張明江 霍傳英(新疆地礦局第一水文工程地質(zhì)大隊(duì)烏魯木齊830091新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院烏魯木齊830000)

吐魯番盆地第四系地下水動(dòng)力場(chǎng)的演變特征分析

張明江①霍傳英②
(①新疆地礦局第一水文工程地質(zhì)大隊(duì)烏魯木齊830091②新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院烏魯木齊830000)

吐魯番盆地地下水的開采經(jīng)歷了坎兒井開采、坎兒井開采為主（機(jī)井開采為輔）、機(jī)電井開采為主（坎兒井開采為輔）等階段，不同的開采方式（或不同開采方式的組合）影響了地下水動(dòng)力場(chǎng)演變的空間分布和演變強(qiáng)度差異。本文從地下水位的階段性演變、地下水降速場(chǎng)的演變、地下水梯度場(chǎng)的演變?nèi)齻€(gè)方面對(duì)吐魯番盆地內(nèi)不同行政區(qū)第四系地下水動(dòng)力場(chǎng)的演變特征進(jìn)行分析，揭示其在時(shí)間和空間上的演變特征。

吐魯番盆地地下水動(dòng)力場(chǎng)演變

吐魯番盆地為一完全封閉的山間盆地，盆地東西向展布的火焰山將吐魯番盆地分割為北盆地和南盆地。盆地內(nèi)第四系地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄自成體系，盆地北部的博格達(dá)山、南部的天格爾山和覺羅塔格山是盆地第四系地下水補(bǔ)給來(lái)源的形成區(qū)，環(huán)艾丁湖的地下水淺埋區(qū)是地下水的集中排泄區(qū)，山區(qū)與艾丁湖之間的平原區(qū)是地下水的徑流區(qū)，是人類活動(dòng)主要集中的區(qū)域。從19世紀(jì)60年代開始采用坎兒井的方式開采地下水，隨著社會(huì)的發(fā)展，逐漸采用機(jī)井、電井開采地下水，目前，坎兒井、機(jī)電井開采地下水兩種方式共存，期間，地下水的開采量與日俱增，盆地內(nèi)第四系地下水動(dòng)力場(chǎng)發(fā)生了很大的改變，本文就對(duì)吐魯番盆地第四系地下水的動(dòng)力場(chǎng)演變特征進(jìn)行分析。

1 地下水位變化的階段性

從地下水位變化來(lái)講，大致經(jīng)歷了4個(gè)階段，即天然流場(chǎng)階段、局部地下水位下降階段、區(qū)域地下水位快速下降階段、地下水位震蕩下降階段。

第一階段：天然流場(chǎng)。19世紀(jì)60年代及其以前，勘查區(qū)內(nèi)還沒有機(jī)井開采地下水，開采地下水的主要方式是坎兒井，坎兒井只能開采淺層潛水，因此，這個(gè)時(shí)期地下水開采利用程度很低，開采量很少。地下水動(dòng)態(tài)變化基本處于天然狀態(tài)，淺層地下水受水文和蒸發(fā)控制，屬于河水滲入補(bǔ)給-蒸發(fā)排泄型；深層地下水則以徑流補(bǔ)給-頂托排泄型為主。天然流場(chǎng)總趨勢(shì)自盆地四周山前向艾丁湖匯流，北盆地和南盆地的西部以潛水為主，含水層透水性較強(qiáng)，地下水的水力坡度較??；南盆地的細(xì)土平原區(qū)存在承壓（自流）水，艾丁湖除接收地表水的流入補(bǔ)給外，還接收潛水和承壓（自流）水的補(bǔ)給。

第二階段：局部地下水位下降。從1970年至1995年，隨著農(nóng)業(yè)、工業(yè)及城鎮(zhèn)的發(fā)展，地下水開采量逐漸增加，在局部地段開始集中開采地下水，開采強(qiáng)度過(guò)大，形成局部地下水位降落漏斗，改變了地下水的天然流場(chǎng)狀態(tài)，由山前平原向艾丁湖排泄的地下水原始流場(chǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)橄蚵┒分行膮R集。

托克遜縣從1988年～1995年，地下水水位下降了0.45 m，平均每年下降0.06 m。吐魯番市的亞爾鄉(xiāng)從1987年至1996年，地下水水位呈上升趨勢(shì)，上升幅度達(dá)到2.79 m，期間個(gè)別年份地下水位降幅達(dá)到1～2 m，但最后都得到恢復(fù)并保持上升趨勢(shì)。鄯善縣火焰山以北的縣城、連木沁地下水位略有上升，七克臺(tái)鎮(zhèn)地下水位略有下降，但下降后趨于穩(wěn)定；火焰山南部地區(qū)水位在80年代基本穩(wěn)定，但90年代后開始下降。

第三階段：區(qū)域地下水位快速下降。從1996至2010年，在鑿井技術(shù)水平日益增強(qiáng)的帶動(dòng)下，人類需求水量提高，改為由地下水供給，地下水成為工業(yè)、農(nóng)業(yè)及生活用水的主要供水水源，地下水開采井的數(shù)量劇增，尤其是90年代后期，地下水開采井增速達(dá)歷年之最，增速平均約為400眼∕年。隨著地下水的大量開采，水位普遍下降，形成多個(gè)地下水位降落漏斗，而且漏斗的擴(kuò)展速度呈大幅度增長(zhǎng)趨勢(shì)，地下水水位下降速率達(dá)2.23 m∕a(鄯善縣魯克沁地下水水位下降漏斗)、2.62 m∕a（鄯善縣吐峪溝英買里地下水水位下降漏斗）等多處降落漏斗。

第四階段：區(qū)域地下水位震蕩下降。從2002年至2010年，由于地下水水位持續(xù)下降，引發(fā)了一系列環(huán)境地質(zhì)問題，人們發(fā)現(xiàn)地下水資源不是取之不盡、用之不竭的，而且在過(guò)量開采的情況下同時(shí)還能引發(fā)一些嚴(yán)重的環(huán)境地質(zhì)問題和地質(zhì)災(zāi)害，2002年吐魯番地區(qū)政府開始控制地下水的開采，地下水水位的下降呈明顯的減緩、穩(wěn)定、上升趨勢(shì)。托克遜縣大多數(shù)地區(qū)地下水水位逐漸趨于穩(wěn)定或緩慢恢復(fù)，個(gè)別地區(qū)趨于緩慢下降；吐魯番市大多數(shù)地區(qū)處于降速減緩的過(guò)程中，個(gè)別地段逐漸趨于穩(wěn)定；鄯善縣大多數(shù)地區(qū)仍然處于持續(xù)下降過(guò)程中（鄯善縣火焰山南部地區(qū)），個(gè)別地區(qū)趨于穩(wěn)定并緩慢上升（鄯善縣城）。

2 地下水降速場(chǎng)的變化特征

對(duì)吐魯番盆地地下水的研究最早始于19世紀(jì)50年代末期，勘查研究的目的是托克遜城市供水、吐魯番市城市供水：托克遜縣城市供水水文地質(zhì)勘查工作的起止日期是1960年～1961年，吐魯番城市供水水文地質(zhì)勘查的起止日期是1959年～1960年。因此對(duì)地下水水位的記錄始于這個(gè)時(shí)期。

根據(jù)前人的調(diào)查研究成果，2004年的地下水水位與1994年成井時(shí)的地下水水位相比較，吐魯番盆地內(nèi)的3縣市地下水位均呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)，各縣市的下降量為：托克遜縣下降約5 m、吐魯番市下降接近10 m、鄯善縣的下降量超過(guò)了10 m（表1）。

表1 吐魯番盆地1994～2004年間地下水水位下降量統(tǒng)計(jì)表m

1961年，托克遜縣城一帶還沒有利用機(jī)井開采地下水，地下水的水位基本處于天然狀態(tài)。第一層承壓水的水頭低于地面0.1～2 m，第二層承壓水的水頭高出地面6.56～8.75 m，第三層承壓水的水頭高度為高出地面13.20 m。

3 地下水梯度場(chǎng)的變化

由于不同的縣市地下水的研究程度不同，對(duì)地下水的研究有早有晚，這里對(duì)研究較早，同時(shí)資料又比較齊全的地區(qū)（地段）的地下水動(dòng)力場(chǎng)的變化進(jìn)行對(duì)比研究。

3.1 托克遜縣

1960～1961年，西北地質(zhì)局新疆分局水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)開展了托克遜城市供水水文地質(zhì)勘探工作，勘探過(guò)程中施工的勘探孔大多數(shù)都為自流井，由于資料太少，當(dāng)時(shí)沒有編制等水位（水頭）線圖。

1989年，托克遜縣的伊拉湖鄉(xiāng)至托克遜縣城一帶，地下水的水力坡度為7.15‰～7.24‰。

3.2 吐魯番市

3.2.1不同時(shí)期的梯度場(chǎng)

1959年，在開展吐魯番市城市供水水文地質(zhì)勘查時(shí)編制了以吐魯番市為中心的潛水等水位線圖（圖1）。

圖1 吐魯番市市區(qū)潛水等水位線圖（1959年）

1989年，吐魯番市西北的鐵日克拉村一帶，地下水的水力坡度一般為12.43‰，吐魯番市東南的恰特卡勒鄉(xiāng)-吐魯番克村一帶，地下水水力坡度為6.93‰。

1996年5月，吐魯番市五河流域南盆地平原區(qū)地下水流場(chǎng)見圖2，吐魯番市地下水水位剖面位置見圖3，水力坡度的變化見圖4。

圖2 吐魯番市地下水等水位線圖（1996年）

圖3 吐魯番市地下水水剖面位置圖（1996年）

圖4 吐魯番艾丁湖水力坡度示意圖

從圖中可以看出，地下水向艾丁湖為中心的地區(qū)匯流，吐魯番市221團(tuán)、奧依曼坎兒孜村這一帶的等水位線比較密集，水力坡度較大，為10.32‰～14.16‰（圖4），這與吐魯番市構(gòu)造缺口是北盆地地下水的主要徑流排泄通道有關(guān)。奧依曼坎兒孜村-曼古布拉克村以南至艾丁湖之間的地區(qū)，水力坡度較小，為1.40‰～4.24‰。鹽山南部地區(qū)由于缺少水點(diǎn)控制，等水位線圖僅供參考。

3.2.2 不同時(shí)期流場(chǎng)的變差分布

⑴1959～1996年水位變差分布

以1959年吐魯番市城市供水水文地質(zhì)勘查區(qū)范圍為區(qū)域（范圍最小），用1996年同一區(qū)域的潛水位數(shù)值與1959年潛水位數(shù)值的差值（水位變差），編制了吐魯番市1959～1996年潛水位變差等值線（圖5）。

圖5 吐魯番市1959～1996年潛水位變差等值線圖

從圖5中可以看出,在鹽山東南地區(qū)地下水位最大下降15 m，在吐魯番市東部地區(qū)下降也在5 m以上，部分地區(qū)水位上升。

（2）1996～2011年水位變差分布

根據(jù)1996年吐魯番市五河流域火焰山及鹽山南部地區(qū)的流場(chǎng)圖和2011年的流場(chǎng)圖，編制了1996～2011年淺層水水位變差等值線（圖6）。

圖6 吐魯番市南部地區(qū)1996～2011年水位變差分布圖

從圖6可以看出，16年間形成了了大小不等的5個(gè)降落漏斗區(qū)：三堡鄉(xiāng)降落漏斗區(qū)、喀拉霍加坎兒孜村降落漏斗、其蓋布拉克村南部降落漏斗區(qū)；吐魯番市南部的色依提迪汗村降落漏斗區(qū)和闊什墩村降落漏斗區(qū)。降深最大的在三堡鄉(xiāng)，降深達(dá)到40 m左右，其他的一般在15～20 m。分析其原因，一方面是這些地段的開采比較集中，開采量比較大；另一方面是這些降落漏斗分布區(qū)地下水的補(bǔ)給量少，這些綜合因素導(dǎo)致水位大幅度下降。

3.3 鄯善縣

⑴1989年的流場(chǎng)。1989年鄯善縣城一帶地下水水力坡度為6.78‰，鄯善縣南盆地魯克沁鎮(zhèn)一帶地下水水力坡度為3.94‰，吐峪溝鄉(xiāng)一帶的地下水水力坡度為3.98‰。

1989年鄯善縣火焰山南部平原區(qū)的地下水等水位線見圖7，地下水水位剖面位置見圖8，沿地下水流向的水力坡度變化見圖9。

從圖中可以看出：魯克沁鎮(zhèn)的東北部地下水等水位線比較稀疏，水力坡度較?。霍斂饲哝?zhèn)及其西南部有村鎮(zhèn)分布的地區(qū)（綠洲區(qū)），等水位線較密，水力坡度相對(duì)較大，等水位線發(fā)生變異；而綠洲帶以南的地區(qū)，地下水流場(chǎng)比較規(guī)則，仍然以艾丁湖為中心匯流。

圖7 鄯善縣火焰山南部平原區(qū)地下水水位等值線圖（1989年）

圖8 鄯善縣火焰山南部平原地下水水位剖面位置圖（1989年）

圖9 鄯善縣火焰山南部平原地下水水力坡度變化圖（1992年）

綠洲帶由于開采地下水形成了4處大小不一的降落漏斗：吐峪溝英買里村—洋海尤庫(kù)日村降落漏斗（圖10），吐峪溝澤日甫坎兒孜村降落漏斗（圖11），吐峪溝鄉(xiāng)同干坎兒村降落漏斗（圖12），英坎兒孜村-賽子坎兒孜村降落漏斗（圖13）。

圖10 吐峪溝英買里村—洋海尤庫(kù)日村降落漏斗剖面圖

圖11 吐峪溝澤日甫坎兒孜村降落漏斗剖面圖

圖12 同干坎兒孜村降落漏斗剖面圖

圖13 英坎兒孜村-賽子坎兒孜村降落漏斗

⑵1989～2011年鄯善縣火焰山南部地區(qū)水位變差分析。根據(jù)1989年鄯善縣三河流域火焰山南部地區(qū)的流場(chǎng)圖和2011年的流場(chǎng)圖，編制了1989～2011年淺層水水位變差等值線圖（圖14）。

圖14 縣火焰山南部地區(qū)1989-2011年水位變差等值線圖

從圖中可以看出，22年間形成了了大小不等的4個(gè)降落漏斗區(qū)：吐峪溝鄉(xiāng)降落漏斗區(qū)、玉旺克爾村降落漏斗、魯克沁鎮(zhèn)降落漏斗區(qū)、達(dá)浪坎降落漏斗區(qū)。這些降落漏斗基本上已經(jīng)不是獨(dú)立的降落漏斗，各降落漏斗區(qū)基本上已經(jīng)互相連接成片。降深最大的在吐峪溝鄉(xiāng)，降深達(dá)到40 m左右，其他的一般在35～40 m。分析其原因一方面是這些地段的開采比較集中，開采量比較大，另一方面是這些降落漏斗分布區(qū)地下水的補(bǔ)給量少，這些綜合因素導(dǎo)致水位大幅度下降。

4 結(jié)論

吐魯番盆地地下水經(jīng)歷了天然流場(chǎng)、地下水位局部下降、地下水位區(qū)域下降、地下水位震蕩下降四個(gè)演變階段，演變過(guò)程與人類開采地下水的活動(dòng)密切相關(guān)。吐魯番盆地東部地區(qū)，地下水開采了量大，地下水補(bǔ)給條件較差，含水層的滲透性較弱，形成了地下水位的區(qū)域下降，下降幅度達(dá)到40 m左右；吐魯番市一帶的地下水補(bǔ)給比較充分，地下水動(dòng)力場(chǎng)的變化相對(duì)較??；托克遜縣城一帶，原有的自流井已經(jīng)不自流，或自流量大幅度減小，地下水動(dòng)力場(chǎng)也發(fā)生了很大的變化。地下水動(dòng)力場(chǎng)的大幅度變化必將影響當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)、生活以及生態(tài)環(huán)境，必須制定控制地下水動(dòng)力場(chǎng)不利演化趨勢(shì)的對(duì)策。

收稿：2014-07-25

DOI∶10.16206∕j.cnki.65-1136∕tg.2015.01.004