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        新疆瑪納斯河流域典型剖面地下水位動態(tài)分析

        2017-10-24 11:05:23魏興賈瑞亮周金龍王新中
        南水北調(diào)與水利科技 2017年5期

        魏興 賈瑞亮 周金龍 王新中

        摘要:新疆瑪納斯河流域是水資源開發(fā)力度較大、經(jīng)濟發(fā)展水平較高的地區(qū)。對瑪納斯河流域13眼監(jiān)測井組成典型剖面的2010年-2014年監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢性分析得出,整個監(jiān)測剖面地下水位呈持續(xù)下降趨勢,上部沖洪積平原單一潛水區(qū)地下水位下降速率為0.65~0.83 m/a(平均0.74 m/a);中部潛水溢出帶地下水位下降速率為1.12m/a;沖積細(xì)土平原區(qū)上部、下部地下水位下降速率分別為0.59~3.07 m/a(平均1.77 m/a)和0.35~3.98 m/a(平均2.41 m/a);地下水位年下降速率由上游至下游呈增大趨勢。在年內(nèi)變化上,沖洪積平原單一潛水區(qū)埋深變化為“降-升-降;潛水溢出帶及以北區(qū)域為“升-降-升”。地下水動態(tài)類型除上部沖洪積平原單一潛水區(qū)為入滲-徑流型外,潛水溢出帶至沖積細(xì)土平原區(qū)均為開采型。區(qū)域地下水位持續(xù)下降使現(xiàn)狀地下水埋深(5 89~67.46 m)遠(yuǎn)大于6.0 m荒漠化臨界埋深,生態(tài)環(huán)境面臨惡化。通過對石河子市、瑪納斯縣水資源利用分析得出,地下水位持續(xù)下降的因素是地下水超采、區(qū)域水資源高效利用使地下水補給量減小雙重作用下形成的。提出必須科學(xué)規(guī)劃用水,縮減灌溉面積和地下水開采量,開展生態(tài)補償機制,使流域經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展。

        關(guān)鍵詞:瑪納斯河流域;地下水位動態(tài);地下水位持續(xù)下降;地下水超采

        中圖分類號:P641 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1672-1683(2017)05-0127-07

        瑪納斯河流域地處新疆維吾爾自治區(qū)(以下簡稱“新疆”)天山北坡經(jīng)濟開發(fā)區(qū)核心地帶,已成為國家重要的糧棉生產(chǎn)基地、工業(yè)加工基地和能源基地,是新疆經(jīng)濟發(fā)展水平較高的地區(qū)?,敿{斯河流域面積1.98萬km2,灌溉面積27.33萬hm2(410萬畝),包括石河子市、昌吉州瑪納斯縣、塔城地區(qū)沙灣縣、兵團第八師石河子墾區(qū)、第六師新湖總場以及克拉瑪依市小拐鄉(xiāng)。其水資源在生活、生產(chǎn)和生態(tài)供水中發(fā)揮著不可替代的作用。在水資源供需矛盾日益突出的情況下,流域水資源朝著高效利用方向發(fā)展,主要表現(xiàn)在渠道防滲、農(nóng)田節(jié)水灌溉面積大規(guī)模增大,水資源開發(fā)利用趨于極限,特別是地下水超采利用,直接影響著流域地下水補、排環(huán)境。地下水動態(tài)變化是一個復(fù)雜的水文過程尤其是在干旱區(qū),受人類活動和自然條件的共同影響極為顯著。隨著人口增長、灌溉面積擴大和經(jīng)濟發(fā)展,該流域灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)安全與水資源可持續(xù)利用和經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展存在水資源危機。本文對瑪納斯河流域典型剖面地下水位動態(tài)進(jìn)行分析,揭示該區(qū)域地下水位的變化趨勢及影響因素,為該區(qū)域地下水資源的合理開發(fā)利用與生態(tài)環(huán)境的保護提供參考依據(jù)。

        1研究區(qū)概況

        瑪納斯河流域位于新疆天山北坡中部、準(zhǔn)噶爾盆地南緣,屬于典型的大陸性氣候,夏季炎熱冬季寒冷,年均氣溫6.8℃,平原區(qū)年均降水量110~200mm。流域水系較發(fā)育,由東到西分別為塔西河、瑪納斯河、寧家河、金溝河、大南溝、小南溝河和巴音溝河等河流。流域地勢南高北低,南部為山區(qū),中部為廣闊的沖洪積平原,北部為古爾班通古特沙漠?,敿{斯河流域各河流出山口后,在山前形成較平緩的沖洪積扇,扇區(qū)為潛水分布區(qū),巖性以粗顆粒的卵、礫、砂石為主,富水性和透水性較好。沖洪積扇以北是一條狹長的潛水溢出帶,東西長約70km,南北寬3~5 km,面積約300 km2,潛水溢出帶現(xiàn)建有一定數(shù)量的大中型水庫;潛水溢出帶以北是廣闊平坦的沖積細(xì)土平原。經(jīng)過多年開發(fā)建設(shè),瑪納斯流域灌區(qū)渠系網(wǎng)絡(luò)密布,形成灌渠灌溉、地下水灌溉的農(nóng)業(yè)體系,是新疆水資源利用率較高的農(nóng)業(yè)灌區(qū)之一。目前流域地表水利用率為96.2%,農(nóng)業(yè)開發(fā)改變了流域水資源自然分配格局,瑪納斯河作為準(zhǔn)噶爾盆地水量最大、流程曾經(jīng)最長(400余km)的內(nèi)陸河流,現(xiàn)自然河道僅見于山區(qū),河水在出山口被人工渠網(wǎng)所代替,天然河道不復(fù)存在,早在20世紀(jì)60年代后河流尾閭瑪納斯湖已干枯。

        瑪納斯河流域具有干旱半干旱地區(qū)山前沖洪積平原一般的水文地質(zhì)規(guī)律。地下水補給主要由河道、渠系、平原水庫滲漏及田間灌溉入滲等組成;地下水徑流從南向北由強變?nèi)?,本次監(jiān)測區(qū)上游至下游距離68.3 km,多年平均地下水位由上游424.97m遞減至下游315.17 m,地下水平均水力坡度約為1.61‰;沖洪積細(xì)土平原地下水主要來自上游地下水的側(cè)向補給;流域地下水排泄主要以人工開采為主,其次是地下水側(cè)向排泄于北部沙漠。

        2地下水位監(jiān)測剖面布設(shè)

        本次13眼地下水位監(jiān)測井主要布設(shè)于瑪納斯河流域沖洪積平原區(qū)(圖1)。由圖可見,監(jiān)測井分別布設(shè)于流域沖洪積平原上游單一潛水區(qū)(監(jiān)測井G1、G2),中部潛水溢出帶(監(jiān)測井G3)以及流域下游沖積細(xì)土平原區(qū)(監(jiān)測井G4-G13監(jiān)測井)。監(jiān)測井沿著水文地質(zhì)條件變化最大的剖面方向布置,能較全面監(jiān)測區(qū)域地下水位的動態(tài)特征。

        3地下水位動態(tài)變化特征

        3.1地下水位年際變化特征

        地下水位動態(tài)變化是反映含水層中地下水資源量變化的一個指征,地下水位的上升或下降,直接反映了地下水補給與消耗量的變化。本次地下水監(jiān)測持續(xù)時間為60個月(2010年1月-2014年12月),以流域地下水位逐月實際觀測序列作為離散隨機序列,即:

        式中:x(t)為實際觀測序列;f(t)為長期變化趨勢項;吖(t)為平穩(wěn)時間序列項;p(t)為周期變化項;ε(t)為隨機變化項,也稱“噪聲”;t為時間(月)。在這里主要關(guān)注是長期變化趨勢項f(t)。利用一元線性回歸方程擬合得到長期變化趨勢項直線方程f(t)=at+b,式中直線方程斜率系數(shù)a可作為解釋實際觀測序列變化趨勢的速率,斜率a系數(shù)的正負(fù)號則分別對應(yīng)上升和下降趨勢的月變化速率,年變化速率=月變化速率×12。

        通過線性趨勢分析,所有監(jiān)測井地下水位呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢,不同水文地質(zhì)單元差異明顯(見表1)。上部沖洪積平原單一潛水區(qū)地下水位下降速率為0.65~0.83 m/a(平均0.74 m/a);中部潛水溢出帶地下水位下降速率為1.12 m/a;沖積細(xì)土平原區(qū)上、下部地下水位下降速率分別為0.59~3.07 m/a(平均1.77 m/a)和0.35~3.98 m/a(平均2.41 m/a1;監(jiān)測剖面地下水年下降速率上游至下游呈增大趨勢,上游潛水區(qū)平均下降速率為0.74 m/a,至沖積細(xì)土平原區(qū)下部增大到2.41 m/a,下游地下水位年平均下降速率是上游潛水區(qū)的3.25倍,是中部潛水溢出帶的2.15倍。參照《地下水超采區(qū)評價導(dǎo)則》(SL 286-2003)對地下水位動態(tài)評價,孔隙水水位年均下降速率大于1.0m/a時,可劃為嚴(yán)重超采區(qū),小于1.0 m/a為一般超采區(qū)。監(jiān)測區(qū)沖洪積平原上游單一潛水區(qū)為一般超采區(qū);中部潛水溢出帶、沖積細(xì)土平原區(qū)主要為嚴(yán)重超采區(qū)。

        監(jiān)測井地下水埋深以及水位變化見表2。監(jiān)測區(qū)沖洪積平原單一潛水區(qū)年平均埋深范圍為29.10~50.09 m;潛水溢出帶承壓水位年平均埋深為5.62 m;沖積細(xì)土平原區(qū)承壓水年平均埋深范圍為8.96~38.07 m;開采型區(qū)域地下水埋深在灌溉期會進(jìn)一步增大,降水、渠系水及田間灌溉水等入滲難以與開采達(dá)到采補平衡。干旱區(qū)天然植被主要靠地下水存活,樊自立等人將地下水埋深大于6.0 m定義為荒漠化地下水埋深,地下水位下降造成土壤含水率降低,天然植被根系利用地下水困難,植物生命活動受到限制,面臨退化衰敗或死亡,天然植被生態(tài)環(huán)境趨于惡化之中。

        3.2地下水位年內(nèi)動態(tài)特征

        典型監(jiān)測井動態(tài)曲線(圖2)表明沖洪積平原單一潛水區(qū)監(jiān)測井G1、G2年內(nèi)埋深變化為“降-升-降形式,高水位期一般在3月前和9月,低水位期一般出現(xiàn)在6月-8月,區(qū)內(nèi)地下水年內(nèi)變幅為1.33~4.30 m,年平均變幅為2.85~2.88 m。流域機井主要分布在潛水溢出帶及以北區(qū)域,受灌溉開采影響,年內(nèi)地下水埋深(監(jiān)測井G3-G13)變化均表現(xiàn)為“升-降-升”形式,高水位期一般出現(xiàn)在3月-4月,低水位期一般在8月前后。地下水埋深年內(nèi)平均變幅為2.80~34.34 m。顯然流域潛水溢出帶及以北沖洪積細(xì)土區(qū)域地下水年變幅遠(yuǎn)高于單一潛水區(qū),除地下水含水層巖性差異外,另一重要因素就是農(nóng)業(yè)灌溉期高強度的開采地下水,使流域中下游表現(xiàn)為開采型地下水動態(tài)特征。

        同一水文地質(zhì)單元監(jiān)測井具有相同的動態(tài)特征。沖洪積平原上游單一潛水區(qū)監(jiān)測井G 1地下水上升期為7月-8月,之后為下降期,年內(nèi)低水位期在6月-7月,年內(nèi)水位上升期短,說明地下水在豐水期獲得了補給,但補給有限,地下水動態(tài)類型為滲入?徑流型。潛水溢出帶及以北區(qū)域為農(nóng)業(yè)灌區(qū),為開采型動態(tài),一般在春季3月-4月為高水位期。灌溉期機井大量開采導(dǎo)致地下水位下降,低水位期8月前后。灌溉期末作物需水量減少,機井抽水減小或停抽后,地下水位迅速回升,一般在10月后開始緩慢回升至下一年的高點。潛水溢出帶監(jiān)測井G3年內(nèi)地下水變幅為7.10~18.43 m,沖積細(xì)土平原區(qū)上部監(jiān)測井G5與下部監(jiān)測井G11地下水位年內(nèi)變幅分別為8.26~32.44 m和21.80~48.21 m,地下水位年內(nèi)變幅上游至下游由小到大。

        4流域地下水位動態(tài)成因分析

        監(jiān)測區(qū)地下水位呈持續(xù)下降狀態(tài),是現(xiàn)狀監(jiān)測區(qū)地下水補給量小于排泄量的結(jié)果。瑪納斯河流域是新疆水、土資源利用率最高的地區(qū)之一。根據(jù)《石河子市用水總量控制方案》(新疆兵團勘測設(shè)計院研究院(集團)有限責(zé)任公司,2015年),2009年-2013年石河子市年總用水量為5.06~5.78億m3,農(nóng)業(yè)年平均用水量4.42億m3,其用水比重較大的農(nóng)業(yè)用水量逐年減小,而生活和工業(yè)用水呈增大趨勢,分別由2009年的0.31億m3和Q 58億m。增加到2013年的Q 39億m3和0.80億m3;2013年石河子市高新節(jié)水灌溉面積占總灌溉面積的85.3%;另據(jù)《昌吉州用水總量控制方案》(昌吉州方匯水電設(shè)計院,2015年),瑪納斯縣2014年已累計完成高效節(jié)水灌溉面積5.11萬hm2(76.65萬畝),約占總灌溉面積的79.4%。高新技術(shù)節(jié)水成為維持農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要措施之一。

        根據(jù)2009年-2014年《昌吉州水資源公報》,瑪納斯縣水資源利用總量由2009年的4.45億m3增加到2014年的5.09億m3;農(nóng)田有效灌溉面由98.83萬畝增加到107.84萬畝,表明瑪納斯縣水土資源開發(fā)力度在加強。區(qū)域利用節(jié)水措施節(jié)出的水資源又用于新的耕地開墾,總用水量并未減少。

        干旱區(qū)平原區(qū)地下水補給主要為河道滲漏及引水渠系、田間灌溉的入滲。地表水利用量增大意味著天然河道中的水量減少,使河道滲漏顯著減??;同時大量進(jìn)入渠系中的地表水在渠系水利用系數(shù)提高的背景下,更多的水進(jìn)入面積不斷擴大的耕地,水資源大量消耗于田間蒸發(fā)蒸騰,減小了對地下水的補給。為了使灌溉水資源高效利用,各種防滲技術(shù)和節(jié)水灌溉技術(shù)逐漸被推廣,從而有效提高單位面積上水的利用率而減少了農(nóng)田輸水過程滲漏量。新疆的節(jié)水灌溉絕大多數(shù)采用的是膜下滴灌,膜下滴灌每次給作物灌溉的水量往往只能入滲到作物根部區(qū)域,一般不會對地下水形成補給水量,故節(jié)水灌溉對地下水的補給可以忽略不計。流域水利工程的建設(shè)、渠道防滲和田間節(jié)水技術(shù)的推廣,將嚴(yán)重影響對地下水的補給。流域農(nóng)業(yè)節(jié)水措施會顯著減小對地下水的補給量,在地下水埋深過大條件下,沖積細(xì)土平原區(qū)降水、渠系及田間入滲對地下水的補給近乎為零;僅在上游單一潛水區(qū),主要受近山前河道7月-8月豐水期少量下泄水量形成的滲漏補給使地下水位有短暫的回升外,其余時間則處于下降狀態(tài),表現(xiàn)為入滲-徑流型動態(tài)?,敿{斯河流域潛水溢出帶及以北沖積細(xì)土平原分布有大量機井,由南向北農(nóng)用機井的開采深度由150 m增大到400~500 m,這一區(qū)域的地下水動態(tài)受灌溉期地下水開采影響,表現(xiàn)為開采型動態(tài)。一般下游深層承壓水難以獲得補給,區(qū)域地下水開采量實際是消耗地下水靜儲量獲得的,故地下水位持續(xù)下降。從2015年3月31日《瑪納斯縣整治非法打井開荒退出荒地13萬多畝》的新聞報道可以看出區(qū)內(nèi)地下水無序開發(fā)嚴(yán)重。因此,可以認(rèn)為監(jiān)測剖面地下水位持續(xù)下降的原因是在流域地下水補給量趨于減小、地下水開采量增加雙重作用下形成的。

        5結(jié)論與建議

        5.1結(jié)論

        (1)5年的地下水位監(jiān)測表明,瑪納斯河流域典型監(jiān)測剖面地下水位呈持續(xù)下降趨勢,且地下水位年均下降速率向下游呈增大趨勢。沖洪積平原單一潛水區(qū)為一般超采區(qū),地下水位年平均下降速率為0.74 m/a,地下水動態(tài)類型為入滲一徑流型;潛水溢出帶及以北大部為嚴(yán)重超采區(qū),地下水位年平均下降速率為1.12~2.41 m/a,地下水動態(tài)類型為開采型。

        (2)瑪納斯河流域地下水埋深普遍大于荒漠化潛水臨界埋深(60 m),其土壤含水率降低,天然生態(tài)植被難以利用地下水存活,導(dǎo)致天然植被衰退,生態(tài)環(huán)境面臨惡化。

        (3)瑪納斯河流域是新疆水、土資源利用率最高的地區(qū)之一,水資源高效利用的同時,總用水量并未減少。農(nóng)業(yè)高新節(jié)水極大地減少了對地下水的補給,區(qū)域地下水補給主要來自上游的側(cè)向補給,區(qū)域地下水開采量主要是消耗地下水靜儲量獲得的,監(jiān)測區(qū)地下水位持續(xù)下降是流域地下水補給量趨于減小、地下水超采雙重作用下形成的。

        5.2建議

        瑪納斯河流域地處天山北坡經(jīng)濟帶,是新疆綠洲開發(fā)的典范。水資源開發(fā)利用使整個監(jiān)測區(qū)成為地下水超采區(qū),特別是2012年潛水溢出帶與沖積細(xì)土平原區(qū)和2014年上游單一潛水區(qū)仍有明顯的水位下降,表明影響地下水持續(xù)下降的因素還在加劇。針對流域現(xiàn)狀地下水動態(tài)變化趨勢,必須科學(xué)規(guī)劃用水,縮減灌溉面積和地下水開采量,進(jìn)一步打擊非法地下水開采,實施生態(tài)補償機制,防止生態(tài)環(huán)境惡化,使流域經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展。

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