新疆典型地下水超采區(qū)地下水位控制指標(biāo)確定研究
——以烏蘇市地下水超采區(qū)為例

曹 偉,安卡爾·阿合買提,孜吾熱古麗·葉斯塔依,呂樹萍

(1.新疆維吾爾自治區(qū)水資源中心,新疆 烏魯木齊 830000;2.新疆烏蘇市水利局,新疆 烏蘇 833000)

0 引言

地下水是水資源的主要組成部分,具有重要的資源功能和生態(tài)環(huán)境功能[1-2],尤其在缺水且生態(tài)環(huán)境脆弱的干旱半干旱地區(qū)[3],地下水資源獨(dú)有的特性使其發(fā)揮著不可替代的作用[4-5]。因此,地下水資源的保護(hù)和可持續(xù)利用至關(guān)重要。長(zhǎng)期以來(lái),由于粗放型經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)導(dǎo)致的長(zhǎng)期大規(guī)模開采地下水,造成部分地區(qū)地下水嚴(yán)重超采,形成了大面積區(qū)域性降落漏斗,并引發(fā)了地面沉降、海(咸)水入侵、地面塌陷、生態(tài)退化等生態(tài)與環(huán)境地質(zhì)問題[6],還有一些地區(qū)由于地下水超采導(dǎo)致了地下水中污染物濃度升高,造成水質(zhì)污染[6]?！吨腥A人民共和國(guó)水法》《中華人民共和國(guó)水污染防治法》提出關(guān)于維持地下水合理水位、控制開采地下水的規(guī)定,2012 年發(fā)布的《國(guó)務(wù)院關(guān)于實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度的意見》(國(guó)發(fā)〔2012〕3 號(hào))明確提出“實(shí)行地下水取用水總量控制和水位控制”的要求。2012-2018年, 水利部對(duì)全國(guó)地下水超采區(qū)進(jìn)行了全面評(píng)價(jià)、 科學(xué)研討, 以試點(diǎn)與推廣的基本方式, 推動(dòng)了 21 個(gè)省區(qū)的地下水超采治理工作。目前,水利部已全面開展地下水管控指標(biāo)確定工作,確定地下水開采量、水位控制指標(biāo),明確地下水管理指標(biāo)。從當(dāng)前各省份的實(shí)踐情況看,如何根據(jù)不同分區(qū)地下水的功能定位,平衡人類與自然的需求,結(jié)合現(xiàn)狀開發(fā)利用情況,提出各地區(qū)不同階段的地下水超采綜合治理管控指標(biāo)是有效進(jìn)行地下水超采區(qū)綜合治理的關(guān)鍵[7-8]。

烏蘇市位于新疆天山北麓,地下水超采嚴(yán)重,是新疆典型的超采區(qū),長(zhǎng)期以來(lái)的超采已引起了泉流量衰竭,灌區(qū)下游天然生態(tài)植被退化,甘家湖濕地萎縮、局部地面塌陷等地質(zhì)與生態(tài)環(huán)境問題[9-10]。如何科學(xué)制定地下水超采區(qū)地下水位管控指標(biāo),形成適合研究區(qū)的地下水超采治理模式是有效治理地下水超采、維護(hù)地下水生態(tài)功能穩(wěn)定的關(guān)鍵。基于此,本文選擇烏蘇市為新疆典型地下水超采區(qū),研究確定分階段的地下水位控制指標(biāo),可為修復(fù)烏蘇市地下水生態(tài)環(huán)境功能,實(shí)現(xiàn)地下水資源良性循環(huán)與可持續(xù)利用,保障供水安全與生態(tài)安全提供科學(xué)依據(jù),同時(shí)對(duì)新疆地下水超采區(qū)綜合治理管控指標(biāo)的確定工作提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

烏蘇市位于天山支脈婆羅科努山和依連哈比爾尕山北麓,準(zhǔn)噶爾盆地西南緣,屬北溫帶大陸性干旱氣候。其地處準(zhǔn)噶爾盆地西南部,跨準(zhǔn)噶爾盆地和北天山山地兩大地貌單元,天山支脈婆羅科努山和依連哈比爾尕山雄踞其南,晚近期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)造成境內(nèi)南高北低、東部略高于西部的大趨勢(shì)。整個(gè)地形受天山山脈影響,依次分為高山、中低山、丘陵、平原和沙漠五個(gè)地貌單元。行政邊界上與沙灣縣、奎屯市、克拉瑪依市接壤,西與精河縣毗鄰,北與托里縣相接,總土地面積14 388.4 km2。烏蘇市轄10個(gè)鄉(xiāng)、鎮(zhèn)(場(chǎng))、7個(gè)鄉(xiāng)、4個(gè)牧場(chǎng)、1個(gè)林場(chǎng)、5個(gè)街道辦事處。兵團(tuán)第七師在烏蘇境內(nèi)有8個(gè)團(tuán)場(chǎng),分別是:123團(tuán)、124團(tuán)、125團(tuán)、126團(tuán)、127團(tuán)、128團(tuán)(圖1)。

圖1 烏蘇市地理位置圖

據(jù)《烏蘇市地下水資源評(píng)價(jià)報(bào)告》,烏蘇平原區(qū)礦化度≤2 g/L的地下水資源量為57 930×104m3/a,其中,烏蘇市地方地下水資源量為39 963×104m3/a,第七師(6個(gè)團(tuán)場(chǎng))地下水資源量為17 967×104m3/a。根據(jù)自治區(qū)人民政府關(guān)于印發(fā)《新疆地下水超采區(qū)劃定報(bào)告》的通知(新政辦發(fā)〔2018〕90號(hào)),烏蘇市被劃定為地下水超采區(qū)。超采區(qū)面積2 047 km2,超采量5 470萬(wàn) m3,超采系數(shù)0.29,超采區(qū)分類為淺層地下水超采區(qū),超采區(qū)分級(jí)為大型一般超采區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源和研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

烏蘇市轄區(qū)內(nèi)現(xiàn)有地下水監(jiān)測(cè)井27眼,主要分布在潛水溢出帶附近,其中水利部門國(guó)控點(diǎn)有11眼、兵團(tuán)第七師水利局的有5眼、自然監(jiān)測(cè)局監(jiān)測(cè)11眼。本文采用的實(shí)測(cè)地下水埋深日監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)自數(shù)據(jù)系列較完整的10眼國(guó)家級(jí)監(jiān)測(cè)井,由烏蘇市水利局、地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)站提供。

1.2.2 研究方法

1)年均變化速率

地下水位(埋深)年均變化速率計(jì)算如下:

(1)

式中:V為年均地下水位(埋深)變化速率(m/a) ;H1為初始水平年(2008年)地下埋深(m);H2為現(xiàn)狀水平年(2017年)地下埋深(m),對(duì)2017年無(wú)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)井采用2018年的數(shù)據(jù)替代;Δt為間隔時(shí)間(a),大部分為10 a,個(gè)別為11 a。

2)逐年地下水位年變差ΔDi計(jì)算

根據(jù)某一年度地下水超采量控制目標(biāo)與現(xiàn)狀超采量的比例,確定該年度地下水水位年變差控制目標(biāo),即采用年度超采量比例法確定近期逐年水位變差。計(jì)算公式如下:

(2)

式中,ΔDi為近期第i年地下水水位年變差控制目標(biāo)(m);Q超采i為第i年地下水超采量控制目標(biāo)(萬(wàn)m3);Q超采現(xiàn)狀為現(xiàn)狀地下水超采量(萬(wàn)m3);ΔD現(xiàn)狀為現(xiàn)狀開采情況下平水年區(qū)域地下水水位年變差(m),可選用近3 a平均值或接近平水年年份的區(qū)域地下水水位年變差。

3)年度控制指標(biāo)確定

將現(xiàn)狀地下水埋深值與某一年度之前逐年地下水水位年變差控制目標(biāo)相加,即為該年度地下水埋深控制指標(biāo)。公式如下:

(3)

式中:Di為第i年地下水埋深控制指標(biāo)(m);D現(xiàn)狀為區(qū)域現(xiàn)狀年末地下水埋深(m);ΔDi為第i年地下水埋深年變差控制目標(biāo)(m)。

2 結(jié)果與分析

2.1 地下水位動(dòng)態(tài)變化特征

通過對(duì)烏蘇市地下水位監(jiān)測(cè)井進(jìn)行分析,選取2018-2021年10眼典型國(guó)家級(jí)監(jiān)測(cè)井逐日監(jiān)測(cè)資料對(duì)地下水位動(dòng)態(tài)分析如下。

2.1.1 地下水位年內(nèi)動(dòng)態(tài)變化

基于選取的烏蘇市10眼典型地下水位監(jiān)測(cè)井,對(duì)其年內(nèi)各月地下水埋深進(jìn)行分析,其結(jié)果見圖2。可以看出,地下水位變化在年內(nèi)變化差異較大,總體變化為U型波動(dòng)趨勢(shì)。從3-4月開始地下水埋深呈增大趨勢(shì),4-6月地下水埋深呈窄幅震蕩增大,6月中旬呈顯著增大趨勢(shì),大多持續(xù)增大至7-9月,并達(dá)到峰值,反映出農(nóng)業(yè)灌溉期地下水埋深降幅最大。地下水埋深于7-9月達(dá)最大值后開始呈減小趨勢(shì),至次年2-3月左右達(dá)到埋深最小值。綜合表明烏蘇市平原區(qū)地下水位年內(nèi)變化復(fù)雜,氣象及水文因素對(duì)地下水動(dòng)態(tài)的影響較弱,地下水埋深的動(dòng)態(tài)變化對(duì)人類開采的響應(yīng)顯著,人類開采地下水成為影響地下水動(dòng)態(tài)的主導(dǎo)因素,區(qū)域地下水位年內(nèi)動(dòng)態(tài)總體上呈開采型動(dòng)態(tài)。

(a: 1#國(guó)家監(jiān)測(cè)井, b: 2#國(guó)家監(jiān)測(cè)井, c: 3#國(guó)家監(jiān)測(cè)井, d: 4#國(guó)家監(jiān)測(cè)井, e: 5#國(guó)家監(jiān)測(cè)井, f: 6#國(guó)家監(jiān)測(cè)井, g: 7#國(guó)家監(jiān)測(cè)井, h: 8#國(guó)家監(jiān)測(cè)井, i: 9#國(guó)家監(jiān)測(cè)井, j: 10#國(guó)家監(jiān)測(cè)井)

2.1.2 地下水位年際動(dòng)態(tài)變化

基于烏蘇市平原區(qū)近年來(lái)地下水位實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)域地下水位年際動(dòng)態(tài)變化分析,結(jié)果見圖3?？梢钥闯?4棵樹河灌區(qū)、奎屯河灌區(qū)及車排子鎮(zhèn)灌區(qū)內(nèi)典型監(jiān)測(cè)井地下水埋深變化總體均表現(xiàn)為不顯著下降趨勢(shì),且存在顯著的周期性變化,即年內(nèi)變化與2.1.1結(jié)果表現(xiàn)一致。同時(shí),四棵樹河灌區(qū)中1#監(jiān)測(cè)井地下水位下降趨勢(shì)顯著,奎屯河灌區(qū)2#、3#監(jiān)測(cè)井地下水位下降趨勢(shì)較顯著;車排子灌區(qū)5#、6#監(jiān)測(cè)井地下水位下降趨勢(shì)較顯著。烏蘇市平原區(qū)地下水位年際變化總體呈下降趨勢(shì)。

(a:四棵樹河灌區(qū)(1#、4#、10#),b:奎屯河灌區(qū)(2#、3#、8#、9#),車排子灌區(qū)(5#、6#、7#))

2.2 地下水位控制指標(biāo)的確定

通過烏蘇市平原區(qū)地下水實(shí)測(cè)埋深數(shù)據(jù)分析結(jié)果,進(jìn)而以地下水位控制指標(biāo)的確定原則為依據(jù),結(jié)合地下水埋深變化、逐年變差及超采量占比等綜合確定烏蘇市超采區(qū)地下水位管控指標(biāo)。由2.1節(jié)可知烏蘇市平原區(qū)地下水位變化與人工開采量具有顯著相關(guān)性,因此采用年度超采比例法確定逐年水位變差。

2.2.1 地下水位控制指標(biāo)確定原則

1)工作單元的確定

區(qū)域性地下水水位控制指標(biāo)確定:原則以縣級(jí)行政區(qū)作為基本單元;地下水超采區(qū)采用縣級(jí)行政區(qū)嵌套超采區(qū)與非超采區(qū)作為基本單元,也可根據(jù)水文地質(zhì)條件、重點(diǎn)防護(hù)區(qū)等因素的地區(qū)差異等進(jìn)一步細(xì)化。

烏蘇市平原區(qū)灌區(qū)基本全部超采,荒漠區(qū)和沙漠區(qū)沒地下水位監(jiān)測(cè)井,故只確定平原灌區(qū)的地下位控制指標(biāo),即確定超采區(qū)的地下水位控制指標(biāo)。

2)固定監(jiān)測(cè)井選取

烏蘇市現(xiàn)有地下水位監(jiān)測(cè)井19眼,監(jiān)測(cè)井僅近3年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),本次選取這19眼監(jiān)測(cè)井確定地下水位控制指標(biāo)。

2.2.2 研究區(qū)地下水埋深及變差分析

通過選取烏蘇市現(xiàn)有地下水位監(jiān)測(cè)井19眼,以烏蘇市2018-2020年監(jiān)測(cè)井的平均埋深作為現(xiàn)狀年地下水埋深。以2020年作為現(xiàn)狀年,地下水埋深急變差計(jì)算結(jié)果見表1?，F(xiàn)狀年末地下水埋深為28.704 m,年變差為:-1.25 m,即總體為下降趨勢(shì)。

表1 烏蘇市超采區(qū)代表監(jiān)測(cè)井現(xiàn)狀年末地下水埋深與變差

2.2.3 研究區(qū)地下水埋深控制指標(biāo)分析

根據(jù)年度超采量比例法確定近期逐年水位變差,以2018-2020年地下水埋深變差平均值作為水位變差,基于水量、水位關(guān)系變化確定2025年、2030年地下水位控制指標(biāo),結(jié)果見表2。顯示烏蘇市超采區(qū)2025年的控制指標(biāo)為22.74 m,2030年的控制指標(biāo)為21.30 m。

表2 烏蘇市超采區(qū)逐年地下水水位年變差及地下水埋深控制指標(biāo)

以區(qū)域平均地下水埋深作為控制指標(biāo),以代表性監(jiān)測(cè)井埋深作為控制指標(biāo)點(diǎn),并對(duì)每年監(jiān)測(cè)井代表的范圍進(jìn)行有效控制。得到平水年代表性監(jiān)測(cè)井的2025年和2030年的地下水埋深控制指標(biāo)見表3。

表3 烏蘇市代表性監(jiān)測(cè)井平水年條件下的地下水埋深控制指標(biāo)

3 結(jié)語(yǔ)

(1)本文以以嚴(yán)格控制地下水開采、保護(hù)地下水資源、加強(qiáng)地下水戰(zhàn)略儲(chǔ)備為目標(biāo),確定了適合新疆典型地下水超采區(qū)的地下水超采水位控制指標(biāo),可以為超采區(qū)域制定地下水管控指標(biāo)做依據(jù)。

(2)新疆地下水位變化受農(nóng)業(yè)灌溉影響較為顯著。烏蘇市平原區(qū)全部為超采區(qū),故地下水取水量控制指標(biāo)確定以遠(yuǎn)期水平年達(dá)到采補(bǔ)平衡為目標(biāo),即近期水平年可允許繼續(xù)超采,但要逐漸壓采;遠(yuǎn)期水平年不能超采。烏蘇市超采區(qū)2025年的地下水埋深的控制指標(biāo)為22.74 m,2030年的控制指標(biāo)為21.30 m。