高開(kāi)采強(qiáng)度下庫(kù)爾勒市地下水位埋深動(dòng)態(tài)與影響因素淺析

魏 興1,2，周金龍1,2，曾妍妍1,2，馮書同，王 燕

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052； 2.新疆水文水資源工程技術(shù)研究中心，烏魯木齊 830052； 3.新疆巴音郭楞蒙古自治州國(guó)土資源局，新疆 庫(kù)爾勒 841000)

圖1 庫(kù)爾勒市地下水監(jiān)測(cè)井及機(jī)井分布Fig.1 Distribution of groundwater monitoring wells and pumping wells in Korla

1 研究背景

地下水是人類社會(huì)賴以生存和發(fā)展的重要水源，在干旱和半干旱地區(qū)當(dāng)?shù)乇硭Y源不能滿足需求時(shí)，就會(huì)增大對(duì)地下水的依賴程度[1-4]。目前，許多學(xué)者對(duì)干旱半干旱地區(qū)地下水位埋深做了較多研究。蘇閱文等[5]、陳鐘望等[6]、楊艷鮮等[7]、劉美英等[8]對(duì)地下水位動(dòng)態(tài)變化及影響因素進(jìn)行了分析；閆云霞等[9]根據(jù)黑河中游甘州區(qū)地下水位埋深隨時(shí)間變化的相似性和差異性，分析了地下水位埋深隨時(shí)間的變化趨勢(shì)及其原因；楊懷德等[10]運(yùn)用主成分分析法與灰色關(guān)聯(lián)度法研究了民勤綠洲地下水位埋深對(duì)其影響因子的敏感程度；張葉等[11]采用水均衡法對(duì)瑪納斯河流域典型灌區(qū)地下水動(dòng)態(tài)特征進(jìn)行了分析，并用主成分分析法得出灌水量和開(kāi)采量是影響地下水位埋深的主要因子。

庫(kù)爾勒市是新疆巴音郭楞蒙古自治州(以下簡(jiǎn)稱“巴州”)首府，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng)，水資源的需求量日益增大，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生制約影響。許多學(xué)者從地下水位埋深與生態(tài)的關(guān)系[12-13]、地下水水質(zhì)[14]、土壤水鹽分[15]等方面進(jìn)行了研究，但關(guān)于高開(kāi)采強(qiáng)度下的地下水位埋深動(dòng)態(tài)特征的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。本文根據(jù)庫(kù)爾勒市區(qū)16 a來(lái)的地下水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及水資源利用資料，對(duì)長(zhǎng)期高開(kāi)采強(qiáng)度條件下地下水位埋深變化特征及其影響因素進(jìn)行分析，可為庫(kù)爾勒市水資源開(kāi)發(fā)利用與保護(hù)提供一定的參考。

2 研究區(qū)概況

2.1 基本情況

庫(kù)爾勒市位于塔里木盆地東北邊緣，由霍拉山、庫(kù)魯克塔格山山前傾斜平原和孔雀河三角洲沖積平原組成。庫(kù)爾勒市總面積為7 204.46 km2，其中平原區(qū)面積為2 483.84 km2。區(qū)內(nèi)地勢(shì)總體東北高西南低，地形坡降由北向南逐漸變緩，海拔880～1 100 m，屬暖溫帶大陸性荒漠干旱氣候，多年平均氣溫10.5 ℃，多年平均降水量61.3 mm，多年平均蒸發(fā)量2 772.8 mm。

庫(kù)爾勒市山前傾斜平原為單一潛水區(qū)，地層巖性為砂礫卵石及中粗砂，巖性顆粒較大；沖積平原以潛水及承壓水形式存在，含水層由單一向多層結(jié)構(gòu)過(guò)渡，巖性顆粒由粗粒相向細(xì)粒相變化。庫(kù)爾勒市地下水主要接受山前基巖裂隙水補(bǔ)給及平原區(qū)河流、降水、渠系、田間等入滲補(bǔ)給；地下水排泄為人工開(kāi)采、側(cè)向排泄等。

本文以庫(kù)爾勒市地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)覆蓋區(qū)作為地下水位埋深動(dòng)態(tài)研究區(qū)(圖1)，總面積為354.4 km2。研究區(qū)位于孔雀河上游庫(kù)爾勒市北東區(qū)域，涵蓋了整個(gè)庫(kù)爾勒市區(qū)，其中山前傾斜平原面積為132.1 km2，沖積平原面積為222.3 km2。

2.2 水資源及其利用概況

庫(kù)爾勒市主要河流——孔雀河發(fā)源于博斯騰湖。博斯騰湖作為開(kāi)都河的尾閭和孔雀河的源流，2003—2012年10 a間湖泊水位降低了2.87 m[16]，使得進(jìn)入研究區(qū)的徑流量逐年減少，由2000年的25.5億m3減少到2015年的11.5億m3，徑流量年平均減少5.2%[17]。2000—2015年庫(kù)爾勒市地表水引水量1.99億～7.19億m3，年平均引水量為4.93億m3。2012—2015年平均引水量5.04億m3，同期孔雀河入研究區(qū)年平均徑流量11.14億m3，庫(kù)爾勒市對(duì)孔雀河的引水率為45.2%。

注：2012—2015年地下水開(kāi)采井?dāng)?shù)未統(tǒng)計(jì)。圖2 庫(kù)爾勒市地下水開(kāi)采井?dāng)?shù)與地下水開(kāi)采量Fig.2 Number of exploitation wells and amount of groundwater exploitation in Korla

孔雀河徑流量逐年減少，地下水逐漸成主要供水源，這使庫(kù)爾勒市機(jī)井?dāng)?shù)量與地下水開(kāi)采量呈持續(xù)增長(zhǎng)狀態(tài)。庫(kù)爾勒市地下水可開(kāi)采量為1.20億m3。如圖2所示，2000年機(jī)井?dāng)?shù)639眼，2011年已有機(jī)井3 392眼。2000—2006年庫(kù)爾勒市地下水開(kāi)采量為0.25億～1.21億m3，年平均開(kāi)采量1.08 億m3，已接近或稍超過(guò)地下水可開(kāi)采量，為臨界超采期；2007年起地下水開(kāi)采量由1.92億m3增大到2011年的5.32億m3，年平均增幅29.0%，為超采增長(zhǎng)期；2012—2015年地下水開(kāi)采量相對(duì)穩(wěn)定在5.32億～5.60億m3，平均開(kāi)采量5.44億m3，是可開(kāi)采量的4.43倍，為高位超采穩(wěn)定期?？梢?jiàn)庫(kù)爾勒市地下水開(kāi)發(fā)利用長(zhǎng)期處于高開(kāi)采強(qiáng)度狀態(tài)。

3 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

3.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

12眼監(jiān)測(cè)井地下水位埋深數(shù)據(jù)來(lái)自巴州地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)站，監(jiān)測(cè)期為2000—2015年；2000—2015年孔雀河徑流量與庫(kù)爾勒市地下水開(kāi)采量數(shù)據(jù)來(lái)自巴州水資源公報(bào)；1990—2011年庫(kù)爾勒市機(jī)井?dāng)?shù)據(jù)由巴州水利局提供。

3.2 研究方法

根據(jù)地下水開(kāi)采強(qiáng)度，分不同時(shí)段采用線性趨勢(shì)法對(duì)監(jiān)測(cè)井地下水位埋深年際變化進(jìn)行分析。將地下水位埋深逐月觀測(cè)序列作為離散隨機(jī)序列，利用一元線性回歸方程擬合得到趨勢(shì)直線方程f(t)=at+b，其中直線方程斜率系數(shù)a可解釋實(shí)際觀測(cè)序列變化趨勢(shì)的速率，斜率系數(shù)a的正、負(fù)號(hào)分別對(duì)應(yīng)埋深增大和減小趨勢(shì)的月變化速率，年變化速率=月變化速率×12；利用逐步回歸分析法對(duì)地下水位埋深持續(xù)增大的因素進(jìn)行分析，得出影響地下水位埋深的主要因素。

4 結(jié)果與分析

4.1 地下水位埋深年內(nèi)動(dòng)態(tài)特征

研究區(qū)表現(xiàn)出典型的開(kāi)采型地下水動(dòng)態(tài)特征，山前傾斜平原監(jiān)測(cè)井1—3月份為水位上升期，4月份進(jìn)入灌溉期后，開(kāi)采量大幅度增加，水位明顯下降，6—8月份為低水位期，地下水位埋深年變幅0.77 m，受山前河道及灌溉水入滲補(bǔ)給作用，水位在8—9月份回升至第二年高水位期；沖積平原監(jiān)測(cè)井3月份前水位較平穩(wěn)，為高水位期，隨著開(kāi)采量的增加，水位迅速下降，6—11月份為低水位期，地下水位埋深年變幅5.95 m，灌溉結(jié)束后，開(kāi)采量減少，水位開(kāi)始回升。山前傾斜平原地下水位恢復(fù)期一般早于沖積平原區(qū)2～3個(gè)月，埋深年變幅小于沖積平原。

4.2 地下水位埋深年際動(dòng)態(tài)特征

研究區(qū)臨界超采期(2000—2006年)、超采增長(zhǎng)期(2007—2011年)和高位超采穩(wěn)定期(2012—2015年)3個(gè)時(shí)段的地下水位埋深年均變化速率(表1)均為正值，埋深呈持續(xù)增大趨勢(shì)。臨界超采期、超采增長(zhǎng)期和高位超采穩(wěn)定期山前傾斜平原地下水位埋深年均增大速率分別為0.21～0.69，0.09～1.20，0.16～1.30 m/a；沖積平原分別為0.65～1.13，0.49～1.35，0.02～1.90 m/a。從各時(shí)段看，超采增長(zhǎng)期地下水位埋深增速最大，2000—2011年地下水位埋深總體呈“加速”增大趨勢(shì)；2012—2015年總體轉(zhuǎn)變?yōu)椤皽p速”增大趨勢(shì)。受局部開(kāi)采強(qiáng)度影響，山前傾斜平原兵團(tuán)南疆物轉(zhuǎn)站(DH31)，沖積平原州水利局阿瓦提漁場(chǎng)(DH34)、州棉麻公司加工廠(DH30)區(qū)域地下水位埋深呈“加速”增大趨勢(shì)。同期山前傾斜平原地下水位埋深增速小于沖積平原，為沖積平原的52.8%～74.4%。

表1 不同時(shí)段監(jiān)測(cè)井地下水位埋深年均變化速率Table 1 Annual change rate of groundwater depth of monitoring wells in different periods

圖3 沖積平原監(jiān)測(cè)井多年地下水位埋深變化Fig.3 Changes of groundwater depth of monitoring wells in alluvial plain

研究區(qū)地下水長(zhǎng)期(2000—2015年)處于超采狀態(tài)，山前傾斜平原地下水位埋深累計(jì)增大4.10～12.67 m，平均8.95 m；沖積平原累計(jì)增大9.07～22.26 m，平均14.23 m。地下水開(kāi)采對(duì)沖積平原地下水位埋深影響較大。研究[18]表明，干旱區(qū)適合天然植被生長(zhǎng)的地下水埋深為3～5 m，埋深5～8 m植被生長(zhǎng)受到脅迫，埋深>8 m除少數(shù)胡楊外，地表植被難以生存。因此地下水位埋深持續(xù)增大，最先影響到的是埋深<6 m區(qū)域的天然生態(tài)植被。如圖3所示，2004年之前，沖積平原監(jiān)測(cè)井DH33，DH34，DH35區(qū)域埋深<6 m，存在一定的潛水蒸發(fā)蒸騰量(潛水蒸發(fā)極限深度為6 m[19])，2014年埋深分別增至14.5，21.8，10.8 m，地下水蒸發(fā)蒸騰量已不存在，對(duì)天然植被構(gòu)成了威脅。

4.3 影響地下水位埋深的因素分析

研究區(qū)孔雀河徑流量逐年減少、 地下水位埋深持續(xù)增大， 對(duì)以河道、 渠系滲漏及田間入滲為主的沖積平原區(qū)影響較大。 以渠系滲漏為例， 巴州防滲渠系滲漏經(jīng)驗(yàn)公式為Q=0.487 8Δ-1.379， 地下水位埋深Δ由3.5 m增至8.0 m時(shí)， 渠系穩(wěn)滲強(qiáng)度Q值由0.087 m3/(d·m2)減小到0.028 m3/(d·m2)， 減小67.8%； 孔雀河流域砂性土地下水埋深3.0～6.0 m與>6.0 m時(shí)的田間灌溉入滲補(bǔ)給系數(shù)分別為0.11和0.06[19]， 埋深增大， 田間入滲系數(shù)減小45.4%。 研究區(qū)地下水動(dòng)態(tài)類型為開(kāi)采型， 灌溉期地下水埋深處于全年最低期， 對(duì)地下水轉(zhuǎn)化補(bǔ)給量占總補(bǔ)給量的98.3%來(lái)說(shuō)， 減少作用明顯。 逐步回歸分析(表2)也表明， 研究區(qū)監(jiān)測(cè)井埋深與孔雀河徑流量、 開(kāi)采量關(guān)系密切， 確定系數(shù)R2達(dá)到了0.858以上。 所有回歸方程中， 孔雀河徑流量X1與埋深呈負(fù)相關(guān)關(guān)系， 開(kāi)采量X2與埋深呈正相關(guān)關(guān)系， 回歸方程具有實(shí)際物理意義， 符合地下水均衡方程ΔhμF=Q補(bǔ)-Q排(Δh為地下水位變幅，μ為給水度，F(xiàn)為區(qū)域面積，Q補(bǔ)為地下水補(bǔ)給量，Q排為地下水排泄量)均衡關(guān)系， 其中孔雀河徑流量、 開(kāi)采量實(shí)質(zhì)是研究區(qū)地下水補(bǔ)給項(xiàng)和排泄項(xiàng)的綜合反映。 通過(guò)對(duì)統(tǒng)計(jì)值t(0.05，13)=2.16的檢驗(yàn)， 徑流量、 開(kāi)采量是監(jiān)測(cè)井埋深影響的重要因素， 變量顯著性較好。 標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)的大小反映了該指標(biāo)對(duì)因變量的影響強(qiáng)弱， 回歸系數(shù)絕對(duì)值越大表明該指標(biāo)對(duì)因變量的重要性越高， 得出有8眼監(jiān)測(cè)井埋深與地下水補(bǔ)給徑流量關(guān)系較大， 4眼監(jiān)測(cè)井埋深與開(kāi)采量關(guān)系較大。

表2 監(jiān)測(cè)井地下水位埋深逐步回歸分析匯總

5 結(jié) 論

(1)孔雀河徑流量大幅度減小，地下水逐漸成為孔雀河流域的主要水源，2000—2015年庫(kù)爾勒市地下水開(kāi)采強(qiáng)度經(jīng)歷了臨界超采期(2000—2006年)、超采迅猛增長(zhǎng)期(2007—2011年)和高位超采穩(wěn)定期(2012—2015年)。所有監(jiān)測(cè)井地下水位埋深呈持續(xù)增大趨勢(shì)，為典型的開(kāi)采型地下水動(dòng)態(tài)特征，山前傾斜平原和沖積平原地下水位埋深分別累計(jì)增大了4.10～12.67 m和9.07～22.26 m，對(duì)綠洲外圍的生態(tài)植被構(gòu)成威脅。

(2)臨界超采期、超采增長(zhǎng)期和高位超采穩(wěn)定期山前傾斜平原地下水位埋深年均增大速率分別為0.47，0.67，0.57 m/a；沖積平原地下水位埋深年均增大速率分別為0.89，0.90，0.87 m/a；同期沖積平原地下水位埋深增速大于山前傾斜平原。2000—2011年地下水位埋深總體為“加速”增大趨勢(shì)，2012—2015年總體呈“減速”增大趨勢(shì)。

(3)地下水位埋深持續(xù)增大是地下水補(bǔ)給量減少、地下水開(kāi)采強(qiáng)度增大共同作用的結(jié)果。逐步回歸分析表明，孔雀河徑流量、開(kāi)采量實(shí)質(zhì)是研究區(qū)地下水補(bǔ)給項(xiàng)和排泄項(xiàng)的綜合反映，在今后治理地下水超采和制定生態(tài)環(huán)境的保護(hù)方案中，不能只強(qiáng)調(diào)地下水開(kāi)采單方面因素，還須重視地下水補(bǔ)給量減小對(duì)其地下水位的影響。

(4)庫(kù)爾勒市高位超采穩(wěn)定期地下水平均開(kāi)采量已達(dá)5.44億m3，是可開(kāi)采量的4.43倍，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對(duì)地下水資源需求量較大，短時(shí)期內(nèi)地下水難以達(dá)到采補(bǔ)平衡，應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行庫(kù)爾勒市最嚴(yán)格水資源管理制度，逐步緩解水資源供需矛盾。