額濟納綠洲1992—2015年地下水埋深變化分析

張震域，趙 沛，暢祥生，王云澤，董國濤

（1.黑河水資源與生態(tài)保護研究中心，甘肅蘭州730030；2.甘肅省水利廳討賴河流域水資源管理局，甘肅酒泉735000）

干旱區(qū)地下水被視為“稀缺資源”［1］，區(qū)內(nèi)植被生長對地下水埋深有很強的依賴性［2-4］。黑河下游地區(qū)氣候異常干旱，戈壁荒漠與少量綠洲交錯，生態(tài)環(huán)境退化［5］。黑河地表水入境水量決定額濟納地區(qū)地下水埋深變化，地下水時空變化直接影響著綠洲的可持續(xù)發(fā)展。隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，人類活動范圍逐漸擴大，20世紀50年代以來，黑河中游地表水用水量激增，導(dǎo)致下游入境水量持續(xù)下降［6］，下游河道斷流，濕地生態(tài)系統(tǒng)功能減弱，湖泊常年干涸，地下水流場發(fā)生變化［7］，土地荒漠化和沙漠化迅速蔓延［8］。 自 2000 年開始，國家決策實施黑河水量統(tǒng)一調(diào)度［9］。通過黑河生態(tài)調(diào)水以及黑河流域近期治理工作，下游綠洲區(qū)河道過水時間、過水量明顯增加，河道斷流天數(shù)逐年減少，有效緩解了下游綠洲進一步惡化的趨勢［10］。

隨著生態(tài)調(diào)水的實施，進入黑河下游的水資源量逐年增加，下游綠洲地下水埋深時空特征呈現(xiàn)顯著變化。程國棟等［5］通過地下水運動模擬，分析了黑河調(diào)水前后11 a間額濟納綠洲地下水變化情況，指出調(diào)水前地下水下降明顯，調(diào)水后呈現(xiàn)出增長的變化趨勢，這種變化趨勢在距河較近的區(qū)域比較明顯；席海洋等［6］利用調(diào)水后5 a狼心山分水閘以下分水資料以及9眼地下水井資料分析調(diào)水后5 a黑河下游地下水變化特征，結(jié)果顯示地下水位與下游入境水量的相關(guān)性密切，尤其東河、西河附近地下水位抬升明顯，水位變化對河道來水有滯后現(xiàn)象；敖菲等［3］應(yīng)用統(tǒng)計特征分析以及Mann-Kendall和Mann-Whitney趨勢檢驗法分析黑河下游地下水位動態(tài)變化特征表明，1992—2009年黑河下游東河、西河地下水位平均埋深存在上中部淺、下部深的空間分布特征。

目前生態(tài)調(diào)水實施已近20 a，已有研究采用的地下水數(shù)據(jù)空間范圍較小、時間相對較短。筆者收集額濟納綠洲東河、西河20多 a（1992—2015年）不同位置的地下水埋深資料，分析黑河調(diào)水前后額濟納綠洲地下水位的時空變化，以期為下游生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)和水資源優(yōu)化配置提供基礎(chǔ)支撐。

1 研究區(qū)概況

黑河是中國第二大內(nèi)陸河，發(fā)源于祁連山北麓，流經(jīng)青、甘、蒙3?。▍^(qū)），進入下游狼心山后分為東河、西河，兩河向北最終分別匯入尾閭湖東居延海和西居延海。額濟納綠洲位于黑河狼心山水文站以下，地理位置東經(jīng) 97°10′—103°7′，北緯 39°52′—42°47′。 綠洲區(qū)地質(zhì)構(gòu)造上是一個盆地，由上段至下段含水層巖性漸細，地下水埋深漸淺。地下水動態(tài)特征的變化受多方面影響，地貌、沉積物、水流的補給和排泄等都制約著地下水埋深，具有區(qū)域差異性［11-12］。土壤類型有13種，以石膏灰棕漠土和灰棕漠土為主，植被大致分為以低山丘陵和戈壁平原廣泛分布的荒漠植被，以河岸、湖盆為代表的草甸植被，以及胡楊林、檉柳林組成的荒漠河岸林［13］。研究區(qū)多年平均水面蒸發(fā)為1 444 mm，為降水量的42倍［14］，故額濟納綠洲地下水埋深及植被景觀變化受降水的影響微弱。黑河地表水進入額濟納綠洲后直接滋養(yǎng)和補給研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)以及地下水［15］。

2 數(shù)據(jù)來源及分析方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)范圍內(nèi)布設(shè)有15眼地下水埋深長期觀測井（見圖1），沿東河、西河兩岸縱剖面分布。采用1992—2015年逐旬地下水埋深數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)系列的連續(xù)性和分析結(jié)果的代表性出發(fā)，按空間和時間兩個指標進行分析。東河、西河分別有8眼和7眼地下水長期觀測井，長期觀測井主要為潛水井，只有東河上段的33＃井、下段的6＃井和西河中段的13＃井為深水井。其中：東河觀測井分別為 01＃、05＃、33＃（上段），26＃、27＃、25＃、42＃（中段），06＃（下段）；西河觀測井分別為 03＃、04＃（上段），16＃、15＃、13＃、14＃（中段），51＃（下段）。

2.2 分析方法

（1）對比分析1992—2015年額濟納綠洲東河、西河觀測井地下水埋深的變化特征。以調(diào)水前1992—2000年地下水埋深為本底，以2000年調(diào)水后每隔5 a為一個時段，分別為1992—2000年、2001—2005年、2006—2010年、2011—2015年，分析地下水埋深在不同時段對生態(tài)調(diào)水的響應(yīng)。

（2）基于1992—2015年15眼長期地下水觀測井數(shù)據(jù)，選擇1992年（東居延海干涸）、1999年（調(diào)水前）、2005年（調(diào)水后 5 a）、2010 年（調(diào)水后 10 a）、2015年（調(diào)水后15 a）作為典型年，利用Arcgis軟件采用IDW（反距離空間插值方法），分別將5個典型年地下水埋深插值為空間數(shù)據(jù)，分析額濟納綠洲1992—2015年地下水埋深的空間變化。

圖1 黑河下游綠洲區(qū)及布設(shè)地下水觀測井示意

3 結(jié)果分析

3.1 地下水埋深時間變化特征

相較于調(diào)度前地下水位，2000—2003年大部分研究區(qū)域地下水位下降值仍然很大，原因是輸水過程對地下水埋深變化的影響具有滯后性。西河上、下段地下水位下降，下降幅度分別為9.80%、6.00%；西河中段地下水位回升，回升幅度為10.40%，西河海拔略低于東河，輸水前期，西河中段地下水位有回升跡象。相較于調(diào)度前地下水位，2006—2010年東河下段地下水位下降幅度為34.00%，中段地下水位上升幅度為15.15%。西河上、下段地下水位下降幅度分別為24.08%、9.95%；西河中段地下水位回升幅度為15.00%。2011—2015年東河上、下段地下水位下降幅度分別為12.00%、32.85%，東河中段地下水位回升幅度為9.50%；西河上、中、下段地下水位下降幅度分別為38.12%、0.64%、18.41%，相較于調(diào)水前地下水位下降幅度變小。

東河和西河地下水觀測井不同時段地下水埋深變化趨勢見圖2。1992—2015年黑河下游額濟納東河、西河潛水地下水位整體呈先下降后上升趨勢；2003年之前地下水位呈下降趨勢，之后呈回升趨勢。潛水地下水位受地表徑流補給作用明顯，而承壓地下水位受其影響不顯著。

圖2 東河、西河地下水埋深變化情況

從整體看東河上段地下水位回升趨勢明顯，西河上段仍在下降；兩河中段地下水位均呈回升趨勢；東河下段調(diào)水初期受水流滯后性影響，地下水位有所下降，調(diào)水后期地下水位逐步回升，西河下段地下水位下降趨勢減弱。這與上游來水量的大小、水流補給的滯后性有關(guān)，同時受額濟納旗農(nóng)作物播種面積變化的影響（見圖3，數(shù)據(jù)引自額濟納旗統(tǒng)計年鑒），東河、西河下段為胡楊林和農(nóng)作物播種面積集中區(qū)，耗水量較多，因此東河、西河下段地下水位回升趨勢不明顯。

圖3 額濟納旗1995—2015年農(nóng)作物總播種面積變化情況

從地下水埋深的年內(nèi)變化來看（見表1），東河、西河一般3月、4月地下水埋深最小，9月、10月地下水埋深最大。由水流對地下水補給的滯后性和表1數(shù)據(jù)可知，從東、西河區(qū)上段到下段，地下水埋深多年月平均最小值從2月或3月過渡到4月或5月，最大值也有相似的變化規(guī)律，這主要是地下水受地表徑流補給先從東河、西河上段開始，然后才影響到河道的中、下段。

3.2 地下水埋深空間變化特征

結(jié)合實際數(shù)據(jù)資料及地下水埋深分布（見圖4），分析1992—2015年額濟納綠洲地下水埋深空間分布特征。1992—2003年，東河整體的變化以降低為主，雖然自2000年開始實施調(diào)水，但是由于水流的滯后性，因此調(diào)水前3 a地下水位仍然下降；東河2003—2010年絕大部分區(qū)域地下水位顯著回升；東河2011—2015年，地下水位趨于穩(wěn)定。西河整體地下水埋深先減小后增大。總體來說，東河、西河附近地下水埋深小于遠離河道區(qū)域的；額濟納旗附近綠洲核心地帶到東居延海之間的戈壁區(qū)域地下水埋深最大。

表1 額濟納綠洲地下水埋深多年月平均特征值

結(jié)合實際資料，調(diào)水初期3 a，地下水位仍下降，1992—2003年額濟納綠洲絕大部分地下水位下降，下降嚴重區(qū)域主要發(fā)生在狼心山至兩河上、中段區(qū)域以及東居延海附近。1992—2003年地下水位下降區(qū)域擴大。

調(diào)水后2000—2005年，綠洲絕大部分區(qū)域地下水位明顯回升（見圖5），由于輸水過程對地下水埋深變化的影響具有滯后性，因此東河、西河下段地下水位依舊沒有得到有效恢復(fù)。2006—2010年綠洲絕大部分區(qū)域地下水位回升明顯，東河中段、西河下段部分區(qū)域地下水位下降，但下降幅度明顯變小，為1.06～1.66 m，其余區(qū)域地下水位在一定范圍內(nèi)波動。2011—2015年，東河、西河地下水埋深整體趨于穩(wěn)定，地下水位變化幅度為±0.53 m。

圖4 黑河下游綠洲區(qū)地下水埋深分布（不含深水井）

圖5 不同時段地下水埋深變化情況

3.3 地下水埋深與上游來水的關(guān)系

鑒于地下水埋深變化對上游來水響應(yīng)有一定滯后性，以1988—2015年狼心山站年徑流數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)分析地下水埋深與上游來水的關(guān)系。1988—2001年狼心山斷面來水量總體呈遞減趨勢，年均來水量為4.23億m3。2001年以后，狼心山斷面來水量明顯增加，2002—2009年平均為5.92億m3。2010—2015年狼心山斷面來水量趨于穩(wěn)定，年均為5.99億m3。分水后2000—2015年的平均來水量為5.55億m3。狼心山入境水量見圖6。

圖6 狼心山入境水量

20世紀90年代，隨著狼心山入境額濟納綠洲水量的減少，地下水位不斷下降，以東河中段為例，1992年狼心山年入境水量為1.83億m3時，下游地下水平均埋深為3.07 m；1996年和1998年狼心山來水都在5.00億m3以上，這時此段地下水埋深平均為2.66 m；調(diào)水初期狼心山來水依然很小，此時段地下水埋深值也大，2002年地下水埋深為3.21 m；2003年以后，隨著狼心山來水的增多且逐漸趨于穩(wěn)定，地下水得到有力恢復(fù)且逐漸趨于穩(wěn)定，2003—2015年地下水年均埋深為2.55 m。1988—2015年地下水埋深與狼心山入境水量線性相關(guān)，確定系數(shù)為0.759 2，見圖7。

圖7 地下水埋深與狼心山入境水量關(guān)系

4 結(jié) 語

基于1992—2015年額濟納綠洲東河、西河上、中、下段地下水埋深觀測數(shù)據(jù)，分析黑河調(diào)水后下游地下水埋深在時空上的變化特征。額濟納綠洲地下水的年際變化：1992—2015年地下水位呈現(xiàn)先下降到逐步回升后趨于穩(wěn)定的過程。1992—2003年額濟納綠洲平均地下水位呈下降趨勢，2003年地下水位下降達到最大；2003—2005年地下水位下降趨勢得到初步遏制并顯著回升；2006—2010年大部分區(qū)域地下水位緩慢回升；2011年以后，地下水位持續(xù)回升，但變幅較小。這說明通過15 a的生態(tài)補水，額濟納綠洲地下水位下降趨勢得到很大程度遏制。從地下水埋深的年內(nèi)變化分析得出，東河、西河3月、4月地下水埋深最小，8月、9月地下水埋深最大。地下水埋深的空間變化：1992—2003年地下水位以下降為主；1999—2015年大部分區(qū)域地下水位呈回升趨勢，局部區(qū)域地下水位變幅不大或輕微下降，通過生態(tài)補水，研究區(qū)地下水埋深逐步趨于穩(wěn)定。