煤窑沟灌区地下水化学特征与地下水动态分析

祖力皮亚·热西提

（新疆维吾尔自治区水文局,新疆 乌鲁木齐 830000）

煤窑沟灌区2009 年～2018 年农业、工业、生活及生态多年平均用水量分别为31059 万m3、853万m3、1330万m3和813万m3,总用水量为34055万m3。其中地下水（井水、泉水利用、坎儿井利用）多年平均利用量分别为24698万m3、758万m3、1176万m3和630万m3。为了科学利用地下水资源,需对灌区地下水化学和动态特征进行分析。

1 概况

煤窑沟灌区是吐鲁番市高昌区最大的一个灌区,是吐鲁番市和高昌区重要的棉花和葡萄生产基地。煤窑沟灌区地下水的形成和富集,主要受补给条件和地层岩性特征的控制,局部受构造的影响。在山前冲洪积倾斜平原地区,地下水主要由山区降雨、融雪水及山区基岩裂隙水侧向径流流入补给或由山前地表水入渗转化形成。北部的高山区,地下水主要以基岩裂隙水的形式向下运移,并对河水有补给作用。在中山区段,基岩裂隙水不太发育,主要靠河水对其补给。由北向南,出低山区后河床覆盖层变厚,在山口下游,其厚度达数百米,地表水除蒸发以外,全部转化成地下水进入山前倾斜砾质平原中,地下水存在的形式,主要为孔隙潜水,潜水埋深一般大于50 m。在山前冲洪积砾质平原中,地下水水质较好,水量较丰富。地下水水化学类型为HCO3-Ca型或HCO3-Ca·Na型,矿化度小于1g/L。

经过地质勘探,煤窑沟灌区地下水埋深6 m～10 m、10 m～20 m、20 m～30 m、30 m～50 m和＞50 m的面积分别为8.6 km2、33.4 km2、221.6 km2、297.7 km2和1286.5 km2；依次占平原区面积的0.5%、1.8%、11.8%、15.9%和68.6%。总体看,高昌区煤窑沟灌区南盆地地下水埋深大于20 m,对区内天然生态环境植被存在不利因素。

2 地下水化学特征

2.1 地下水化学类型

根据灌区机井（井深50 m～190 m）水质资料分析可知,煤窑沟灌区井水pH值为7.2～8.6,为弱碱性水；井水总硬度69.4 mg/L～939 mg/L,属软水、微硬水和硬水；井水溶解性总固体为180 mg/L～2440 mg/L,属淡水（＜1000 mg/L）和微咸水（低矿化水1000 mg/L～3000 mg/L）；井水化学类型（舒卡列夫分类）主要以11 -A（HCO3、SO4型）、39-A（SO4、Cl型）为主。地下水化学类型从上游到下游具有由HCO3型HCO+SO4型 HCO+SO4+Cl型SO4型Cl型的演变特征。煤窑沟灌区灌区流域以阴离子为HCO3型、HCO+SO4型、 SO4型和Cl型的地下水化学类型的面积分别为27.7 km2、1220.5 km2、86.5 km2、475.7 km2和85.7 km2,分别占煤窑沟灌区总面积的1.5%、64.4%、4.6%、25.1%和4.5%。

2.2 地下水硫化度特征

由收集的煤窑沟灌区井水（井深50 m～190 m）水质资料得出,灌区北盆地全区及南盆地北部及中部区域,地下水矿化度一般＜1000 mg/L。地下水矿化度1000 mg/L～2000 mg/L分布区域主要在南盆地上中部；地下水矿化度＞2000 mg/L分布在南盆地最下部,同时在南盆地的中部也有分布。煤窑沟灌区流域地下水矿化度分布主要以＜1000 mg/L为主,其次是 1000 mg/L～2000 mg/L 的地下水质。煤窑沟灌区流域地下水矿化度＜1000 mg/L、1000 mg/L～2000 mg/L、2000 mg/L～3000 mg/L的面积分别为1301 km2、480.3 km2和114.7 km2,分别占煤窑沟灌区总面积的68.6%、25.3%和6.0%。

高昌区艾丁湖湖积平原区是流域的最低处,是地表水和地下水的归缩处,也是盐分聚积堆积区。地下水处于停滞状态,以蒸发排泄强烈浓缩为主,尤其氯化钠盐饱和后析出盐分聚积,在盆地周围形成严重盐沼地,水质盐化,一般为CI- SO4-Na型水,向艾丁湖地带,演变为CI-Na型水,矿化度达50 g/L～350 g/L。

综上,煤窑沟灌区地下水化学成分,主要受径流条件控制,在含盐岩层的溶滤以及水与离子交替吸附等综合作用下,形成以艾丁湖为中心的半环状水化学分带特征。水平方向从平原低处到北部山区,垂直方向从上到下,地下水矿化度由高变低,水化学类型由氯化物型水-硫酸盐型水-重碳酸盐型水的变化特征。

3 地下水动态特征

3.1 地下水埋深变化特征

（1）年内地下水埋深变化特征

煤窑沟灌区地下水动态变化,在吐鲁番山前地带随地表径流量变化而变化。地下水动态变化的主要表现,枯水期最低水位出现在冬季冻结后,随着春暖解冻融雪,有地表径流入渗,地下水水位波动回升,出现丰水期二次；一次在积雪消融解冻地表水的洪峰期,相对影响地下水出现丰水洪峰；第二次一般在5月～8月降水多时段,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。因此,动态类型属水文径流型。

绿洲区内由于人类的活动,大量开采利用地下水,地下水动态主要呈开采型特征,地下水位变化大多呈单峰型,一般自4月份水位开始下降,最低水位出现在7 月～8 月,随后水位开始缓慢上升,最高地下水位出现在第二年的1 月～3 月,年变幅1.0 m～6.0 m。

（2）年际地下水位变化特征

根据吐鲁番水文局地下水监测资料,绘制煤窑沟灌区南盆地地下水2009 年～2019 年10 年变化降深,见图1、图2。

从图1、图2中可以明显看出,煤窑沟灌区北西向南东方向地下水埋深多年变化由稳定向快速下降状态演变。北西即高昌区敬老院区域地下水埋深多年变化为基本稳定区（-0.1 m/a～0.1 m/a）；恰特卡勒水管所、火焰山农业开发区区域则为中速下降区域（-0.5 m/a～-1.0 m/a）,再向南东火焰山园艺村、恰特卡勒唐努儿队区域地下水埋深为快速下降区（＞-1.0 m/a）。

图1 火焰山园艺村地下水埋深变化及趋势图

图2 恰特喀勒乡唐努尔队地下水埋深变化及趋势图

统计煤窑沟灌区南盆地地下水埋深多年变化速率分区（表1）可以看出,煤窑沟南盆地面积902.7 km2,其中地下水稳定区（-0.1 m/a～0.1 m/a）面积为51.9 km2,占总面积的5.7%；慢速下降区（0.1 m/a～0.5 m/a）面积为74.1 km2,占总面积的8.2%；中速下降区（0.5 m/a～1.0 m/a）面积为221 km2,占总面积的24.5%；快速下降区（＞1.0 m/a）面积为555.5 km2,占总面积的61.6%；煤窑沟灌区南盆地地下水埋深主要以快速下降为主。

表1 煤窑沟灌区南盆地地下水埋深年平均变化速率分区表 单位：km2

3.2 坎儿井出流变化特征

（1）2009 年以前变化特征

据2009 年吐鲁番市水文局对区域坎儿井实测资料 （表2）,2003年煤窑沟灌区坎儿井出流量为1.21亿m3；至2009年坎儿井出流量减低到0.50亿m3；6年间减少了41.2%,平均每年递减率为86.3%。说明这是由区域地下水处于严重超采阶段所致。煤窑沟灌区除原种场坎儿井流量相对稳定外,其它区域坎儿井均处于流量减小趋势,其中,胜金乡坎儿井流量递减量相对较大。

表2 吐鲁番市各乡坎儿井年出水量对比表 单位：亿m3

（2）评价期变化特征

根据吐鲁番水文局坎儿井监测资料, 2009年～2018年煤窑沟灌区监测坎儿井多年平均月出流量见图3。煤窑沟灌区坎儿井年内3 月出流量最大为10.22 万m3,之后开始下降至8月为最小流量7.31万m3,9月后流量开始逐渐回升,至翌年3月达到最大。坎儿井年内流量变幅为2.72 万m3。坎儿井年内变化与区域地下水埋深变化基本相同。

图3 高昌区监测坎儿井多年平均径流量月过程图

根据吐鲁番水文局2009年～2018年监测坎儿井资料（图4）,米依木阿吉坎儿井、吐尔坎儿井2009 年～2013 年、2014年呈下降趋势,之后流量开始回升且超过2009年的出流量；巴宗坎儿井出流量相对较为稳定,最低值出现在2012年和2013年。

图4 高昌区监测坎儿井年出流量变化特征图

统计吐鲁番水文局坎儿井监测资料（表 3）,2009年～2018年煤窑沟灌区流域坎儿井溢出水量为1830 万m3～2724万m3,煤窑沟灌区流域2009 年～2013 年坎儿井出流量呈下降趋势,2013 年坎儿井最小出流量1830万m3。之后2014年～2018 年坎儿井出流量则呈连续弱增加趋势,但2018年坎儿井出流量1982 万m3仍远低于2009 年水量,煤窑沟灌区坎儿井多年平均出流量为2120万m3。

表3 煤窑沟灌区流域坎儿井出流量表 单位：万m2

3.3 泉水出流变化特征

(1)年内变化特征

据煤窑沟灌区监测资料（见图5）,2016年煤窑沟灌区流域泉水出流量为1296万m3。灌区泉水年内3月出流量最大为177.32万m3,之后开始下降至7、8月两月为最小流量62.47万m3,9月后流量开始缓慢回升。泉水年内流量变幅为183 万m3。泉水年内变化与区域地下水埋深变化基本相似。

图5 煤窑沟灌区2016年泉水年内出流量变化特征图

根据吐鲁番水文局泉水监测资料（表4）,2009 年～2018年煤窑沟灌区流域泉水溢出水量为1078万m3～1715万m3,煤窑沟灌区2009年～2012年泉水出流量呈下降状态。煤窑沟灌区流域泉水多年平均出流量为1385万m3。

表4 煤窑沟灌区流域泉水出流量表 单位：万m3

4 结语

地下水在煤窑沟灌区工农业生产使用中占很大比重,通过对煤窑沟灌区地下水化学特征和地下水动态特征分析可知,煤窑沟灌区流域地下水矿化度分布主要以＜1000 mg/L为主,占灌区总面积的68.6%。地下水矿化度从平原低处到北部山区由高变低,水化学类型由氯化物型水-硫酸盐型水-重碳酸盐型水的变化特征。地下水位（包括坎儿井、泉水）近年呈下降趋势,需加强保护减少开采。