吐鲁番市地下水埋深及水位时空变化规律研究

胡腾腾，吴 彬

(新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052)

位于中国西北干旱区的吐鲁番市水资源严重紧缺，近十几年来，由于吐鲁番市地下水开采量不断增加，造成地下水位大幅度下降，导致地下水采补失衡，局部地下水含水层被疏干，吐鲁番市将面临水资源枯竭，坎儿井断流，生态环境遭到严重破坏等问题[1]。了解该区域的地下水埋深及水位时空变异规律对于科学管理水资源和实施生态保护具有十分重要的意义[2]。目前关于吐鲁番市地下水水质时空变异性的研究较多，但关于吐鲁番市地下水水位时空变异性的研究尚鲜见。为此，本文以吐鲁番市为例，分析吐鲁番市地下埋深及水位的时空分布特征及变异性，旨在为吐鲁番市地下水资源的合理开发利用提供参考[3-5]。

1 研究区概况

吐鲁番市位于新疆维吾尔自治区的中东部，吐鲁番盆地中部，在北纬41°15′～43°35′，东经88°29′～89°54′之间。东西长245 km；南北宽约75 km。中部有火焰山和博尔托乌拉山余脉横穿境内，南部艾丁湖水面低于海平面155 m，为世界第二低地。辖区总面积约1.5万km2。包括亚尔乡、艾丁湖乡、葡萄乡、胜金乡等7乡两镇。吐鲁番市属于典型的大陆性暖温带荒漠气候，降雨稀少且大风频繁，全年平均气温13.9 ℃，年均降雨量仅有16.4 mm，而蒸发量则高达1 711 mm以上，干旱指数104，属于极端干旱区。地势自北向南倾斜，整体坡度为1%～4%。地貌主要为山地、山丘、平原和戈壁荒漠，吐鲁番市位置图见图1。

图1 吐鲁番市地理位置及地下水观测井和机井位置分布

吐鲁番市北部及西部主要由石炭纪的地层构成，西部山地大范围分布着侏罗纪时期的岩层，以南侧向北侧依次为：侏罗纪、白垩纪。背斜北翼缓，倾角15°～30°，南翼陡，倾角60°～80°，为山前倾斜平原。岩性主要为砂岩、泥岩、泥质砂岩。火焰山、盐山以南的范围内，沉积着第四系卵砾石、砂砾石、砂、粉质黏土、黏土地层。

吐鲁番市地下水主要来源于北天山博格达分水岭以南和西面喀拉乌成山山区的大气降水和冰雪融水补给，河道地表径流下渗和山前侧向补给。另有渠道、田间渗漏补给以及机井开采、泉水回归渗漏补给等[6]。盆地地下水总体流动方向为从北盆地流向南盆地，南盆地地下水是从西向东流动的。排泄方式主要有泉水排泄，潜水蒸发，人工开采地下水等几部分组成。含水层由单一结构潜水含水层演化为上部第四纪潜水含水层、下部第三纪裂隙承压含水层。吐鲁番市地下水化学类型按舒卡列夫分类主要以A HCO3·SO4-Na.Ca型和A SO4·Cl-Na.Ca型为主，井水矿化度为0.18～2.44 g/L[6]。地下水化学成分主要受蒸发和径流条件控制。区内地下水化学类型由碳酸盐向硫酸盐最终向氯化盐演变，地下水矿化度逐渐升高，趋向盐化递变[7,8]。

2 材料与方法

2.1 数据来源

主要数据包括1∶5万吐鲁番监测区潜水等水位线及等埋深图(1995年和2004年)，吐鲁番市地下水动态监测报告(1993-1995年，2003-2012年)，吐鲁番市地下水超采量报告(2006年)，吐鲁番市水资源评价报告(2012年)。此外，利用手持GPS、地形图及其他参考资料进行定位、导航 ，对吐鲁番市地下水水位进行了实地调查，获得了2014年野外实际调查地下水埋深数据，数据来源于新疆维吾尔自治区地矿局，吐鲁番市水利局。

2.2 数据处理

数据处理工具为：MAPGIS 6.7，SECTION 2014，SURFER 8.0，SPSS。具体处理步骤如下：

(1)首先在MAPGIS 6.7中对1∶5万吐鲁番监测区潜水等水位线及等埋深图(1995年和2004年)影像资料进行坐标校正、图像镶嵌融合、裁切等处理，提取图中等水位线，并对其进行矢量化处理，并将矢量格式的线文件转换成GRD文件。在SURFER中提取栅格文件数据，生成DAT文件，并导入EXCEL中。

(2)利用SECTION中导出的数据采用 Kriging 空间插值方法进行插值，生成新的数据文件，在SURFER中作地下水埋深等值线图及不同阶段的地下水水位降深图[8-10]，见图4，图5。

(3)运用1990-2010年吐鲁番市地下水开采量数据与埋深数据，做出埋深与地下水开采量关系图，运用SPSS统计分析软件，采用偏相关分析方法，研究吐鲁番市地下水开采量与埋深之间的相关关系[11,12]。

(4)根据吐鲁番市地下水动态监测报告(2003～2012年)，做出吐鲁番市部分观测井逐月地下水埋深变化图，见图2，图3。

图2 吐鲁番市部分观测井历年逐月地下水埋深变化图

图3 吐鲁番市部分观测井历年逐月地下水埋深变化图

3 地下水埋深及水位时空变化规律

3.1 地下水埋深变化

吐鲁番山前地带地下水动态变化随地表径流量变化而变化。一般规律为：地下水水位波动回升、一年会出现二次丰水期。一次在积雪消融解冻地表水的汛期，随着春暖解冻融雪，有地表径流入渗，地下水出现相对较高水位；第二次一般在5-8 月降水多时段，随着产流入渗，地下水出现最高丰水期。10月份后，地表径流量变小，水位逐渐下降。枯水期最低水位出现在冬季冻结后。

自1983年1月起，吐鲁番水文水资源勘测局在平原区初步建立了地下水监测网，目前全市共12眼长观监测井，分布在亚尔乡，恰特喀勒乡，艾丁湖乡政府，葡萄乡，煤窑沟，胜金乡，三堡乡，火焰山农业经济开发区。各监测井编号及布置图见图1。

本文选用吐鲁番市具有代表性的亚尔乡西沟(Ⅱ 1-6-1)，艾丁湖乡(Ⅱ 1-7)两眼观测井，做出历年逐月地下水埋深变化图。图2亚尔乡西沟[图2(a)]可以看出，由于灌溉用水，近几年各月水位变化最低出现在8-9月份，最高出现在2月或3月份。亚尔乡西沟[图2(b)]可以看出，2003-2012年地下水水位呈一涨一落下降趋势，下降速度比上升速度快。地下水水位变幅在20～30 m。

图3艾丁湖乡[图3(a)]可以看出，近几年各月水位变化最低出现在7-8月份，最高出现在3月份。艾丁湖乡[图3(b)]可以看出2003-2007年地下水水位逐年下降速度较快，每年下降0.5 m，2007年至2010年很平缓的一涨一落下降趋势。艾丁湖乡观测井代表承压水含水层，10 a地下水水位变幅在4.5～15.5 m。2011-2012年地下水水位较2000年迅猛下降，从5月开始迅速下降，下降最大月为8月，下降深度达到12 m，9月开始逐渐回升。该观测井位于艾丁湖附近，2009年以后，含水层的给水能力下降，造成年内水位变幅加大。

3.2 地下水水位空间变化分析

吐鲁番市对于地下水的开采，除了在年内开采利用的情况不同之外，在空间上开采利用的情况也不同。以吐鲁番市1995-2004年地下水位降深图(图4)和2004-2014年地下水位降深图(图5)为例，根据不同地下水位降深在全区所占的面积(表1)，分析地下水水位空间变化的不同。从图4和图5的对比中可以看出，吐鲁番市地下水的开采量是不断加大的。在1994-2004年间，吐鲁番市64.69%的地区降深在0～5 m，除了火焰山及盐山山前的小部分区域降深在15～20 m外，其余都在15 m以下。到了2004-2014年，吐鲁番市地下水降深下降很快。67%的面积降深在5～15 m。降深在15～20 m的区域增加(见表1)，从不同地下水降深所占面积可以看出，2004-2014年地下水降深相比于1995-2004年地下水位降深，在0～5及5～10 m间的面积均有所减少，而降深在10～15及15～20 m的面积均有所增加，其中降深在10～15 m的面积增加了23.76%。

图4 1995-2004年地下水水位降深图

降深/m1995-2004年降深面积/km2百分比/%2004-2014年降深面积/km2百分比/%15～207．332．3018．886．0010～1526．138．21100．5331．975～1078．8724．79109．8734．940～5205．8064．6985．1927．09

根据调查研究成果，吐鲁番市2004-2014年下降速率大于1994-2004年下降速率，吐鲁番市1994-2014年地下水埋深累计降深最大的乡为葡萄乡，下降深度达到23.34 m，年平均下降速率最大的乡为葡萄乡，达到1.2 m/a。各乡镇1994-2014年各乡镇不同时期地下水埋深累计降深及下降速率见表2。

表2 吐鲁番市1994-2014年各乡镇不同时期埋深降深、下降速率统计表

图5 2004-2014年地下水水位降深图

4 地下水埋深变化与开采量关系

对于吐鲁番地区而言，极端干旱，人工开采地下水是主要的消耗方式，吐鲁番市的农业用水主要集中在中部，灌溉集中，中部地区埋深增加较为显著，因此，研究主要选取开采量分析对地下水埋深变化规律的影响。选取1990-2010年开采量与埋深统计数据作相关图(图6，图7)。运用SPSS统计分析软件，采用偏相关分析方法，研究吐鲁番市地下水开采量与埋深之间的相关关系，结果显示：吐鲁番市地下水埋深和开采量的相关系数达到了0.8，且回归方程的∣t∣=4.708，大于0.05显著水平的t的临界值2.093，为显著相关，说明两者密切相关，即开采量增加，埋深增加；反之，则减小。

5 结 论

图6 1990-2010年埋深随开采量变化

图7 1990-2010年地下水埋深与开采量相关关系

(1)根据吐鲁番市多年地下水水位埋深及观测数据，结合MAPGIS、SECTION等软件进行地下水埋深的空间插值和面积统计分析，近20 a吐鲁番市地下水水位呈下降态势，最大下降深度达30 m。以2004年为界，后十年间地下水水位降深在10～15 m的面积增加了23.76%。地下水补给条件变差，含水层渗透性较弱。

(2)在恰特喀勒乡一带，自流井已经不自流或者自流量大幅减小，地下水水位年内变化加剧，将影响当地的生产、生活以及生态环境，必须制定控制地下水水位下降的对策。

(3)通过地下水开采量对地下水埋深变化的影响进行定性定量分析，回归方程的相关性显著，相关系数为0.8，说明吐鲁番市地下水埋深变化与地下水开采量密切相关。

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