高开采强度下库尔勒市地下水位埋深动态与影响因素浅析

魏 兴1,2，周金龙1,2，曾妍妍1,2，冯书同，王 燕

(1.新疆农业大学 水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052； 2.新疆水文水资源工程技术研究中心，乌鲁木齐 830052； 3.新疆巴音郭楞蒙古自治州国土资源局，新疆 库尔勒 841000)

图1 库尔勒市地下水监测井及机井分布Fig.1 Distribution of groundwater monitoring wells and pumping wells in Korla

1 研究背景

地下水是人类社会赖以生存和发展的重要水源，在干旱和半干旱地区当地表水资源不能满足需求时，就会增大对地下水的依赖程度[1-4]。目前，许多学者对干旱半干旱地区地下水位埋深做了较多研究。苏阅文等[5]、陈钟望等[6]、杨艳鲜等[7]、刘美英等[8]对地下水位动态变化及影响因素进行了分析；闫云霞等[9]根据黑河中游甘州区地下水位埋深随时间变化的相似性和差异性，分析了地下水位埋深随时间的变化趋势及其原因；杨怀德等[10]运用主成分分析法与灰色关联度法研究了民勤绿洲地下水位埋深对其影响因子的敏感程度；张叶等[11]采用水均衡法对玛纳斯河流域典型灌区地下水动态特征进行了分析，并用主成分分析法得出灌水量和开采量是影响地下水位埋深的主要因子。

库尔勒市是新疆巴音郭楞蒙古自治州(以下简称“巴州”)首府，社会经济的高速增长，水资源的需求量日益增大，对社会经济与生态环境产生制约影响。许多学者从地下水位埋深与生态的关系[12-13]、地下水水质[14]、土壤水盐分[15]等方面进行了研究，但关于高开采强度下的地下水位埋深动态特征的研究鲜见报道。本文根据库尔勒市区16 a来的地下水监测数据及水资源利用资料，对长期高开采强度条件下地下水位埋深变化特征及其影响因素进行分析，可为库尔勒市水资源开发利用与保护提供一定的参考。

2 研究区概况

2.1 基本情况

库尔勒市位于塔里木盆地东北边缘，由霍拉山、库鲁克塔格山山前倾斜平原和孔雀河三角洲冲积平原组成。库尔勒市总面积为7 204.46 km2，其中平原区面积为2 483.84 km2。区内地势总体东北高西南低，地形坡降由北向南逐渐变缓，海拔880～1 100 m，属暖温带大陆性荒漠干旱气候，多年平均气温10.5 ℃，多年平均降水量61.3 mm，多年平均蒸发量2 772.8 mm。

库尔勒市山前倾斜平原为单一潜水区，地层岩性为砂砾卵石及中粗砂，岩性颗粒较大；冲积平原以潜水及承压水形式存在，含水层由单一向多层结构过渡，岩性颗粒由粗粒相向细粒相变化。库尔勒市地下水主要接受山前基岩裂隙水补给及平原区河流、降水、渠系、田间等入渗补给；地下水排泄为人工开采、侧向排泄等。

本文以库尔勒市地下水监测网覆盖区作为地下水位埋深动态研究区(图1)，总面积为354.4 km2。研究区位于孔雀河上游库尔勒市北东区域，涵盖了整个库尔勒市区，其中山前倾斜平原面积为132.1 km2，冲积平原面积为222.3 km2。

2.2 水资源及其利用概况

库尔勒市主要河流——孔雀河发源于博斯腾湖。博斯腾湖作为开都河的尾闾和孔雀河的源流，2003—2012年10 a间湖泊水位降低了2.87 m[16]，使得进入研究区的径流量逐年减少，由2000年的25.5亿m3减少到2015年的11.5亿m3，径流量年平均减少5.2%[17]。2000—2015年库尔勒市地表水引水量1.99亿～7.19亿m3，年平均引水量为4.93亿m3。2012—2015年平均引水量5.04亿m3，同期孔雀河入研究区年平均径流量11.14亿m3，库尔勒市对孔雀河的引水率为45.2%。

注：2012—2015年地下水开采井数未统计。图2 库尔勒市地下水开采井数与地下水开采量Fig.2 Number of exploitation wells and amount of groundwater exploitation in Korla

孔雀河径流量逐年减少，地下水逐渐成主要供水源，这使库尔勒市机井数量与地下水开采量呈持续增长状态。库尔勒市地下水可开采量为1.20亿m3。如图2所示，2000年机井数639眼，2011年已有机井3 392眼。2000—2006年库尔勒市地下水开采量为0.25亿～1.21亿m3，年平均开采量1.08 亿m3，已接近或稍超过地下水可开采量，为临界超采期；2007年起地下水开采量由1.92亿m3增大到2011年的5.32亿m3，年平均增幅29.0%，为超采增长期；2012—2015年地下水开采量相对稳定在5.32亿～5.60亿m3，平均开采量5.44亿m3，是可开采量的4.43倍，为高位超采稳定期。可见库尔勒市地下水开发利用长期处于高开采强度状态。

3 数据来源与研究方法

3.1 数据来源

12眼监测井地下水位埋深数据来自巴州地质环境监测站，监测期为2000—2015年；2000—2015年孔雀河径流量与库尔勒市地下水开采量数据来自巴州水资源公报；1990—2011年库尔勒市机井数据由巴州水利局提供。

3.2 研究方法

根据地下水开采强度，分不同时段采用线性趋势法对监测井地下水位埋深年际变化进行分析。将地下水位埋深逐月观测序列作为离散随机序列，利用一元线性回归方程拟合得到趋势直线方程f(t)=at+b，其中直线方程斜率系数a可解释实际观测序列变化趋势的速率，斜率系数a的正、负号分别对应埋深增大和减小趋势的月变化速率，年变化速率=月变化速率×12；利用逐步回归分析法对地下水位埋深持续增大的因素进行分析，得出影响地下水位埋深的主要因素。

4 结果与分析

4.1 地下水位埋深年内动态特征

研究区表现出典型的开采型地下水动态特征，山前倾斜平原监测井1—3月份为水位上升期，4月份进入灌溉期后，开采量大幅度增加，水位明显下降，6—8月份为低水位期，地下水位埋深年变幅0.77 m，受山前河道及灌溉水入渗补给作用，水位在8—9月份回升至第二年高水位期；冲积平原监测井3月份前水位较平稳，为高水位期，随着开采量的增加，水位迅速下降，6—11月份为低水位期，地下水位埋深年变幅5.95 m，灌溉结束后，开采量减少，水位开始回升。山前倾斜平原地下水位恢复期一般早于冲积平原区2～3个月，埋深年变幅小于冲积平原。

4.2 地下水位埋深年际动态特征

研究区临界超采期(2000—2006年)、超采增长期(2007—2011年)和高位超采稳定期(2012—2015年)3个时段的地下水位埋深年均变化速率(表1)均为正值，埋深呈持续增大趋势。临界超采期、超采增长期和高位超采稳定期山前倾斜平原地下水位埋深年均增大速率分别为0.21～0.69，0.09～1.20，0.16～1.30 m/a；冲积平原分别为0.65～1.13，0.49～1.35，0.02～1.90 m/a。从各时段看，超采增长期地下水位埋深增速最大，2000—2011年地下水位埋深总体呈“加速”增大趋势；2012—2015年总体转变为“减速”增大趋势。受局部开采强度影响，山前倾斜平原兵团南疆物转站(DH31)，冲积平原州水利局阿瓦提渔场(DH34)、州棉麻公司加工厂(DH30)区域地下水位埋深呈“加速”增大趋势。同期山前倾斜平原地下水位埋深增速小于冲积平原，为冲积平原的52.8%～74.4%。

表1 不同时段监测井地下水位埋深年均变化速率Table 1 Annual change rate of groundwater depth of monitoring wells in different periods

图3 冲积平原监测井多年地下水位埋深变化Fig.3 Changes of groundwater depth of monitoring wells in alluvial plain

研究区地下水长期(2000—2015年)处于超采状态，山前倾斜平原地下水位埋深累计增大4.10～12.67 m，平均8.95 m；冲积平原累计增大9.07～22.26 m，平均14.23 m。地下水开采对冲积平原地下水位埋深影响较大。研究[18]表明，干旱区适合天然植被生长的地下水埋深为3～5 m，埋深5～8 m植被生长受到胁迫，埋深>8 m除少数胡杨外，地表植被难以生存。因此地下水位埋深持续增大，最先影响到的是埋深<6 m区域的天然生态植被。如图3所示，2004年之前，冲积平原监测井DH33，DH34，DH35区域埋深<6 m，存在一定的潜水蒸发蒸腾量(潜水蒸发极限深度为6 m[19])，2014年埋深分别增至14.5，21.8，10.8 m，地下水蒸发蒸腾量已不存在，对天然植被构成了威胁。

4.3 影响地下水位埋深的因素分析

研究区孔雀河径流量逐年减少、 地下水位埋深持续增大， 对以河道、 渠系渗漏及田间入渗为主的冲积平原区影响较大。 以渠系渗漏为例， 巴州防渗渠系渗漏经验公式为Q=0.487 8Δ-1.379， 地下水位埋深Δ由3.5 m增至8.0 m时， 渠系稳渗强度Q值由0.087 m3/(d·m2)减小到0.028 m3/(d·m2)， 减小67.8%； 孔雀河流域砂性土地下水埋深3.0～6.0 m与>6.0 m时的田间灌溉入渗补给系数分别为0.11和0.06[19]， 埋深增大， 田间入渗系数减小45.4%。 研究区地下水动态类型为开采型， 灌溉期地下水埋深处于全年最低期， 对地下水转化补给量占总补给量的98.3%来说， 减少作用明显。 逐步回归分析(表2)也表明， 研究区监测井埋深与孔雀河径流量、 开采量关系密切， 确定系数R2达到了0.858以上。 所有回归方程中， 孔雀河径流量X1与埋深呈负相关关系， 开采量X2与埋深呈正相关关系， 回归方程具有实际物理意义， 符合地下水均衡方程ΔhμF=Q补-Q排(Δh为地下水位变幅，μ为给水度，F为区域面积，Q补为地下水补给量，Q排为地下水排泄量)均衡关系， 其中孔雀河径流量、 开采量实质是研究区地下水补给项和排泄项的综合反映。 通过对统计值t(0.05，13)=2.16的检验， 径流量、 开采量是监测井埋深影响的重要因素， 变量显著性较好。 标准回归系数的大小反映了该指标对因变量的影响强弱， 回归系数绝对值越大表明该指标对因变量的重要性越高， 得出有8眼监测井埋深与地下水补给径流量关系较大， 4眼监测井埋深与开采量关系较大。

表2 监测井地下水位埋深逐步回归分析汇总

5 结 论

(1)孔雀河径流量大幅度减小，地下水逐渐成为孔雀河流域的主要水源，2000—2015年库尔勒市地下水开采强度经历了临界超采期(2000—2006年)、超采迅猛增长期(2007—2011年)和高位超采稳定期(2012—2015年)。所有监测井地下水位埋深呈持续增大趋势，为典型的开采型地下水动态特征，山前倾斜平原和冲积平原地下水位埋深分别累计增大了4.10～12.67 m和9.07～22.26 m，对绿洲外围的生态植被构成威胁。

(2)临界超采期、超采增长期和高位超采稳定期山前倾斜平原地下水位埋深年均增大速率分别为0.47，0.67，0.57 m/a；冲积平原地下水位埋深年均增大速率分别为0.89，0.90，0.87 m/a；同期冲积平原地下水位埋深增速大于山前倾斜平原。2000—2011年地下水位埋深总体为“加速”增大趋势，2012—2015年总体呈“减速”增大趋势。

(3)地下水位埋深持续增大是地下水补给量减少、地下水开采强度增大共同作用的结果。逐步回归分析表明，孔雀河径流量、开采量实质是研究区地下水补给项和排泄项的综合反映，在今后治理地下水超采和制定生态环境的保护方案中，不能只强调地下水开采单方面因素，还须重视地下水补给量减小对其地下水位的影响。

(4)库尔勒市高位超采稳定期地下水平均开采量已达5.44亿m3，是可开采量的4.43倍，社会经济的发展对地下水资源需求量较大，短时期内地下水难以达到采补平衡，应严格执行库尔勒市最严格水资源管理制度，逐步缓解水资源供需矛盾。