吐魯番盆地第四系地下水動力場的演變特征分析

張明江 霍傳英(新疆地礦局第一水文工程地質大隊烏魯木齊830091新疆維吾爾自治區(qū)地質環(huán)境監(jiān)測院烏魯木齊830000)

吐魯番盆地第四系地下水動力場的演變特征分析

張明江①霍傳英②
(①新疆地礦局第一水文工程地質大隊烏魯木齊830091②新疆維吾爾自治區(qū)地質環(huán)境監(jiān)測院烏魯木齊830000)

吐魯番盆地地下水的開采經(jīng)歷了坎兒井開采、坎兒井開采為主（機井開采為輔）、機電井開采為主（坎兒井開采為輔）等階段，不同的開采方式（或不同開采方式的組合）影響了地下水動力場演變的空間分布和演變強度差異。本文從地下水位的階段性演變、地下水降速場的演變、地下水梯度場的演變三個方面對吐魯番盆地內不同行政區(qū)第四系地下水動力場的演變特征進行分析，揭示其在時間和空間上的演變特征。

吐魯番盆地地下水動力場演變

吐魯番盆地為一完全封閉的山間盆地，盆地東西向展布的火焰山將吐魯番盆地分割為北盆地和南盆地。盆地內第四系地下水的補給、徑流、排泄自成體系，盆地北部的博格達山、南部的天格爾山和覺羅塔格山是盆地第四系地下水補給來源的形成區(qū)，環(huán)艾丁湖的地下水淺埋區(qū)是地下水的集中排泄區(qū)，山區(qū)與艾丁湖之間的平原區(qū)是地下水的徑流區(qū)，是人類活動主要集中的區(qū)域。從19世紀60年代開始采用坎兒井的方式開采地下水，隨著社會的發(fā)展，逐漸采用機井、電井開采地下水，目前，坎兒井、機電井開采地下水兩種方式共存，期間，地下水的開采量與日俱增，盆地內第四系地下水動力場發(fā)生了很大的改變，本文就對吐魯番盆地第四系地下水的動力場演變特征進行分析。

1 地下水位變化的階段性

從地下水位變化來講，大致經(jīng)歷了4個階段，即天然流場階段、局部地下水位下降階段、區(qū)域地下水位快速下降階段、地下水位震蕩下降階段。

第一階段：天然流場。19世紀60年代及其以前，勘查區(qū)內還沒有機井開采地下水，開采地下水的主要方式是坎兒井，坎兒井只能開采淺層潛水，因此，這個時期地下水開采利用程度很低，開采量很少。地下水動態(tài)變化基本處于天然狀態(tài)，淺層地下水受水文和蒸發(fā)控制，屬于河水滲入補給-蒸發(fā)排泄型；深層地下水則以徑流補給-頂托排泄型為主。天然流場總趨勢自盆地四周山前向艾丁湖匯流，北盆地和南盆地的西部以潛水為主，含水層透水性較強，地下水的水力坡度較小；南盆地的細土平原區(qū)存在承壓（自流）水，艾丁湖除接收地表水的流入補給外，還接收潛水和承壓（自流）水的補給。

第二階段：局部地下水位下降。從1970年至1995年，隨著農業(yè)、工業(yè)及城鎮(zhèn)的發(fā)展，地下水開采量逐漸增加，在局部地段開始集中開采地下水，開采強度過大，形成局部地下水位降落漏斗，改變了地下水的天然流場狀態(tài)，由山前平原向艾丁湖排泄的地下水原始流場轉變?yōu)橄蚵┒分行膮R集。

托克遜縣從1988年～1995年，地下水水位下降了0.45 m，平均每年下降0.06 m。吐魯番市的亞爾鄉(xiāng)從1987年至1996年，地下水水位呈上升趨勢，上升幅度達到2.79 m，期間個別年份地下水位降幅達到1～2 m，但最后都得到恢復并保持上升趨勢。鄯善縣火焰山以北的縣城、連木沁地下水位略有上升，七克臺鎮(zhèn)地下水位略有下降，但下降后趨于穩(wěn)定；火焰山南部地區(qū)水位在80年代基本穩(wěn)定，但90年代后開始下降。

第三階段：區(qū)域地下水位快速下降。從1996至2010年，在鑿井技術水平日益增強的帶動下，人類需求水量提高，改為由地下水供給，地下水成為工業(yè)、農業(yè)及生活用水的主要供水水源，地下水開采井的數(shù)量劇增，尤其是90年代后期，地下水開采井增速達歷年之最，增速平均約為400眼∕年。隨著地下水的大量開采，水位普遍下降，形成多個地下水位降落漏斗，而且漏斗的擴展速度呈大幅度增長趨勢，地下水水位下降速率達2.23 m∕a(鄯善縣魯克沁地下水水位下降漏斗)、2.62 m∕a（鄯善縣吐峪溝英買里地下水水位下降漏斗）等多處降落漏斗。

第四階段：區(qū)域地下水位震蕩下降。從2002年至2010年，由于地下水水位持續(xù)下降，引發(fā)了一系列環(huán)境地質問題，人們發(fā)現(xiàn)地下水資源不是取之不盡、用之不竭的，而且在過量開采的情況下同時還能引發(fā)一些嚴重的環(huán)境地質問題和地質災害，2002年吐魯番地區(qū)政府開始控制地下水的開采，地下水水位的下降呈明顯的減緩、穩(wěn)定、上升趨勢。托克遜縣大多數(shù)地區(qū)地下水水位逐漸趨于穩(wěn)定或緩慢恢復，個別地區(qū)趨于緩慢下降；吐魯番市大多數(shù)地區(qū)處于降速減緩的過程中，個別地段逐漸趨于穩(wěn)定；鄯善縣大多數(shù)地區(qū)仍然處于持續(xù)下降過程中（鄯善縣火焰山南部地區(qū)），個別地區(qū)趨于穩(wěn)定并緩慢上升（鄯善縣城）。

2 地下水降速場的變化特征

對吐魯番盆地地下水的研究最早始于19世紀50年代末期，勘查研究的目的是托克遜城市供水、吐魯番市城市供水：托克遜縣城市供水水文地質勘查工作的起止日期是1960年～1961年，吐魯番城市供水水文地質勘查的起止日期是1959年～1960年。因此對地下水水位的記錄始于這個時期。

根據(jù)前人的調查研究成果，2004年的地下水水位與1994年成井時的地下水水位相比較，吐魯番盆地內的3縣市地下水位均呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢，各縣市的下降量為：托克遜縣下降約5 m、吐魯番市下降接近10 m、鄯善縣的下降量超過了10 m（表1）。

表1 吐魯番盆地1994～2004年間地下水水位下降量統(tǒng)計表m

1961年，托克遜縣城一帶還沒有利用機井開采地下水，地下水的水位基本處于天然狀態(tài)。第一層承壓水的水頭低于地面0.1～2 m，第二層承壓水的水頭高出地面6.56～8.75 m，第三層承壓水的水頭高度為高出地面13.20 m。

3 地下水梯度場的變化

由于不同的縣市地下水的研究程度不同，對地下水的研究有早有晚，這里對研究較早，同時資料又比較齊全的地區(qū)（地段）的地下水動力場的變化進行對比研究。

3.1 托克遜縣

1960～1961年，西北地質局新疆分局水文地質工程地質大隊開展了托克遜城市供水水文地質勘探工作，勘探過程中施工的勘探孔大多數(shù)都為自流井，由于資料太少，當時沒有編制等水位（水頭）線圖。

1989年，托克遜縣的伊拉湖鄉(xiāng)至托克遜縣城一帶，地下水的水力坡度為7.15‰～7.24‰。

3.2 吐魯番市

3.2.1不同時期的梯度場

1959年，在開展吐魯番市城市供水水文地質勘查時編制了以吐魯番市為中心的潛水等水位線圖（圖1）。

圖1 吐魯番市市區(qū)潛水等水位線圖（1959年）

1989年，吐魯番市西北的鐵日克拉村一帶，地下水的水力坡度一般為12.43‰，吐魯番市東南的恰特卡勒鄉(xiāng)-吐魯番克村一帶，地下水水力坡度為6.93‰。

1996年5月，吐魯番市五河流域南盆地平原區(qū)地下水流場見圖2，吐魯番市地下水水位剖面位置見圖3，水力坡度的變化見圖4。

圖2 吐魯番市地下水等水位線圖（1996年）

圖3 吐魯番市地下水水剖面位置圖（1996年）

圖4 吐魯番艾丁湖水力坡度示意圖

從圖中可以看出，地下水向艾丁湖為中心的地區(qū)匯流，吐魯番市221團、奧依曼坎兒孜村這一帶的等水位線比較密集，水力坡度較大，為10.32‰～14.16‰（圖4），這與吐魯番市構造缺口是北盆地地下水的主要徑流排泄通道有關。奧依曼坎兒孜村-曼古布拉克村以南至艾丁湖之間的地區(qū)，水力坡度較小，為1.40‰～4.24‰。鹽山南部地區(qū)由于缺少水點控制，等水位線圖僅供參考。

3.2.2 不同時期流場的變差分布

⑴1959～1996年水位變差分布

以1959年吐魯番市城市供水水文地質勘查區(qū)范圍為區(qū)域（范圍最?。?，用1996年同一區(qū)域的潛水位數(shù)值與1959年潛水位數(shù)值的差值（水位變差），編制了吐魯番市1959～1996年潛水位變差等值線（圖5）。

圖5 吐魯番市1959～1996年潛水位變差等值線圖

從圖5中可以看出,在鹽山東南地區(qū)地下水位最大下降15 m，在吐魯番市東部地區(qū)下降也在5 m以上，部分地區(qū)水位上升。

（2）1996～2011年水位變差分布

根據(jù)1996年吐魯番市五河流域火焰山及鹽山南部地區(qū)的流場圖和2011年的流場圖，編制了1996～2011年淺層水水位變差等值線（圖6）。

圖6 吐魯番市南部地區(qū)1996～2011年水位變差分布圖

從圖6可以看出，16年間形成了了大小不等的5個降落漏斗區(qū)：三堡鄉(xiāng)降落漏斗區(qū)、喀拉霍加坎兒孜村降落漏斗、其蓋布拉克村南部降落漏斗區(qū)；吐魯番市南部的色依提迪汗村降落漏斗區(qū)和闊什墩村降落漏斗區(qū)。降深最大的在三堡鄉(xiāng)，降深達到40 m左右，其他的一般在15～20 m。分析其原因，一方面是這些地段的開采比較集中，開采量比較大；另一方面是這些降落漏斗分布區(qū)地下水的補給量少，這些綜合因素導致水位大幅度下降。

3.3 鄯善縣

⑴1989年的流場。1989年鄯善縣城一帶地下水水力坡度為6.78‰，鄯善縣南盆地魯克沁鎮(zhèn)一帶地下水水力坡度為3.94‰，吐峪溝鄉(xiāng)一帶的地下水水力坡度為3.98‰。

1989年鄯善縣火焰山南部平原區(qū)的地下水等水位線見圖7，地下水水位剖面位置見圖8，沿地下水流向的水力坡度變化見圖9。

從圖中可以看出：魯克沁鎮(zhèn)的東北部地下水等水位線比較稀疏，水力坡度較小；魯克沁鎮(zhèn)及其西南部有村鎮(zhèn)分布的地區(qū)（綠洲區(qū)），等水位線較密，水力坡度相對較大，等水位線發(fā)生變異；而綠洲帶以南的地區(qū)，地下水流場比較規(guī)則，仍然以艾丁湖為中心匯流。

圖7 鄯善縣火焰山南部平原區(qū)地下水水位等值線圖（1989年）

圖8 鄯善縣火焰山南部平原地下水水位剖面位置圖（1989年）

圖9 鄯善縣火焰山南部平原地下水水力坡度變化圖（1992年）

綠洲帶由于開采地下水形成了4處大小不一的降落漏斗：吐峪溝英買里村—洋海尤庫日村降落漏斗（圖10），吐峪溝澤日甫坎兒孜村降落漏斗（圖11），吐峪溝鄉(xiāng)同干坎兒村降落漏斗（圖12），英坎兒孜村-賽子坎兒孜村降落漏斗（圖13）。

圖10 吐峪溝英買里村—洋海尤庫日村降落漏斗剖面圖

圖11 吐峪溝澤日甫坎兒孜村降落漏斗剖面圖

圖12 同干坎兒孜村降落漏斗剖面圖

圖13 英坎兒孜村-賽子坎兒孜村降落漏斗

⑵1989～2011年鄯善縣火焰山南部地區(qū)水位變差分析。根據(jù)1989年鄯善縣三河流域火焰山南部地區(qū)的流場圖和2011年的流場圖，編制了1989～2011年淺層水水位變差等值線圖（圖14）。

圖14 縣火焰山南部地區(qū)1989-2011年水位變差等值線圖

從圖中可以看出，22年間形成了了大小不等的4個降落漏斗區(qū)：吐峪溝鄉(xiāng)降落漏斗區(qū)、玉旺克爾村降落漏斗、魯克沁鎮(zhèn)降落漏斗區(qū)、達浪坎降落漏斗區(qū)。這些降落漏斗基本上已經(jīng)不是獨立的降落漏斗，各降落漏斗區(qū)基本上已經(jīng)互相連接成片。降深最大的在吐峪溝鄉(xiāng)，降深達到40 m左右，其他的一般在35～40 m。分析其原因一方面是這些地段的開采比較集中，開采量比較大，另一方面是這些降落漏斗分布區(qū)地下水的補給量少，這些綜合因素導致水位大幅度下降。

4 結論

吐魯番盆地地下水經(jīng)歷了天然流場、地下水位局部下降、地下水位區(qū)域下降、地下水位震蕩下降四個演變階段，演變過程與人類開采地下水的活動密切相關。吐魯番盆地東部地區(qū)，地下水開采了量大，地下水補給條件較差，含水層的滲透性較弱，形成了地下水位的區(qū)域下降，下降幅度達到40 m左右；吐魯番市一帶的地下水補給比較充分，地下水動力場的變化相對較??；托克遜縣城一帶，原有的自流井已經(jīng)不自流，或自流量大幅度減小，地下水動力場也發(fā)生了很大的變化。地下水動力場的大幅度變化必將影響當?shù)氐纳a、生活以及生態(tài)環(huán)境，必須制定控制地下水動力場不利演化趨勢的對策。

收稿：2014-07-25

DOI∶10.16206∕j.cnki.65-1136∕tg.2015.01.004