魏 興1,2，周金龍1,2，曾妍妍1,2，馮書同，王 燕

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052； 2.新疆水文水資源工程技術(shù)研究中心，烏魯木齊 830052； 3.新疆巴音郭楞蒙古自治州國(guó)土資源局，新疆 庫(kù)爾勒 841000)

圖1 庫(kù)爾勒市地下水監(jiān)測(cè)井及機(jī)井分布Fig.1 Distribution of groundwater monitoring wells and pumping wells in Korla

1 研究背景

地下水是人類社會(huì)賴以生存和發(fā)展的重要水源，在干旱和半干旱地區(qū)當(dāng)?shù)乇硭Y源不能滿足需求時(shí)，就會(huì)增大對(duì)地下水的依賴程度[1-4]。目前，許多學(xué)者對(duì)干旱半干旱地區(qū)地下水位埋深做了較多研究。蘇閱文等[5]、陳鐘望等[6]、楊艷鮮等[7]、劉美英等[8]對(duì)地下水位動(dòng)態(tài)變化及影響因素進(jìn)行了分析；閆云霞等[9]根據(jù)黑河中游甘州區(qū)地下水位埋深隨時(shí)間變化的相似性和差異性，分析了地下水位埋深隨時(shí)間的變化趨勢(shì)及其原因；楊懷德等[10]運(yùn)用主成分分析法與灰色關(guān)聯(lián)度法研究了民勤綠洲地下水位埋深對(duì)其影響因子的敏感程度；張葉等[11]采用水均衡法對(duì)瑪納斯河流域典型灌區(qū)地下水動(dòng)態(tài)特征進(jìn)行了分析，并用主成分分析法得出灌水量和開采量是影響地下水位埋深的主要因子。

庫(kù)爾勒市是新疆巴音郭楞蒙古自治州(以下簡(jiǎn)稱“巴州”)首府，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng)，水資源的需求量日益增大，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生制約影響。許多學(xué)者從地下水位埋深與生態(tài)的關(guān)系[12-13]、地下水水質(zhì)[14]、土壤水鹽分[15]等方面進(jìn)行了研究，但關(guān)于高開采強(qiáng)度下的地下水位埋深動(dòng)態(tài)特征的研究鮮見報(bào)道。本文根據(jù)庫(kù)爾勒市區(qū)16 a來的地下水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及水資源利用資料，對(duì)長(zhǎng)期高開采強(qiáng)度條件下地下水位埋深變化特征及其影響因素進(jìn)行分析，可為庫(kù)爾勒市水資源開發(fā)利用與保護(hù)提供一定的參考。

2 研究區(qū)概況

2.1 基本情況

庫(kù)爾勒市位于塔里木盆地東北邊緣，由霍拉山、庫(kù)魯克塔格山山前傾斜平原和孔雀河三角洲沖積平原組成。庫(kù)爾勒市總面積為7 204.46 km2，其中平原區(qū)面積為2 483.84 km2。區(qū)內(nèi)地勢(shì)總體東北高西南低，地形坡降由北向南逐漸變緩，海拔880～1 100 m，屬暖溫帶大陸性荒漠干旱氣候，多年平均氣溫10.5 ℃，多年平均降水量61.3 mm，多年平均蒸發(fā)量2 772.8 mm。

庫(kù)爾勒市山前傾斜平原為單一潛水區(qū)，地層巖性為砂礫卵石及中粗砂，巖性顆粒較大；沖積平原以潛水及承壓水形式存在，含水層由單一向多層結(jié)構(gòu)過渡，巖性顆粒由粗粒相向細(xì)粒相變化。庫(kù)爾勒市地下水主要接受山前基巖裂隙水補(bǔ)給及平原區(qū)河流、降水、渠系、田間等入滲補(bǔ)給；地下水排泄為人工開采、側(cè)向排泄等。

本文以庫(kù)爾勒市地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)覆蓋區(qū)作為地下水位埋深動(dòng)態(tài)研究區(qū)(圖1)，總面積為354.4 km2。研究區(qū)位于孔雀河上游庫(kù)爾勒市北東區(qū)域，涵蓋了整個(gè)庫(kù)爾勒市區(qū)，其中山前傾斜平原面積為132.1 km2，沖積平原面積為222.3 km2。

2.2 水資源及其利用概況

庫(kù)爾勒市主要河流——孔雀河發(fā)源于博斯騰湖。博斯騰湖作為開都河的尾閭和孔雀河的源流，2003—2012年10 a間湖泊水位降低了2.87 m[16]，使得進(jìn)入研究區(qū)的徑流量逐年減少，由2000年的25.5億m3減少到2015年的11.5億m3，徑流量年平均減少5.2%[17]。2000—2015年庫(kù)爾勒市地表水引水量1.99億～7.19億m3，年平均引水量為4.93億m3。2012—2015年平均引水量5.04億m3，同期孔雀河入研究區(qū)年平均徑流量11.14億m3，庫(kù)爾勒市對(duì)孔雀河的引水率為45.2%。

注：2012—2015年地下水開采井?dāng)?shù)未統(tǒng)計(jì)。圖2 庫(kù)爾勒市地下水開采井?dāng)?shù)與地下水開采量Fig.2 Number of exploitation wells and amount of groundwater exploitation in Korla

孔雀河徑流量逐年減少，地下水逐漸成主要供水源，這使庫(kù)爾勒市機(jī)井?dāng)?shù)量與地下水開采量呈持續(xù)增長(zhǎng)狀態(tài)。庫(kù)爾勒市地下水可開采量為1.20億m3。如圖2所示，2000年機(jī)井?dāng)?shù)639眼，2011年已有機(jī)井3 392眼。2000—2006年庫(kù)爾勒市地下水開采量為0.25億～1.21億m3，年平均開采量1.08 億m3，已接近或稍超過地下水可開采量，為臨界超采期；2007年起地下水開采量由1.92億m3增大到2011年的5.32億m3，年平均增幅29.0%，為超采增長(zhǎng)期；2012—2015年地下水開采量相對(duì)穩(wěn)定在5.32億～5.60億m3，平均開采量5.44億m3，是可開采量的4.43倍，為高位超采穩(wěn)定期。可見庫(kù)爾勒市地下水開發(fā)利用長(zhǎng)期處于高開采強(qiáng)度狀態(tài)。

3 數(shù)據(jù)來源與研究方法

3.1 數(shù)據(jù)來源

12眼監(jiān)測(cè)井地下水位埋深數(shù)據(jù)來自巴州地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)站，監(jiān)測(cè)期為2000—2015年；2000—2015年孔雀河徑流量與庫(kù)爾勒市地下水開采量數(shù)據(jù)來自巴州水資源公報(bào)；1990—2011年庫(kù)爾勒市機(jī)井?dāng)?shù)據(jù)由巴州水利局提供。

3.2 研究方法

根據(jù)地下水開采強(qiáng)度，分不同時(shí)段采用線性趨勢(shì)法對(duì)監(jiān)測(cè)井地下水位埋深年際變化進(jìn)行分析。將地下水位埋深逐月觀測(cè)序列作為離散隨機(jī)序列，利用一元線性回歸方程擬合得到趨勢(shì)直線方程f(t)=at+b，其中直線方程斜率系數(shù)a可解釋實(shí)際觀測(cè)序列變化趨勢(shì)的速率，斜率系數(shù)a的正、負(fù)號(hào)分別對(duì)應(yīng)埋深增大和減小趨勢(shì)的月變化速率，年變化速率=月變化速率×12；利用逐步回歸分析法對(duì)地下水位埋深持續(xù)增大的因素進(jìn)行分析，得出影響地下水位埋深的主要因素。

4 結(jié)果與分析

4.1 地下水位埋深年內(nèi)動(dòng)態(tài)特征

研究區(qū)表現(xiàn)出典型的開采型地下水動(dòng)態(tài)特征，山前傾斜平原監(jiān)測(cè)井1—3月份為水位上升期，4月份進(jìn)入灌溉期后，開采量大幅度增加，水位明顯下降，6—8月份為低水位期，地下水位埋深年變幅0.77 m，受山前河道及灌溉水入滲補(bǔ)給作用，水位在8—9月份回升至第二年高水位期；沖積平原監(jiān)測(cè)井3月份前水位較平穩(wěn)，為高水位期，隨著開采量的增加，水位迅速下降，6—11月份為低水位期，地下水位埋深年變幅5.95 m，灌溉結(jié)束后，開采量減少，水位開始回升。山前傾斜平原地下水位恢復(fù)期一般早于沖積平原區(qū)2～3個(gè)月，埋深年變幅小于沖積平原。

4.2 地下水位埋深年際動(dòng)態(tài)特征

研究區(qū)臨界超采期(2000—2006年)、超采增長(zhǎng)期(2007—2011年)和高位超采穩(wěn)定期(2012—2015年)3個(gè)時(shí)段的地下水位埋深年均變化速率(表1)均為正值，埋深呈持續(xù)增大趨勢(shì)。臨界超采期、超采增長(zhǎng)期和高位超采穩(wěn)定期山前傾斜平原地下水位埋深年均增大速率分別為0.21～0.69，0.09～1.20，0.16～1.30 m/a；沖積平原分別為0.65～1.13，0.49～1.35，0.02～1.90 m/a。從各時(shí)段看，超采增長(zhǎng)期地下水位埋深增速最大，2000—2011年地下水位埋深總體呈“加速”增大趨勢(shì)；2012—2015年總體轉(zhuǎn)變?yōu)椤皽p速”增大趨勢(shì)。受局部開采強(qiáng)度影響，山前傾斜平原兵團(tuán)南疆物轉(zhuǎn)站(DH31)，沖積平原州水利局阿瓦提漁場(chǎng)(DH34)、州棉麻公司加工廠(DH30)區(qū)域地下水位埋深呈“加速”增大趨勢(shì)。同期山前傾斜平原地下水位埋深增速小于沖積平原，為沖積平原的52.8%～74.4%。

表1 不同時(shí)段監(jiān)測(cè)井地下水位埋深年均變化速率Table 1 Annual change rate of groundwater depth of monitoring wells in different periods

圖3 沖積平原監(jiān)測(cè)井多年地下水位埋深變化Fig.3 Changes of groundwater depth of monitoring wells in alluvial plain

研究區(qū)地下水長(zhǎng)期(2000—2015年)處于超采狀態(tài)，山前傾斜平原地下水位埋深累計(jì)增大4.10～12.67 m，平均8.95 m；沖積平原累計(jì)增大9.07～22.26 m，平均14.23 m。地下水開采對(duì)沖積平原地下水位埋深影響較大。研究[18]表明，干旱區(qū)適合天然植被生長(zhǎng)的地下水埋深為3～5 m，埋深5～8 m植被生長(zhǎng)受到脅迫，埋深>8 m除少數(shù)胡楊外，地表植被難以生存。因此地下水位埋深持續(xù)增大，最先影響到的是埋深<6 m區(qū)域的天然生態(tài)植被。如圖3所示，2004年之前，沖積平原監(jiān)測(cè)井DH33，DH34，DH35區(qū)域埋深<6 m，存在一定的潛水蒸發(fā)蒸騰量(潛水蒸發(fā)極限深度為6 m[19])，2014年埋深分別增至14.5，21.8，10.8 m，地下水蒸發(fā)蒸騰量已不存在，對(duì)天然植被構(gòu)成了威脅。

4.3 影響地下水位埋深的因素分析

研究區(qū)孔雀河徑流量逐年減少、 地下水位埋深持續(xù)增大， 對(duì)以河道、 渠系滲漏及田間入滲為主的沖積平原區(qū)影響較大。 以渠系滲漏為例， 巴州防滲渠系滲漏經(jīng)驗(yàn)公式為Q=0.487 8Δ-1.379， 地下水位埋深Δ由3.5 m增至8.0 m時(shí)， 渠系穩(wěn)滲強(qiáng)度Q值由0.087 m3/(d·m2)減小到0.028 m3/(d·m2)， 減小67.8%； 孔雀河流域砂性土地下水埋深3.0～6.0 m與>6.0 m時(shí)的田間灌溉入滲補(bǔ)給系數(shù)分別為0.11和0.06[19]， 埋深增大， 田間入滲系數(shù)減小45.4%。 研究區(qū)地下水動(dòng)態(tài)類型為開采型， 灌溉期地下水埋深處于全年最低期， 對(duì)地下水轉(zhuǎn)化補(bǔ)給量占總補(bǔ)給量的98.3%來說， 減少作用明顯。 逐步回歸分析(表2)也表明， 研究區(qū)監(jiān)測(cè)井埋深與孔雀河徑流量、 開采量關(guān)系密切， 確定系數(shù)R2達(dá)到了0.858以上。 所有回歸方程中， 孔雀河徑流量X1與埋深呈負(fù)相關(guān)關(guān)系， 開采量X2與埋深呈正相關(guān)關(guān)系， 回歸方程具有實(shí)際物理意義， 符合地下水均衡方程ΔhμF=Q補(bǔ)-Q排(Δh為地下水位變幅，μ為給水度，F(xiàn)為區(qū)域面積，Q補(bǔ)為地下水補(bǔ)給量，Q排為地下水排泄量)均衡關(guān)系， 其中孔雀河徑流量、 開采量實(shí)質(zhì)是研究區(qū)地下水補(bǔ)給項(xiàng)和排泄項(xiàng)的綜合反映。 通過對(duì)統(tǒng)計(jì)值t(0.05，13)=2.16的檢驗(yàn)， 徑流量、 開采量是監(jiān)測(cè)井埋深影響的重要因素， 變量顯著性較好。 標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)的大小反映了該指標(biāo)對(duì)因變量的影響強(qiáng)弱， 回歸系數(shù)絕對(duì)值越大表明該指標(biāo)對(duì)因變量的重要性越高， 得出有8眼監(jiān)測(cè)井埋深與地下水補(bǔ)給徑流量關(guān)系較大， 4眼監(jiān)測(cè)井埋深與開采量關(guān)系較大。

表2 監(jiān)測(cè)井地下水位埋深逐步回歸分析匯總

5 結(jié) 論

(1)孔雀河徑流量大幅度減小，地下水逐漸成為孔雀河流域的主要水源，2000—2015年庫(kù)爾勒市地下水開采強(qiáng)度經(jīng)歷了臨界超采期(2000—2006年)、超采迅猛增長(zhǎng)期(2007—2011年)和高位超采穩(wěn)定期(2012—2015年)。所有監(jiān)測(cè)井地下水位埋深呈持續(xù)增大趨勢(shì)，為典型的開采型地下水動(dòng)態(tài)特征，山前傾斜平原和沖積平原地下水位埋深分別累計(jì)增大了4.10～12.67 m和9.07～22.26 m，對(duì)綠洲外圍的生態(tài)植被構(gòu)成威脅。

(2)臨界超采期、超采增長(zhǎng)期和高位超采穩(wěn)定期山前傾斜平原地下水位埋深年均增大速率分別為0.47，0.67，0.57 m/a；沖積平原地下水位埋深年均增大速率分別為0.89，0.90，0.87 m/a；同期沖積平原地下水位埋深增速大于山前傾斜平原。2000—2011年地下水位埋深總體為“加速”增大趨勢(shì)，2012—2015年總體呈“減速”增大趨勢(shì)。

(3)地下水位埋深持續(xù)增大是地下水補(bǔ)給量減少、地下水開采強(qiáng)度增大共同作用的結(jié)果。逐步回歸分析表明，孔雀河徑流量、開采量實(shí)質(zhì)是研究區(qū)地下水補(bǔ)給項(xiàng)和排泄項(xiàng)的綜合反映，在今后治理地下水超采和制定生態(tài)環(huán)境的保護(hù)方案中，不能只強(qiáng)調(diào)地下水開采單方面因素，還須重視地下水補(bǔ)給量減小對(duì)其地下水位的影響。

(4)庫(kù)爾勒市高位超采穩(wěn)定期地下水平均開采量已達(dá)5.44億m3，是可開采量的4.43倍，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對(duì)地下水資源需求量較大，短時(shí)期內(nèi)地下水難以達(dá)到采補(bǔ)平衡，應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行庫(kù)爾勒市最嚴(yán)格水資源管理制度，逐步緩解水資源供需矛盾。