干旱區綠洲城市地下水超采區綜合治理研究

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　　摘要：新疆庫爾勒市地下水超采嚴重，造成區域地下水位持續下降、孔雀河沿岸植被稀疏、局部地下水水質劣化等一系列環境地質問題，嚴重制約著當地經濟的發展和人類的生產生活。針對這一問題，對庫爾勒市地下水動態監測數據進行分析，并采用水位動態法、開采系數法、引發問題法等3種不同的方法對超采區進行評價。研究表明，庫爾勒市地下水埋深呈逐年增大趨勢，2003-2017年地下水位統測點水位下降速率最大達5.33 m/a，鄉級行政區地下水開采系數最大高達6.18。庫爾勒市地下水超采區總面積為819.86 km2，其中嚴重超采區面積為709.98 km2，一般超采區面積為109.88 km2。同時提出科學合理的地下水壓采方案和措施，為庫爾勒市水資源的合理利用、干旱區綠洲城市的地下水研究提供指導意義。
　　關鍵詞：綠洲城市;庫爾勒市;地下水動態;地下水超采;綜合治理
　　中圖分類號：TV213 文獻標志碼：A
　　Abstract：The over-exploitation of groundwater has resulted in a series of environmental and geological problems，such as，the decline regional groundwater level，sparse vegetation along the Peacock river，and deterioration of water quality.It seriously limited the local economic development and human production and life in Korla city，Xinjiang.The dynamic monitoring data of groundwater in Korla city was used in this study to address this over-exploitation problem with three methods，i.e.，water level dynamics method，exploitation coefficient method and cause-effect method.It was founded that the buried depth of groundwater in Korla city increased with time.The maximum descending rate of groundwater level was 5.33 m/a from 2003 to 2017，and the maximum exploitation coefficient was 6.18 among all townships.The total over-exploitation areas of groundwater in Korla city was 819.86 km2，including severe over-exploitation area of 709.98 km2 and moderate over-exploitation areas of 109.88 km2.The scientific-based and rational exploitation control plans and countermeasures were proposed to provide guidance for the rational utilization of water resources of groundwater of oasis cities in arid.
　　
　　Key words：oasis city;Korla City;groundwater dynamic;groundwaterover-exploitation;comprehensive treatment
　　
　　
　　地下水作為干旱區綠洲城市重要的供水水源，在保證農業灌溉和維持生態平衡等方面起著十分重要的作用[1]。庫爾勒市是鹽漬化較高的地區之一，地下水的開采，使地下水位低于土壤鹽漬化潛水位臨界深度[2]，降低土壤蒸發強度的同時也改良了土壤性能，導致人工綠洲面積增大。對比1982年前人鹽漬化調查成果，庫爾勒市土壤鹽漬化面積由1982年的739.00 km2、至2014年減少到283.43 km2，減幅61.6%。然而，地下水過度開采將形成區域性地下水超采，不僅造成一系列生態與環境地質災害問題，還影響地下水資源可持續利用[3]。由于淺層地下水位的下降，毛管水上升不能達到植物根系，生長受到水分脅迫而生長不良[4]。若地下水位持續下降，可能造成孔雀河沿岸胡楊覆蓋度逐漸降低，林區面積減少，綠洲區逐漸形成荒漠區。地下水位下降同時改變了地下水動力場，使污染物通過透水巖層，直接滲入含水層，加快了地下水質劣化[5]。就地下水超采引發的一系列問題，國內外學者展開了不同程度研究[6-8]。對于研究區，吾買爾江·吾布力等[9]對孔雀河流域生態退化問題的原因進行了分析，發現造成河岸林植被大面積死亡主要原因是由于水資源的過度開發、耕地面積增加、管理系統不完善引起的。趙少軍等[10]針對開都河-孔雀河流域出現的地表水損失、地下水私采、超采現象，提出地表水和地下水聯合灌溉模式。庫爾勒市地下水超采已經達到非常嚴重狀態，建城區自2014年9月被劃定為地下水禁采區后，并于2015年3月26日頒布了《庫爾勒市地下水資源管理實施辦法》，到2017年9月，超采情況仍沒有得到改善，2016年地下水水位較2013年最大下降2.18 m[11]。鑒于庫爾勒市地下水的利用出現的問題，而對庫爾勒市地下水超采區評價文獻未見，本文對庫爾勒市地下水超采綜合治理進行了討論。 　　1 研究區水文地質條件概況
　　庫爾勒市總的地勢是北高南低，地貌類型上可分為山前傾斜洪積平原、孔雀河三角洲沖積平原，鉆孔揭露的地層主要是第四紀地層，第四紀地層在水平分布上，具有明顯的水平分帶規律。[HJ2.1mm]研究區西部為第四系單一結構松散巖類孔隙潛水、多層結構松散巖類孔隙潛水-承壓水，東部為基巖裂隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水和第四系松散巖類孔隙水三種類型。
　　山前傾斜洪積平原地下水主要以季節性暴雨洪流滲漏補給、渠道滲漏補給和河谷潛流的側向補給為補給源，排泄方式有潛水蒸發蒸騰、人工開采、側向排出和排堿渠排泄等?？兹负尤侵逈_積平原地下水主要補給來源為地表水滲漏、渠道滲漏補給和灌溉水滲漏補給，以潛水蒸發蒸騰、人工開采和側向徑流排泄為主要的排泄方式。
　　2 研究區地下水利用現狀
　　庫爾勒市位于霍拉山的南麓，塔里木盆地的東北隅，南接尉犁縣，北連焉耆、和靜縣，西接輪臺縣，東靠博湖縣，是巴音郭楞蒙古自治州（以下簡稱“巴州”）重要的交通、經濟、文化和政治中心。庫爾勒市總面積為7 116.89 km2，其中平原面積為5 850.08 km2（含沙漠區面積），占82.2%。年平均氣溫11.4 ℃，最高氣溫為34.2 ℃，最低氣溫為-16.4 ℃，無霜期平均210 d。平均年降水量56.6 mm，多年平均水面蒸發量為2 700.0 mm，屬于大陸性氣候，是典型的干旱區綠洲城市[12-14]。
　　2.1 供、用水量分析
　　供水量：2015年庫爾勒市總供水量106 520萬m3。其中地表水供水量52 820萬m3，占總供水量的49.6%;地下水供水全部為淺層水，供水量為53 700萬m3，占總供水量的50.4%。
　　用水量：2015年庫爾勒市總用水量106 520萬m3，其中地下水量為53 700萬m3。各業用水量見表1。
　　 從供水結構可以看出，供水量中地下水為主要供水水源;從用水結構可以看出，用水量中農田灌溉用水量和林牧漁畜用水量占用水總量比重最大，為主要用水戶。
　　[BT3+*6]2.2 水資源開發利用程度
　　據《2000-2015年巴州水資源公報》，庫爾勒市2000-2015年地下水開采量平均為28 200萬 m3，最大年份（2014年）為56 000萬 m3，最小年份（2001年）為9 600萬 m3。地下水開采量占總供水量的平均比例為35.7%，最大年份（2014年）占53.7%，最小年份（2001年）占11.3%，地下水開采量占總供水量的比例呈遞增趨勢。2015年地下水總開采量53 700萬 m3，占可開采資源量31 601萬 m3的169.9%。由于地下水開采程度極高，造成多處區域性地下水降落漏斗[15]，研究區地下水已無開采潛力。
　　3 地下水位動態分析
　　3.1 地下水位監測井網分布
　　為保證全面的分析庫爾勒市的地下水動態，本次收集了2010-2017年研究區具有代表性的16眼地下水位監測井的監測數據，監測井均勻的分布于不同水文地質條件區域，其中編號J4、J6至J8分布于庫爾勒市區，其余J1至J3、J5、J9至J16分布于各鄉鎮場，見圖1。
　　3.2 研究區地下水位動態分析
　　庫爾勒市監測井地下水按埋藏條件劃分，主要類型為潛水。地下水動態類型表現為徑流-開采型。根據圖2、表2得知，從年際來看，區內監測井水位埋深呈逐年遞增趨勢，歷年平均變幅5.65～40.42 m，水位升、下降速率-2.33～+0.85 m/a，除J7、J10表現為慢速下降，J8基本穩定外，其余表現為快速下降（J1、J2、J5、J6、J11至J13）、中速下降（J4、J9、J14至J16）。從年內來看，年內水位變化幅度2.20～40.40 m，地下水最大埋深為庫爾勒市區（J6、J7），最小埋深為阿瓦提鄉（J10）、上戶鎮（J2）、托布力其鄉（J14），出現高水位的月份基本在1月-5月，低水位基本在6月-10月，動態變化曲線呈單谷、雙峰型。地下水埋深較[HJ1.96mm]深區域主要集中于庫爾勒市區、上戶鎮及庫爾勒市東南方向鐵克其鄉，而在庫爾勒市西南方向的托布力其鄉、阿瓦提鄉位于孔雀河附近，有充足的地表水補給源，使得地下水埋深較淺。庫爾勒市降水量主要集中在春夏兩季，占全年的降水量的75.0%左右，6月-10月為豐水期，平均降水量為8.3 mm，降水對地下水的補給極其有限，此時是灌溉期，需要大量開采地下水資源，同時區域水資源高效利用使地下水補給量減小[16]，導致6月-10月地下水位處于低水位期。庫爾勒市1月-5月地下水埋深較小，主要是由于在該時段內農灌井開采量小，加之3月-5月隨著凍土融化，滲入補給量增大，地下水位也隨之上升。
　　4 地下水超采區劃分
　　本次地下水超采區（不含新疆生產建設兵團第二師所屬的鐵門關市）劃分的基準年為2003年（統測時間為8月），現狀年為2017年（統測時間為8月）。
　　4.1 水位動態法
　　以地下水埋深年均變化速率為評判指標進行超采區劃分。
　?。?）計算地下水位統測井埋深年均變化速率。
　　統計評價期內基準年和現狀年地下水位統測井地下水埋深值，并計算地下水埋深年均變化速率，按式（1）計算：
　?。?）確定地下水超采區邊界。
　　根據地下水水位年均下降速率的大小，參考《地下水超采區評價導則（SL 286-2003）》地下水位下降速率<0 m/a為未超采區，0～1.0 m/a為一般超采區，>1.0 m/a為嚴重超采區，其計算結果見表3。以171 眼地下水位統測井分布范圍為邊界，對研究區進行超采區劃分，確定地下水超采區邊界。 　　4.2 開采系數法
　　以地下水開采系數為評判指標進行超采區劃分。
　　（1）計算地下水可開采量。
　　庫爾勒市現狀年地下水可開采量計算采用地下水可開采系數法，按式（2）計算，各鄉鎮場地下水可開采量采用權重法進行分配，權重根據鄉鎮場平均單井涌水量與面積的乘積與各鄉鎮場平均單井涌水量與面積的乘積之和的比值得出。
　　
　?。?）確定地下水超采區邊界。
　　參照《全國地下水超采區評價技術大綱》地下水開采系數<1.0為未超采區，1.0～1.3為一般超采區，>1.3為嚴重超采區。以各鄉鎮場界線為邊界，對研究區進行超采區劃分，確定地下水超采邊界。
　　4.3 引發問題法
　　以地下水開采引發的生態與環境地質問題作為評判指標進行超采區劃分[17]。
　?。?）計算生態與環境地質問題參數。
　　確定地下水水質類別。參考《地下水質量標準（GB/T 14848-1993）》采用單指標法，確定現狀年和基準年地下水水質類別，其結果表明，在庫爾市的18眼下水水質監測井中，水質等級變差的有9 眼（占50.0%）、水質等級變好的有5 眼[HJ]（占27.8%），水質劣化區域主要位于庫爾勒市區和薩依東園藝場。
　　統計因地下水超采引發沼澤濕地萎縮的面積。據遙感解譯成果，庫爾勒市1998年沼澤濕地面積為27.96 km2，2006年面積減少到18.34 km2，至2010年沼澤濕地全部消失。
　?。?）根據地下水水質劣化區域和沼澤退化范圍，對研究區進行超采區劃分，確定地下水超采邊界。
　　4.4 超采區劃分結果
　　通過3種不同的方法進行了超采區劃分，綜合考慮各種影響因素，最終確定超采區邊界（圖2），并劃分一般超采區和嚴重超采區。結果顯示除塔什店鎮地下水未超采外，市區及其余各鄉鎮場地下水均已超采。庫爾勒市地下水超采區總面積為819.86 km2，其中嚴重超采區面積為709.98 km2，主要位于庫爾勒市區、英下鄉、恰爾巴格鄉、上戶鎮、和什力克鄉、蘭干鄉、托布力其鄉、阿瓦提鄉、哈拉玉宮鄉、西尼爾鎮。一般超采區面積為109.88 km2，主要位于普惠鄉、恰爾巴格鄉、蘭干鄉。庫爾勒市地下水超采嚴重，其中庫爾勒市區超采最為嚴重，在地下水超采區內，除市區列為地下水禁采區外，其他各鄉鎮場均被劃為地下水限采區。
　　5 地下水超采區綜合治理
　　5.1 地下水治理目標
　　地下水超采區治理以實現地下水資源的可持續利用，保護生態環境安全，達到地下水的采補平衡為目標。2015年4月2日，國務院印發《水污染防治行動計劃》，其工作目標中明確要求，到2020年，地下水超采得到嚴格控制。為基本達到遏制地下水超采，依據《巴州庫爾勒市用水總量控制方案》和《新疆維吾爾自治區地下水資源管理條例》第二章第十二條的要求，對庫爾勒市地下水資源利用實行總量控制和水位控制（“雙控”原則），地下水位不得低于規劃水位控制指標，并且能夠滿足天然植被能夠正常生長，同時城區的建筑物基礎不發生浸沒，埋深控制指標為3～5 m[18]。
　　庫爾勒市地下水治理目標共分為以下3個階段。
　　（1）2020年，庫爾勒市用水總量控制指標為103 921萬 m3，其中地表水為70 168萬m3、地下水為31 653萬 m3、其它水量為2 100萬 m3。到2020年庫爾勒市地下水累計壓減30.0%的超采量，壓采量達到10 054萬 m3（每五年規劃的總壓采量分別按五年規劃總壓采量的30%、30%、20%、10%和10%分解到各年），地下水位下降速率最大值控制在1.00 m/a以內，使地下水嚴重超采區全部變為一般超采區，一般超采區變為采補平衡區。地下水埋深以2015年12月地下水埋深6.44～49.19 m為基準，按照地下水位降速控制指標，到2020年地下水埋深控制在5.00～46.00 m之間。
　?。?）到2025年庫爾勒市地下水累計壓減50.0%的超采量，壓采量達到14 867萬 m3（每五年規劃的總壓采量分別按五年規劃總壓采量的30%、30%、20%、10%和10%分解到各年），水位下降速率最大值控制在0.50 m/a以內，地下水埋深控制在4.00～40.00 m之間。
　?。?）2030年，庫爾勒市用水總量控制指標為105 121萬m3，其中地表水為70 168萬m3、地下水為32 653萬m3、其它水量為2 300萬m3。到2030年庫爾勒市地下水累計再壓減剩余20.0%的超采量，壓采量達到5 947萬m3（每五年規劃的總壓采量分別按五年規劃總壓采量的30%、30%、20%、10%和10%分解到各年），水位下降速率為-0.10～0.10 m/a或呈回升趨勢，地下水埋深控制在3.00～35.00 m之間，實現全面地下水采補平衡，地下水生態環境得到明顯改善。
　　5.2 地下水超采區治理工程措施
　?。?）引水工程。庫爾勒市為有效遏制地下水超采狀態，庫爾勒城市供水二期工程擬在庫爾勒市以北51 km處的焉耆盆地烏拉斯臺農場境內每年提取7 300萬m3的地下水量，該工程的建成使用將極大地緩減庫爾勒市供水緊張局面。
　　（2）節水工程。庫爾勒市從2003年實施面積為667 hm2高效節水灌溉工程，到2015年高效節水灌溉面積累計達到56 667 hm2，每1 hm2地減少6 300-7 800 m3的用水量。節水灌溉工程的實施不僅為農民減少了經濟負擔，而且還減輕了當地水資源消耗，彌補了區域性水資源不足。
　　（3）壓減地下水開采量。主要措施包括：封填機井、退地減水等。 　　5.3 地下水超采區治理非工程措施
　?。?）落實水資源管理制度。依據《巴州庫爾勒市用水總量控制方案》，嚴格執行水資源管理的“三條紅線”控制指標，落實地下水禁采、限采要求，規范完善取水許可審批管理工作，禁止任何單位及個人在孔雀河兩岸1 km范圍內（地下水限采區）取用地下水。同時，對于大型項目的建設，要考慮當地環境因素，把水資源論證作為方案審批的首要條件，為工程措施（供水、節水工程）的順利實施提供有力的保障。
　　（2）加強地下水動態監測。為全面了解地下水年內動態和年際動態規律，每年對庫爾勒市171 眼地下水位統測井進行地下水位監測及18 眼地下水水質監測井進行水質監測，及時向相關部門提供地下水位變化情況。
　　6 結論
　?。?）庫爾勒市地下水位動態分析結果表明：從年際看，2010-2017年庫爾勒市各鄉鎮場淺層地下水位總體呈下降趨勢，動態類型主要為快速、中速下降型。從年內看，地下水位呈波動性變化，受季節性影響因素較大，水位特征為典型的開采型。2003-2017年庫爾勒市地下水位統測點水位下降速率在5.33～0.03 m/a之間，地下水位埋深與開采量呈線性正相關關系。
　　（2）庫爾勒市地下水超采區總面積為819.86 km2，其中嚴重超采區面積為709.98 km2，占超采區總面積的86.6%;一般超采區面積為109.88 km2，占超采區總面積的13.4%。地下水開采程度最高為庫爾勒市建成區，開采系數高達6.18。
　?。?）庫爾勒市地下水主要由山前積雪融化水、河道地表水、渠系水、農田灌溉水滲漏補給，用水戶以農業灌溉為主。地下水補給量減少和地下水資源大量開采是造成地下水埋深增大的主要原因，根據這一情況，為庫爾勒市地下水超采區綜合治理提出包括工程措施（引水工程、封填機井、退地減水、農田高效節水）和非工程措施（落實水資源管理制度、加強地下水動態監測）的建議。
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