準(zhǔn)東礦區(qū)鄰近奇臺(tái)綠洲地下水位變化趨勢(shì)分析

李根生，曾 強(qiáng)，董敬宣，趙龍輝

(1.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046；2.新疆大學(xué)干旱生態(tài)環(huán)境研究所，新疆 烏魯木齊 830046)

準(zhǔn)東礦區(qū)鄰近奇臺(tái)綠洲地下水位變化趨勢(shì)分析

李根生1,2，曾 強(qiáng)1,2，董敬宣1,2，趙龍輝1,2

(1.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046；2.新疆大學(xué)干旱生態(tài)環(huán)境研究所，新疆 烏魯木齊 830046)

根據(jù)準(zhǔn)東礦區(qū)鄰近奇臺(tái)綠洲1983～2013年地下水位觀測(cè)資料，對(duì)其變化趨勢(shì)進(jìn)行了分析，運(yùn)用Surfer軟件分析了奇臺(tái)綠洲地下水埋深、地下水位和地下水流等分布特征，結(jié)果表明：近31年以來(lái)，研究區(qū)地下水位總體呈下降趨勢(shì)，年均下降速率為0.51 m/a，其中，西部區(qū)域下降速率為0.65 m/a，東部區(qū)域下降速率為0.37 m/a；在西部區(qū)域形成了多處地下水位降落漏斗，且漏斗面積不斷增加；東南區(qū)域地下水位高于西北區(qū)域，地下水總體呈由南向北流動(dòng)；地下水位分布和地形分布特征基本一致，局部地形起伏處，地下水流大小和方向變化亦有相應(yīng)變化；由南向北地下水埋深逐漸變淺；農(nóng)業(yè)灌溉用水量不斷增加是造成綠洲地下水位下降的主要原因。

準(zhǔn)東礦區(qū)；奇臺(tái)綠洲；煤炭開(kāi)采；地下水位

本文根據(jù)準(zhǔn)東礦區(qū)鄰近奇臺(tái)綠洲歷年地下水位觀測(cè)數(shù)據(jù)，嘗試對(duì)其變化做趨勢(shì)分析，以期為深入研究準(zhǔn)東礦區(qū)煤炭開(kāi)采與綠洲地下水之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系提供基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

1.1 地理位置

奇臺(tái)綠洲研究區(qū)位于天山北麓東段，準(zhǔn)噶爾盆地南緣的沖積平原內(nèi)，其東西長(zhǎng)約60 km，南部寬約55 km，地勢(shì)相對(duì)平坦是新疆地區(qū)典型的天然-人工復(fù)合型綠洲[13](圖1)。綠洲區(qū)屬干旱氣候，冬季寒冷夏季炎熱，日溫差較大，年平均氣溫5.2 ℃，常年盛行西北風(fēng)。

圖1 研究區(qū)地理位置

準(zhǔn)東礦區(qū)南鄰奇臺(tái)綠洲。礦區(qū)東西長(zhǎng)約226 km，南北寬約126 km，礦區(qū)面積約28 476 km2，單一開(kāi)采煤層厚達(dá)90 m，預(yù)測(cè)煤炭資源儲(chǔ)量4 580億t，為罕見(jiàn)巨厚煤層賦存，具有典型的區(qū)域特色[14]。礦區(qū)屬生態(tài)脆弱區(qū)，氣候干旱少雨，地表植被稀疏，生物種類(lèi)和群落較少，系統(tǒng)自我修復(fù)能力弱，荒漠廣布，具有典型的內(nèi)陸干旱區(qū)特征。

1.2 研究區(qū)水系分布特征

奇臺(tái)綠洲降水量分布不均，南部山區(qū)最多，中部平原區(qū)次之，北部荒漠區(qū)最少，呈現(xiàn)出由南到北逐漸減少的趨勢(shì)，蒸發(fā)量約為降雨量的8倍。南部山區(qū)海拔高，呈現(xiàn)出由南到北海拔逐漸降低的趨勢(shì)，且山前由厚度大、粒徑粗、透水性強(qiáng)的第四系松散物組成，地下水由南向北順勢(shì)而下，河流流出山口后，經(jīng)引水渠、田間、經(jīng)天然河床等滲失于山前戈壁礫石帶，補(bǔ)給潛水及深部承壓水。南部山區(qū)為地下水的補(bǔ)給區(qū)，中部為地下水的補(bǔ)給、徑流區(qū)，北部為地下水的排泄區(qū)，見(jiàn)圖2[12]。

奇臺(tái)綠洲研究區(qū)地表水系從東至西分布有9條河流：開(kāi)墾河、新戶(hù)河、中葛根河、寬溝河、碧流河、吉布庫(kù)河、達(dá)板河、根葛爾河、白楊河(圖3)。研究區(qū)地表河流水量的補(bǔ)給主要來(lái)自南部區(qū)域的大氣降水和冰川融水，山間眾多深溝河谷水流，在山前集中形成河流，流向奇臺(tái)綠洲。

本文所采用的分析模型是一個(gè)4層剪力墻結(jié)構(gòu)，層高均為3 600 mm，總高度14.4 m，梁和剪力墻平面見(jiàn)圖1和圖2，圖中LL2截面尺寸為200 mm×500 mm，LL1的截面寬度為200 mm，截面高度在400～1 600 mm之間變化。不考慮樓板的影響，墻厚均為200 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度為7度，Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地，設(shè)計(jì)地震分組為第1組，抗震等級(jí)設(shè)為二級(jí)。

圖2 典型水文過(guò)程示意圖

圖3 研究區(qū)地表河流及觀測(cè)井位置分布圖

研究區(qū)地表河流年徑流總量為4.66×108m3，開(kāi)墾河年徑流量最大為1.60×108m3，占34.48%；根葛爾河年徑流量最小為0.04×108m3，僅占0.86%。河流年徑流量分布呈現(xiàn)東部區(qū)域大于西部區(qū)域，其中東部4條河流年徑流量為2.59×108m3，占55.58%，西部區(qū)域5條河流年徑流量為2.07×108m3，占44.42%，多年平均流量為14.66 m3/s。各河流枯水期為11月至來(lái)年3月，豐水期為4月至10月。地表河流年徑流量見(jiàn)表1[15]。

2 奇臺(tái)綠洲地下水變化趨勢(shì)分析

2.1 地下水埋深變化趨勢(shì)分析

奇臺(tái)綠洲研究區(qū)26眼觀測(cè)井均為淺層地下水觀測(cè)井，井點(diǎn)位于奇臺(tái)綠洲平原區(qū)內(nèi)，主要分布在塔塔爾鄉(xiāng)、西北灣鄉(xiāng)、110團(tuán)場(chǎng)、坎爾孜鄉(xiāng)、五馬場(chǎng)鄉(xiāng)、老奇臺(tái)鎮(zhèn)、喬仁鄉(xiāng)、三個(gè)莊子和古城鎮(zhèn)等，觀測(cè)井分布見(jiàn)圖3。研究區(qū)各觀測(cè)井地下水埋深變化統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表1 奇臺(tái)縣綠洲研究區(qū)河流年徑流量

表2 研究區(qū)各觀測(cè)井地下水埋深變化統(tǒng)計(jì)表

由表2統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，26眼井地下水埋深100%下降，平均單口下降量為16.98 m，平均單口年下降0.56 m，其中下降速度較大的分別為西北灣鄉(xiāng)柳樹(shù)河子村8號(hào)和坎爾孜鄉(xiāng)22號(hào)觀測(cè)井，年均下降分別為0.85 m、1.07 m，下降速度較慢的分別為五馬場(chǎng)鄉(xiāng)榆樹(shù)溝村24號(hào)五馬場(chǎng)鄉(xiāng)25號(hào)觀測(cè)井，年均下降分別為0.2 m、0.06 m。地下水平均埋深由13.04 m下降至30.01 m，下降率達(dá)56.55%。地下水埋深下降量在0～10 m的有4眼，占15.39%，下降量在10～20 m的有15眼，占57.69%，下降量在20～30 m的有6眼，占23.08%，下降量大于30 m的有1眼，占3.85%，埋深下降量處于10～30 m，高達(dá)80.77%，說(shuō)明奇臺(tái)綠洲地下水埋深整體下降量較大。

2.2 地下水位變化趨勢(shì)分析

根據(jù)研究區(qū)各觀測(cè)井位置分布特征、地形、耕地面積和人口數(shù)量，將研究區(qū)大致均等分為東部區(qū)域和西部區(qū)域，東部區(qū)域?yàn)?8～30號(hào)井，西部區(qū)域?yàn)?～4號(hào)、6～13號(hào)和16號(hào)，各13眼觀測(cè)井。分別對(duì)東部區(qū)域、西部區(qū)域和總體地下水位進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表3。

表3 奇臺(tái)縣1983～2013年地下水位變化統(tǒng)計(jì)表

由表3可知，31年26眼觀測(cè)井平均地下水位為766.74 m，其中東部區(qū)域?yàn)?80.63 m，西部區(qū)域?yàn)?52.84 m，東部區(qū)域高于西部區(qū)域27.79 m。30年間地下水位共下降了15.32 m，其中東部區(qū)域下降了11.08 m，西部區(qū)域下降了19.56 m，西部區(qū)域大于東部區(qū)域8.48 m?？傮w地下水位年平均下降0.51 m，其中東部區(qū)域?yàn)?.37 m，西部區(qū)域0.65 m，西部區(qū)域大于東部區(qū)域0.28 m/a。地下水位下降年份占83.3%，其中2002～2003年地下水位下降最大，下降為3.93 m，2004～2005年地下水位回升最大，回升了2.63 m。據(jù)此可得：東部區(qū)域平均地下水位高于西部區(qū)域，主要由于東部區(qū)域水系年徑流量大于西部區(qū)域，由此地下水補(bǔ)給量多余西部區(qū)域。西部區(qū)域平均地下水位下降量和下降量速率均大于西部區(qū)域，說(shuō)明西部區(qū)域?qū)Φ叵滤某椴蓮?qiáng)度大于東部區(qū)域。

對(duì)研究區(qū)總體(圖4和圖5)、東部區(qū)域(圖6和圖8)和西部區(qū)域(圖7和圖9)分別繪制了水位和水位變化速率折線圖。

圖4 研究區(qū)總體水位變化

圖5 研究區(qū)總體水位變化速率

圖6 東部區(qū)域水位變化

圖7 西部區(qū)域水位變化

圖8 東部區(qū)域水位變化速率

圖9 西部區(qū)域水位變化速率

由圖4和圖5知，地下水位總體呈下降趨勢(shì)。2002年前地下水位變化幅度較小，僅有兩個(gè)年度水位回升且回升幅度較小，因此總的下降量較大；2002年后11年間地下水位變化幅度較大，但由于2005年和2010年水位回升幅度較大，因此總的下降量較小。由此可得，近年來(lái)奇臺(tái)綠洲地下水位回升幅度大且下降速度趨于緩和。

由圖6～9可知：東部區(qū)域和西部區(qū)域地下水位都呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。東部區(qū)域水位回升年份共3年，且回升幅度較大，下降年份共28年，但下降量較??；西部區(qū)域水位回升年份共5年，回升幅度較小，下降年份共25年，下降量較小。由此可得，東部區(qū)域水位回升幅度大于西部區(qū)域，但西部區(qū)域地下水位下降量小于東部區(qū)域；西部區(qū)域水位回升年份大于東部區(qū)域，水位下降年份大于東部區(qū)域。

3 地下水分布特征分析

3.1 地下水埋深分布趨勢(shì)

根據(jù)地下水埋深調(diào)研資料，選取1983年、1993年、2003年和2013年四個(gè)年份作為分析對(duì)象，繪制地下水埋深等值線圖，如圖10～13所示。

由圖10～13可知，研究區(qū)內(nèi)隨著緯度的增加地下水埋深逐漸變淺，同一條緯度上東部區(qū)域地下水埋深略高于西部區(qū)域，西北部地下水埋深最淺，東南部和西南部地下水埋深最深為；東部區(qū)域地下水埋深變化較均勻，西部區(qū)域埋深變化加大；南部?jī)商幍叵滤裆钐荻茸兓畲?，且地下水埋深較大；地下水埋深逐漸加深，東南部1983年和2013年地下水埋深分別為-34 m、-56 m，下降率為64.71%，西北部1983～2013年地下水埋深分別為-4 m、-25 m，下降率為84.00%，即南部地下水埋深下降速度高于北部；對(duì)四個(gè)年份地下水埋深等值線分布圖進(jìn)行對(duì)比分析，可知地下水埋深變化逐漸加大；其中西部區(qū)域出現(xiàn)多處地下水降落漏斗區(qū)，且漏斗區(qū)地下水埋深和漏斗面積逐漸變大(圖13更加明顯)；對(duì)圖左上部區(qū)域進(jìn)行對(duì)比，可知地下水埋深等值線數(shù)目逐漸增多，說(shuō)明地下水埋深梯度逐漸加大。

圖10 1983年地下水埋深分布圖

圖11 1993年地下水埋深分布圖

圖12 2003年地下水埋深分布圖

圖13 2013年地下水埋深分布圖

3.2 地下水位分布趨勢(shì)

根據(jù)地下水位資料，選取1983年、1993年、2003年和2013年繪制了地下水位分布圖，如圖14、圖15、圖16和圖17所示。

圖14 1983年地下水位分布圖

圖15 1993年地下水位分布圖

由圖14～17可知，地下水位逐漸降低，且水力梯度呈現(xiàn)增加趨勢(shì)；東南部地下水位最高，西北部地下水位最低，這是造成地下水由東南向西北流動(dòng)的重要原因。地下水位自東南至西北呈現(xiàn)逐漸下降趨勢(shì)，南部局部區(qū)域地下水位呈現(xiàn)“懸崖式”下降，主要由于南部局部地形變化較大所致，在2013年尤為突出。

3.3 地下水流向分布特征

根據(jù)地下水位分布繪制了地下水流向分布特征，見(jiàn)圖18。由圖可知，地下水總體由低緯度向高緯度流動(dòng)，西部地下水呈現(xiàn)出向西北部流動(dòng)。西部地下水流大小和方向不穩(wěn)定(箭頭大小和方向)，產(chǎn)生此現(xiàn)象的主要原因?yàn)槲鞑康匦魏偷叵滤环植甲兓容^大；地形的起伏變化，影響地下水位變化，而地下水在重力的作用下，水力梯度隨之變化，進(jìn)而影響地下水流的大小和方向。

圖16 2003年地下水位分布圖

圖17 2013年地下水位分布圖

圖18 地下水流向分布圖

3.4 水位變化原因分析

奇臺(tái)綠洲研究區(qū)地下水位下降的主要原因?yàn)檗r(nóng)業(yè)灌溉及人口快速增長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)用水量的需求[16]。其次，準(zhǔn)東礦區(qū)巨厚煤層深部規(guī)模開(kāi)采，對(duì)區(qū)域地下水位可能產(chǎn)生一定影響。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)奇臺(tái)綠洲研究區(qū)歷年地下水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了趨勢(shì)分析，結(jié)果表明，奇臺(tái)綠洲地下水位總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，研究區(qū)西部區(qū)域水位下降速度大于東部；研究區(qū)地下水力梯度隨時(shí)間不斷加大；研究區(qū)西部區(qū)域新形成了多處地下水降落漏斗，且漏斗深度和范圍不斷加大；研究區(qū)東南部地下水位最高，西北部最低；地下水總體呈現(xiàn)出由南向北流動(dòng)；農(nóng)業(yè)灌溉用水是造成地下水位下降的主要因素。奇臺(tái)綠洲北鄰準(zhǔn)東礦區(qū)，該礦區(qū)深部巨厚煤層規(guī)?；_(kāi)采對(duì)綠洲生態(tài)環(huán)境賴(lài)以生存的區(qū)域水系分布將產(chǎn)生重要影響，需要后續(xù)系統(tǒng)研究。

[1] 吳筠. 對(duì)新疆煤炭資源開(kāi)發(fā)利用的思考[J]. 新疆社科論壇，2011(2): 38-43.

[2] 范英宏, 陸兆華, 程建龍, 等. 中國(guó)煤礦區(qū)主要生態(tài)環(huán)境問(wèn)題及生態(tài)重建技術(shù)[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2003, 23(10): 2144-2152.

[3] Hickcox D H. Water rights, allocation, and conflicts in the Tongue River Basin, southeastern Montana[J]. Molecular & Cellular Biochemistry, 1980, 229(1-2): 73-83.

[4] Parvez S M A, Patil D, Jagtap T G. Impact of mining on ground water quality in an iron ore mining area from Goa[J]. Journal of Ecophysiology & Occupational Health, 2013, 13(1): 25-33.

[5] 范立民. 陜北地區(qū)采煤造成的地下水滲漏及其防治對(duì)策分析[J]. 礦業(yè)安全與環(huán)保, 2007, 34(5): 62-64.

[6] 范立民, 馬雄德, 冀瑞君. 西部生態(tài)脆弱礦區(qū)保水采煤研究與實(shí)踐進(jìn)展[J]. 煤炭學(xué)報(bào), 2015, 40(8): 1711-1717.

[7] 范立民. 論保水采煤?jiǎn)栴}[J]. 煤田地質(zhì)與勘探, 2005, 33(5): 53-56.

[8] 王雙明, 黃慶享, 范立民, 等. 生態(tài)脆弱礦區(qū)含(隔)水層特征及保水開(kāi)采分區(qū)研究[J]. 煤炭學(xué)報(bào), 2010, 35(1): 7-14.

[9] 王力, 衛(wèi)三平, 王全九. 榆神府煤田開(kāi)采對(duì)地下水和植被的影響[J]. 煤炭學(xué)報(bào), 2008, 33(12): 1408-1414.

[10] 喬小娟, 李國(guó)敏, 周金龍, 等. 采煤對(duì)地下水資源與環(huán)境的影響分析——以山西太原西山煤礦開(kāi)采區(qū)為例[J]. 水資源保護(hù), 2010, 26(1): 49-52.

[11] 曾瑜. 基于空間插值模型的綠洲地下水時(shí)空變化研究——以奇臺(tái)綠洲為例[D]. 烏魯木齊：新疆大學(xué), 2004.

[12] 葛斐, 董新光, 楊鵬年. 新疆奇臺(tái)縣平原區(qū)地下水流數(shù)值模型的建立與超采區(qū)評(píng)價(jià)[J]. 地下水, 2006, 28(4): 37-39，104.

[13] 曾瑜, 熊黑鋼, 譚新萍, 等. 奇臺(tái)綠洲地下水開(kāi)采及其對(duì)地表生態(tài)環(huán)境作用分析[J]. 干旱區(qū)資源與環(huán)境, 2004, 18(4): 124-127.

[14] 新疆煤田地質(zhì)局. 新疆維吾爾自治區(qū)煤炭資源潛力評(píng)價(jià)[R].2010.

[15] 葛斐. 新疆奇臺(tái)縣平原區(qū)地下水流數(shù)值模擬與超采區(qū)評(píng)價(jià)[D]. 烏魯木齊：新疆農(nóng)業(yè)大學(xué), 2006.

[16] 付金花, 熊黑鋼. 人類(lèi)活動(dòng)對(duì)奇臺(tái)縣地下水變化的影響[J]. 水資源與水工程學(xué)報(bào), 2007, 18(2): 12-15.

Analysis of the change of ground water level in Qitai oasis nearby eastern Junggar coalfield

LI Gensheng1,2, ZENG Qiang1,2, DONG Jingxuan1,2, ZHAO Longhui1,2

(1.School of Resources & Environmental Science, Xinjiang University, Urumqi 830046, China;2. Institute for Arid Ecology & Environment, Xinjiang University, Urumqi 830046, China)

According to the observing data of ground water level in the area of Qitai oasis nearby the eastern Junggar coalfield from 1983 to 2013, the change trend of the water level was analyzed by the use of the Surfer software. Results show that the average level of ground water in this area decreases with a speed of 0.51 meters per year, and the decreasing rates in west section and east section are different with the values of 0.65 meters per year and 0.37 meters per year respectively in past decades. In west section, the declining of the ground water level formed lots of depression cones and shows a continuous expanding area. The ground water level in south-east area is higher than that of north-west area. Generally, the ground water flows from the south part to the north part in this area. The distribution of the ground water level coincides with the terrains of this area with the same fluctuation. The ground water level also shows a trend of declining from the south part to the north part in this area. Agriculture water injection is the main reason for the change of ground water level in past decades.

eastern Junggar coalfield; Qitai oasis; coal mining; ground water level

2016-11-27

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(編號(hào)：51374182)

李根生(1992-)，男，碩士研究生，主要從事煤炭開(kāi)采環(huán)境影響的研究。

曾強(qiáng)(1969-)，博士，教授級(jí)高工，E-mail:mkszq@263.net。

P641

A

1004-4051(2017)05-0148-06