昌吉州灌区地下水位动态变化特征及成因分析

高宇星

（昌吉水文勘测局，新疆 昌吉 831100）

1 区域概况

1.1 自然地理条件

昌吉回族自治州灌区位于新疆天山北麓中段的准格尔盆地以南绿洲之处，东与新疆哈密地区相连，西临石河子市，南于巴音郭楞自治州和吐鲁番地区相接，北靠塔城和阿勒泰，总面积10.24 hm2。昌吉州灌区属于典型大陆性干热气候，白天日照十分强烈，昼夜温差大；昌吉灌区位于新疆维吾尔自治区腹地，与乌鲁木齐相距34.8 km，境内横贯乌奎高速、北疆铁路及312 国道，交通十分便利。

1.2 农业发展情况

昌吉州灌区土壤肥沃，十分适宜农耕发展，全灌区农业种植面积约8.98 hm2，占灌区总面积的87.7%，灌区内主要农作物包括棉花、小麦、玉米、甜菜、西瓜、甜瓜、葡萄、蔬菜等。其中棉花、小麦、甜菜、瓜果、蔬菜等主要作物产量稳步增长（表1），与此同时，农、林、牧、副、渔业总产值之比（农业产业结构比）也由2005 年的50.45:2.14:46.12:0.94:1.25 转变为2018年的40.71:20.34:31.41:2.07:5.47，传统的农业种植占比有所下降，而林业产业结构上升了18.2%，牧业产业结构下降14.71%、副业和渔业产业结构分别上升1.13%和4.22%[1]。农业产业结构的调整导致灌区需水量总量的不断增加和需水结构的不断变化。

截止2018 年昌吉州灌区登记在册的水库共有86 座，总库容达到8.56 亿m3，兴利库容为6.19 亿m3，实际蓄水量为8.70 亿 m3，控制灌溉面积 8.12 hm2，此外，开发机井 12981 眼，干支斗农渠道共24189 hm 长，各类渠系建筑物共98768 座，已经形成比较完善的“引、蓄、排、提、灌”农业灌溉网络体系[2]。但是大部分小型水利设施产权不明，缺乏有效管理，年久失修，经济效益严重衰减，应有的农业灌溉作用难以发挥。

1.3 水文地质条件

昌吉州灌区水资源补给主要由冰川补给、地表水补给和地下水等部分构成，灌区冰川众多，冰川总面积为400.85 km2，灌区降雨产流中14.4%来自冰川产流。冬季由于河流封冻，径流量仅占全年径流的5.9%；春季随着气温的缓慢回升，冰雪融化，河流解冻，径流量占全年径流的16.5%；夏季气温快速回升，冰川消融，加之降雨增多，水势迅速上涨，7 月～9 月份冰雪消融径流补给量占全年径流的64.2%；秋季气温降低，冰川消融速度减缓，水量减少，径流仅为全年径流的13.4%。昌吉州灌区分布有13 条常年有水的河流，其中塔西河、玛纳斯河、头屯河、呼图壁河、开垦河为年径流量＞1 亿m3的河流，径流量占灌区河流年径流量的74.45%。灌区地下水补给量为3.89 亿m3，地下水资源量为3.21 亿m3，可开采量为2.74 亿m3。

2 地下水位动态变化特征

2.1 地下水位年内变化

昌吉州灌区地下水位变动呈现出典型的潜水动态规律特征，受环境降雨和人工开采等影响，地下水年内年际动态变化趋势明显。由表2 可以看出，灌区从3 月份开始，随着农业灌溉等需水量的增加，降雨、冰川融化、河系水等补给量较小的情况下，地下水位下降很快。从5 月份开始，随着补给量的增加，水位开始回升，6 月份达到最大值，7 月～10 月随着农业灌溉用水量的增加，以及降水的逐渐减少，水位逐渐下降，但总量仍然大于 1 月 ～4 月。

2.2 地下水位年际变化

根据所收集到的昌吉州灌区2008 年～2018 年10 月份地下水埋深的数据资料，进行灌区地下水位埋深年际变化情况的分析，见表3，研究时段内灌区地下水位埋深呈逐年上升趋势，从2007 年的10.01 m 上升至2017 年的19.6 m，而后逐年下降，2018 年地下水位埋深降低至17.4 m。造成灌区地下水埋深年际变化变动的原因是多方面的，包括灌区农业种植结构的调整、降雨量的年际变化、河川径流补给[3]等。

3 成因分析

昌吉州灌区地下水位动态变化影响因素中，气候是主导性因素，降雨则是地下水位动态变化的控制性因素，地质水文主要引起地下水区域性变化，水文及人为因素主要发挥地段性影响效应。

3.1 气象水文因素

昌吉州灌区孔隙水类型较为单一，表层被薄层亚砂土和粉细砂覆盖，仅存在局部的亚黏土，地下水埋深浅，气候因素对地下水位变化存在十分明显的影响，降水是地下水位变动的控制性因素，降水的时空分布通过对潜水补给的影响，进而增大含水层蓄水量、提升地下水位、淡化水质。与此同时，环境温湿度、风速等因素的综合作用下，必将影响潜水蒸发、排泄，减少含水层蓄水量、降低水位、水质中无机物和有机物含量增大。由表4 可以看出，昌吉州灌区在上世纪八十年代年平均降雨量594 mm，九十年代为582 mm，2000 年以来，年平均降雨量逐年减少，2010 年～2017 年均降雨量为514 mm。自九十年代末期以来，降雨量与蒸发量年平均值的差额不断增大，这种变化是导致昌吉州灌区地下水补给量不断减少，排泄量增加，水位不断下降的主要原因。

表4 昌吉州灌区降雨量与蒸发量趋势对比

奇台县开垦河系是昌吉州灌区主要的河流，结合以往的流域测流资料不难发现奇台县开垦河系中上游地区主要为地下水补给河系水类型，下游则为河系水补给地下水，河系水与地下水存在十分密切的水力联系。所以，临近河系区域地下水位动态呈现出明显的水位高峰峰值变化，首次高峰峰值出现在4 月～5 月初灌期，主要是冰河溶解给水；第二次高峰峰值出现在7 月～9 月汛期，降水导致河系水水位上涨，入渗补给地下水，从而提升水位。

3.2 地质因素

昌吉州灌区包气带厚度及其岩性也影响到地下水位对降水的响应，此外，灌区含水层厚度、透水性能等也关系到河系水通过补给地下水而影响地下水动态变化趋势。由包气带厚度均值变动趋势图（图1）可知，1993 年以前，昌吉州灌区包气带厚度均值在6 m 以下，地下水埋深浅，降雨和河系水补给较容易，河系水入渗补给系数为0.32，降雨入渗补给系数为0.27。1993 年～2000 年，灌区包气带厚度均值在6 m～8 m 之间，河系水入渗补给系数为0.29，降雨入渗补给系数为0.24。2007 年以后灌区包气带厚度均值开始大于11 m，降雨和河系水入渗补给地下水的路径大大增加，补给过程中因润湿土体颗粒、抵挡蒸发等所发生的耗水量大大增加，地下水所获得的有效补给量大幅减少，2007年灌区河系水入渗补给系数仅为0.09，降雨入渗补给系数为0.12。昌吉州灌区包气带平均厚度呈逐年增大的变动趋势，仅从地下水补给作用路径的角度而言，包气带厚度的增大必将阻碍和减少降雨及河系水对地下水量的补给。

图1 昌吉州灌区包气带厚度变动趋势

3.3 人为因素

为分析人为因素导致昌吉州灌区地下水位下降的幅度，在灌区设置85 个实时动态监测点，经过对所收集到的地下水位相关数据得知，85 个监测点中74 个监测点水位存在不同程度的下降，地下水位降幅较大的区域主要是塔西河村、白杨河乡上元村、碧流河乡东隔壁村，究其原因主要是机井过密、地下水超采导致地下水位持续下降。其余水位呈上升趋势的11 个监测点主要分布在昌吉州农业灌溉区北部的木垒县。

昌吉州灌区2015 年全年地下水开采量为12.34 亿m3，2016 年全年地下水开采总量达13.23 亿m3，2017 年全年总开采量达14.57 亿m3，开采量逐年上升。其中开采总量中农业灌溉用水占85.5%，工业生产、养殖、生活等用水占14.5%。塔西河村、白杨河乡上元村、碧流河乡东隔壁村多年来的地下水开采实践导致机井布局过密，这种严重不合理布局导致地下水超采日益严重，水位持续下降，2017 年塔西河村、白杨河乡上元村、碧流河乡东隔壁村地下水位平均下降幅度已经超过1.5 m/a。

4 结论

考虑到昌吉州灌区当前的自然地理条件、农业发展格局、水文地质情况导致灌区地下水位埋深持续下降的客观情势，必须从加大地表引水灌溉，增加河系水径流补给，推行井渠结合、以井补渠灌溉模式，调整优化农业生产结构，大力发展节水作物，明确水利设施产权，理顺责权利关系，加强管理等方面综合考虑，确保灌区地下水位有效回升。