1956—2016年新疆平原区地下水资源量变化及其影响因素分析

吴 彬,杜明亮,穆振侠,高 凡,沈蕊芯

(新疆农业大学水利与土木工程学院,新疆 乌鲁木齐 830052)

随着全球气候变化加剧、人类活动加强,水循环、生态水文过程、水资源情势发生了一定的变化[1-2]。地下水是水循环的重要环节、生态环境的重要支撑及水资源的重要组成部分。变化环境下地下水位、地下水资源量发生了显著的变化,对供水安全、生态安全带来严重挑战[3]。Russo和Lall[4]研究了深层地下水枯竭以及对气候诱发的抽水变异性响应,发现深层地下水位对气候变化的响应时间尺度不足1 a；le Brocque等[5]研究了1989—2015年澳大利亚昆士兰南部地下水位变化,认为在高灌区地下水资源量呈明显的衰减趋势；陈飞等[6]对中国60余年来地下水资源的演变规律与影响因素进行了系统分析,认为全国地下水资源量总体稳定,地下水资源区域演变趋势差异明显,特别是西北诸河区地下水补给排泄关系严重失衡；以新疆为代表的西北地区气候正由暖干型向暖湿型转变[7-8],导致降水量明显增加,冰川加速融化[9],地表水资源量增加趋势明显[10]。地表水资源量增加,地下水资源量是否也相应增加,目前并不清楚,相关研究成果较少。

本文采用自20世纪80年代以来水利部门开展的3次地下水资源调查评价成果,以及水资源公报、水利统计汇编等资料,系统梳理1956—2016年来影响平原区地下水资源量的降水、径流等自然因素,以及水利工程建设、灌溉面积、灌溉方式等人类活动因素的变化,通过1956—1979年、1980—2000年、2001—2016年不同时间序列的地下水补给量与资源量的比较,探讨变化环境下新疆平原区地下水资源量演变规律,把握地下水资源的新情势、新变化,为服务新疆经济社会发展与生态文明建设提供依据。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

新疆位于欧亚大陆中部,远离海洋,深居内陆,形成了“三山夹两盆”的地貌轮廓和典型的大陆性干旱气候(图1)。多年平均年降水量157.7 mm,多年平均气温10.3 ℃,水面蒸发量800～2 200 mm。绝大多数河流属于内陆河,多为融雪和降水补给,大部分流程短、水量小。年径流量大于10亿m3以上的河流有18条,其年径流量占年总径流量的59.8%。河流径流量季节变化大,年内分配极不均匀。

图1 新疆地形与水系Fig.1 Terrain and river system map of Xinjiang

新疆地下水的埋藏与分布受水文、气象、地形地貌、区域地质构造等因素控制。山丘区地下水主要赋存在基岩裂隙中,以泉水或泄流的形式排向河谷,形成地表水径流(基流)；平原区地下水主要埋藏在第四纪松散堆积物中,分布在准噶尔盆地、塔里木盆地、一些山间盆地及伊犁谷地。各河流出山口由大小不等的冲洪积扇组成,含水层颗粒粗大,地下水径流强,是单一结构的潜水富集区。在冲洪积扇以下的冲洪积平原和湖积平原区,含水层颗粒变细,是多层结构的潜水-承压含水层,上部潜水已咸化,下部承压水水质相对较好。

平原区地下水主要来自地表水体转化补给、山前侧向补给和降雨入渗补给。河流出山口后,一方面通过河道大量渗漏补给地下水,一方面引入灌区,通过渠系渗漏、田间入渗补给地下水。平原区降雨量较小,在地下水浅埋区,可入渗补给地下水。山丘区地下水,一方面通过河谷潜流进入平原区,另一方面通过接触边界侧向流入平原区。在冲洪积扇边缘,地下水径流受阻,在低洼处或沟谷处,以泉水的形式排泄,或通过泄流的形式排入河道；在浅埋带,地下水通过潜水蒸发排泄。当前人工开采是地下水的主要排泄方式。

1.2 数据来源

本文所指的地下水资源量,是指与当地降水和地表水体有直接水力联系、参与水循环且可以逐年更新的动态水量,即浅层地下水资源量。

新疆平原区总面积91.07万km2,地下水资源评价计算面积48.59万km2(不包括荒漠区和水域面积),地下水资源量评价类型区分为内陆盆地平原区和山间平原区,地下水均衡单元为水资源三级区套县级行政区。每个地下水均衡单元内按包气带岩性、地下水埋深、土地利用类型、灌溉方式等分区采用不同的水文地质参数进行计算。

本文只采用汇总至全疆的成果,第一次、第二次、第三次地下水资源评价(以下简称“历次评价”)资料系列分别为1956—1979年、1980—2000年、2001—2016年。文中1956—2016年系列降水量、径流量数据引自第三次水资源评价项目地表水资源评价专题；1949—2016年系列的灌溉面积、水库、渠道、机井、地表引水量、地下水开采量数据引自《新疆通志:水利志》、水资源公报和水利统计资料汇编。在分析地下水补给量、补给结构变化时,将1956—1979年作为基准期,将1980—2000年和2001—2016年作为对比期,同时分析地下水资源量变化原因,以揭示气候变化和人类活动扰动等对新疆平原区地下水资源量的影响。

2 地下水补给量及动态变化

平原区地下水补给量包括天然补给量、地表水体转化补给量和井灌回归补给量,各项补给量之和为总补给量。其中,天然补给量包括降水入渗和山前侧向补给量,地表水体转化补给量包括河道渗漏、渠道渗漏、渠灌田间入渗和库塘渗漏补给量。

2.1 地下水补给量变化

1956—2016年新疆平原区地下水补给量评价成果见表1。可以看出,1956—1979年、1980—2000年、2001—2016年地下水多年平均总补给量依次为372.56亿m3、340.77亿m3、341.97亿m3。第二次评价比第一次评价减少了31.79亿m3,减幅8.53%；第三次评价比第二次评价增加了1.20亿m3,增幅0.35%。

表1 1956—2016年新疆平原区地下水补给量及动态变化 Table 1 Groundwater recharge and dynamic changes in Xinjiang plain area from 1956 to 2016

从各补给项动态变化分析,历次评价的天然补给量先减少后增加。其中,降水入渗补给量略呈增加趋势,增加量1.00亿m3,增幅8.18%；山前侧向补给量先减少4.47亿m3,后增加1.41亿m3,减幅较大(-12.10%),增幅不大(+4.33%)。地表水体转化补给量呈减少趋势。其中,河道渗漏补给量先减少后增加,变化量14.40～14.90亿m3、变幅较大(-10.36%～11.96%)；渠系渗漏补给量大幅递减,先后减少了31.51亿m3和22.39亿m3,减幅分别为23.61%和21.96%；渠灌田间入渗补给量(含斗、农渠)先增加了14.36亿m3,增幅为36.02%,后减少了1.37亿m3,减幅为2.52%；库塘渗漏补给量略增加,先后增加了0.18亿m3和2.07亿m3,增幅分别为2.08%和23.41%。井灌回归补给量呈增加趋势,增加量分别为3.05亿m3和5.48亿m3,增幅分别为126.03%和100.18%。

2.2 地下水补给结构变化

1956—2016年新疆平原区地下水补给结构动态变化见表2。可以看出,平原区地下水补给量中,天然补给量占比13.19%～14.09%,地表水体转化补给量占比82.71%～86.15%,井灌回归量占比0.66%～3.20%。历次评价的天然补给量占比呈略增加趋势；地表水体转化补给量占比总体呈略减少趋势,其内部结构变化较大，其中，河道渗漏补给量占比先减少后增大,渠系渗漏补给量占比持续减少,渠灌田间入渗补给量占比先增大后基本稳定,库塘渗漏补给量占比略增大；井灌回归补给量占比持续增大。

表2 1956—2016年新疆平原区地下水补给结构及动态变化 %Table 2 Groundwater recharge structure and dynamic changes in Xinjiang plain area from 1956 to 2016

3 影响因素及动态变化分析

影响地下水资源量的因素可分为自然因素与人为因素,自然因素主要为降水和径流,人为因素包括水利工程建设、灌溉面积和灌溉方式变化等。

3.1 自然因素变化

(1)降水量的变化。根据1956—2016年新疆年均降水量系列资料分析,近60 a新疆降水量呈增加趋势(见图2(a)),并以1986年为界呈明显的波动变化，1986年以前以偏少为主，1986年以后转为显著偏多。1956—1979年、1980—2000年、2001—2016年3个系列对应的平均年降水量依次为139.5 mm、160.9 mm、181.0 mm,先后增加了21.4 mm和20.1 mm,增幅显著。

图2 1956—2016年新疆年均降水量与河川径流量变化过程线Fig.2 Variation of annual average precipitation and river runoff from 1956 to 2016 in Xinjiang

(2)河川径流量的变化。河川径流量变化主要受气温和降水影响。气温升高,促进高山区冰川消融,增加了冰雪融水对河流的补给作用；降水增加,增大了流域内非冰雪区的产流能力。近60 a新疆河川径流总量总体呈增加趋势，1956—1986年处于偏枯状态，1987—2016年总体处于偏丰状态(见图2(b))。1956—1979年、1980—2000年、2001—2016年3个系列对应的平均河川径流量依次为845.4亿m3、862.1亿m3、958.3亿m3,先后增加16.7亿m3和96.2亿m3,增幅显著。

3.2 人为因素变化

(1)水库建设的发展变化。1949年前,新疆有3座水库,库容约0.3亿m3。1950—1957年是水库建设的初期阶段,建成水库29座,库容3.97亿m3；1958—1965年是水库建设大发展时期,建成水库110座,库容17.39亿m3；1965—1975年期间,建成水库142座,库容20.53亿m3；1976—1985年,不但对原有的水库进行了除险加固,还新建成204座,新增库容15.68亿m3。1980年以前,建设的主要是平原水库,1980年以后,开始建设山区水库。20世纪八九十年代水库总库容在50亿～60亿m3之间,增加不多；2008年后,随着几座山区大型水库的建成,库容成倍增加,截至2016年,水库库容为165.67亿m3(见图3(a)),占河川流径流量的18.81%。

(2)渠道建设的发展变化。1949年全疆灌溉渠道1 657条,长3.3万km,渠系水利用系数0.25。1949年后,改建旧渠道,兴建引、输水配套工程,至1980年,全疆各级渠道总长20.64万km,其中防渗渠道长1.96万km,渠系水利用系数0.42；1995年,全疆渠道总长30.65万km,其中防渗渠道长6.35万km；至2000年,全疆渠道总长23.08万km,其中防渗渠道长9.30万km,渠系水利用系数0.54；2016年,全疆渠道总长26.71万km,其中防渗渠道长10.75万km,渠系水利用系数0.67(见图3(b))。1995年以前,渠道长度快速增加；1995年以后,由于地下水开采,部分地表水灌区变为井灌区,导致渠道废弃,渠道长度开始减少,但渠道防渗率一直在提高,增长速率放缓。

图3 1949—2016年新疆水库库容和数量、渠道和防渗渠道长度变化曲线Fig.3 Variation of reservoir capacity,quantity,channel length and seepage control length from 1949 to 2016 in Xinjiang

(3)灌溉面积和灌溉方式的变化。新疆灌溉面积发展大致可分为5个阶段:1949年灌溉面积112.11万hm2,1965年扩大到292.13万hm2,这一时期是灌溉面积快速发展时期；1967—1978年是灌溉面积徘徊倒退时期；1978—1995年,灌溉面积缓慢增长；1996年开始,灌溉面积又快速增长,由1996年的406.73万hm2,增长到2010年的619.33万hm2；2014年以后严格控制,灌溉面积略减少,2016年为599.97万hm2(见图4(a))。

历史上,新疆农田灌溉一直采用大水漫灌、串灌和淹灌的方法。1955年以后,推广畦灌、沟灌等常规节水灌溉技术,但进展缓慢。1978年以后,逐步改进灌溉方法和灌水技术,到1985年全疆实行小畦灌、小块灌、细流沟灌、沟植沟灌、沟灌和隔沟灌等的灌区面积约200万hm2,占农田灌溉面积的60%左右。根据勾仲芳和米孟恩[11]的研究,常规沟、畦灌比大水漫灌节水20%～50%。2000年以后,推广先进的喷、滴灌技术,高效节水灌溉面积快速发展,2016年达到270.47万hm2(见图4(a)),占总灌溉面积的54.43%。先进的喷、滴灌技术比沟、畦灌节水40%～70%。节水灌溉技术的推广,提高了田间水利用系数,减少了田间入渗补给量。

渠系水利用系数持续提高,田间水利用系数阶段性提高,故灌溉水利用系数一直在提高(图4(b))。1949年灌溉水利用系数在0.2左右,1980年达到0.3左右,至2000年达到0.4左右。根据周和平等[12]研究,1999—2011年新疆灌溉水利用系数从0.399提高到0.499。根据新疆灌溉年报,2016年的灌溉水利用系数为0.535。1980—2000年,灌溉水利用系数每年提高0.005,自2001年以来,灌溉水利用系数每年提高0.01左右。

图4 1949—2019年新疆平原区灌溉面积与灌溉水利用系数变化过程Fig.4 Variation of irrigation area and irrigation water utilization coefficient from 1949 to 2016 in Xinjiang

(4)地表引水量和地下水开采量变化。1949年新疆地表引水量约200亿m3,随着水利工程的建设,引水量一直快速增长,至1980年达到424.06亿m3；80年代初至90年代中期,灌溉面积增长缓慢,渠系防渗率提高较快,地表引水量基本保持稳定；90年代后期,随着灌溉面积的再次扩张,地表引水量又开始增大,至2012年达到最大值477.87亿m3；2014年以后,实行最严格水资源管理制度,控制用水总量,地表引水量开始下降,2016年为445.91亿m3(见图5(a))。

历史上,新疆利用坎儿井开采地下水,1949年坎儿井出流量约4.0亿m3。1951—1973年学习打井技术,先后尝试竹弓凿井、火箭锥打井、冲击钻打井等技术,至1973年建成配套机电井3 662眼；1973—1985年是机井建设发展阶段,凿井技术日趋成熟,建成一批地下水源地,至1985年,全疆成井数27 015眼,地下水开采量31.85亿m3；自20世纪80年代以来,机井数量与地下水开采量快速增长,至2014年全疆机井数量22.22万眼,开采地下水131.35亿m3；2014年以后严格控制,地下水开采量开始下降,2016年地下水开采量为118.57亿m3(见图5(b))。

图5 1949—2016年新疆平原区地表引水量与地下水开采量变化过程 Fig.5 Variation of surface water diversion and groundwater exploitation from 1949 to 2016 in Xinjiang

(5)地下水埋深的变化。新疆平原区地下水埋深经历了先减小后增大的过程(见表3),20世纪五六十年代,大量引水灌溉,导致灌区地下水位上升；20世纪70年代以后,采取排水措施,地下水位基本得到控制；2000年以后,由于大规模开采地下水和推广田间节水灌溉技术,地下水位下降。据2000年与2016年新疆地下水埋深分布面积统计,2016年地下水埋深小于1.0 m的面积减少55.66%,埋深1.0～3.0 m的面积减少44.76%,埋深3.0～6.0 m的面积增加15.48%,埋深大于6.0 m的面积减少2.21%。地下水浅埋区面积变小,地下水埋深总体增大。

表3 新疆平原区地下水埋深面积统计及变化分析Table 3 Statistics and change analysis of groundwater depth in 2000 and 2016 in Xinjiang plain area

4 地下水资源量变化原因分析

地下水资源量变化是自然因素与人为因素共同作用的结果,不同因素对地下水各补给项的影响程度不同。气候变化影响降水量与径流量,既影响平原区地下水天然补给量,也影响地表水体转化补给量。人类活动改变了下垫面条件和地表水空间分布格局,主要影响平原区地表水体转化补给量。

4.1 天然补给量变化原因分析

影响降水入渗补给量的主要因素包括有效降水量、地下水埋深和包气带岩性。有效降水量受气候变化影响；平原灌区地下水埋深主要受灌区引水和人工开采地下水影响；包气带岩性可以看作是不变的。降水量增大,降水入渗补给量应该增大；地下水埋深增大,降水入渗补给量应减少。历次评价的降水入渗补给量呈略增加趋势,说明降水量的影响略大于地下水埋深的影响。根据各分析单元2001—2016年逐年的降水量(P)、降水入渗补给量(Pr),建立P—Pr关系方程,并根据各分析单元1956—2000年逐年降水量,从P—Pr曲线方程中计算相应年份的降水入渗补给量,形成1956—2016年系列降水入渗补给量(见图6(a))。可以看出,平原区降水入渗补给量呈略微增加的趋势,与降水量变化趋势一致，与表1中历次评价结果一致。

图6 1956—2016年新疆平原区降水入渗补给量与山前侧向补给量变化过程线Fig.6 Variation of precipitation infiltration in plain area and lateral flow in front of the mountain from 1956 to 2016 in Xinjiang plain

山前侧向补给量是沿山丘区与平原区界线流入平原区的地下水补给量,包括河床潜流和基岩裂隙水。河床潜流量受河道过水量影响,河道过水量受天然径流量、山区水库调蓄、渠道引水影响。河道天然径流量、山区水库调蓄量和渠道引水量均呈增加趋势,但河道天然径流增加更多,故河道过水量增加,河床潜流量应呈增加趋势。基岩裂隙水主要受山丘区降水量影响,降水量增加,基岩裂隙水也应增加。采用1956—2016年系列降水量变化率乘以山丘区多年平均侧向流出量(即平原区山前侧向补给量),计算得1956—2016年系列的山前侧向补给量。总体上来看,山前侧向补给量略呈上升趋势(见图6(b)),与山区降水量变化趋势基本一致,与历次评价的山前侧向补给量变化趋势不一致,主要原因是第一次评价的山前侧向补给量偏大。

4.2 地表水体转化补给量变化原因分析

(1)水均衡分析。进入平原区的地表水量,一部分转化补给地下水,大部分蒸发消耗,还有一部分流出区外。出区水量分布在特定的几个流域,而且在下游,对地表水体转化补给量影响较小。地表水体转化补给量变化主要与地表来水量与耗水量的变化有关。新疆山丘区是水资源形成区,平原区是水资源的耗散区,平原区地表来水量基本等于河川径流量。据前节分析,历次评价的河川径流量呈增加趋势,即地表来水量增加。随灌溉面积扩大,灌溉用水量增加,农田灌溉耗水量也增加；随田间节水灌溉技术的推广,单次灌水量减少,灌溉水深层渗漏量减少,农田灌溉耗水率增大。平原区地表来水量增加、农田灌溉耗水量也增加,但耗水量的增加量大于地表来水量的增加量,故地下水渗漏补给量减少。

(2)地表水体转化补给量各组成分析。本文未收集到1956—1979年地表引水量系列数据,故仅针对1980—2000年、2001—2016年平均值分析地表水体转化补给量组成变化。

平原区河道渗漏补给量主要受河道过水量影响,河道过水量主要受上断面径流量与引水量影响。与1980—2000年相比,2001—2016年上断面径流量、地表引水量都在增加,但上断面径流量的增加量(82.89亿m3)大于地表引水量的增加量(25.36亿m3),故平原区河道过水量增加62.72亿m3,河道渗漏补给量相应增加14.90亿m3,见表4。

表4 新疆平原区河道和渠系(干支)渗漏补给量变化原因分析Table 4 Analysis of variation causes of river leakage and canal system (main branch)seepage in Xinjiang plain area

渠系渗漏补给量只计算到干渠、支渠两级,渠系渗漏补给量与渠道引水量、渠系水利用系数、地下水埋深、包气带岩性有关。与1980—2000年相比,2001—2016年平均渠道引水量增加,渠系水利用系数从0.59提高到0.65。渠道引水量增加,渠系渗漏补给量应增加；渠系水利用系数提高,渠系渗漏补给量应减少。因渠系水利用系数提高的影响大于渠道引水量增加的影响,故渠道损失水量减少,渠系渗漏补给量随之减少(表4)。另外,地下水埋深增大,也会使渠系渗漏补给量减少。

渠灌田间入渗补给量包括斗农渠渗漏补给量与田间入渗补给量,与进地水量、斗农渠防渗、灌溉方式、地下水埋深及包气带岩性有关。与1980—2000年相比,2001—2016年平均斗农渠进水量增大,斗农渠水利用系数从0.66提高到0.82(见表5)。同理,斗农渠水利用系数提高的影响大于其引水量增加的影响,故斗农渠渗漏补给量减少；进入田间的水量增加,但随着田间节水灌溉技术的推广，田间水利用系数由0.86提高到0.89,亩均用水量减少,节约的水量又用于扩大灌溉面积,总体耗水量增加,故田间入渗补给量总体增加不多；两项合计,渠灌田间入渗补给量略减少。

表5 新疆平原区渠灌田间入渗补给量变化原因分析Table 5 Analysis of variation causes in field infiltration in Xinjiang plain area

库塘渗漏是指平原水库的渗漏量,包括库盘渗漏和坝基渗漏。库塘渗漏主要与水库库容、库盘岩性及坝基防渗有关。与1980—2000年相比,2001—2016年平原水库库容略增加,故库塘渗漏补给量略增加。

4.3 地下水资源量变化及原因分析

地下水总补给量扣除井灌回归补给量后,即为地下水资源量。新疆平原区1956—1979年、1980—2000年、2001—2016年地下水多年平均资源量依次为370.14亿m3、335.30亿m3和331.02亿m3,呈减少趋势。第二次评价比第一次评价减少34.84亿m3,减幅9.41%；第三次评价比第二次评价减少了4.28亿m3,减幅1.28%(表6)。据《全国水资源调查评价技术细则》,要求重点评价矿化度M≤2 g/L的地下水资源量。矿化度M≤2 g/L分区的地下水资源量评价,是在满足地下水均衡差标准后,对分析单元内的完整计算单元,直接采用各项补给量计算成果；对分析单元内的不完整计算单元,可根据各项补给量模数,采用面积加权法计算其各项补给量。第一次地下水资源评价并没有计算矿化度M≤2 g/L的地下水资源量。根据第二、三次评价成果,新疆平原区1980—2000年、2001—2016年矿化度M≤2 g/L的地下水资源量分别为304.94亿m3和281.81亿m3,第三次评价比第二次评价减少23.13亿m3,减幅7.59%。减幅较大的原因主要是第三次评价的矿化度M≤2 g/L分区面积减少了,这与样品采集数量与评价精度有关。

表6 新疆平原区地下水资源量变化原因分析Table 6 Analysis of variation causes groundwater resource in Xinjiang plain area

平原区地下水资源量的变化是各项补给量变化的综合反应,各补给量占比不同、增减幅度不同,对地下水资源量的影响不同。天然补给量占比小,总体变化不大,对地下水资源量影响小。地表水体转化补给量占比大,变幅大,对地下水资源量影响大。地表水体转化补给量中,河道渗漏量占比大,变幅大,对地下水资源量影响较大；渠系渗漏补给量占比大,减幅大,导致地下水资源呈减少趋势；渠灌田间入渗补给量、库塘渗漏补给量占比小,变幅小,对地下水资源量影响小。从地下水补给结构分析,渠系渗漏补给量大幅减少,导致了地下水资源量的减少。从水均衡来分析,平原区农田灌溉耗水量增大,是地下水资源量减少的根本原因。同时,由于历次评价工作精度不同,评价成果存在着人为误差,也是影响地下水资源量变化的因素之一。

据预测,至2030年,西北气候持续暖湿化[13],地表水资源量还会增加。当前实施最严格水资源管理制度,控制用水总量,提高用水效率。在灌溉面积不扩大、甚至退减灌溉面积政策的驱动下,新疆平原区地下水资源量变化趋势会由减少转为稳定,甚至增加。

5 结 论

依据水资源调查评价成果资料及水利统计资料,开展新疆平原区地下水资源量变化研究,得到以下主要结论:

(1)1956—2016年新疆年均降水量、河川径流量均显著增加,而地下水资源量并没有增加,反而呈减少趋势。

(2)1956—2016年新疆平原区地下水补给结构中,天然补给量基本稳定,地表水体转化补给量呈持续减少趋势,其中,河道渗漏补给量先减少后增加,渠系渗漏补给量持续大幅递减,渠灌田间入渗补给量先增加后略减少,库塘渗漏补给量略增加。渠系渗漏补给量的减少量大于河道渗漏补给量的增加量,使地下水资源量总体减少。

(3)1956—2016年灌溉面积不断扩大,农田灌溉耗水量增大是新疆平原区地下水资源量减少的根本原因。同时,地表水资源量增加,减轻了地下水资源量衰减的幅度。