流域水循环系统

一、流域水循环系统

1.水循环系统及概化

石羊河流域是由若干条发源于祁连山的主要靠降水和冰川融雪补给的相对独立的小河流组成的流域。它们的水资源主要来源于典型的东南季风带来的太平洋水汽和印度洋水汽。夏季，由太平洋副热带高压和东南沿海输送来的暖湿气流翻越秦岭和黄土高原影响本区。盛夏期间，西南气流越过青藏高原将印度洋面的水汽输入本区。流域多年平均降水量160mm，降水时空分布的总体特征是南多北少，东多西少。

石羊河流域自西向东主要有西大河、东大河、西营河、金塔河、杂木河、黄羊河、古浪河及大靖河等8条河流构成，各河出山径流量14.54亿m³，另有11条小沟小河多年平均径流量0.48亿m³，和浅山区水量0.58亿m³，共计地表水资源量15.60亿m³。8条主要支流地表水资源量见表7—1。

表7-1　石羊河流域各河出山多年平均径流量　　　单位：亿m³

天然状态下，西大河和东大河在永昌出山，西大河出山后进入流域南盆地西片，后汇经金川峡后进入流域北盆地西片，最终流入永昌与民勤交界处的昌宁盆地；东大河出山后向东流淌，进入流域南盆地东片，后汇入石羊大河并经红崖山进入流域北盆地东片即民勤盆地。西营河、金塔河、杂木河和黄羊河在凉州出山，在洪积扇带，地表水大量渗漏转化为地下水，在扇缘地带又以泉水形式溢出地表，先后汇流成石羊大河。石羊大河北流穿过红崖山山口，进入民勤盆地。古浪河和大靖河在古浪出山，古浪河汇入石羊河后流入民勤盆地，大靖河则消失于下游的腾格里沙漠。

石羊河流域的径流从源头到尾闾分为两个不同的径流区，即径流形成区和径流散失区。南部祁连山区为径流形成区，这里地势高寒，降水较多，气温低，蒸发弱，有冰川积雪，有利于径流形成，径流量随集水面积的增大而增大，在出山口达到最高值。祁连山山前洪积平原—中游武威绿洲农业开发区及下游民勤绿洲沿途引用、蒸发、下渗最终消失，为径流失散区。

石羊河流域受地貌和构造的控制，形成三大盆地，即武威盆地、金川—昌宁盆地和民勤盆地，各盆地具有相对独立的地下水运动与循环过程。在流域南部地下水总的流向是由祁连山前由西南至东北、由南至北，而在流域北部以金川—昌宁盆地和民勤盆地的分水岭为界，西侧地下水流向由南至北、由西至北东；东侧地下水流向基本为西南至东北方向。大多数情况下，地下水在洪积扇群带为单一的潜水，地下水接受垂直向下的河流、渠系、灌溉回归水、工业污水等的入渗补给，然后逐渐在细土平原带转为多层的含水系统，地下水在洪积扇群带前缘开始溢出，汇集成“泉沟”，并以盆地北部现代河床为主干形成“泉沟系”。在金川—昌宁盆地，例如四坝灌区，一些大型的泉群分布于大断层附近或古河道中，这些泉群多与断层所形成的“壅水构造”有关。而在民勤盆地，地下水补给主要来自红崖山水库控制的地表水和灌溉回归水入渗补给。

经新中国成立近60年的发展建设，石羊河流域天然水循环系统在很大程度上已被人工循环系统取代。除杂木河外，各河上游出山口以上均建有山区水库，调蓄山区径流供中游平原绿洲使用。在流域中游与下游分界处，还建有两座平原水库，调蓄中游的泉水、回归水及洪水供下游绿洲使用。目前在流域中下游平原，形成了武威、金昌两座拥有60余万城镇人口和170余万农村人口的地级建制市和总规模达450万亩的灌区。庞大的社会经济活动基本控制和消耗了石羊河流域的水资源，改天然水循环为人工水循环。

人类活动对石羊河流域的天然水循环的改变有两个主要之处：一是由于社会经济发展和取水便利，中游的用水比重逐年增加，流域水资源的主要耗散区从天然状况下的下游北盆地逐渐转移到中游南盆地，水循环路径缩短；二是由于皇城水库的修建和调度运用，将东大河水流的主要方向从天然状况下的民勤盆地调整到金昌盆地去了。目前状况下石羊河流域的地表水力关系和灌区分布及其概化图分别见图7—1和图7—2。

2.流域水资源系统模拟

（1）模型构建

根据上述石羊河流域水循环系统及其概况，采用了耦合的地表水模拟模型和地下水动力学模型方式，建立石羊河流域水资源模拟模型。并以2003年流域实际调查资料为基础，通过模拟上游水资源的开发利用过程，以下游红崖山水库的来水和地下水观测孔水位为控制性指标，对模型进行检验。模型模拟计算时段以旬为单位，它基本上能反映出来水、用水在时间上的变化，又基本保证地表水、地下水转化和地下水运移的时间要求。

地表水模型按供水系统和需水系统分别描述。供水系统按8条主要支流、10座概化水库、5个地下含水层（含小沟小河及潜山径流）、20个地下水开采能力分布及4个外调水途径分别描述；需水系统包括20个需水区分别按生活、工业、生态、农业需水描述。地下水系统采用地下水动力学模型描述。地表水系统按供水、需水系统分别概化为点状、线状和面状补给源与地下水模型耦合，并考虑地表水系统对地下水系统影响的滞后效应，设定滞后系数。

图7-1

图7-2　石羊河流域地表水关系及灌区分布图

（2）参数率定与验证

石羊河模拟地表水模型的验证是以2003年实际资料为基础，通过模拟上游水资源的开发利用过程，最终以下游红崖山水库的来水为控制性指标，对模型进行检验的。红崖山水库的来水是在模拟上游用水、耗水以及分水的基础上得到的，它与上中游地区的水资源循环利用系统密切相关，并且由于整个系统的模拟误差会累积到计算末端节点处，故红崖山水库的来水间接的反映了整个模拟模型的正确性和精度。经验证，2003年实测蔡旗断面来水1.134亿m³，模拟来水1.140亿m³，年误差率为0.57%，模拟模型模拟红崖山水库年内来水过程与实际情况相似，验证结果见图7—3。

图7-3　红崖山断面实测与模拟来水对比

石羊河地下水模拟模型的参数根据甘肃省地质矿产局地质科学研究所的《石羊河流域平原区地下水数值模拟模型及水位预测》报告，初步拟定各个参数分区，然后从参数初始估计值出发，拟合36个时段的24个观测孔2003年水位及整个流场，经过调试、优选，确定最终参数。模型率定拟合的模拟水头与实测水头相关关系如图7—4示。误差统计表明，ΔH≤1.0米的占总对比数的65.28%，ΔH≤1.2米的占69.68%，拟合效果良好。

图7-4　模型参数率定时段观测孔水头分布图

利用模型对2003年模拟计算，对比了各观测孔地下水位的计算值与监测值，误差统计表明，模型验证时段ΔH≤1.0米的占总对比数的56.02%，ΔH≤1.2米的占62.39%，验证情况良好，模型可信。