新疆瑪納斯河流域典型剖面地下水位動(dòng)態(tài)分析

魏興　賈瑞亮　周金龍　王新中

摘要：新疆瑪納斯河流域是水資源開發(fā)力度較大、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高的地區(qū)。對(duì)瑪納斯河流域13眼監(jiān)測(cè)井組成典型剖面的2010年-2014年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)性分析得出，整個(gè)監(jiān)測(cè)剖面地下水位呈持續(xù)下降趨勢(shì)，上部沖洪積平原單一潛水區(qū)地下水位下降速率為0.65～0.83 m/a（平均0.74 m/a）；中部潛水溢出帶地下水位下降速率為1.12m/a；沖積細(xì)土平原區(qū)上部、下部地下水位下降速率分別為0.59～3.07 m/a（平均1.77 m/a）和0.35～3.98 m/a（平均2.41 m/a）；地下水位年下降速率由上游至下游呈增大趨勢(shì)。在年內(nèi)變化上，沖洪積平原單一潛水區(qū)埋深變化為“降-升-降；潛水溢出帶及以北區(qū)域?yàn)椤吧?降-升”。地下水動(dòng)態(tài)類型除上部沖洪積平原單一潛水區(qū)為入滲-徑流型外，潛水溢出帶至沖積細(xì)土平原區(qū)均為開采型。區(qū)域地下水位持續(xù)下降使現(xiàn)狀地下水埋深（5 89～67.46 m）遠(yuǎn)大于6.0 m荒漠化臨界埋深，生態(tài)環(huán)境面臨惡化。通過(guò)對(duì)石河子市、瑪納斯縣水資源利用分析得出，地下水位持續(xù)下降的因素是地下水超采、區(qū)域水資源高效利用使地下水補(bǔ)給量減小雙重作用下形成的。提出必須科學(xué)規(guī)劃用水，縮減灌溉面積和地下水開采量，開展生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制，使流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：瑪納斯河流域；地下水位動(dòng)態(tài)；地下水位持續(xù)下降；地下水超采

中圖分類號(hào)：P641 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-1683（2017）05-0127-07

瑪納斯河流域地處新疆維吾爾自治區(qū)（以下簡(jiǎn)稱“新疆”）天山北坡經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)核心地帶，已成為國(guó)家重要的糧棉生產(chǎn)基地、工業(yè)加工基地和能源基地，是新疆經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高的地區(qū)。瑪納斯河流域面積1.98萬(wàn)km²，灌溉面積27.33萬(wàn)hm²（410萬(wàn)畝），包括石河子市、昌吉州瑪納斯縣、塔城地區(qū)沙灣縣、兵團(tuán)第八師石河子墾區(qū)、第六師新湖總場(chǎng)以及克拉瑪依市小拐鄉(xiāng)。其水資源在生活、生產(chǎn)和生態(tài)供水中發(fā)揮著不可替代的作用。在水資源供需矛盾日益突出的情況下，流域水資源朝著高效利用方向發(fā)展，主要表現(xiàn)在渠道防滲、農(nóng)田節(jié)水灌溉面積大規(guī)模增大，水資源開發(fā)利用趨于極限，特別是地下水超采利用，直接影響著流域地下水補(bǔ)、排環(huán)境。地下水動(dòng)態(tài)變化是一個(gè)復(fù)雜的水文過(guò)程尤其是在干旱區(qū)，受人類活動(dòng)和自然條件的共同影響極為顯著。隨著人口增長(zhǎng)、灌溉面積擴(kuò)大和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，該流域灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)安全與水資源可持續(xù)利用和經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展存在水資源危機(jī)。本文對(duì)瑪納斯河流域典型剖面地下水位動(dòng)態(tài)進(jìn)行分析，揭示該區(qū)域地下水位的變化趨勢(shì)及影響因素，為該區(qū)域地下水資源的合理開發(fā)利用與生態(tài)環(huán)境的保護(hù)提供參考依據(jù)。

1研究區(qū)概況

瑪納斯河流域位于新疆天山北坡中部、準(zhǔn)噶爾盆地南緣，屬于典型的大陸性氣候，夏季炎熱冬季寒冷，年均氣溫6.8℃，平原區(qū)年均降水量110～200mm。流域水系較發(fā)育，由東到西分別為塔西河、瑪納斯河、寧家河、金溝河、大南溝、小南溝河和巴音溝河等河流。流域地勢(shì)南高北低，南部為山區(qū)，中部為廣闊的沖洪積平原，北部為古爾班通古特沙漠?，敿{斯河流域各河流出山口后，在山前形成較平緩的沖洪積扇，扇區(qū)為潛水分布區(qū)，巖性以粗顆粒的卵、礫、砂石為主，富水性和透水性較好。沖洪積扇以北是一條狹長(zhǎng)的潛水溢出帶，東西長(zhǎng)約70km，南北寬3～5 km，面積約300 km²，潛水溢出帶現(xiàn)建有一定數(shù)量的大中型水庫(kù)；潛水溢出帶以北是廣闊平坦的沖積細(xì)土平原。經(jīng)過(guò)多年開發(fā)建設(shè)，瑪納斯流域灌區(qū)渠系網(wǎng)絡(luò)密布，形成灌渠灌溉、地下水灌溉的農(nóng)業(yè)體系，是新疆水資源利用率較高的農(nóng)業(yè)灌區(qū)之一。目前流域地表水利用率為96.2%，農(nóng)業(yè)開發(fā)改變了流域水資源自然分配格局，瑪納斯河作為準(zhǔn)噶爾盆地水量最大、流程曾經(jīng)最長(zhǎng)（400余km）的內(nèi)陸河流，現(xiàn)自然河道僅見(jiàn)于山區(qū)，河水在出山口被人工渠網(wǎng)所代替，天然河道不復(fù)存在，早在20世紀(jì)60年代后河流尾閭瑪納斯湖已干枯。

瑪納斯河流域具有干旱半干旱地區(qū)山前沖洪積平原一般的水文地質(zhì)規(guī)律。地下水補(bǔ)給主要由河道、渠系、平原水庫(kù)滲漏及田間灌溉入滲等組成；地下水徑流從南向北由強(qiáng)變?nèi)?，本次監(jiān)測(cè)區(qū)上游至下游距離68.3 km，多年平均地下水位由上游424.97m遞減至下游315.17 m，地下水平均水力坡度約為1.61‰；沖洪積細(xì)土平原地下水主要來(lái)自上游地下水的側(cè)向補(bǔ)給；流域地下水排泄主要以人工開采為主，其次是地下水側(cè)向排泄于北部沙漠。

2地下水位監(jiān)測(cè)剖面布設(shè)

本次13眼地下水位監(jiān)測(cè)井主要布設(shè)于瑪納斯河流域沖洪積平原區(qū)（圖1）。由圖可見(jiàn)，監(jiān)測(cè)井分別布設(shè)于流域沖洪積平原上游單一潛水區(qū)（監(jiān)測(cè)井G1、G2），中部潛水溢出帶（監(jiān)測(cè)井G3）以及流域下游沖積細(xì)土平原區(qū)（監(jiān)測(cè)井G4-G13監(jiān)測(cè)井）。監(jiān)測(cè)井沿著水文地質(zhì)條件變化最大的剖面方向布置，能較全面監(jiān)測(cè)區(qū)域地下水位的動(dòng)態(tài)特征。

3地下水位動(dòng)態(tài)變化特征

3.1地下水位年際變化特征

地下水位動(dòng)態(tài)變化是反映含水層中地下水資源量變化的一個(gè)指征，地下水位的上升或下降，直接反映了地下水補(bǔ)給與消耗量的變化。本次地下水監(jiān)測(cè)持續(xù)時(shí)間為60個(gè)月（2010年1月-2014年12月），以流域地下水位逐月實(shí)際觀測(cè)序列作為離散隨機(jī)序列，即：

式中：x（t）為實(shí)際觀測(cè)序列；f（t）為長(zhǎng)期變化趨勢(shì)項(xiàng)；吖（t）為平穩(wěn)時(shí)間序列項(xiàng)；p（t）為周期變化項(xiàng)；ε（t）為隨機(jī)變化項(xiàng)，也稱“噪聲”；t為時(shí)間（月）。在這里主要關(guān)注是長(zhǎng)期變化趨勢(shì)項(xiàng)f（t）。利用一元線性回歸方程擬合得到長(zhǎng)期變化趨勢(shì)項(xiàng)直線方程f（t）=at+b，式中直線方程斜率系數(shù)a可作為解釋實(shí)際觀測(cè)序列變化趨勢(shì)的速率，斜率a系數(shù)的正負(fù)號(hào)則分別對(duì)應(yīng)上升和下降趨勢(shì)的月變化速率，年變化速率=月變化速率×12。

通過(guò)線性趨勢(shì)分析，所有監(jiān)測(cè)井地下水位呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢(shì)，不同水文地質(zhì)單元差異明顯（見(jiàn)表1）。上部沖洪積平原單一潛水區(qū)地下水位下降速率為0.65～0.83 m/a（平均0.74 m/a）；中部潛水溢出帶地下水位下降速率為1.12 m/a；沖積細(xì)土平原區(qū)上、下部地下水位下降速率分別為0.59～3.07 m/a（平均1.77 m/a）和0.35～3.98 m/a（平均2.41 m/a1；監(jiān)測(cè)剖面地下水年下降速率上游至下游呈增大趨勢(shì)，上游潛水區(qū)平均下降速率為0.74 m/a，至沖積細(xì)土平原區(qū)下部增大到2.41 m/a，下游地下水位年平均下降速率是上游潛水區(qū)的3.25倍，是中部潛水溢出帶的2.15倍。參照《地下水超采區(qū)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》（SL 286-2003）對(duì)地下水位動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)，孔隙水水位年均下降速率大于1.0m/a時(shí)，可劃為嚴(yán)重超采區(qū)，小于1.0 m/a為一般超采區(qū)。監(jiān)測(cè)區(qū)沖洪積平原上游單一潛水區(qū)為一般超采區(qū)；中部潛水溢出帶、沖積細(xì)土平原區(qū)主要為嚴(yán)重超采區(qū)。

監(jiān)測(cè)井地下水埋深以及水位變化見(jiàn)表2。監(jiān)測(cè)區(qū)沖洪積平原單一潛水區(qū)年平均埋深范圍為29.10～50.09 m；潛水溢出帶承壓水位年平均埋深為5.62 m；沖積細(xì)土平原區(qū)承壓水年平均埋深范圍為8.96～38.07 m；開采型區(qū)域地下水埋深在灌溉期會(huì)進(jìn)一步增大，降水、渠系水及田間灌溉水等入滲難以與開采達(dá)到采補(bǔ)平衡。干旱區(qū)天然植被主要靠地下水存活，樊自立等人將地下水埋深大于6.0 m定義為荒漠化地下水埋深，地下水位下降造成土壤含水率降低，天然植被根系利用地下水困難，植物生命活動(dòng)受到限制，面臨退化衰敗或死亡，天然植被生態(tài)環(huán)境趨于惡化之中。

3.2地下水位年內(nèi)動(dòng)態(tài)特征

典型監(jiān)測(cè)井動(dòng)態(tài)曲線（圖2）表明沖洪積平原單一潛水區(qū)監(jiān)測(cè)井G1、G2年內(nèi)埋深變化為“降-升-降形式，高水位期一般在3月前和9月，低水位期一般出現(xiàn)在6月-8月，區(qū)內(nèi)地下水年內(nèi)變幅為1.33～4.30 m，年平均變幅為2.85～2.88 m。流域機(jī)井主要分布在潛水溢出帶及以北區(qū)域，受灌溉開采影響，年內(nèi)地下水埋深（監(jiān)測(cè)井G3-G13）變化均表現(xiàn)為“升-降-升”形式，高水位期一般出現(xiàn)在3月-4月，低水位期一般在8月前后。地下水埋深年內(nèi)平均變幅為2.80～34.34 m。顯然流域潛水溢出帶及以北沖洪積細(xì)土區(qū)域地下水年變幅遠(yuǎn)高于單一潛水區(qū)，除地下水含水層巖性差異外，另一重要因素就是農(nóng)業(yè)灌溉期高強(qiáng)度的開采地下水，使流域中下游表現(xiàn)為開采型地下水動(dòng)態(tài)特征。

同一水文地質(zhì)單元監(jiān)測(cè)井具有相同的動(dòng)態(tài)特征。沖洪積平原上游單一潛水區(qū)監(jiān)測(cè)井G 1地下水上升期為7月-8月，之后為下降期，年內(nèi)低水位期在6月-7月，年內(nèi)水位上升期短，說(shuō)明地下水在豐水期獲得了補(bǔ)給，但補(bǔ)給有限，地下水動(dòng)態(tài)類型為滲入？徑流型。潛水溢出帶及以北區(qū)域?yàn)檗r(nóng)業(yè)灌區(qū)，為開采型動(dòng)態(tài)，一般在春季3月-4月為高水位期。灌溉期機(jī)井大量開采導(dǎo)致地下水位下降，低水位期8月前后。灌溉期末作物需水量減少，機(jī)井抽水減小或停抽后，地下水位迅速回升，一般在10月后開始緩慢回升至下一年的高點(diǎn)。潛水溢出帶監(jiān)測(cè)井G3年內(nèi)地下水變幅為7.10～18.43 m，沖積細(xì)土平原區(qū)上部監(jiān)測(cè)井G5與下部監(jiān)測(cè)井G11地下水位年內(nèi)變幅分別為8.26～32.44 m和21.80～48.21 m，地下水位年內(nèi)變幅上游至下游由小到大。

4流域地下水位動(dòng)態(tài)成因分析

監(jiān)測(cè)區(qū)地下水位呈持續(xù)下降狀態(tài)，是現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)區(qū)地下水補(bǔ)給量小于排泄量的結(jié)果?，敿{斯河流域是新疆水、土資源利用率最高的地區(qū)之一。根據(jù)《石河子市用水總量控制方案》（新疆兵團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)院研究院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，2015年），2009年-2013年石河子市年總用水量為5.06～5.78億m³，農(nóng)業(yè)年平均用水量4.42億m³，其用水比重較大的農(nóng)業(yè)用水量逐年減小，而生活和工業(yè)用水呈增大趨勢(shì)，分別由2009年的0.31億m³和Q 58億m。增加到2013年的Q 39億m³和0.80億m³；2013年石河子市高新節(jié)水灌溉面積占總灌溉面積的85.3%；另?yè)?jù)《昌吉州用水總量控制方案》（昌吉州方匯水電設(shè)計(jì)院，2015年），瑪納斯縣2014年已累計(jì)完成高效節(jié)水灌溉面積5.11萬(wàn)hm²（76.65萬(wàn)畝），約占總灌溉面積的79.4%。高新技術(shù)節(jié)水成為維持農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要措施之一。

根據(jù)2009年-2014年《昌吉州水資源公報(bào)》，瑪納斯縣水資源利用總量由2009年的4.45億m³增加到2014年的5.09億m³；農(nóng)田有效灌溉面由98.83萬(wàn)畝增加到107.84萬(wàn)畝，表明瑪納斯縣水土資源開發(fā)力度在加強(qiáng)。區(qū)域利用節(jié)水措施節(jié)出的水資源又用于新的耕地開墾，總用水量并未減少。

干旱區(qū)平原區(qū)地下水補(bǔ)給主要為河道滲漏及引水渠系、田間灌溉的入滲。地表水利用量增大意味著天然河道中的水量減少，使河道滲漏顯著減??；同時(shí)大量進(jìn)入渠系中的地表水在渠系水利用系數(shù)提高的背景下，更多的水進(jìn)入面積不斷擴(kuò)大的耕地，水資源大量消耗于田間蒸發(fā)蒸騰，減小了對(duì)地下水的補(bǔ)給。為了使灌溉水資源高效利用，各種防滲技術(shù)和節(jié)水灌溉技術(shù)逐漸被推廣，從而有效提高單位面積上水的利用率而減少了農(nóng)田輸水過(guò)程滲漏量。新疆的節(jié)水灌溉絕大多數(shù)采用的是膜下滴灌，膜下滴灌每次給作物灌溉的水量往往只能入滲到作物根部區(qū)域，一般不會(huì)對(duì)地下水形成補(bǔ)給水量，故節(jié)水灌溉對(duì)地下水的補(bǔ)給可以忽略不計(jì)。流域水利工程的建設(shè)、渠道防滲和田間節(jié)水技術(shù)的推廣，將嚴(yán)重影響對(duì)地下水的補(bǔ)給。流域農(nóng)業(yè)節(jié)水措施會(huì)顯著減小對(duì)地下水的補(bǔ)給量，在地下水埋深過(guò)大條件下，沖積細(xì)土平原區(qū)降水、渠系及田間入滲對(duì)地下水的補(bǔ)給近乎為零；僅在上游單一潛水區(qū)，主要受近山前河道7月-8月豐水期少量下泄水量形成的滲漏補(bǔ)給使地下水位有短暫的回升外，其余時(shí)間則處于下降狀態(tài)，表現(xiàn)為入滲-徑流型動(dòng)態(tài)?，敿{斯河流域潛水溢出帶及以北沖積細(xì)土平原分布有大量機(jī)井，由南向北農(nóng)用機(jī)井的開采深度由150 m增大到400～500 m，這一區(qū)域的地下水動(dòng)態(tài)受灌溉期地下水開采影響，表現(xiàn)為開采型動(dòng)態(tài)。一般下游深層承壓水難以獲得補(bǔ)給，區(qū)域地下水開采量實(shí)際是消耗地下水靜儲(chǔ)量獲得的，故地下水位持續(xù)下降。從2015年3月31日《瑪納斯縣整治非法打井開荒退出荒地13萬(wàn)多畝》的新聞報(bào)道可以看出區(qū)內(nèi)地下水無(wú)序開發(fā)嚴(yán)重。因此，可以認(rèn)為監(jiān)測(cè)剖面地下水位持續(xù)下降的原因是在流域地下水補(bǔ)給量趨于減小、地下水開采量增加雙重作用下形成的。

5結(jié)論與建議

5.1結(jié)論

（1）5年的地下水位監(jiān)測(cè)表明，瑪納斯河流域典型監(jiān)測(cè)剖面地下水位呈持續(xù)下降趨勢(shì)，且地下水位年均下降速率向下游呈增大趨勢(shì)。沖洪積平原單一潛水區(qū)為一般超采區(qū)，地下水位年平均下降速率為0.74 m/a，地下水動(dòng)態(tài)類型為入滲一徑流型；潛水溢出帶及以北大部為嚴(yán)重超采區(qū)，地下水位年平均下降速率為1.12～2.41 m/a，地下水動(dòng)態(tài)類型為開采型。

（2）瑪納斯河流域地下水埋深普遍大于荒漠化潛水臨界埋深（60 m），其土壤含水率降低，天然生態(tài)植被難以利用地下水存活，導(dǎo)致天然植被衰退，生態(tài)環(huán)境面臨惡化。

（3）瑪納斯河流域是新疆水、土資源利用率最高的地區(qū)之一，水資源高效利用的同時(shí)，總用水量并未減少。農(nóng)業(yè)高新節(jié)水極大地減少了對(duì)地下水的補(bǔ)給，區(qū)域地下水補(bǔ)給主要來(lái)自上游的側(cè)向補(bǔ)給，區(qū)域地下水開采量主要是消耗地下水靜儲(chǔ)量獲得的，監(jiān)測(cè)區(qū)地下水位持續(xù)下降是流域地下水補(bǔ)給量趨于減小、地下水超采雙重作用下形成的。

5.2建議

瑪納斯河流域地處天山北坡經(jīng)濟(jì)帶，是新疆綠洲開發(fā)的典范。水資源開發(fā)利用使整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)成為地下水超采區(qū)，特別是2012年潛水溢出帶與沖積細(xì)土平原區(qū)和2014年上游單一潛水區(qū)仍有明顯的水位下降，表明影響地下水持續(xù)下降的因素還在加劇。針對(duì)流域現(xiàn)狀地下水動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，必須科學(xué)規(guī)劃用水，縮減灌溉面積和地下水開采量，進(jìn)一步打擊非法地下水開采，實(shí)施生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制，防止生態(tài)環(huán)境惡化，使流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。