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
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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。
As an important component of water resources，groundwater plays an important role inpromoting healthy and harmonious development of society and economy, and maintaining thebalance of ecological environment. However, due to lack of understanding of the supportingrole of groundwater resources in ecology and environment, over-exploitation of groundwaterand many resulting environmental problems are increasing. Therefore, it has an importantsignificance for the sustainable use of water resources and for overall control of "Sanshui" tocarry out research and practice such as dynamic analysis and artificial flood storage under thecondition of over-exploitation of groundwater,.
Jinghuiqu, located in the Guanzhong Basin in Shaanxi Province, called Zheng Guoqu inthe past, is one of the three ancient water conservancy projects in China. As a typical well andcanal two-irrigation district, experienced several investments in improvement and expansion,it became a large-scale irrigation district with a combination of canal and well, Irrigation anddrainage with complementary, saline controlling and high yield. It made a great contributionto the security of the regional food production. Its joint use of surface water and groundwateris a good example for the utilization of water resources in China's large-scale irrigationdistricts.
But in recent years, due to the development of socio-economic and local changes innatural conditions, coupled with the reform of the management system and the adjustment ofthe price of water and other reasons, groundwater in Jinghui irrigation district wasover-exploitated in successive years. Especially in the21st century, the imbalance ofgroundwater intensified. Groundwater levels of large areas was declining, the area of the coneof depression was expanding, and the resulting series of environmental and geologicalproblems. Therefore, dynamic analysis of groundwater under the conditions ofover-exploitation, carrying out research of artificial recharge of groundwater, restoration anddevelopment of underground water, further scientific implementation wells combined withcanals, achieving joint use of "Sanshui", all of which become effective ways to solve theproblem.
This paper relied on the project of Water Resources Department of ShaanxiProvince,"improve water use efficiency of large-scale irrigation district, and promote theproject of the trial and demonstration of new socialist rural construction", which is undertakenby Water and development Institute of Chang'an University. this paper carried outgroundwater resources assessment of, demonstrated the feasibility study to promote theartificial recharge of groundwater in this area. On the basis of the results of previous studies,taking account of evolution of environment and influence of human activities, thehydrogeological conditions, transformation rule of groundwater system and dynamiccharacteristics under the condition of over-exploitation of groundwater in typical irrigationdistrict combined of well and canal-Jinghuiqu Irrigation District are alalyzed. The paperestablished a three-tier structure, taking account of3D dimension stochastic and deterministicprediction model for groudwater(GSDM). The present situation of groundwater, the dynamicchanges of groundwater without artificial recharge and with2kinds of recharge methodsduring the next20years are caculated, predicted and evaluated through many ways. Couplingwith the test and taking the GSDM model as a platform, promoting artificial recharge of of groundwater in lagre scale in irrigation district was studied. The creative achievements aregained as follows:
1,Describe the concept and principles of artificial recharge of groundwater systematically,analyse of the factors affecting artificial groundwater recharge, and sum up the advantagesand disadvantages, and the calculation of the theory used for artificial recharge ofgroundwater was summarized. Having looked to new technologies, new methods and newtheory of the future research and implementation of artificial recharge of groundwater.
2, Analyse the hydrogeological environment of groundwater systems of the study areasystematically and the dynamic evolution process of groundwater under the condition ofover-exploitation; based on the "Sanshui conversion" principle to determine the relationshipof water balance and equilibrium parameters for the water balance calculation in the status. Itsuggested that the ground water was in a serious state of negative balance, over-exploitedseriously. It showed that artificial recharge of groundwate in a large area in the irrigationdistrict should be carried out without delay, which also provides study of artificial rechargewith the necessary data support.
3, Integrate hydrogeologic conceptual model the the study area and GIS, throughdetermineing the various hydrogeological parameters, boundary conditions, initial conditions,the source terms and the time step, establish stochastic and deterministic coupling predictionmodel under the exploitation conditions of the status quo and forecast calculations for20years, the results show that: the future groundwater irrigation system will be in negativebalance status, the difference will reach-87952×104m3, remains a serious over-exploitation.And the water level continuous falls, the scope of the cone of depression further expands,even formating of some new funnels, which presents a serious challenge for sustainabledevelopment of groundwater in this area.We must now must take the necessary measures toreduce groundwater exploitation to prevent possible environmental geological disasters.
4. Analyse the necessity and feasibility that carrying out artificial recharge of groundwaterin this irrigation district. Try to establish an evaluation index system of artificial recharge ofgroundwater in irrigation district, and identify all evaluation factors which are irrigation waterrecharge coefficient, hydraulic conductivity, specific yield, dewatering aquifer thickness,groundwater depth and intensity of mining. Use AHP (Analytic Hierarchy Process) todetermine the weight of each evaluation factor. Finally, the paper made a statistical analysisfor the evaluation index system by using MapGIS, and divided the suitable groundwaterrecharge district according to the analysis.
5, In order to study the mechanism that agricultural irrigation water supplies groundwater,calculating recharge and recharge efficiency and other parameters, and in order to evaluate thebest way to cited infiltration recharge and provide policy and advice for irrigation district tocarry out large-scale artificial recharge of groundwater, this study carried out a test ofartificial recharge to fan out from point to area, the results showed that: artificial recharge testcan make local groundwater table rise, and this phenomenon can quickly extend in a largearea to the external test site, indicating that the effect of recharge in the irrigation district ismore obvious. The artificial recharge of groundwater and recharge factors of this area werecalculated too.
6. Combined with the test, this paper proposed two preliminary groundwater rechargeprogram, to predict the restoration effect for20years under each artificial recharge program and make a comparative analysis of various options by using GSDM. The results showed thatboth of the two recharge programs can make the district’s water table be restored to a largeextent, and the second recharge programe was more effective than the first one. Furthermore,according to the results of water balance calculations, the paper estimated the time that thewater table level of this irrigation district could come back to the one in the target year(1979)required about24years.
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。
As an important component of water resources，groundwater plays an important role inpromoting healthy and harmonious development of society and economy, and maintaining thebalance of ecological environment. However, due to lack of understanding of the supportingrole of groundwater resources in ecology and environment, over-exploitation of groundwaterand many resulting environmental problems are increasing. Therefore, it has an importantsignificance for the sustainable use of water resources and for overall control of "Sanshui" tocarry out research and practice such as dynamic analysis and artificial flood storage under thecondition of over-exploitation of groundwater,.
Jinghuiqu, located in the Guanzhong Basin in Shaanxi Province, called Zheng Guoqu inthe past, is one of the three ancient water conservancy projects in China. As a typical well andcanal two-irrigation district, experienced several investments in improvement and expansion,it became a large-scale irrigation district with a combination of canal and well, Irrigation anddrainage with complementary, saline controlling and high yield. It made a great contributionto the security of the regional food production. Its joint use of surface water and groundwateris a good example for the utilization of water resources in China's large-scale irrigationdistricts.
But in recent years, due to the development of socio-economic and local changes innatural conditions, coupled with the reform of the management system and the adjustment ofthe price of water and other reasons, groundwater in Jinghui irrigation district wasover-exploitated in successive years. Especially in the21st century, the imbalance ofgroundwater intensified. Groundwater levels of large areas was declining, the area of the coneof depression was expanding, and the resulting series of environmental and geologicalproblems. Therefore, dynamic analysis of groundwater under the conditions ofover-exploitation, carrying out research of artificial recharge of groundwater, restoration anddevelopment of underground water, further scientific implementation wells combined withcanals, achieving joint use of "Sanshui", all of which become effective ways to solve theproblem.
This paper relied on the project of Water Resources Department of ShaanxiProvince,"improve water use efficiency of large-scale irrigation district, and promote theproject of the trial and demonstration of new socialist rural construction", which is undertakenby Water and development Institute of Chang'an University. this paper carried outgroundwater resources assessment of, demonstrated the feasibility study to promote theartificial recharge of groundwater in this area. On the basis of the results of previous studies,taking account of evolution of environment and influence of human activities, thehydrogeological conditions, transformation rule of groundwater system and dynamiccharacteristics under the condition of over-exploitation of groundwater in typical irrigationdistrict combined of well and canal-Jinghuiqu Irrigation District are alalyzed. The paperestablished a three-tier structure, taking account of3D dimension stochastic and deterministicprediction model for groudwater(GSDM). The present situation of groundwater, the dynamicchanges of groundwater without artificial recharge and with2kinds of recharge methodsduring the next20years are caculated, predicted and evaluated through many ways. Couplingwith the test and taking the GSDM model as a platform, promoting artificial recharge of of groundwater in lagre scale in irrigation district was studied. The creative achievements aregained as follows:
1,Describe the concept and principles of artificial recharge of groundwater systematically,analyse of the factors affecting artificial groundwater recharge, and sum up the advantagesand disadvantages, and the calculation of the theory used for artificial recharge ofgroundwater was summarized. Having looked to new technologies, new methods and newtheory of the future research and implementation of artificial recharge of groundwater.
2, Analyse the hydrogeological environment of groundwater systems of the study areasystematically and the dynamic evolution process of groundwater under the condition ofover-exploitation; based on the "Sanshui conversion" principle to determine the relationshipof water balance and equilibrium parameters for the water balance calculation in the status. Itsuggested that the ground water was in a serious state of negative balance, over-exploitedseriously. It showed that artificial recharge of groundwate in a large area in the irrigationdistrict should be carried out without delay, which also provides study of artificial rechargewith the necessary data support.
3, Integrate hydrogeologic conceptual model the the study area and GIS, throughdetermineing the various hydrogeological parameters, boundary conditions, initial conditions,the source terms and the time step, establish stochastic and deterministic coupling predictionmodel under the exploitation conditions of the status quo and forecast calculations for20years, the results show that: the future groundwater irrigation system will be in negativebalance status, the difference will reach-87952×104m3, remains a serious over-exploitation.And the water level continuous falls, the scope of the cone of depression further expands,even formating of some new funnels, which presents a serious challenge for sustainabledevelopment of groundwater in this area.We must now must take the necessary measures toreduce groundwater exploitation to prevent possible environmental geological disasters.
4. Analyse the necessity and feasibility that carrying out artificial recharge of groundwaterin this irrigation district. Try to establish an evaluation index system of artificial recharge ofgroundwater in irrigation district, and identify all evaluation factors which are irrigation waterrecharge coefficient, hydraulic conductivity, specific yield, dewatering aquifer thickness,groundwater depth and intensity of mining. Use AHP (Analytic Hierarchy Process) todetermine the weight of each evaluation factor. Finally, the paper made a statistical analysisfor the evaluation index system by using MapGIS, and divided the suitable groundwaterrecharge district according to the analysis.
5, In order to study the mechanism that agricultural irrigation water supplies groundwater,calculating recharge and recharge efficiency and other parameters, and in order to evaluate thebest way to cited infiltration recharge and provide policy and advice for irrigation district tocarry out large-scale artificial recharge of groundwater, this study carried out a test ofartificial recharge to fan out from point to area, the results showed that: artificial recharge testcan make local groundwater table rise, and this phenomenon can quickly extend in a largearea to the external test site, indicating that the effect of recharge in the irrigation district ismore obvious. The artificial recharge of groundwater and recharge factors of this area werecalculated too.
6. Combined with the test, this paper proposed two preliminary groundwater rechargeprogram, to predict the restoration effect for20years under each artificial recharge program and make a comparative analysis of various options by using GSDM. The results showed thatboth of the two recharge programs can make the district’s water table be restored to a largeextent, and the second recharge programe was more effective than the first one. Furthermore,according to the results of water balance calculations, the paper estimated the time that thewater table level of this irrigation district could come back to the one in the target year(1979)required about24years.
引文
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