昌吉国家农业科技园区地下水动态特征分析与监测管理工作思考

徐 玮 马 哲 沈朝阳

(1.福建省水文水资源勘测中心，福建 福州 350001；2.新疆昌吉国家农业科技园区农业科技创新局，新疆 昌吉 831100)

地下水是水资源的重要组成部分，在水资源短缺的干旱半干旱地区，地下水资源在居民生活饮用水和农业灌溉等方面发挥着不可替代的作用。然而，由于对地下水资源的有限性认识不足，大量开发利用地下水，导致超采严重，部分地区发生地面沉降、土壤盐碱化、河流干涸等危害。因此，为科学合理利用地下水资源，保障地下水资源可持续利用，必须重视和加强地下水监测及管理工作[1]。

地下水监测是加强地下水管理和保护，贯彻落实最严格水资源管理制度的基础性工作。地下水动态是指表征地下水数量与质量的各种要素(如水位、泉流量、开采量、水质、水温等)随时间和空间所发生的变化现象和过程，是地下水资源量变化的重要表现形式，对地下水监测就是对地下水动态的把握[2]。根据2018年《新疆地下水超采区划定报告》，超采区划定结果显示，昌吉国家农业科技园区被划为地下水特大型严重超采区。因此，利用园区地下水多年动态监测数据进行分析研究，能够为园区制定合理的水资源保护方案及开发利用形式提供依据。

1 基本概况

1.1 地理位置及园区分布

新疆昌吉国家农业科技园区地处新疆维吾尔自治区天山北坡中段，准噶尔盆地南缘，昌吉三屯河流域冲积扇下游平原区，整体地形由南到北呈狭长带状分布。园区东与乌鲁木齐市、兵团农十二师及米泉市相邻，西与呼图壁县接壤，南与昌吉市佃坝镇、大西渠镇相连，北到105团地界。

园区总面积340.7km2，分为“一城两区”管辖，分别为新疆国家农业科技城核心区，规划面积28.3km2；现代农业精深加工示范区和现代农业科技创新试验示范区(老龙河区和牛圈子湖区)，规划面积312.4km2。

1.2 气象条件

园区地处中纬度西风带，具有典型的温带大陆性气候特征，表现为冬季寒冷漫长，夏季炎热干燥，昼夜温差大；降水稀少，多年平均降水量167.8mm，降水年内分配不均匀，春夏季降雨较多；蒸发强烈，多年平均年蒸发量1784mm，最大蒸发值出现在6—8月。

1.3 地形地貌和地质构造

园区海拔高程介于400～500m之间，总体地势平坦开阔，但微地形发育，地形坡度由15‰的头屯河出山口西侧及三屯河出山口以下的冲洪积倾斜平原逐渐降至1‰～3‰的沙漠南缘的细土平原区。园区处于准噶尔-北天山褶皱系中的乌鲁木齐山前坳陷区和准噶尔坳陷中央坳陷区构造单元内，在坳陷区内沉积了巨厚的第四纪沉积物，由北向南增厚，沉积物大多未胶结，其结构松散且多孔隙，因而大气降水和地表径流易渗入，为地下水的径流、贮存、补给提供了良好的水文地质条件。地下水的排泄主要有两种形式：天然排泄和人工排泄。其中，人工开采是园区地下水的主要排泄方式，天然排泄主要是地形低洼处地下水以蒸发或蒸腾的形式排泄。

1.4 水资源概况

园区地表水主要来自三屯河分水、头屯河分水和“500”西延干渠引水。地下水来自巨厚的第四纪沉积物中埋藏的孔隙潜水和承压水，主要是核心区、老龙河区和牛圈子湖区农业灌溉开采。根据《2020年昌吉国家农业科技园区水资源公报》统计，2020年园区引用地表水3316万m3，提取地下水3223万m3。

2 园区地下水动态监测井分布

昌吉国家农业科技园区成立于2002年，农业种植主要是以农业企业或农场为基本单位，示范区有各类企业、农场154个，老龙河区农场分布较多。园区发展前期，农业灌溉基本为地下水机井灌溉，随着最严格水资源管理制度的施行，园区农业种植用水经历了从纯井灌区到井河混灌区的发展，用水也由全部为地下水转变为以地表水为主、地下水为辅。园区现有机井545眼，其中核心区8眼，老龙河区317眼，牛圈子湖区220眼。2013年，为加强地下水资源的开发、管理和有效利用，园区将原有的报废井作为地下水动态监测井，实施地下水动态监测项目，建立了地下水自动监测系统，在线监测地下水水位、水温变化情况。目前园区州级地下水自动监测井有8眼，分别是核心区1眼、老龙河区5眼、牛圈子湖区2眼。本次地下水动态分析计算按各个区监测井平均数据统计，其中老龙河区有2眼监测井运行时间较短，统计数据采用另外3眼监测井数据。

3 地下水水位动态分析

3.1 地下水水位动态的年内变化

根据影响地下水水位动态的主要控制因素划分类型，结合水文地质条件分析，主要有气候型(降水入渗型)、蒸发型、人工开采型、径流型、水文型(沿岸型)、灌溉型、冻结型、越流型等。

通过2013—2020年园区地下水监测井多年年内各月地下水水位埋深连续观测数据的平均值，反映园区地下水整体的年内变化情况。园区地下水水位多年平均埋深统计见表1，地下水水位埋深年内变化曲线见图1。

表1 园区地下水水位多年平均埋深统计

图1 园区地下水水位埋深年内变化曲线

从图1可以看出，园区、核心区、老龙河区、牛圈子湖区地下水水位埋深1—3月变化较缓，水位逐步回升，4—6月埋深增大较快，7—8月埋深保持在最大位置，9—12月埋深逐渐减小。整体年内地下水水位动态曲线呈近“V”字形。这种变化的主要原因是新疆气候干燥，干旱少雨，农作物主要生育期集中在4—10月，园区农业以农作物种植为主，1—3月作物还未种植，地下水开采量较少，气温回升，土壤冻层开始融化，补给地下水，地下水位逐渐升高，为地下水水位上升期，最小埋深一般出现在2月或3月；4—8月是作物生长灌溉期，农业灌溉机井抽水灌溉，导致地下水埋深明显增大，维持在较大水平，地下水水位达到最低；灌溉期结束后，农作物开始收割，地下水开采强度逐渐减小，且受到垂直越流补给，水位得以回升，埋深逐渐减小。因此，园区地下水年内水位动态变化主要受开采量的影响，动态变化类型为人工开采型。

3.2 地下水水位动态的年际变化

根据园区2013—2020年的12月地下水水位埋深监测结果(见表2)，水位多年平均变化除牛圈子湖区下降外，核心区和老龙河区呈明显的上升趋势。水位埋深多年平均变幅：核心区地下水水位平均年上升速率为0.81m/a，老龙河区地下水水位平均年上升速率为1.44m/a，牛圈子湖区地下水水位平均年下降速率为0.53m/a。总体来看，园区地下水水位呈现逐年上升趋势，平均年上升速率为0.57m/a。

表2 园区自动监测井多年地下水水位埋深变幅统计 单位：m

通过园区自动监测井逐年年均地下水水位埋深和年开采量分析，得出地下水水位动态的年际变化特征，埋深变化见图2。从图2可以看出，牛圈子湖区地下水水位逐年下降，埋深增大趋势变缓；核心区、老龙河区和园区整体地下水水位在2016年有小幅下降，2017年以后水位埋深开始减小，水位逐年回升。

图2 园区2015—2020年年均地下水水位埋深变化

园区于2002年5月成立，“十二五”期间为了发展经济，农场数量不断增加，机井数也不断增加，导致地下水提取量日益加大，地下水水位逐年下降，逐渐发展成为严重超采区。2012年1月国务院提出要求实行最严格水资源管理制度，建立“三条红线”，对水资源开发利用、用水效率和水功能区限制纳污等方面提出了更高更严格的要求。近年来，为贯彻落实最严格水资源管理制度和有效遏制地下水水位严重下降趋势，尽快修复地下水生态环境与功能，促进区域地下水资源可持续利用，保障经济社会高质量发展，园区采取了禁采区内机井关停、超采农场停供水、关闭违法取水机电井、严格机井更新审批、合理确定年度种植规模、推进耕地资源整合、休耕轮作、推广使用地表水、退地减水、规范用水计量、地下水管理“警长制”和“井长制”、中水回用、完善灌区配套基础设施建设、实施机井井电双控工程等一系列扎实有效的措施，实施地下水用水量和水位降幅双控制度和用水总量控制指标，严格落实压减地下水开采量目标，逐年减少地下水开采量，使得地下水水位逐步回升[3]。所以园区地下水动态变化类型为人工开采型。老龙河区农场数量较多，机电井数量最多，机井成井深度较深，提取地下水量较大，导致地下水水位一直处在三个区中最低位置，但老龙河区已推广使用地表水替代地下水多年，水位回升也比较快。牛圈子湖区虽然也是井河混灌区，但地表水使用覆盖率较低，约为30%，生产用水主要依靠地下水，且区域范围较小，易受周边其他区灌溉影响，导致地下水水位逐年降低，但因多项措施并举控制开采量，下降趋势变缓。

4 地下水动态监测管理存在的问题

4.1 地下水动态监测站网密度不够，观测孔的布设不甚合理

地下水监测站网是保证地下水动态监测工作顺利进行的关键，观测孔是帮助地下水动态监测人员开展监测工作的重要工具，因此，地下水动态监测站网布局和观测孔的布设往往会影响地下水动态监测工作。根据《地下水监测工程技术规范》(GB/T 51040—2014)要求，园区现有监测井数量上不能满足监测区的合理监测要求，监测密度不满足规范要求；同时，园区现有机井545眼，布设的观测孔位置不够合理，不能准确反映监测区的地下水变化及水文地质单元的地下水变化趋势。

4.2 自动监测设备灵敏度不够，信息采集传输不稳定

在地下水动态监测工作中，最关键的是监测数据的准确性和连续性，而设备的灵敏度和信息采集是很重要的环节，监测探头对地下水的各种水文、水质数据等进行采集、传输后，工作人员才能进一步对这些数据进行分析处理[4]。但是，通过近几年的动态监测数据接收情况看，园区自动监测设备灵敏度不够，易受到外界环境因素的影响(如天气过冷、电压不稳定等)，无法正确进行数据采集及传输，造成数据流量的缺失。同时，设备采用的是GSM移动通信网络，老龙河区和牛圈子湖区通信信号较差，导致信息传输时有时无，监测数据的时效性成为难题。

4.3 地下水自动监测系统硬件功能不齐全，软件功能不完善

园区现有地下水自动监测主要以水位、水温监测为主，水质监测以人工采样监测为主，没有安装自动监测探头，且没有水量监控探头，不能全方位反映地下水变化情况。地下水自动监测系统软件只记录每日水位、水温数据，数据管理、统计分析、图表展示等服务能力不足，每次需对数据进行人工统计分析，导致园区地下水自动监测工作虽已开展多年，积累了一定的数据量，但每年编制地下水动态监测年报时只对数据做简单的统计和汇总，没有对本年度地下水水位、水质上升和下降的原因进一步加以分析，或没有对历年数据加以比较，分析年际动态变化，没有发挥出地下水自动监测为水资源开发利用提供服务的作用。

4.4 地下水动态监测重建轻管，后期运行管理困难

园区地下水自动监测井建成后，没有明显的自动监测设备标识牌，虽然有外围围栏进行保护，但保护措施比较简陋，易遭到人为破坏。由于人手不足，监测设备运行过程中，工作人员到现场人工监测复核水位、水温数据次数较少，不能达到相关频次要求，对监测井周边的杂草、枯枝等杂物也不能做到及时清理。自动监测设备后期运维跟不上，比如监测井需要定期维修，对其进行井深测量、透水灵敏度试验及清淤洗井，定期对电池进行更换；系统软件需要不定期进行备份更新等，这些工作有些涉及专业方面的知识，需要设备厂家的维护，但设备厂家不在本地，新疆区域范围又大，工程师不能及时赶到，问题不能得以及时解决，维护时效性较差。

5 地下水动态监测管理工作建议

5.1 科学规划，合理布局，优化地下水监测站网

积极做好地下水监测站网规划，调整、优化地下水监测站网是做好地下水监测工作的基础。要在现有自动监测井基础上，根据《昌吉州地下水监测站网规划》和机井密度，结合园区的地形、地貌、气象、水文以及地下水流向，经济合理布设自动监测井，争取建设水位、水温、水质等专用监测井，代替报废井等，克服因灌溉或生产生活抽水造成的水位不稳定现象，逐步建立站网布局合理、功能齐全、设施先进，符合地下水开采总量控制、水量分配、地下水管理、水资源保护要求，满足地下水水位、开采量、水温、水质等水文要素同步监测的监测站网。同时，可与周边相邻行政区协商增设自动监测井，与园区监测点位形成数据比对，从而能更合理地反映出地下水水位变化的影响因素。

5.2 多方协作，提高仪器设备适应性和数据传输稳定性

地下水自动监测设备均安装在野外，恶劣的自然环境对设备运行要求严格，风沙多、温差大、长期无人清理等，迫切要求地下水监测设备能在当地工作条件下稳定运行[5]。建议联系设备厂家，加强双方合作，园区收集地方气象、水文等基础资料，监测极端天气下设备的反应情况等，以帮助设备厂家改进仪器适应性。通过园区管委会协调移动通信网络公司，加大老龙河区和牛圈子湖区信号基站建设，保证网络数据传输的通畅性和稳定性。

5.3 积极推动地下水自动化监测系统改造升级

园区现有自动监测井只监测水位、水温，建议选址建设水质监测专用井，增加水质监测探头，以在线监控水质变化情况，及时发现水污染情况，保障供水安全。针对现有地下水自动化监测系统软件不完善问题，建议联系设备厂家增加数据报表、对比分析、图表展示、远程监控、模拟预测、信息发布等模块功能，便于及时向社会通报区域内的地下水动态。或者直接整合纳入园区现在正在开发建设的地下水资源管理系统，拓展使用功能。或者联系昌吉州水利局，由昌吉州水利局牵头，借鉴水文部门国家地下水监测工程地下水监测信息整编系统的建设经验[6]，开发新系统，完善整编功能。

5.4 加强管理，定期培训，加快推进地下水监测队伍建设

加强对工作人员的管理，减少从事地下水动态管理人员的流动性，做到每日都能掌握自动监测数据接收情况，确保监测设备正常运行，发现异常情况及时处理。加大专项经费的投入力度，引进地下水监测专业高级人才或者联系昌吉州水利局和设备厂家定期对工作人员进行监测取样和运行维护等系统培训，使其逐步掌握先进监测设备的使用方法，提升监测技术水平和应急机动能力，不断提高地下水监测工作质量。

5.5 提升地下水自动监测站运维管理水平

地下水自动监测站运行过程中易出现滤网堵塞、异物掉入井中、设备没电等问题，所以如何及时解决问题，保证监测数据的连续性变得至关重要。建议采取以下办法来提升后期运维管理水平：一是水利工作人员经过严格培训后，根据相关运行维护管理实施细则，定期开展站网巡视、监测井洗井清淤、人工校测复核自动监测设备等，确保监测数据能反映真实情况；二是拓宽地下水监测经费来源渠道，做好自动监测站运行维护经费预算，委托设备厂家或者具备资质的第三方机构进行管护，完成监测站及辅助设施看护、监测井井深测量、透水灵敏度试验及清淤洗井、监测井及辅助设施维修、监测设备维修及更换、自动监测设备现场校测等工作。

5.6 加强各部门协作和数据共享

要做好地下水监测的动态分析，除了有自身连续监测的数据外，还需要国土部门关于地质地貌情况的分析、水文部门关于河流水系水位流量的数据、气象部门关于降雨情况的报告等，所以平时要加强与国土、水文、气象等部门的合作交流[5]，形成有效的信息共享机制，最好能形成一个大数据平台，实现信息共享。同时，水利部门要根据整合信息，积极研究地下水变化规律，提高地下水管理预警预测预报能力。

6 结 语

通过对昌吉国家农业科技园区多年地下水水位埋深数据及开采量的分析，得出以下结论：一是地下水水位年内和年际动态变化类型均为人工开采型；二是地下水水位逐年回升，但趋势较缓。

地下水资源在昌吉国家农业科技园区国民经济和社会发展中发挥着重要的作用，地下水动态信息事关抗旱、防灾、水资源管理和生态环境保护等。园区现有地下水动态监测站的建成和运行管理已为地下水监测提供了有利的技术支撑，较好地弥补了地下水监测数据的空缺，但后期运行维护管理、自动监测系统软硬件和部门协作方面还存在不同程度的问题，仍需进一步改进。