渠井双灌区地下水超采情况下的动态分析及人工补给研究

【摘要】：地下水作为水资源的重要组成部分，在促进社会经济健康和谐发展，维持生态环境平衡方面发挥着重要的作用。但是由于长期以来缺乏对地下水实行有效的管理和保护，地下水超采现象及由此产生的诸多生态环境问题日益加剧。因此，开展超采条件下的地下水资源动态分析及人工调蓄等方面的研究与实践，对水资源的可持续利用，实现“三水”统筹统管具有重要的指导意义。 陕西省泾惠渠地处关中盆地，古称郑国渠，是我国古代三大水利工程之一。灌区作为一个典型的渠井双灌区，几经投资改善和扩建，形成了一个渠井结合，以渠养井，以井补渠，灌排相济，控制盐渍、高产稳产的大型灌区，为关中地区粮食生产安全作出了巨大的贡献，其地表水、地下水联合运用模式曾是我国大型灌区水资源综合利用的一个优秀典范。 但近年来，由于社会经济的发展和当地自然条件变化，再加上灌区管理体制改革和供水水价调整等各方面原因，致使灌区地下水连年超采，特别是进入21世纪后，地下水采补失衡现象愈演愈烈，地下水位大面积持续下降，降落漏斗的面积不断扩大，并由此带来的一系列环境地质问题。因此，分析灌区地下水超采条件下的水位动态特征，开展地下水人工补给研究，恢复和发展地下蓄水，进一步科学实施渠井结合，实现“三水”联合运用，就成了解决问题的有效途径。 本文依托长安大学水与发展研究院所承担的陕西省水利厅项目“提高大型灌区水资源利用效益，促进社会主义新农村建设的试验与示范”项目，以前人的研究成果为基础，在充分考虑了环境演变、人类活动影响的基础上，分析了典型渠井结合灌区——泾惠渠灌区地下水系统的水文地质条件、转化规律及其地下水超采条件下的动态特征，建立了基于三层水文地质结构、同时考虑随机—确定参数耦合的三维地下水预测模型，对灌区地下水资源开采现状及两种补给方案条件下灌区未来20年地下水动态变化进行了多种方式的计算、预测、评价，结合试验并以耦合模型为平台对在灌区大面积推广地下水人工补给进行了研究，得到如下研究成果： 1、系统阐述了地下水人工补给的概念、原理，分析了影响地下水人工补给的因素，总结了其优缺点，并针对人工补给地下水中采用的计算理论进行了归纳，展望了未来地下水人工补给研究和实施中的新技术、新方法和新理论。 2、系统分析了研究区域地下水系统的水文地质环境及超采情况下地下水动态的演变历程；基于“三水转换”原理，确定了灌区的水均衡关系和均衡参数，并进行了水均衡计算，指出灌区地下水已处在严重的负均衡状态，超采严重，由此说明了在灌区大面积开展地下水人工补给措施已刻不容缓，同时也为人工补给的研究提供了必要的数据支撑。 3、将研究区水文地质概念模型和GIS集成，建立了灌区地下水随机—确定耦合预测模型，并进行了20年地下水位动态预测，结果表明：在现状用水模式条件下未来灌区地下水系统一直处在负均衡状态，地下水位将持续下降，这对灌区地下水资源可持续发展提出严峻考验。 4、对灌区开展地下水人工补给进行了必要性和可行性分析，尝试建立起了灌区地下水人工补给的评价指标体系，确定了体系中各种评价因子，采用AHP(层次分析法)中语气算子比较法确定了每个评价因子的权重，利用MapGIS软件对评价指标体系进行了统计分析，并根据分析结果划分出了灌区地下水人工补给适宜性分区。 5、通过地下水人工补给试验，研究了农业灌溉水补给地下水的机理，计算了补给量和补给效率等参数，评价了最佳引渗补给方式，为灌区大面积开展地下水人工补给提出决策建议。 6、结合试验，初步提出了灌区两种开展地下水人工补给的方案，以建立的随机—确定耦合模型为平台对各种人工补给方案条件下的地下水修复效果进行了20年预测及比较分析。结果表明，两种地下水人工补给方案，都能在很大程度上使得灌区地下水位得到有效的恢复，其中第二种方案比第一种方案的补给效果更为显著，且根据水均衡计算结果，估算出依照该方案，灌区地下水位恢复到目标年（1979年）水平所需时间大概为24年。