吐魯番市地下水埋深及水位時(shí)空變化規(guī)律研究

胡騰騰，吳 彬

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052)

位于中國(guó)西北干旱區(qū)的吐魯番市水資源嚴(yán)重緊缺，近十幾年來(lái)，由于吐魯番市地下水開采量不斷增加，造成地下水位大幅度下降，導(dǎo)致地下水采補(bǔ)失衡，局部地下水含水層被疏干，吐魯番市將面臨水資源枯竭，坎兒井?dāng)嗔?，生態(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞等問題[1]。了解該區(qū)域的地下水埋深及水位時(shí)空變異規(guī)律對(duì)于科學(xué)管理水資源和實(shí)施生態(tài)保護(hù)具有十分重要的意義[2]。目前關(guān)于吐魯番市地下水水質(zhì)時(shí)空變異性的研究較多，但關(guān)于吐魯番市地下水水位時(shí)空變異性的研究尚鮮見。為此，本文以吐魯番市為例，分析吐魯番市地下埋深及水位的時(shí)空分布特征及變異性，旨在為吐魯番市地下水資源的合理開發(fā)利用提供參考[3-5]。

1 研究區(qū)概況

吐魯番市位于新疆維吾爾自治區(qū)的中東部，吐魯番盆地中部，在北緯41°15′～43°35′，東經(jīng)88°29′～89°54′之間。東西長(zhǎng)245 km；南北寬約75 km。中部有火焰山和博爾托烏拉山余脈橫穿境內(nèi)，南部艾丁湖水面低于海平面155 m，為世界第二低地。轄區(qū)總面積約1.5萬(wàn)km2。包括亞爾鄉(xiāng)、艾丁湖鄉(xiāng)、葡萄鄉(xiāng)、勝金鄉(xiāng)等7鄉(xiāng)兩鎮(zhèn)。吐魯番市屬于典型的大陸性暖溫帶荒漠氣候，降雨稀少且大風(fēng)頻繁，全年平均氣溫13.9 ℃，年均降雨量?jī)H有16.4 mm，而蒸發(fā)量則高達(dá)1 711 mm以上，干旱指數(shù)104，屬于極端干旱區(qū)。地勢(shì)自北向南傾斜，整體坡度為1%～4%。地貌主要為山地、山丘、平原和戈壁荒漠，吐魯番市位置圖見圖1。

圖1 吐魯番市地理位置及地下水觀測(cè)井和機(jī)井位置分布

吐魯番市北部及西部主要由石炭紀(jì)的地層構(gòu)成，西部山地大范圍分布著侏羅紀(jì)時(shí)期的巖層，以南側(cè)向北側(cè)依次為：侏羅紀(jì)、白堊紀(jì)。背斜北翼緩，傾角15°～30°，南翼陡，傾角60°～80°，為山前傾斜平原。巖性主要為砂巖、泥巖、泥質(zhì)砂巖。火焰山、鹽山以南的范圍內(nèi)，沉積著第四系卵礫石、砂礫石、砂、粉質(zhì)黏土、黏土地層。

吐魯番市地下水主要來(lái)源于北天山博格達(dá)分水嶺以南和西面喀拉烏成山山區(qū)的大氣降水和冰雪融水補(bǔ)給，河道地表徑流下滲和山前側(cè)向補(bǔ)給。另有渠道、田間滲漏補(bǔ)給以及機(jī)井開采、泉水回歸滲漏補(bǔ)給等[6]。盆地地下水總體流動(dòng)方向?yàn)閺谋迸璧亓飨蚰吓璧兀吓璧氐叵滤菑奈飨驏|流動(dòng)的。排泄方式主要有泉水排泄，潛水蒸發(fā)，人工開采地下水等幾部分組成。含水層由單一結(jié)構(gòu)潛水含水層演化為上部第四紀(jì)潛水含水層、下部第三紀(jì)裂隙承壓含水層。吐魯番市地下水化學(xué)類型按舒卡列夫分類主要以A HCO3·SO4-Na.Ca型和A SO4·Cl-Na.Ca型為主，井水礦化度為0.18～2.44 g/L[6]。地下水化學(xué)成分主要受蒸發(fā)和徑流條件控制。區(qū)內(nèi)地下水化學(xué)類型由碳酸鹽向硫酸鹽最終向氯化鹽演變，地下水礦化度逐漸升高，趨向鹽化遞變[7,8]。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

主要數(shù)據(jù)包括1∶5萬(wàn)吐魯番監(jiān)測(cè)區(qū)潛水等水位線及等埋深圖(1995年和2004年)，吐魯番市地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)報(bào)告(1993-1995年，2003-2012年)，吐魯番市地下水超采量報(bào)告(2006年)，吐魯番市水資源評(píng)價(jià)報(bào)告(2012年)。此外，利用手持GPS、地形圖及其他參考資料進(jìn)行定位、導(dǎo)航 ，對(duì)吐魯番市地下水水位進(jìn)行了實(shí)地調(diào)查，獲得了2014年野外實(shí)際調(diào)查地下水埋深數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來(lái)源于新疆維吾爾自治區(qū)地礦局，吐魯番市水利局。

2.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理工具為：MAPGIS 6.7，SECTION 2014，SURFER 8.0，SPSS。具體處理步驟如下：

(1)首先在MAPGIS 6.7中對(duì)1∶5萬(wàn)吐魯番監(jiān)測(cè)區(qū)潛水等水位線及等埋深圖(1995年和2004年)影像資料進(jìn)行坐標(biāo)校正、圖像鑲嵌融合、裁切等處理，提取圖中等水位線，并對(duì)其進(jìn)行矢量化處理，并將矢量格式的線文件轉(zhuǎn)換成GRD文件。在SURFER中提取柵格文件數(shù)據(jù)，生成DAT文件，并導(dǎo)入EXCEL中。

(2)利用SECTION中導(dǎo)出的數(shù)據(jù)采用 Kriging 空間插值方法進(jìn)行插值，生成新的數(shù)據(jù)文件，在SURFER中作地下水埋深等值線圖及不同階段的地下水水位降深圖[8-10]，見圖4，圖5。

(3)運(yùn)用1990-2010年吐魯番市地下水開采量數(shù)據(jù)與埋深數(shù)據(jù)，做出埋深與地下水開采量關(guān)系圖，運(yùn)用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件，采用偏相關(guān)分析方法，研究吐魯番市地下水開采量與埋深之間的相關(guān)關(guān)系[11,12]。

(4)根據(jù)吐魯番市地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)報(bào)告(2003～2012年)，做出吐魯番市部分觀測(cè)井逐月地下水埋深變化圖，見圖2，圖3。

圖2 吐魯番市部分觀測(cè)井歷年逐月地下水埋深變化圖

圖3 吐魯番市部分觀測(cè)井歷年逐月地下水埋深變化圖

3 地下水埋深及水位時(shí)空變化規(guī)律

3.1 地下水埋深變化

吐魯番山前地帶地下水動(dòng)態(tài)變化隨地表徑流量變化而變化。一般規(guī)律為：地下水水位波動(dòng)回升、一年會(huì)出現(xiàn)二次豐水期。一次在積雪消融解凍地表水的汛期，隨著春暖解凍融雪，有地表徑流入滲，地下水出現(xiàn)相對(duì)較高水位；第二次一般在5-8 月降水多時(shí)段，隨著產(chǎn)流入滲，地下水出現(xiàn)最高豐水期。10月份后，地表徑流量變小，水位逐漸下降?？菟谧畹退怀霈F(xiàn)在冬季凍結(jié)后。

自1983年1月起，吐魯番水文水資源勘測(cè)局在平原區(qū)初步建立了地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)，目前全市共12眼長(zhǎng)觀監(jiān)測(cè)井，分布在亞爾鄉(xiāng)，恰特喀勒鄉(xiāng)，艾丁湖鄉(xiāng)政府，葡萄鄉(xiāng)，煤窯溝，勝金鄉(xiāng)，三堡鄉(xiāng)，火焰山農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)。各監(jiān)測(cè)井編號(hào)及布置圖見圖1。

本文選用吐魯番市具有代表性的亞爾鄉(xiāng)西溝(Ⅱ 1-6-1)，艾丁湖鄉(xiāng)(Ⅱ 1-7)兩眼觀測(cè)井，做出歷年逐月地下水埋深變化圖。圖2亞爾鄉(xiāng)西溝[圖2(a)]可以看出，由于灌溉用水，近幾年各月水位變化最低出現(xiàn)在8-9月份，最高出現(xiàn)在2月或3月份。亞爾鄉(xiāng)西溝[圖2(b)]可以看出，2003-2012年地下水水位呈一漲一落下降趨勢(shì)，下降速度比上升速度快。地下水水位變幅在20～30 m。

圖3艾丁湖鄉(xiāng)[圖3(a)]可以看出，近幾年各月水位變化最低出現(xiàn)在7-8月份，最高出現(xiàn)在3月份。艾丁湖鄉(xiāng)[圖3(b)]可以看出2003-2007年地下水水位逐年下降速度較快，每年下降0.5 m，2007年至2010年很平緩的一漲一落下降趨勢(shì)。艾丁湖鄉(xiāng)觀測(cè)井代表承壓水含水層，10 a地下水水位變幅在4.5～15.5 m。2011-2012年地下水水位較2000年迅猛下降，從5月開始迅速下降，下降最大月為8月，下降深度達(dá)到12 m，9月開始逐漸回升。該觀測(cè)井位于艾丁湖附近，2009年以后，含水層的給水能力下降，造成年內(nèi)水位變幅加大。

3.2 地下水水位空間變化分析

吐魯番市對(duì)于地下水的開采，除了在年內(nèi)開采利用的情況不同之外，在空間上開采利用的情況也不同。以吐魯番市1995-2004年地下水位降深圖(圖4)和2004-2014年地下水位降深圖(圖5)為例，根據(jù)不同地下水位降深在全區(qū)所占的面積(表1)，分析地下水水位空間變化的不同。從圖4和圖5的對(duì)比中可以看出，吐魯番市地下水的開采量是不斷加大的。在1994-2004年間，吐魯番市64.69%的地區(qū)降深在0～5 m，除了火焰山及鹽山山前的小部分區(qū)域降深在15～20 m外，其余都在15 m以下。到了2004-2014年，吐魯番市地下水降深下降很快。67%的面積降深在5～15 m。降深在15～20 m的區(qū)域增加(見表1)，從不同地下水降深所占面積可以看出，2004-2014年地下水降深相比于1995-2004年地下水位降深，在0～5及5～10 m間的面積均有所減少，而降深在10～15及15～20 m的面積均有所增加，其中降深在10～15 m的面積增加了23.76%。

圖4 1995-2004年地下水水位降深圖

降深/m1995-2004年降深面積/km2百分比/%2004-2014年降深面積/km2百分比/%15～207．332．3018．886．0010～1526．138．21100．5331．975～1078．8724．79109．8734．940～5205．8064．6985．1927．09

根據(jù)調(diào)查研究成果，吐魯番市2004-2014年下降速率大于1994-2004年下降速率，吐魯番市1994-2014年地下水埋深累計(jì)降深最大的鄉(xiāng)為葡萄鄉(xiāng)，下降深度達(dá)到23.34 m，年平均下降速率最大的鄉(xiāng)為葡萄鄉(xiāng)，達(dá)到1.2 m/a。各鄉(xiāng)鎮(zhèn)1994-2014年各鄉(xiāng)鎮(zhèn)不同時(shí)期地下水埋深累計(jì)降深及下降速率見表2。

表2 吐魯番市1994-2014年各鄉(xiāng)鎮(zhèn)不同時(shí)期埋深降深、下降速率統(tǒng)計(jì)表

圖5 2004-2014年地下水水位降深圖

4 地下水埋深變化與開采量關(guān)系

對(duì)于吐魯番地區(qū)而言，極端干旱，人工開采地下水是主要的消耗方式，吐魯番市的農(nóng)業(yè)用水主要集中在中部，灌溉集中，中部地區(qū)埋深增加較為顯著，因此，研究主要選取開采量分析對(duì)地下水埋深變化規(guī)律的影響。選取1990-2010年開采量與埋深統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)作相關(guān)圖(圖6，圖7)。運(yùn)用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件，采用偏相關(guān)分析方法，研究吐魯番市地下水開采量與埋深之間的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果顯示：吐魯番市地下水埋深和開采量的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.8，且回歸方程的∣t∣=4.708，大于0.05顯著水平的t的臨界值2.093，為顯著相關(guān)，說明兩者密切相關(guān)，即開采量增加，埋深增加；反之，則減小。

5 結(jié) 論

圖6 1990-2010年埋深隨開采量變化

圖7 1990-2010年地下水埋深與開采量相關(guān)關(guān)系

(1)根據(jù)吐魯番市多年地下水水位埋深及觀測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合MAPGIS、SECTION等軟件進(jìn)行地下水埋深的空間插值和面積統(tǒng)計(jì)分析，近20 a吐魯番市地下水水位呈下降態(tài)勢(shì)，最大下降深度達(dá)30 m。以2004年為界，后十年間地下水水位降深在10～15 m的面積增加了23.76%。地下水補(bǔ)給條件變差，含水層滲透性較弱。

(2)在恰特喀勒鄉(xiāng)一帶，自流井已經(jīng)不自流或者自流量大幅減小，地下水水位年內(nèi)變化加劇，將影響當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)、生活以及生態(tài)環(huán)境，必須制定控制地下水水位下降的對(duì)策。

(3)通過地下水開采量對(duì)地下水埋深變化的影響進(jìn)行定性定量分析，回歸方程的相關(guān)性顯著，相關(guān)系數(shù)為0.8，說明吐魯番市地下水埋深變化與地下水開采量密切相關(guān)。

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