新疆石河子-昌吉地区2016—2020年地下水位动态特征分析

丁启振，周金龙*，杜明亮，王新中，张淑霞，高 琪

（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.新疆水利工程安全与水灾害防治重点实验室，乌鲁木齐830052；4.新疆昌吉州地质环境监测站，新疆 昌吉831100）

0 引 言

【研究意义】地下水在维持经济社会发展和生态平衡方面有着重要的作用。据《2003年全国地下水新一轮评价成果》报道，我国北方有相当一部分地区地下水处于超采状态，且水位持续下降，并引发一系列环境地质问题，例如地面沉降、地面塌陷等。因此，区域地下水位动态研究受到国内学者的广泛关注。

【研究进展】我国北方诸多地区地下水位表现出以下降为主的态势，且受地表径流、灌溉、水利工程、降水及开采等多个因素的综合影响，如：1980—2001年华北平原[1]、1997—2007年三江平原建三江[2]、1990—2009年塬下灌区[3]、1960—2010年关中城市群[4]、2002—2013年济南引黄灌区[5]以及1980—2019年秦岭北麓[6]等，但西北干旱区受降水影响并不显著[7-8]。南方湿润地区地下水位动态主要受降雨的控制，且地下水位对降雨存在一定的滞后效应[9-10]。

新疆维吾尔自治区（以下简称“新疆”）石河子-昌吉地区（以下简称“石-昌地区”）人口密集、生产力集中、农工业发达，作为天山北坡经济带的核心部分，有着十分重要的战略地位[11]。该区地处资源性缺水问题显著的西北干旱区，地表水资源缺乏，人们大量开采、甚至超采地下水，严重制约经济的可持续性发展。为遏制这一现象，2018年新疆颁布《新疆地下水超采区划定报告》，对当地地下水保护和利用具有积极作用。

前人在该区地下水位动态方面已取得大量研究成果。吴彬[12]研究表明石河子市地下水已处于严重超采状态；胡先林[13]研究得知呼图壁县平原区2005—2009年地下水位年均下降速率为1.23 m/a；何玉敬[14]研究得到昌吉市2006—2015年地下水超采严重、年均下降速率为0.70 m/a 和开采量为主要驱动因子的结论；管春兴等[15]研究得知玛纳斯山前平原区1995—2015年的地下水位呈下降趋势，地表灌溉、地下水开采等为其驱动力。【切入点】现有研究多为地下水位动态特征现状描述，影响因素的分析不够系统、深入，因此本文着重研究石河子-昌吉地区近期地下水动态特征及影响因素。【拟解决的关键问题】以2016—2020年石-昌地区地下水埋深为基础，绘制多年地下水埋深累计变幅分区图和高低水位期地下水流场对比图，综合采用直线趋势法对地下水位动态变化特征进行研究，同时利用灰色关联分析法进行影响因素分析，对石河子-昌吉地区加强地下水开发利用与保护、缓解地下水超采、维护生态安全具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

石河子-昌吉地区包括石河子市、玛纳斯县、呼图壁县和昌吉市，面积为29 463.6 km2，约占新疆总面积的1.8%。研究区地处古尔班通古特沙漠边缘，准噶尔盆地南缘，隶属天山北麓中段平原区的一部分（43°55′—45°05′N，85°53′—87°37′E），西邻沙湾市，东接乌鲁木齐市；地势总体上南高北低，自东南向西北倾斜；地貌类型包括南部山区、中部平原区和北部沙漠区3 种。研究区属温带干旱半干旱气候区，具有冬季寒冷、夏季炎热、蒸发强烈和昼夜温差大的特点，多年平均气温8.0 ℃，多年平均降水量235.2 mm，年蒸发量1 500.0 mm 左右。区内水系发育，自西向东主要分布玛纳斯河、塔西河、呼图壁河、三屯河和头屯河等河流，天山冰川为其河源，补给主要依靠高山融雪水和大气降水[16-17]；其中，玛纳斯河和呼图壁河分别是天山北麓中段第一、第二大河流，多年平均径流量分别为12.50×108m3[18]和4.81×108m3[19]。研究区内广泛分布第四系松散岩类孔隙水，包括孔隙潜水和孔隙承压水[20]。区内承压水界线以南为由卵砾石组成的单一结构潜水含水层，以北为由砂砾石和砂组成的多层结构潜水-承压水含水层[21-22]；含水层岩性自南向北颗粒逐渐变细，地下水径流能力减弱；地下水埋深一般为25～85 m，南部山前埋深一般较大，向北埋深逐渐减小。地下水流向与地形基本一致，自南向北或北西，最终排泄于沙漠；地下水主要以降水、积雪融水、渠系渗漏水和田间灌溉入渗水为补给来源；地下水排泄方式主要为人工开采、侧向流出和蒸发蒸腾[23]。研究区以农业用地为主，2016—2019年玛纳斯县农田实灌面积从6.44×104hm2减少至5.96×104hm2，减少7.5%；呼图壁县农田实灌面积从8.73×104hm2减少至7.46×104hm2，减少14.5%；昌吉市农田实灌面积变幅不大，多年平均值为5.11×104hm2。

1.2 数据来源

本文所用44 眼监测井2016年1月—2020年12月逐月地下水埋深数据由新疆昌吉州地质环境监测站提供。气象、耕地面积和地下水开采量等数据来自《新疆统计年鉴》和《昌吉州水资源公报》。监测井分布于石-昌地区平原区，井深38～200 m，控制面积约3 107 km2，监测井密度14.2 眼/103km2，符合《地下水监测规范SL183-2005》冲洪积平原区超采区地下水水位监测站的布设密度8～14 眼/103km2的要求。其中，潜水井29 眼，位于单一结构潜水区；承压水井15 眼，位于多层结构潜水-承压水区。监测井分布见图1。

图1 地下水监测井分布Fig.1 Distribution of groundwater monitoring Wells

1.3 研究方法

1.3.1 直线趋势法

基于连续60 个月的地下水埋深逐月监测数据，采用直线趋势法对地下水位动态变化特征进行研究。离散随机序列为逐月地下水埋深实测序列，即：

式中：x(t)项表示实际观测序列；f(t)项表示长期变化趋势；α(t)项表示平稳时间序列；β(t)项表示周期变化；γ(t)项表示随机变化；t以月为时间单位。本文重点关注f(t)项。基于最小二乘法原理，利用一元线性回归方程拟合得到趋势直线方程，即：

式中：m为趋势直线方程的斜率系数，表示实际观测序列的变化速率，正负号分别表示埋深增大和埋深减小；变化速率/年=变化速率/月×12。

1.3.2 灰色关联分析法

灰色关联分析（GRA）是基于灰色系统理论由邓聚龙在20 世纪80年代首次提出用来解决信息不完全、数据少等不确定性问题[24]，基本思想是以数学方法为基础来研究指标间的几何特征，几何形状越相似，关联程度越大，反之越小。具体步骤：①整理数据；②确定参考序列和比较序列；③数据无量纲化处理；④计算关联系数；⑤计算关联度。

2 结果与分析

2.1 地下水位动态变化特征

2.1.1 地下水位年内动态特征

1）潜水

灌溉入渗-开采型。主要分布在人口集中、农业活动频繁和地表水-地下水联系密切的区域，是潜水年内动态特征的主要表现形式。以S2 监测井为例（图2（a）），1—3月水位上升，最高水位出现在3月，4月开始灌溉，地下水位随开采量的大幅增加而明显下降，受田间灌溉水渗漏和渠系渗漏补给等作用影响，7—8月水位最低，9月农作物成熟，地下水开采量减少，水位开始回升至次年3月前后。

水文-开采型。主要分布在河流附近，也是潜水年内动态特征表现形式之一。以K9 监测井为例（图2（b）），地下水位动态变化滞后于河流流量变化，且1—3月地下水开采量少、枯水期地下水补给河流，因此水位多呈缓慢降低趋势。4—9月河流流量虽有所增加，但随着地下水开采量的增加，5—7月水位降至年内最低，9—11月水位年内最高。

2）承压水

开采型。分布于地势低平、地下水径流缓慢的中部平原区，是承压水年内动态特征的主要表现形式。以M7 监测井为例（图2（c）），相比灌溉入渗-开采型，因开采强度大，开采型动态变化曲线地下水埋深大，1—3月水位上升，7—9月水位最低，因地下水垂向和侧向补给能力差，水位开始回升时间要晚1—2 个月，最终回升至次年3月前后。

图2 典型监测井地下水埋深年内、年际动态Fig.2 Intra-year and inter-year dynamics of groundwater depth in typical monitoring Wells

2.1.2 地下水位年际动态特征

以图2（d）为例，结合44 眼监测井直线趋势法拟合结果，根据地下水位年均速率划分地下水多年动态类型（表1）。地下水多年动态类型可划分为水位快速上升（≥0.5 m/a）、缓慢上升（0.1～0.5 m/a）、基本稳定（-0.1～0.1 m/a）、缓慢下降（-0.5～-0.1 m/a）和快速下降（≤-0.5 m/a）5 种类型[25]。

1）潜水

由表1 可知，水位快速上升型分布在区内石河子市和玛纳斯县南部山前，2016—2020年潜水水位年均上升速率基本相同，分别为0.67 m/a 和0.68 m/a。快速下降型分布在呼图壁县潜水区中部，潜水水位年均下降速率为区内最大（-1.21 m/a）。缓慢上升型在昌吉市区北部附近沿东西走向分布，潜水水位年均上升速率为0.23 m/a。缓慢下降型主要分布于昌吉市区西部，潜水水位年均下降速率为-0.39 m/a。

表1 2016—2020年各县市监测井地下水位变幅Table 1 Variation of groundwater level of monitoring Wells in various counties and cities from 2016 to 2020

2）承压水

快速上升型主要分布在石河子市北部承压水界线附近以及玛纳斯县北部漏斗边缘，承压水水位年均上升速率分别为1.15 m/a 和0.89 m/a。快速下降型分布在玛纳斯县北部漏斗中心区和呼图壁县承压水区南部，承压水水位年均下降速率分别为-0.76 m/a 和-3.05 m/a（约为潜水的2.5 倍）。

2.1.3 地下水位动态空间分布特征

基于44 眼监测井2016年1月—2020年12月地下水埋深累计变幅，绘制石-昌地区地下水埋深累计变幅分区图（图3），并统计了各分区面积（表2）。

1）潜水

从表2 和图3 可以看出，区内潜水总控制面积为1 602.41 km2。其中，水位下降区主要位于中东部的呼图壁县和昌吉市一带，各占区内潜水总控制面积的34.7%和33.8%，呼图壁县水位降幅明显大于昌吉市。呼图壁县内水位降幅由中间向两侧逐渐减小，埋深累计变幅＞5 m 区域面积最多为204.81 km2。昌吉市内水位降幅大致从中间向四周逐渐增大，南部山前降幅最大，中部降幅最小，推测市内可能存在局部汇水区；埋深累计变幅以2～3 m 和1～2 m 为主，区域面积总和为307.72 km2。

图3 2016年1月—2020年12月地下水埋深累计变幅分区Fig.3 Cumulative variation of groundwater level depth from January 2016 to December 2020

表2 地下水埋深累计变幅分区面积统计Table 2 Statistical table of regional area of accumulated variation of buried depth of groundwater level km2

水位回升区主要分布在区内西南部的石河子市和玛纳斯县南部山前一带，各占区内潜水总控制面积的8.8%和17.8%，玛纳斯县水位升幅略大于石河子市。石河子市内埋深累计变幅以-3～-2 m 为主，区域面积为63.02 km2；市区西北部水位升幅最大。玛纳斯县内水位升幅自南向北降幅呈发散式减小，埋深累计变幅-4～-3 m 区域面积最多为99.96 km2。

2）承压水

区内承压水总控制面积为1 504.90 km2。其中水位下降区主要位于玛纳斯县、呼图壁县一带，各占区内承压水总控制面积的60.1%和19.4%，呼图壁县水位降幅明显大于玛纳斯县。玛纳斯县内降幅由南向北呈先增大后减小的趋势，埋深累计变幅＞5m 区域面积最多为335.69 km2；北部存在埋深累计变幅漏斗渐变区，漏斗中间水位降幅最小，漏斗边缘降幅最大，推测该区域近年来开采程度有所减弱，但水位仍处于下降状态。呼图壁县内水位降幅自东向西逐渐减小，埋深累计变幅＞5 m 区域面积最多为168.17 km2。

水位回升区主要分布于石河子市和玛纳斯县承压水界线以北附近，各占区内承压水总控制面积的8.1%和4.6%。石河子市内承压水位有所回升，埋深累计变幅-3～-2 m 区域面积最多为61.08 km2。玛纳斯县承压水水位回升区属潜水水位上升区至承压水水位下降区的过渡部分，分布面积较小，埋深累计变幅-1～0 m 区域面积最多为29.67 km2。

2.2 地下水流场变化特征

地下水位的变化主要由地下水的补给项和排泄项发生变化而引起[26]，可通过绘制地下水流场直观反映区域地下水流场变化特征。

2.2.1 低水位期变化特征

1）潜水

对比分析2016年8月与2020年8月等水位线图（图4（a））。区内石河子市及玛纳斯县南部潜水等水位线较2016年整体北移，玛纳斯河附近偏移距离较大，表明潜水水位回升，且一定程度上受玛纳斯河补给作用的影响。呼图壁县中部潜水流场有逆转的趋势，水力坡降增大，表明该区域仍存在地下水超采现象。昌吉市南部潜水水位下降不明显，水力坡降和流向变化微小，由于受河流补给作用，汇水中心北部附近潜水等水位线微微上移。

2）承压水

玛纳斯县中部自南向北等水位线较2016年大致由上移向下移转变，表明承压水水位沿南北方向表现出先回升后下降的趋势；北部水位下降漏斗进一步扩大，边界水力坡降增大，致使侧向补给作用不断被激发。呼图壁县承压水流场相对潜水流场逆转趋势较大，水力坡降较小，可能是承压水区地势平缓以及开采强度大所致。

2.2.2 高水位期变化特征

1）潜水

对比分析2016年12月与2020年12月等水位线图（图4（b））。区内石河子市及玛纳斯县南部大部分地区潜水等水位线较2016年近乎重合，表明高水位期地下水位变幅不大；上游玛纳斯河附近等水位线略微下移，推测可能存在地下水补给河流现象。呼图壁县中部潜水流场较2016年逆转趋势没有较大改变，水力坡降相对减小，表明该区域地下水可能处于全年持续超采状态，但高水位期开采强度相对较弱。受河流补给作用影响，昌吉市同低水位期流场变化特征基本相反。

图4 2016—2020年低、高水位期地下水等水位线Fig.4 Groundwater levels during low and high water levels from 2016 to 2020

2）承压水

玛纳斯县中部承压水等水位线较2016年近乎重合，越靠近北部漏斗区边缘等水位线下移越严重，表明高水位期仍存在开采现象，主要满足少量生活用水。较低水位期而言，漏斗边界水力坡降减小，表明开采强度减弱。呼图壁县中部承压水流场逆转趋势较低水位期没有明显改变，表明地下水开采强度没有减弱。

2.3 地下水位动态影响因素分析

因区域地下水埋深多＞6 m，故不考虑降水和蒸发因素对地下水位动态的影响。结合已有资料、研究区地下水补排项和人类活动的一致性，选取地下水开采量（X1）、耕地面积（X2）、地表水源供水量（X3）和地下水源供水量（X4）作为比较序列，地下水平均埋深为参考序列（X0）。数据无量纲化处理包括初值法、区间法和均值法3 种，本文选用初值法。取灰色关联度＞0.70 的因子作为地下水位变化的主要驱动因子。计算结果见表3。

表3 灰色关联度计算结果Table 3 Calculation results of grey correlation degree

2.3.1 潜水位动态影响因素分析

从表3 可以看出，2016—2020年驱动石河子市潜水水位回升的主要因子为X2（0.79），2016—2019年地下水开采量减少0.44×108m3，耕地面积减少4 833.33 hm2，地下水开采量从6 014.25 m3/hm2减少至5 122.35 m3/hm2，减少14.8%，退地减水是致使水位回升的主要原因。驱动玛纳斯县潜水水位上升的主要因子大小排列：X1（0.81）＞X3（0.80）＞X2（0.76），2016—2019年地下水开采量和耕地面积均在减少，地下水开采量从1 792.80 m3/hm2减少至1 758.45 m3/hm2，减少1.9%，每年地表水源供水量稳定在5 264.70 m3/hm2，退地减水和地表水源稳定供给为水位回升的主导因素。驱动昌吉市潜水水位上升的主要因子大小排列：X3（0.81）＞X2（0.78），2016—2019年地表水源供水量由2 725.20 m3/hm2增加至3 065.70 m3/hm2，增加12.5%，2018—2020年河流引水率由65.2%增加至71.1%，地下水开采量从4 218.75 m3/hm2减少至2 822.85 m3/hm2，减少33.1%，局部区域水位回升，由于持续开采地下水，整体上水位仍以缓慢下降为主。多年来，地表水源供水量的贡献有所增加，侧面反应地下水的保护有所成效。

2.3.2 承压水位动态因素分析

驱动石河子市承压水水位上升的主要因子大小排列：X1（0.76）=X2（0.76）＞X4（0.75），承压水区基本靠开采地下水灌溉，耕地面积减少，地下水农田灌溉用水量减少，从而减少地下水源供水量，退地减水是水位回升的主要原因。驱动玛纳斯县承压水水位回升的主要因子大小排列：X1（0.75）＞X2（0.74），耕地面积减少，相应地下水开采量减少，但由于承压水区替代水源少、开采强度大等原因，水位仍处于下降状态；另外，低水位期到高水位期地下水开采强度减弱，可能是造成北部漏斗内水位出现不同程度回升的原因。

3 讨论

魏兴等[27]得出2010—2014年玛纳斯河流域单一结构潜水区年均地下水位下降速率0.74 m/a，而本研究认为石河子市及玛纳斯县地下水超采治理成果显著。与胡先林[13]研究结果相比，呼图壁县年均下降速率无明显变化，表明地下水持续超采；殷秀兰等[28]认为一个地区的地下水位变化较大，其水质状况相应变化明显，因此地下水位变动对地下水质的影响研究是该区今后的研究课题。呼图壁县地下水开采量、耕地面积、地表水源供水量和地下水源供水量均呈减少趋势，水位仍持续下降的具体原因有待进一步查明。与何玉敬等[14]研究相比，昌吉市水位年均下降速率减小约50%，主要驱动因子由地下水开采量向地表水源供水量转变，说明超采治理有所成效。

地下水位变化的驱动因子主要包括自然因素和人为因素，分析方法诸多。吉磊等[8]和陈彬鑫等[29]分别采用水量均衡法和多元回归分析方法分析莫索湾灌区地下水位驱动因子，研究得出人为因素已成为地下水位变化的主要驱动力，其中地下水开采量是影响地下水位变化的主要因素。鉴于区内地下水埋深多＞6 m，自然因素影响相对较小，本文仅用灰色关联方法分析人为因素对地下水位变化的影响，与前人研究得出的结论相似，表明结论具有一定的参考价值。

4 结论

1）石河子-昌吉地区地下水动态类型包括3 种，潜水动态类型为灌溉入渗-开采型和水文-开采型，承压水动态类型为开采型。开采型和灌溉入渗-开采型年内水位波动大，水文-开采型年内水位波动相对较小。

2）石河子市地下水位呈快速上升趋势，地下水埋深累计变幅以-3～-2 m 为主；玛纳斯县南部地下水位为快速上升型，地下水埋深累计变幅以-4～-3 m 为主，北部地区主要为快速下降型，地下水埋深累计变幅以＞5 m 为主；呼图壁县地下水位呈快速下降趋势，埋深累计变幅以＞5 m 为主，且承压水水位下降速率约为潜水的2.5 倍；昌吉市地下水位动态变化缓慢，以缓慢下降为主，埋深累计变幅以2～3 m 为主。

3）石河子市地下水位和玛纳斯县潜水位回升主要取决于低水位期。玛纳斯县北部承压水位局部回升主要由高水位期决定。呼图壁县地下水位持续下降，受高、低水位期共同影响。昌吉市地下水位动态稳定，一定程度上受河流补给作用的影响。

4）区内潜水水位变化主要受耕地面积、地下水开采量和地表水源供水量的影响，而承压水水位变化主要受耕地面积和地下水开采量的影响。