质单元[5](图2)。 4. 结果 4.1. 地下水均衡演算 内官–香泉盆地地下水系统接收各类补给主要 有降水入渗、洪水入渗、渠系田间入渗和河谷丘陵潜 流;地下水排泄项为机井开采和盆地向下游断面出 流。均衡结果分析如下: 地下水总补给量为 1184 × 104 m3/a。其中: 研究区河道内洪水入渗补给量249 × 104 m3/a,占 总补给量的 21%。 盆地内渠田灌溉用水入渗补给量261 × 104 m3/a, 占总补给量的22.06%。 降雨入渗补给量123 × 104 m 3/a,占总补给量的 10.37%。 潜流补给量为552 × 104m3/a,分别占总补给量的 46.57%。 地下水总排泄量为 2496 × 104 m3/a。其中: 盆地出口断面排泄量为378 × 104 m3/a,占总排泄 量15.15%。 地下水开采量为 2118 × 104 m 3/a, 占总排泄量 84.85%。 由表 1可以看出内官–香泉盆地地下水系统为负 均衡,均衡差约−1312 万m3,其中内官盆地超采量为 503 万m3,香泉盆地超采 628 万m3,卧龙川盆地超 采量为 181 万m3。根据公式(4)算得盆地内的可开采 量为 806 万m3。由此可以得出盆地内的地下水负荷很 大,超采严重。机井开采占总排泄量的 84.85%,是 造 成地下水严重超采的重要影响因素。 4.2. 地下水位动态和降深漏斗变化 根据 2001~2010 年盆地内 44 口地下水长期观测 井资料,计算开采条件下地下水位变化数量特征,分 析地下水过度开采造成的地下水系统格局演变规律。 计算结果显示,盆地内地下水流场受地形和水源地开 Figure 2. The hydrogeological profile of study area[8] 图2. 研究区水文地质剖面图(文献[8];略作修改) Copyright © 2013 Hanspub 137 杨林山,等:开采条件下黄土丘陵区地下水系统动态研究——以内官–香泉盆地为例 第2卷 · 第2期 Table 1. The computation sheet of groundwater balance in 2010 (ten thousand m3) 表1. 2010年地下水均衡计算表(万m3) 计算区 全区 均衡要素 内官盆地 香泉盆地 卧龙川盆地 合计 百分(%) 降水入渗 55 50 17 122 10.37 洪水入渗 158 82 9 249 21.00 渠田入渗 159 67 35 261 22.06 潜流 334 156 62 552 46.57 补给量 合计 706 355 123 1184 100 断面流出 196 136 46 378 15.15 机井开采 1013 847 258 2118 84.85 排泄量 合计 1209 983 304 2496 100 均衡结果 −503 −628 −181 −1312 - 采双重控制,从流向格局来看,水源地开采对区域地 下水流场的影响越来越凸显。计算期内,盆地内地下 水流场发生明显变化,原来盆地地下水流场主要由盆 地内河谷地形控制,地下水流场与地表水流方向基本 一致,即自南西向北东流向盆地出口断面[7]。随着城 区经济发展,需水量猛增,地下水开采力度加大,水 位开始剧烈下降,地下水漏斗连片发展,水源地附近 已经出现大片的采空区。由于水源地开采的袭夺,周 边地下水向水源地汇聚,从水位等值线和水平水力坡 度来看,水源地袭夺和周边水流聚汇的趋势正在加 重。盆地内地下水流场受地形和水源地开采双重控 制,从流向格局来看,水源地开采对区域地下水流场 的影响越来越凸显(图3)。 由内官–香泉盆地地下水位年均下降速率等值 线图可知,区内地下水位处于整体下降趋势,降幅差 异比较显著,年均降幅大致在−0.08~−2.75 m。过去 10 年,累计下降最大的地方为内官镇林川村,地下水 埋深从原来的 51.13 m(2001年)增大到 76.88 m(2010 年)。从地区水资源可持续利用的角度,作为安定区城 镇和工业用水水源地,内官–香泉盆地一方面要保证 城区居民生活和工业用水,另一方面还要维系盆地内 农业灌溉用水和生活用水。过去几十年,城镇化水平 的提升和农田灌溉面积的扩大,使盆地内地下水补给 量远小于地下水实际开采量,地下水位降幅也逐年加 大。年均降幅大于 1 m 的区域已经占据了内官盆地大 部、卧龙川盆地的东南部和香泉盆地的北部,其中内 官盆地地下水位下降幅度最大,达到 2.75 m/a(图4)。 4.3. 人类活动对地下水位的影响 人类活动对区域地下水系统的影响主要有人工 开采和灌溉等回渗补给两种方式。忽略地下水埋深加 大对回渗补给量的影响以及其他入渗补给受人类活 动的影响,就灌溉系统渠田回渗补给和人工开采所造 成的水位升降进行分析(图5)。由图可知,渠田回渗补 给造成的地下水位回升在三个盆地间的差异较小,平 均为 0.29 m。由人工开采导致的地下水位下降是很明 显的,香泉盆地水位下降最大为 2.84 m,水位下降最 小的卧龙川盆地也有 1.95 m。渠田回渗补给导致的水 位回升值与人工开采导致的水位下降值相差 8倍,可 见人类活动对地下水系统的影响中,以人工开采所致 的地下水位下降占主要因素。人工开采中,农灌部分 和相应的渠田回渗量,呈面状分布在灌区;而城区供 水水源地,系集中开采后直接外调,基本无回归补给, 使得水源地附近的年均地下水位降幅较盆地内其他 地区大。总体上,内官–香泉盆地的地下水动态类型 为人工开采型。 5. 结论 通过分析内官–香泉盆地地下水均衡,得出盆地 均衡状况为负,超采严重,超采量为 1312 万m3。受 开采影响,地下水系统的源汇项构成有较大改变,地 下水系统流场格局也发生变化。过去10 年,盆地内 Copyright © 2013 Hanspub 138 杨林山,等:开采条件下黄土丘陵区地下水系统动态研究——以内官–香泉盆地为例 第2卷 · 第2期 Figure 3. The schematic map of groundwater flow change during 2001-2010 图3. 2001~2010年间地下水流场变化示意图 20'E 30'E 30'E 2 0 'E 30'N 30'N Figure 4. The isogram of average rate of groundwater level decline during 2001-2010 图4. 2001~2010年地下水位年均下降速率等值线图 Copyright © 2013 Hanspub 139 杨林山,等:开采条件下黄土丘陵区地下水系统动态研究——以内官–香泉盆地为例 第2卷 · 第2期 Figure 5. The groundwater level regime by influence of human activities 图5. 人类活动影响下的地下水位升降 地下水流场受人工开采的影响越来越显著,降落漏斗 中心位置的年均水位降幅较其他地方大,降落漏斗的 深度和面积都有增大的趋势,处于发展状态。对影响 地下水位降深的两种人类活动方式进行对比分析,发 现人工开采造成的地下水位下降值是渠田回渗补给 造成地下水回升值的 8倍,人工开采对地下水动态的 影响更大。内官–香泉盆地地下水系统呈现明显的人 工开采型动态,处于活跃下降阶段。 6. 致谢 研究受 NSFC项目(41001014)和高等学校博士学 科点专项科研基金项目(2011 0211110011)资助;感谢 编辑和评审提出的意见和建议。 参考文献 (References) [1] LI, C. B., QI, J. G., FENG, Z. D., et al. Quantifying the effect of ecological restoration on soil erosion in China’s loess plateau region: An application of the MMF approach. Environmental Management, 2010, 45(3): 476-487. [2] 马金珠, 李吉均, 高前兆. 气候变化与人类活动干扰下塔里 木盆地南缘地下水的变化及其生态环境效应[J]. 干旱区地理, 2002, 25(1): 16-23. 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