额济纳绿洲1992—2015年地下水埋深变化分析

张震域，赵 沛，畅祥生，王云泽，董国涛

（1.黑河水资源与生态保护研究中心，甘肃兰州730030；2.甘肃省水利厅讨赖河流域水资源管理局，甘肃酒泉735000）

干旱区地下水被视为“稀缺资源”［1］，区内植被生长对地下水埋深有很强的依赖性［2-4］。黑河下游地区气候异常干旱，戈壁荒漠与少量绿洲交错，生态环境退化［5］。黑河地表水入境水量决定额济纳地区地下水埋深变化，地下水时空变化直接影响着绿洲的可持续发展。随着经济社会的发展，人类活动范围逐渐扩大，20世纪50年代以来，黑河中游地表水用水量激增，导致下游入境水量持续下降［6］，下游河道断流，湿地生态系统功能减弱，湖泊常年干涸，地下水流场发生变化［7］，土地荒漠化和沙漠化迅速蔓延［8］。 自 2000 年开始，国家决策实施黑河水量统一调度［9］。通过黑河生态调水以及黑河流域近期治理工作，下游绿洲区河道过水时间、过水量明显增加，河道断流天数逐年减少，有效缓解了下游绿洲进一步恶化的趋势［10］。

随着生态调水的实施，进入黑河下游的水资源量逐年增加，下游绿洲地下水埋深时空特征呈现显著变化。程国栋等［5］通过地下水运动模拟，分析了黑河调水前后11 a间额济纳绿洲地下水变化情况，指出调水前地下水下降明显，调水后呈现出增长的变化趋势，这种变化趋势在距河较近的区域比较明显；席海洋等［6］利用调水后5 a狼心山分水闸以下分水资料以及9眼地下水井资料分析调水后5 a黑河下游地下水变化特征，结果显示地下水位与下游入境水量的相关性密切，尤其东河、西河附近地下水位抬升明显，水位变化对河道来水有滞后现象；敖菲等［3］应用统计特征分析以及Mann-Kendall和Mann-Whitney趋势检验法分析黑河下游地下水位动态变化特征表明，1992—2009年黑河下游东河、西河地下水位平均埋深存在上中部浅、下部深的空间分布特征。

目前生态调水实施已近20 a，已有研究采用的地下水数据空间范围较小、时间相对较短。笔者收集额济纳绿洲东河、西河20多 a（1992—2015年）不同位置的地下水埋深资料，分析黑河调水前后额济纳绿洲地下水位的时空变化，以期为下游生态系统恢复和水资源优化配置提供基础支撑。

1 研究区概况

黑河是中国第二大内陆河，发源于祁连山北麓，流经青、甘、蒙3省（区），进入下游狼心山后分为东河、西河，两河向北最终分别汇入尾闾湖东居延海和西居延海。额济纳绿洲位于黑河狼心山水文站以下，地理位置东经 97°10′—103°7′，北纬 39°52′—42°47′。 绿洲区地质构造上是一个盆地，由上段至下段含水层岩性渐细，地下水埋深渐浅。地下水动态特征的变化受多方面影响，地貌、沉积物、水流的补给和排泄等都制约着地下水埋深，具有区域差异性［11-12］。土壤类型有13种，以石膏灰棕漠土和灰棕漠土为主，植被大致分为以低山丘陵和戈壁平原广泛分布的荒漠植被，以河岸、湖盆为代表的草甸植被，以及胡杨林、柽柳林组成的荒漠河岸林［13］。研究区多年平均水面蒸发为1 444 mm，为降水量的42倍［14］，故额济纳绿洲地下水埋深及植被景观变化受降水的影响微弱。黑河地表水进入额济纳绿洲后直接滋养和补给研究区的生态系统以及地下水［15］。

2 数据来源及分析方法

2.1 数据来源

研究区范围内布设有15眼地下水埋深长期观测井（见图1），沿东河、西河两岸纵剖面分布。采用1992—2015年逐旬地下水埋深数据，从数据系列的连续性和分析结果的代表性出发，按空间和时间两个指标进行分析。东河、西河分别有8眼和7眼地下水长期观测井，长期观测井主要为潜水井，只有东河上段的33＃井、下段的6＃井和西河中段的13＃井为深水井。其中：东河观测井分别为 01＃、05＃、33＃（上段），26＃、27＃、25＃、42＃（中段），06＃（下段）；西河观测井分别为 03＃、04＃（上段），16＃、15＃、13＃、14＃（中段），51＃（下段）。

2.2 分析方法

（1）对比分析1992—2015年额济纳绿洲东河、西河观测井地下水埋深的变化特征。以调水前1992—2000年地下水埋深为本底，以2000年调水后每隔5 a为一个时段，分别为1992—2000年、2001—2005年、2006—2010年、2011—2015年，分析地下水埋深在不同时段对生态调水的响应。

（2）基于1992—2015年15眼长期地下水观测井数据，选择1992年（东居延海干涸）、1999年（调水前）、2005年（调水后 5 a）、2010 年（调水后 10 a）、2015年（调水后15 a）作为典型年，利用Arcgis软件采用IDW（反距离空间插值方法），分别将5个典型年地下水埋深插值为空间数据，分析额济纳绿洲1992—2015年地下水埋深的空间变化。

图1 黑河下游绿洲区及布设地下水观测井示意

3 结果分析

3.1 地下水埋深时间变化特征

相较于调度前地下水位，2000—2003年大部分研究区域地下水位下降值仍然很大，原因是输水过程对地下水埋深变化的影响具有滞后性。西河上、下段地下水位下降，下降幅度分别为9.80%、6.00%；西河中段地下水位回升，回升幅度为10.40%，西河海拔略低于东河，输水前期，西河中段地下水位有回升迹象。相较于调度前地下水位，2006—2010年东河下段地下水位下降幅度为34.00%，中段地下水位上升幅度为15.15%。西河上、下段地下水位下降幅度分别为24.08%、9.95%；西河中段地下水位回升幅度为15.00%。2011—2015年东河上、下段地下水位下降幅度分别为12.00%、32.85%，东河中段地下水位回升幅度为9.50%；西河上、中、下段地下水位下降幅度分别为38.12%、0.64%、18.41%，相较于调水前地下水位下降幅度变小。

东河和西河地下水观测井不同时段地下水埋深变化趋势见图2。1992—2015年黑河下游额济纳东河、西河潜水地下水位整体呈先下降后上升趋势；2003年之前地下水位呈下降趋势，之后呈回升趋势。潜水地下水位受地表径流补给作用明显，而承压地下水位受其影响不显著。

图2 东河、西河地下水埋深变化情况

从整体看东河上段地下水位回升趋势明显，西河上段仍在下降；两河中段地下水位均呈回升趋势；东河下段调水初期受水流滞后性影响，地下水位有所下降，调水后期地下水位逐步回升，西河下段地下水位下降趋势减弱。这与上游来水量的大小、水流补给的滞后性有关，同时受额济纳旗农作物播种面积变化的影响（见图3，数据引自额济纳旗统计年鉴），东河、西河下段为胡杨林和农作物播种面积集中区，耗水量较多，因此东河、西河下段地下水位回升趋势不明显。

图3 额济纳旗1995—2015年农作物总播种面积变化情况

从地下水埋深的年内变化来看（见表1），东河、西河一般3月、4月地下水埋深最小，9月、10月地下水埋深最大。由水流对地下水补给的滞后性和表1数据可知，从东、西河区上段到下段，地下水埋深多年月平均最小值从2月或3月过渡到4月或5月，最大值也有相似的变化规律，这主要是地下水受地表径流补给先从东河、西河上段开始，然后才影响到河道的中、下段。

3.2 地下水埋深空间变化特征

结合实际数据资料及地下水埋深分布（见图4），分析1992—2015年额济纳绿洲地下水埋深空间分布特征。1992—2003年，东河整体的变化以降低为主，虽然自2000年开始实施调水，但是由于水流的滞后性，因此调水前3 a地下水位仍然下降；东河2003—2010年绝大部分区域地下水位显著回升；东河2011—2015年，地下水位趋于稳定。西河整体地下水埋深先减小后增大。总体来说，东河、西河附近地下水埋深小于远离河道区域的；额济纳旗附近绿洲核心地带到东居延海之间的戈壁区域地下水埋深最大。

表1 额济纳绿洲地下水埋深多年月平均特征值

结合实际资料，调水初期3 a，地下水位仍下降，1992—2003年额济纳绿洲绝大部分地下水位下降，下降严重区域主要发生在狼心山至两河上、中段区域以及东居延海附近。1992—2003年地下水位下降区域扩大。

调水后2000—2005年，绿洲绝大部分区域地下水位明显回升（见图5），由于输水过程对地下水埋深变化的影响具有滞后性，因此东河、西河下段地下水位依旧没有得到有效恢复。2006—2010年绿洲绝大部分区域地下水位回升明显，东河中段、西河下段部分区域地下水位下降，但下降幅度明显变小，为1.06～1.66 m，其余区域地下水位在一定范围内波动。2011—2015年，东河、西河地下水埋深整体趋于稳定，地下水位变化幅度为±0.53 m。

图4 黑河下游绿洲区地下水埋深分布（不含深水井）

图5 不同时段地下水埋深变化情况

3.3 地下水埋深与上游来水的关系

鉴于地下水埋深变化对上游来水响应有一定滞后性，以1988—2015年狼心山站年径流数据为基础分析地下水埋深与上游来水的关系。1988—2001年狼心山断面来水量总体呈递减趋势，年均来水量为4.23亿m3。2001年以后，狼心山断面来水量明显增加，2002—2009年平均为5.92亿m3。2010—2015年狼心山断面来水量趋于稳定，年均为5.99亿m3。分水后2000—2015年的平均来水量为5.55亿m3。狼心山入境水量见图6。

图6 狼心山入境水量

20世纪90年代，随着狼心山入境额济纳绿洲水量的减少，地下水位不断下降，以东河中段为例，1992年狼心山年入境水量为1.83亿m3时，下游地下水平均埋深为3.07 m；1996年和1998年狼心山来水都在5.00亿m3以上，这时此段地下水埋深平均为2.66 m；调水初期狼心山来水依然很小，此时段地下水埋深值也大，2002年地下水埋深为3.21 m；2003年以后，随着狼心山来水的增多且逐渐趋于稳定，地下水得到有力恢复且逐渐趋于稳定，2003—2015年地下水年均埋深为2.55 m。1988—2015年地下水埋深与狼心山入境水量线性相关，确定系数为0.759 2，见图7。

图7 地下水埋深与狼心山入境水量关系

4 结 语

基于1992—2015年额济纳绿洲东河、西河上、中、下段地下水埋深观测数据，分析黑河调水后下游地下水埋深在时空上的变化特征。额济纳绿洲地下水的年际变化：1992—2015年地下水位呈现先下降到逐步回升后趋于稳定的过程。1992—2003年额济纳绿洲平均地下水位呈下降趋势，2003年地下水位下降达到最大；2003—2005年地下水位下降趋势得到初步遏制并显著回升；2006—2010年大部分区域地下水位缓慢回升；2011年以后，地下水位持续回升，但变幅较小。这说明通过15 a的生态补水，额济纳绿洲地下水位下降趋势得到很大程度遏制。从地下水埋深的年内变化分析得出，东河、西河3月、4月地下水埋深最小，8月、9月地下水埋深最大。地下水埋深的空间变化：1992—2003年地下水位以下降为主；1999—2015年大部分区域地下水位呈回升趋势，局部区域地下水位变幅不大或轻微下降，通过生态补水，研究区地下水埋深逐步趋于稳定。