基于内陆干旱区生态安全的地下水位调控研究

【摘要】：对于内陆干旱区来说,从其自然属性出发,绿洲的生态安全应该包括灌区土地安全、灌区内外天然植被安全以及水资源安全。保证灌区土地安全就是要使农田不受盐碱化的危害,保证灌区天然植被安全就是要使天然植被在不受水分胁迫条件下维持正常生长,保证绿洲的水资源安全就是保证灌区内部河流、湖泊以及地下水环境正常生态功能。绿洲灌区农业的水土资源开发必须考虑水、土、植被的承载阈限,具体表现为地下水埋深的阈值。因此,内陆干旱区生态安全地下水位是指在绿洲内部,能够维系绿洲天然植被的正常生长,确保绿洲农田不发生土地盐碱化和荒漠化等生态环境问题的地下水适宜埋深。绿洲灌区生态安全下的地下水位埋深可以是一个具体的值,也可以是一个区间。在这个区间内,绿洲灌区生态环境系统具有最高的稳定性和良性循环发展的自适应能力,偏离平衡位置后在一定时间内能够自动恢复,灌区生态环境处于安全状态,超过这个区间,灌区生态环境的稳定性遭到破坏,其绿洲稳定性受到威胁。 研究区焉耆盆地位于新疆腹地、天山南麓,自二十世纪五十年代以来,由于其大规模的水土资源开发,导致区域水文生态环境发生较大变化。本文在掌握焉耆盆地水文及生态环境中所存在问题的基础上,通过对研究区地下水埋深、矿化度、土地利用类型、土壤盐渍化50年来演化规律进行分析和总结,重点研究了地下水盐格局对土地利用以及土壤盐渍化变化的响应,并以此为依据从多个角度论述了绿洲基于生态安全的合理水位区间。 为确定不同条件下合理的地下水调控措施,在开都河下游浅埋灌区建立了典型地下水调控试验区,通过对区内各水均衡项的监测,基于Modflow建立了典型试验区地下水数值模型,分析了基于生态安全水位的各调控方案的水均衡的变化情况,通过方案优选给出了最优的可操作的地下水位调控模式。 以典型试验区最优地下水调控模式为基础,结合地下水调控分区研究,给出了各调控分区的主要调控措施,并依托焉耆盆地地下水数值模拟模型,对整个盆地在优化的地下水调控模式下水资源利用的变化情况进行了分析。主要研究成果如下： (1)通过空间插值方法优选,认为采用自然邻点插值法可以获取较优的地下水埋深及矿化度空间分布。同时结合多种GIS方法对50年来地下水埋深及矿化度空间分布的变化情况进行了分析,获取了地下水埋深及矿化度50年来的演化规律。 (2)根据对焉耆盆地各时期遥感数据的目视解译,结合空间分析等GIS方法获取了50年来研究区土地利用类型的变化情况；根据焉耆盆地不同时期土壤盐渍化调查数据,分析了研究区土壤盐渍化程度的变化趋势。 (3)采用高光谱遥感反演技术,结合地面实测光谱和取样分析,获取了研究区土壤含盐量的敏感波段,基于此建立了MODIS数据的土壤盐渍化遥感反演模型；采用遥感定量反演技术,通过建立基于地表能量平衡原理的Sebal模型,反演了研究区2008年逐月地表蒸散发,并以其空间分布格局作为潜水蒸发蒸腾的空间分布格局,引入焉耆盆地地下水数值模型,以便于进一步提高模型的模拟精度。 (4)通过分析焉耆盆地地下水埋深、矿化度对土地利用类型、土壤盐渍化变化的响应,从多个角度分析了研究区基于生态安全的合理水位,提出焉耆盆地维持生态安全的地下水位为2-3.5m。 (5)在研究区建立了地下水调控典型试验区,通过对试验区内地表水、地下水、土壤水的连续监测,建立了基于Modflow的典型试验区地下水数值模型。根据模型对拟定多个生态水位区间上的地下水调控方案进行模拟研究,并通过方案优选给出了浅埋灌区的最优地下水位调控模式。 (6)以2008年为现状年,基于MODFLOW建立了焉耆盆地地下水数值模型,在典型试验区地下水位调控模式的基础上,通过对焉耆盆地地下水的调控分区,拟定了各分区的适宜调控措施,由建立的地下水数值模型对调控方案进行模拟,获取了地下水位调控后盆地内水均衡项及水位的的变化情况。