吐魯番盆地平原區(qū)地下水控制性指標研究

商 佐，唐 蘊

（1.天津市勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300110；2.天津市博川巖土工程有限公司，天津 300350；3.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

1 研究背景

地下水是吐魯番盆地的主要供水水源[1]，隨著人口增長，經(jīng)濟社會發(fā)展，水資源供需矛盾越來越突出，地下水超采嚴重，導(dǎo)致地下水位持續(xù)下降，地質(zhì)環(huán)境、生態(tài)環(huán)境等問題日益突出。

為解決和改善地下水超采問題，2015年國務(wù)院提出“實施地下水保護和超采漏斗區(qū)綜合治理，逐步實現(xiàn)地下水采補平衡”的要求[2]。葉勇等[3]在2009年提出根據(jù)地下水可開采量并結(jié)合地下水控制性水位對地下水進行雙重管理的模式。2010年，趙輝等[4]將大區(qū)域與典型地區(qū)相結(jié)合，提出了華北地區(qū)、西北地區(qū)以及沿海地區(qū)地下水開發(fā)不引起地質(zhì)環(huán)境問題的地下水位限值。2015年，唐克旺等[5]根據(jù)地下水的功能，比較全面的提出了資源型、環(huán)境型和生態(tài)型三類控制水位，并分析了各類控制水位的具體意義和確定方法。2018年，劉玉珺等[6]采用歷史動態(tài)分析法和水均衡計算法提出了阜康市地下水超采區(qū)的地下水位管理控制下限。2018年，廖梓龍等[7]以河北省平原區(qū)為研究對象，提出了代表性監(jiān)測井水位控制指標，并以每個縣級行政區(qū)為計算單元確定了臨界水位值，提高了地下水管理的可行性。從前人研究成果來看，地下水開采量控制指標主要是根據(jù)地下水可開采量并結(jié)合社會發(fā)展需水量確定；地下水控制性水位劃定方法主要有時間序列法[8]、水均衡法、歷史動態(tài)法、數(shù)值模擬法等[9]，本文主要采用歷史動態(tài)法確定水位穩(wěn)定區(qū)及上升區(qū)的控制水位，并利用多元回歸模型根據(jù)地下水開采量控制指標對吐魯番盆地平原區(qū)水位下降區(qū)地下水控制性水位進行研究。本次研究彌補了吐魯番盆地地下水控制水位研究方面的空白，為西北干旱區(qū)地下水控制水位的研究提供了一種可參考的方法，對保證吐魯番市供水安全、生態(tài)安全和社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重要指導(dǎo)意義。

2 研究區(qū)概況

吐魯番盆地位于新疆維吾爾自治區(qū)的東部，東接哈密市，北部翻越天山即是烏魯木齊市，盆地橫跨吐魯番市高昌區(qū)、鄯善縣和托克遜縣，除去庫木塔格沙漠后平原區(qū)面積約1.1萬km2。盆地地形呈三山夾兩盆的格局，“三山”即天山山脈、火焰山-鹽山和卻勒塔格山脈，“兩盆”即火焰山以南的南盆地和火焰山以北的北盆地，南盆地內(nèi)的艾丁湖為中國內(nèi)陸的最低點（見圖1）。吐魯番盆地為特有的暖溫帶干旱荒漠氣候[10]，全年平均氣溫13.9℃，氣侯炎熱。年平均降水量僅為16.5 mm，且由北向南逐漸減少，北部博格達山區(qū)年降水一般大于150 mm，最南部艾丁湖附近僅7.8 mm。

圖1 吐魯番盆地概況圖

地下水廣泛埋藏于盆地第四系松散沉積層中，由于火焰山-鹽山基巖的隔水作用，導(dǎo)致南北盆地地下水含水層系統(tǒng)相對獨立，僅在火焰山小部分溝谷地帶形成水力聯(lián)系，地下水在火焰山北側(cè)一線溢出成泉。含水層厚度從盆地邊緣到中心逐漸減小，顆粒逐漸變細，富水性逐漸變差。潛水水位埋深從北盆地山前的100 m減小到艾丁湖附近的1 m。

盆地內(nèi)地下水常年超采，地下水位逐年下降，超采嚴重的區(qū)域地下水位下降速率超過2 m/a，荒漠化加重。

3 數(shù)據(jù)來源與研究方法

3.1 數(shù)據(jù)來源本次研究利用吐魯番水文水資源勘測局提供的23眼長期觀測井2002—2016年地下水位埋深資料進行各階段分析。2002—2016年降水數(shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)。從吐魯番市水利局提供的《吐魯番淺層地下水動態(tài)年報》中獲取2002—2016年地下水開采量數(shù)據(jù)。河道徑流量和渠道引水量數(shù)據(jù)均來自于吐魯番市水利局。

3.2 研究思路及方法

3.2.1 研究思路 吐魯番盆地地下水開采量控制指標、水位埋深控制指標分析步驟依次為：地下水動態(tài)影響因素分析、地下水開采量控制指標分析、區(qū)域地下水位年均下降速率控制指標分析、代表性監(jiān)測井地下水位埋深下限控制指標分析、各鄉(xiāng)鎮(zhèn)面地下水位埋深總體控制指標分析。

通過分析地下水位埋深數(shù)據(jù)，得出地下水位埋深年內(nèi)、年際變化特征。利用Pearson相關(guān)分析和標準化系數(shù)分析各補給、排泄項對地下水位埋深的影響。對地下水位埋深進行多元回歸分析，得出典型監(jiān)測井水位控制指標，最后利用Arcgis中的面積加權(quán)和插值分析確定各鄉(xiāng)鎮(zhèn)水位控制指標，形成完整的地下水水量水位控制指標體系，為地下水的開發(fā)管理提供科學(xué)依據(jù)。

3.2.2 分析方法

（1）Pearson相關(guān)分析法。Pearson相關(guān)分析法[11]是用來分析兩個變量線性相關(guān)程度的方法，樣本Pearson相關(guān)系數(shù)用r表示：

在分析結(jié)果時，若相關(guān)系數(shù)小于0.4，則認為兩變量之間存在弱相關(guān)或無相關(guān)性；相關(guān)系數(shù)在0.4～0.6，存在中等程度相關(guān)；相關(guān)系數(shù)在0.6～1之間，且顯著系數(shù)小于0.05時，即可認為兩變量之間具有較強的相關(guān)性。

（2）多元回歸分析。多元回歸分析[12]是指在相關(guān)變量中將一個變量視為因變量，其他一個或多個變量視為自變量，建立多個變量之間線性或非線性數(shù)學(xué)模型數(shù)量關(guān)系式并利用樣本數(shù)據(jù)進行分析的統(tǒng)計分析方法。

設(shè)因變量為Y，影響因變量的k個自變量分別為X1、X2···Xk，在其他自變量不變的情況下，Y的值隨著自變量Xi的變化均勻變化，這時我們把

稱為總體回歸模型，把βk稱為回歸參數(shù)?；貧w分析的基本任務(wù)是：利用樣本數(shù)據(jù)對模型參數(shù)作出估計；對模型參數(shù)進行假設(shè)檢驗；應(yīng)用回歸模型對因變量作出預(yù)測。

4 地下水位動態(tài)影響因素分析

4.1 地下水補、徑、排特征吐魯番盆地地下水的補給[13]主要來自大氣降水補給、地表水滲漏補給和田間灌溉入滲補給等。大氣降水補給主要發(fā)生于北盆地近山區(qū)，南盆地平原區(qū)基本不存在降水對地下水的補給。對地下水補給作用較大的部分則是通過地表水體入滲而產(chǎn)生，即河道、渠道入滲及田間灌溉入滲對地下水的補給。

盆地內(nèi)地下水由盆地四周地勢較高的地區(qū)，向盆地中心艾丁湖方向流動。地下水總的流向是由北向南徑流。

地下水的排泄以泉、坎爾井和機井開采為主，其中機井開采最為普遍，在艾丁湖湖區(qū)周邊的地下水淺埋區(qū)存在潛水蒸發(fā)。地下水最終排泄至盆地下游最低處艾丁湖。

4.2 各因素對地下水位的影響特征地下水水位動態(tài)主要受地下水補給和排泄兩方面綜合作用。根據(jù)吐魯番盆地地下水補排特征，地下水位變化主要受盆地降水量、地表水體滲漏補給量、田間灌溉入滲補給量、地下水開采量等因素的影響。

首先在SPSS中利用Pearson相關(guān)分析法和標準化系數(shù)分析各因素對地下水位埋深影響的重要性，確定各影響因素的主次要關(guān)系。各因素間的相關(guān)性矩陣見表1。

表1 水位埋深影響因素相關(guān)性矩陣

對模型中各因素的相關(guān)系數(shù)進行標準化處理，標準化系數(shù)的絕對值大小可以表示不同因素對地下水位動態(tài)影響的重要性，分析結(jié)果見表2。

表2 各因素對地下水位影響的重要性分析結(jié)果

分析結(jié)果表明地下水開采量對水位埋深的影響最大，田間灌溉入滲補給量次之，渠道滲漏補給量中等，降水量和河道滲漏補給量對地下水位影響較小。通過相關(guān)性分析和標準化系數(shù)分析，初步確定吐魯番盆地地下水水位埋深的主要影響因素是開采量、田間灌溉入滲補給量和渠道滲漏補給量。

為了進一步反映出各影響因素對地下水位的共同影響，采用SPSS對地下水位埋深與降水量、開采量、河道滲漏補給量、渠道滲漏補給量和田間灌溉入滲補給量進行多元回歸分析。得出回歸模型如式（3）所示：

式中：H、X1、X2、X3、X4、X5分別為地下水位埋深（m）、降水量（mm）、開采量（億m3）、河道滲漏補給量（億m3）、渠道滲漏補給量（億m3）、田間灌溉入滲補給量（億m3）。

5 地下水水量水位控制指標體系

5.1 水量控制指標根據(jù)2018年9月吐魯番市水利水電勘測設(shè)計研究院編制的《吐魯番市用水總量控制實施方案》，將用水總量控制指標分解至區(qū)縣。2015年為現(xiàn)狀水平年，2020年吐魯番市地下水開采量控制指標為6.11億m3，2025年控制指標為4.83億m3，2030年控制指標為3.93億m3。至2030年地下水開采量控制指標等于地下水可開采量，根據(jù)吐魯番地下水超采區(qū)治理目標，2030年要求達到完全治理，全面實現(xiàn)地下水采補平衡。各區(qū)縣不同水平年地下水開采量控制指標見表3。

表3 吐魯番市各區(qū)縣地下水規(guī)劃開采量 （單位：億m3）

5.2 水位控制指標水位控制指標的制定主要從三個層面尺度考慮。（1）面上指標：根據(jù)超采區(qū)治理目標，以區(qū)域地下水位年均下降速率作為水位控制指標；（2）點上指標：以典型監(jiān)測井地下水位埋深作為控制指標；（3）管理單元指標：按照監(jiān)測井可控制面積確定平原區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)水位控制指標。

5.2.1 區(qū)域地下水位年均下降速率控制指標 吐魯番盆地區(qū)域地下水位控制以年均地下水位下降速率作為控制指標，控制下降速率應(yīng)逐年遞減。根據(jù)超采區(qū)治理目標，至2020年要求吐魯番盆地地下水位下降速率控制在1.0 m/a以內(nèi)，同時要求各監(jiān)測井水位下降速率均不得超過1.0 m/a。

至2025年，超采區(qū)面積要大幅減少，地下水位下降速率要控制在0.5 m/a以內(nèi)，同時要求各監(jiān)測井水位下降速率均不得超過0.5 m/a，地下水位呈下降趨勢的監(jiān)測井數(shù)量也要有所減少。

至2030年，保持地下水位基本穩(wěn)定或呈上升趨勢，全部達到采補平衡，地下水位下降速率要控制在0.1 m/a以內(nèi)。地下水位下降速率控制指標詳見表4。

表4 吐魯番盆地地下水位下降速率控制指標

5.2.2 代表性監(jiān)測井地下水位埋深下限控制指標 超采區(qū)地下水實際開采量是制約地下水位埋深變化的主導(dǎo)因素[14]，同時也受到降水量、河道、渠道滲漏補給和田間灌溉入滲補給等因素的影響。本次地下水位埋深下限控制指標的制定，主要采用歷史動態(tài)經(jīng)驗法和多元回歸分析法，依據(jù)各監(jiān)測井年均地下水位埋深與各影響因素的關(guān)系，推求規(guī)劃年地下水位埋深下限控制指標。對地下水位埋深與各影響因素相關(guān)性差的監(jiān)測井，以2015年地下水位埋深作為控制指標。具體思路如下：（1）根據(jù)2002—2016年來地下水位變化速率，對地下水位變幅進行分區(qū)，主要分為下降區(qū)（年均水位下降速率大于0.1 m）、上升區(qū)（年均水位上升速率大于0.1 m）和穩(wěn)定區(qū)（年均水位變幅在-0.1～0.1 m）；（2）對于地下水位下降區(qū)的監(jiān)測井，主要采用多元回歸分析法，依據(jù)各監(jiān)測井地下水位埋深與影響因素數(shù)據(jù)，建立多元回歸模型，推求規(guī)劃年地下水位埋深下限控制指標，并根據(jù)區(qū)域水位下降速率進行校核和控制；（3）對于地下水位穩(wěn)定區(qū)的監(jiān)測井，保持在近年的水位；（4）對于地下水位上升區(qū)的監(jiān)測井，采用歷史動態(tài)經(jīng)驗法，根據(jù)水位上升速率，推求規(guī)劃年的水位。代表性監(jiān)測井分布見圖2。

圖2 吐魯番盆地平原區(qū)代表性監(jiān)測井分布圖

根據(jù)地下水位各影響因素的變化規(guī)律并結(jié)合實際情況，對各影響因素進行預(yù)測。通過分析降水變化無趨勢性，因此規(guī)劃期降水量預(yù)測值取多年平均值；艾丁湖流域天然河道主要分布在出山口以上、平原區(qū)河道分布較少，自然狀態(tài)下河道徑流量圍繞多年平均值上下波動，河床滲漏系數(shù)在自然狀態(tài)下基本保持不變，因此河道滲漏補給量在規(guī)劃期內(nèi)可取多年平均值；目前渠道防滲措施已基本覆蓋整個流域，隨著渠道工程的逐步完善，對老化渠道進行修繕，渠道滲漏系數(shù)將有所減小，因此根據(jù)近年渠道滲漏補給量的變化趨勢對規(guī)劃期渠道滲漏補給量進行預(yù)測；田間灌溉入滲補給量與地下水開采量和灌溉方式密切相關(guān)，目前流域內(nèi)灌溉以漫灌為主，隨著節(jié)水灌溉的大力推行，后期將逐漸采用噴灌等方式進行灌溉，灌溉水入滲量將減少。本次研究根據(jù)地下水開采量控制指標并結(jié)合灌溉方式的改進，對田間灌溉入滲補給量進行預(yù)測。各影響因素預(yù)測結(jié)果見表5。

根據(jù)式（3），采用表3和表5中的數(shù)據(jù)，可以計算得到吐魯番盆地平原區(qū)代表性監(jiān)測井2020年、2025年和2030年地下水位埋深控制指標，計算結(jié)果見表6。

表6 吐魯番盆地平原區(qū)監(jiān)測井地下水位埋深控制指標

分析結(jié)果顯示，位于地下水位上升區(qū)的監(jiān)測井有7眼，占全部監(jiān)測井的35%，上升速率0.04～0.41 m/a；穩(wěn)定區(qū)監(jiān)測井2眼，占比10%，埋深均在10～20 m之間；下降區(qū)監(jiān)測井數(shù)量最多，有11眼，占比55%，2015—2020年下降速率均小于1 m/a，2020—2025年下降速率均小于0.5 m/a，2025—2030年下降速率均小于0.1 m/a，符合區(qū)域地下水位年均下降速率指標控制要求，監(jiān)測井水位逐漸趨于穩(wěn)定或上升，表明對地下水開采量的控制有明顯的效果。

5.2.3 各鄉(xiāng)鎮(zhèn)地下水位埋深控制指標 基于ArcGIS平臺將各代表性監(jiān)測井控制水位埋深值繪制等值線，得出控制水位埋深分布圖。為了便于水行政管理部門監(jiān)控和管理，需得到鄉(xiāng)鎮(zhèn)級行政區(qū)面控制水位值?？紤]到監(jiān)測井分布疏密不均、每個監(jiān)測井所控制的面積不同等特點，采用面積加權(quán)法[15]將監(jiān)測井控制水位埋深轉(zhuǎn)換成鄉(xiāng)鎮(zhèn)面水位埋深。吐魯番盆地平原區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)控制水位埋深統(tǒng)計見表7，整個盆地平原區(qū)的控制水位埋深平均值從2015年到2025年呈增大趨勢，到2030年基本實現(xiàn)水位穩(wěn)定。

表7 吐魯番盆地平原區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)控制性水位下限統(tǒng)計 （單位：m）

將高昌區(qū)、鄯善縣和托克遜縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)2015—2030年每五年間的地下水位埋深變幅繪制曲線，如圖3、圖4和圖5所示，位于橫軸上部的曲線，表明鄉(xiāng)鎮(zhèn)平均水位埋深呈下降狀態(tài)；位于橫軸下部的曲線，表明鄉(xiāng)鎮(zhèn)平均水位埋深呈上升狀態(tài)。結(jié)果表明：各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的水位下降速率逐年減小，水位上升的鄉(xiāng)鎮(zhèn)依然保持上升趨勢，各段時間內(nèi)的水位埋深變幅均符合區(qū)域地下水位下降速率指標控制要求。

圖3 高昌區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)水位埋深變幅曲線

圖4 鄯善縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)水位埋深變幅曲線

圖5 托克遜縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)水位埋深變幅曲線

圖6為吐魯番盆地平原區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)地下水位埋深控制指標分布圖，從圖中可以看出：二堡鄉(xiāng)、三堡鄉(xiāng)、吐峪溝和魯克沁鎮(zhèn)水位埋深下限控制指標大于50 m，地下水位埋深較大，結(jié)合圖4可以發(fā)現(xiàn)吐峪溝地下水埋深變幅由2.24 m減小到0.11 m，水位埋深變幅較大，建議將吐峪溝作為重點控制區(qū)；夏鄉(xiāng)和辟展鄉(xiāng)水位埋深下限控制指標小于20 m，從表7中可以看出這兩個鄉(xiāng)最小水位埋深1～3 m，在水位埋深較淺處易發(fā)生土壤鹽堿化[16]，為了防止此現(xiàn)象發(fā)生，在水位埋深較淺的監(jiān)測井附近應(yīng)適當加強地下水開發(fā)利用，并加強水位監(jiān)測。

圖6 吐魯番盆地平原區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)地下水位埋深下限控制指標分布

各鄉(xiāng)鎮(zhèn)內(nèi)地下水埋深最大值與最小值差距較大，這是由于吐魯番盆地特殊的地形地貌特征所決定，從山前到盆地中心海拔落差大，且盆地中有火焰山-鹽山穿過，使吐魯番盆地的地形地貌變得更加復(fù)雜多變。因此，僅以一項指標來控制吐魯番盆地的地下水水位并不能夠達到治理目的，需要綜合考慮區(qū)域地下水位下降速率、代表性監(jiān)測井水位埋深和鄉(xiāng)鎮(zhèn)總體水位埋深三項指標，以達到水位控制的目的。

6 結(jié)論

通過對吐魯番盆地地下水位埋深影響因素的綜合分析，以及平原區(qū)地下水水量水位控制指標體系的建立，得出以下結(jié)論：

（1）地下水開采量是吐魯番盆地地下水水位埋深最主要的影響因素，降水量對本地區(qū)地下水水位埋深的影響最弱。

（2）吐魯番盆地平原區(qū)地下水開采量控制指標逐年減少，到2030年開采量應(yīng)與地下水可開采量相等，基本實現(xiàn)地下水采補平衡，開采量較現(xiàn)狀年減少3.94億m3。

（3）通過對平原區(qū)地下水水位進行區(qū)域下降速率、監(jiān)測井埋深、鄉(xiāng)鎮(zhèn)面埋深三方面的控制及各指標的相互驗證，能夠使地下水水位下降速率逐年減小，到2030年趨于穩(wěn)定或上升。監(jiān)測井及鄉(xiāng)鎮(zhèn)水位控制指標的制定，更便于地下水的保護、管理和監(jiān)測。

（4）在確定了各鄉(xiāng)鎮(zhèn)地下水位埋深控制指標的基礎(chǔ)上，建議將吐峪溝（水位埋深控制指標大于50 m，埋深變幅大于2 m）和夏鄉(xiāng)、辟展鄉(xiāng)（局部水位埋深控制指標小于3 m）作為重點控制區(qū)。若吐峪溝水位控制不當，則容易加大荒漠化程度；夏鄉(xiāng)、辟展鄉(xiāng)在水位埋深較淺處易發(fā)生土壤鹽堿化，為了防止此現(xiàn)象發(fā)生，在水位埋深較淺的監(jiān)測井附近應(yīng)適當加強地下水開發(fā)利用，并加強水位監(jiān)測。