石河子市地下水系统演化规律与水环境效应研究

摘要

石河子市位于准噶尔盆地南缘，玛纳斯河西岸，是新疆重要的粮棉基地和天山北坡经济带的重要枢纽，其城市生活和工业用水主要依靠地下水供给。随着玛纳斯河灌区半个多世纪的发展，灌溉引水量不断增大，河道过水量减少，地下水的补给来源大量减少。而石河子市从20世纪50年代开始开发利用地下水，随着城市规模的扩大，工农业的发展，地下水开采量不断增长。近几年，随着石河子经济技术开发区升格为国家级开发区，电力能源、化工、纺织工业迅猛发展，工业用水猛增，工业发展与水资源、水环境之间的矛盾日益突出。据2005年调查，市区的地下水已经处于严重超采状态。为此，如何认识地下水系统演化规律，确定合适的地下水开采原则，科学合理开发利用地下水资源，保障城市供水安全和保护城市生态环境，保持经济的可持续发展，是石河子市当前面临的一个重要问题。 本文系统地研究了前人丰富的水文地质和水资源开发利用资料，开展了现场水文地质调查、勘探和试验工作，取得了石河子市最新的地下水流场、水化学场等基础资料。本文在对研究区地下水系统特征详细分析的基础上，建立了研究区地下水流动系统，以及水文地质概念模型和数值模型，进行了地下水均衡计算和预测分析。利用数值模型和研究区近50年不同阶段的地下水开发利用资料，恢复了开采初期地下水自然状态，分析在人工干预下，不同时期(不同开采阶段)，地下水系统(含水层系统、源汇项、地下水流场)的演化规律；预测在现状超采状态下，地下水系统的发展变化趋势及由此引发的水环境效应；确定了超采条件下地下水的开采原则和地下水资源涵养保护方案。并系统总结了内陆干旱区山前带地下水资源的计算评价方法。 本文研究的主要成果及创新点有：(1)建立了石河子市地下水流动系统和分析干旱区山前地下水流动系统特征方法；(2)研究区地下水总补给量为1.6732×10<'8>m<'3>/a，地下水总排泄量为2.0341×10<'8>m<'3>/a，均衡差为-0.3609×10<'4>m<'3>/a，为负均衡；(3)地下水流场的演变主要表现为地下水位下降，等水位线向东南偏转、后退和在集中开采区形成降落漏斗，地下水流向发生小角度、小范围偏转，地下水水力梯度变小，人工开采对地下水流场的影响程度由南到北逐渐变弱；(4)由于地下水超采，水位持续下降，已影响城市供水安全；(5)开展了跨边界(不同的行政单元)含水层地下水分水比例定量研究，玛纳斯河河道入渗补给量的59.82﹪径流到了西岸石河子地区；(6)利用已建立的地下水数值模型反演，重建了地下水自然循环状态；(7)提出了研究区新的地下水开采原则，即以一定的下降速率(不同规划水平年的地下水位)来控制地下水开采量，实行统一管理，分散开采。

目录

文摘

英文文摘

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第一章 综述

1.1问题的提出

1.2研究目的与意义

1.3国内外研究现状及趋势

1.3.1地下水系统概念的形成与发展

1.3.2地下水系统演化规律的研究进展

1.3.3地下水资源合理利用与环境保护的研究

1.3.4地下水数值模拟研究现状

1.3.5地下水学科研究方向及趋势

1.4研究区研究程度

1.4.1研究程度

1.4.2需进一步研究的问题

1.5研究方法

1.5.1应用技术

1.5.2评价方法

1.5.3技术路线及研究成果

第二章 研究区概况

2.1自然地理概况

2.1.1地理位置

2.1.2气象

2.1.3水文

2.2区域地质概况

2.2.1 地形地貌

2.2.2 地层岩性

2.2.3 地质构造

2.2.4 水文地质条件

2.3社会经济概况

2.4水资源开发利用状况

2.4.1 水利工程现状

2.4.2 水资源利用状况

2.4.3 城市供、排水现状

2.4.4 地下水超采现状

第三章地下水系统分析

3.1地下水系统基底构造背景

3.2含水层系统特征

3.2.1 含水层系统介质组成

3.2.2 含水层系统电性特征

3.2.3 含水层子系统划分

3.3地下水流系统特征

3.3.1 地下水流系统划分

3.3.2 地下水系统循环特征

3.4地下水同位素组成及其可更新性

3.4.1 理论基础

3.4.2 样品采集与测试

3.4.3 测试结果分析

3.5地下水化学特征

3.5.1 地表水化学特征

3.5.2 地下水化学特征

3.6地下水动态特征

3.6.1 年内水位动态

3.6.2 年际水位动态

3.6.3 水质动态

3.7地下水系统分析小结

第四章地下水系统水分通量与质量分析

4.1地下水补给系统

4.1.1 地下水侧向流入补给

4.1.2 渠系渗漏补给

4.1.3 田间灌溉入渗补给

4.1.4 平原河道渗漏补给

4.1.5 降雨入渗补给

4.1.6 春融雪渗漏补给

4.1.7 废污水渗漏补给

4.2地下水排泄系统

4.2.1 地下水侧向流出

4.2.2 地下水人工开采

4.2.3 潜水蒸发蒸腾排泄

4.2.4 泉水溢出排泄

4.3地下水系统方程与均衡分析

4.4地下水质量分析

4.4.1 地表水水质

4.4.2 地下水水质

第五章地下水数值模拟

5.1模型的研究范围

5.2含水层的概化

5.3数值模型

5.3.1 数学模型

5.3.2 初始条件

5.3.3 边界条件

5.3.4 空间离散

5.3.5 时间离散

5.3.6 模型中数据选用

5.4模型检验与参数率定

5.4.1 模型参数率定的依据

5.4.2 模型参数率定方法

5.4.3 平面流场的拟合

5.4.4 观测孔水位拟合

5.4.5 率定各参数区水文地质参数

5.5现状年地下水均衡与评价

5.5.1 现状地下水均衡结果

5.5.2 模拟结果分析

5.5.3 研究区总补给与排泄量分析比较

5.5.4 垂向补给量分析比较

5.5.5 河道补给量和侧向补给量分析比较

5.5.6 侧向排泄量分析比较

5.6地下水预测方案分析

5.7地下水预报

5.7.1 地下水水量预报

5.7.2 地下水水位预报

第六章地下水系统演化规律研究

6.1地下水自然循环状态重建

6.1.1 地下水自然循环特征

6.1.2 地下水自然循环状态模拟

6.2人工干预下地下水系统演变过程

6.2.1 地下水初期开采阶段

6.2.2 地下水大规模开采阶段

6.2.3 地下水超采阶段

6.3地下水系统演变规律分析

6.3.1 地下水补排量的演变

6.3.2 地下水流场的演变

6.3.3 地下水系统演变规律总结

第七章地下水开发利用的环境效应

7.1地下水的可持续利用与城市供水安全保障分析

7.1.1 地下水可持续性利用分析

7.1.2 地下水开采原则的确定

7.2地下水质劣变趋势分析

7.2.1 地下水质污染现状

7.2.2 南部近山前水质异常带的影响分析

7.2.3 各种污染物对地下水的影响分析

7.3地下水资源的涵养与水源地保护

7.3.1 地下水资源的涵养

7.3.2 地下水资源的保护

第八章结论

8.1主要成果

8.2主要创新点

参考文献

致谢

作者简历