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干旱区绿洲城市地下水超采区综合治理研究

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  摘要:新疆库尔勒市地下水超采严重,造成区域地下水位持续下降、孔雀河沿岸植被稀疏、局部地下水水质劣化等一系列环境地质问题,严重制约着当地经济的发展和人类的生产生活。针对这一问题,对库尔勒市地下水动态监测数据进行分析,并采用水位动态法、开采系数法、引发问题法等3种不同的方法对超采区进行评价。研究表明,库尔勒市地下水埋深呈逐年增大趋势,2003-2017年地下水位统测点水位下降速率最大达5.33 m/a,乡级行政区地下水开采系数最大高达6.18。库尔勒市地下水超采区总面积为819.86 km2,其中严重超采区面积为709.98 km2,一般超采区面积为109.88 km2。同时提出科学合理的地下水压采方案和措施,为库尔勒市水資源的合理利用、干旱区绿洲城市的地下水研究提供指导意义。
  关键词:绿洲城市;库尔勒市;地下水动态;地下水超采;综合治理
  中图分类号:TV213 文献标志码: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
  
  
  地下水作为干旱区绿洲城市重要的供水水源,在保证农业灌溉和维持生态平衡等方面起着十分重要的作用[1]。库尔勒市是盐渍化较高的地区之一,地下水的开采,使地下水位低于土壤盐渍化潜水位临界深度[2],降低土壤蒸发强度的同时也改良了土壤性能,导致人工绿洲面积增大。对比1982年前人盐渍化调查成果,库尔勒市土壤盐渍化面积由1982年的739.00 km2、至2014年减少到283.43 km2,减幅61.6%。然而,地下水过度开采将形成区域性地下水超采,不仅造成一系列生态与环境地质灾害问题,还影响地下水资源可持续利用[3]。由于浅层地下水位的下降,毛管水上升不能达到植物根系,生长受到水分胁迫而生长不良[4]。若地下水位持续下降,可能造成孔雀河沿岸胡杨覆盖度逐渐降低,林区面积减少,绿洲区逐渐形成荒漠区。地下水位下降同时改变了地下水动力场,使污染物通过透水岩层,直接渗入含水层,加快了地下水质劣化[5]。就地下水超采引发的一系列问题,国内外学者展开了不同程度研究[6-8]。对于研究区,吾买尔江·吾布力等[9]对孔雀河流域生态退化问题的原因进行了分析,发现造成河岸林植被大面积死亡主要原因是由于水资源的过度开发、耕地面积增加、管理系统不完善引起的。赵少军等[10]针对开都河-孔雀河流域出现的地表水损失、地下水私采、超采现象,提出地表水和地下水联合灌溉模式。库尔勒市地下水超采已经达到非常严重状态,建城区自2014年9月被划定为地下水禁采区后,并于2015年3月26日颁布了《库尔勒市地下水资源管理实施办法》,到2017年9月,超采情况仍没有得到改善,2016年地下水水位较2013年最大下降2.18 m[11]。鉴于库尔勒市地下水的利用出现的问题,而对库尔勒市地下水超采区评价文献未见,本文对库尔勒市地下水超采综合治理进行了讨论。   1 研究区水文地质条件概况
  库尔勒市总的地势是北高南低,地貌类型上可分为山前倾斜洪积平原、孔雀河三角洲冲积平原,钻孔揭露的地层主要是第四纪地层,第四纪地层在水平分布上,具有明显的水平分带规律。[HJ2.1mm]研究区西部为第四系单一结构松散岩类孔隙潜水、多层结构松散岩类孔隙潜水-承压水,东部为基岩裂隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水和第四系松散岩类孔隙水三种类型。
  山前倾斜洪积平原地下水主要以季节性暴雨洪流渗漏补给、渠道渗漏补给和河谷潜流的侧向补给为补给源,排泄方式有潜水蒸发蒸腾、人工开采、侧向排出和排碱渠排泄等。孔雀河三角洲冲积平原地下水主要补给来源为地表水渗漏、渠道渗漏补给和灌溉水渗漏补给,以潜水蒸发蒸腾、人工开采和侧向径流排泄为主要的排泄方式。
  2 研究区地下水利用现状
  库尔勒市位于霍拉山的南麓,塔里木盆地的东北隅,南接尉犁县,北连焉耆、和静县,西接轮台县,东靠博湖县,是巴音郭楞蒙古自治州(以下简称“巴州”)重要的交通、经济、文化和政治中心。库尔勒市总面积为7 116.89 km2,其中平原面积为5 850.08 km2(含沙漠区面积),占82.2%。年平均气温11.4 ℃,最高气温为34.2 ℃,最低气温为-16.4 ℃,无霜期平均210 d。平均年降水量56.6 mm,多年平均水面蒸发量为2 700.0 mm,属于大陆性气候,是典型的干旱区绿洲城市[12-14]。
  2.1 供、用水量分析
  供水量:2015年库尔勒市总供水量106 520万m3。其中地表水供水量52 820万m3,占总供水量的49.6%;地下水供水全部为浅层水,供水量为53 700万m3,占总供水量的50.4%。
  用水量:2015年库尔勒市总用水量106 520万m3,其中地下水量为53 700万m3。各业用水量见表1。
   从供水结构可以看出,供水量中地下水为主要供水水源;从用水结构可以看出,用水量中农田灌溉用水量和林牧渔畜用水量占用水总量比重最大,为主要用水户。
  [BT3+*6]2.2 水资源开发利用程度
  据《2000-2015年巴州水资源公报》,库尔勒市2000-2015年地下水开采量平均为28 200万 m3,最大年份(2014年)为56 000万 m3,最小年份(2001年)为9 600万 m3。地下水开采量占总供水量的平均比例为35.7%,最大年份(2014年)占53.7%,最小年份(2001年)占11.3%,地下水开采量占总供水量的比例呈递增趋势。2015年地下水总开采量53 700万 m3,占可开采资源量31 601万 m3的169.9%。由于地下水开采程度极高,造成多处区域性地下水降落漏斗[15],研究区地下水已无开采潜力。
  3 地下水位动态分析
  3.1 地下水位监测井网分布
  为保证全面的分析库尔勒市的地下水动态,本次收集了2010-2017年研究区具有代表性的16眼地下水位监测井的监测数据,监测井均匀的分布于不同水文地质条件区域,其中编号J4、J6至J8分布于库尔勒市区,其余J1至J3、J5、J9至J16分布于各乡镇场,见图1。
  3.2 研究区地下水位动态分析
  库尔勒市监测井地下水按埋藏条件划分,主要类型为潜水。地下水动态类型表现为径流-开采型。根据图2、表2得知,从年际来看,区内监测井水位埋深呈逐年递增趋势,历年平均变幅5.65~40.42 m,水位升、下降速率-2.33~+0.85 m/a,除J7、J10表现为慢速下降,J8基本稳定外,其余表现为快速下降(J1、J2、J5、J6、J11至J13)、中速下降(J4、J9、J14至J16)。从年内来看,年内水位变化幅度2.20~40.40 m,地下水最大埋深为库尔勒市区(J6、J7),最小埋深为阿瓦提乡(J10)、上户镇(J2)、托布力其乡(J14),出现高水位的月份基本在1月-5月,低水位基本在6月-10月,动态变化曲线呈单谷、双峰型。地下水埋深较[HJ1.96mm]深区域主要集中于库尔勒市区、上户镇及库尔勒市东南方向铁克其乡,而在库尔勒市西南方向的托布力其乡、阿瓦提乡位于孔雀河附近,有充足的地表水补给源,使得地下水埋深较浅。库尔勒市降水量主要集中在春夏两季,占全年的降水量的75.0%左右,6月-10月为丰水期,平均降水量为8.3 mm,降水對地下水的补给极其有限,此时是灌溉期,需要大量开采地下水资源,同时区域水资源高效利用使地下水补给量减小[16],导致6月-10月地下水位处于低水位期。库尔勒市1月-5月地下水埋深较小,主要是由于在该时段内农灌井开采量小,加之3月-5月随着冻土融化,渗入补给量增大,地下水位也随之上升。
  4 地下水超采区划分
  本次地下水超采区(不含新疆生产建设兵团第二师所属的铁门关市)划分的基准年为2003年(统测时间为8月),现状年为2017年(统测时间为8月)。
  4.1 水位动态法
  以地下水埋深年均变化速率为评判指标进行超采区划分。
  (1)计算地下水位统测井埋深年均变化速率。
  统计评价期内基准年和现状年地下水位统测井地下水埋深值,并计算地下水埋深年均变化速率,按式(1)计算:
  (2)确定地下水超采区边界。
  根据地下水水位年均下降速率的大小,参考《地下水超采区评价导则(SL 286-2003)》地下水位下降速率<0 m/a为未超采区,0~1.0 m/a为一般超采区,>1.0 m/a为严重超采区,其计算结果见表3。以171 眼地下水位统测井分布范围为边界,对研究区进行超采区划分,确定地下水超采区边界。   4.2 开采系数法
  以地下水开采系数为评判指标进行超采区划分。
  (1)计算地下水可开采量。
  库尔勒市现状年地下水可开采量计算采用地下水可开采系数法,按式(2)计算,各乡镇场地下水可开采量采用权重法进行分配,权重根据乡镇场平均单井涌水量与面积的乘积与各乡镇场平均单井涌水量与面积的乘积之和的比值得出。
  
  (3)确定地下水超采区边界。
  参照《全国地下水超采区评价技术大纲》地下水开采系数<1.0为未超采区,1.0~1.3为一般超采区,>1.3为严重超采区。以各乡镇场界线为边界,对研究区进行超采区划分,确定地下水超采边界。
  4.3 引发问题法
  以地下水开采引发的生态与环境地质问题作为评判指标进行超采区划分[17]。
  (1)计算生态与环境地质问题参数。
  确定地下水水质类别。参考《地下水质量标准(GB/T 14848-1993)》采用单指标法,确定现状年和基准年地下水水质类别,其结果表明,在库尔市的18眼下水水质监测井中,水质等级变差的有9 眼(占50.0%)、水质等级变好的有5 眼[HJ](占27.8%),水质劣化区域主要位于库尔勒市区和萨依东园艺场。
  统计因地下水超采引发沼泽湿地萎缩的面积。据遥感解译成果,库尔勒市1998年沼泽湿地面积为27.96 km2,2006年面积减少到18.34 km2,至2010年沼泽湿地全部消失。
  (2)根据地下水水质劣化区域和沼泽退化范围,对研究区进行超采区划分,确定地下水超采边界。
  4.4 超采区划分结果
  通过3种不同的方法进行了超采区划分,综合考虑各种影响因素,最终确定超采区边界(图2),并划分一般超采区和严重超采区。结果显示除塔什店镇地下水未超采外,市区及其余各乡镇场地下水均已超采。库尔勒市地下水超采区总面积为819.86 km2,其中严重超采区面积为709.98 km2,主要位于库尔勒市区、英下乡、恰尔巴格乡、上户镇、和什力克乡、兰干乡、托布力其乡、阿瓦提乡、哈拉玉宫乡、西尼尔镇。一般超采区面积为109.88 km2,主要位于普惠乡、恰尔巴格乡、兰干乡。库尔勒市地下水超采严重,其中庫尔勒市区超采最为严重,在地下水超采区内,除市区列为地下水禁采区外,其他各乡镇场均被划为地下水限采区。
  5 地下水超采区综合治理
  5.1 地下水治理目标
  地下水超采区治理以实现地下水资源的可持续利用,保护生态环境安全,达到地下水的采补平衡为目标。2015年4月2日,国务院印发《水污染防治行动计划》,其工作目标中明确要求,到2020年,地下水超采得到严格控制。为基本达到遏制地下水超采,依据《巴州库尔勒市用水总量控制方案》和《新疆维吾尔自治区地下水资源管理条例》第二章第十二条的要求,对库尔勒市地下水资源利用实行总量控制和水位控制(“双控”原则),地下水位不得低于规划水位控制指标,并且能够满足天然植被能够正常生长,同时城区的建筑物基础不发生浸没,埋深控制指标为3~5 m[18]。
  库尔勒市地下水治理目标共分为以下3个阶段。
  (1)2020年,库尔勒市用水总量控制指标为103 921万 m3,其中地表水为70 168万m3、地下水为31 653万 m3、其它水量为2 100万 m3。到2020年库尔勒市地下水累计压减30.0%的超采量,压采量达到10 054万 m3(每五年规划的总压采量分别按五年规划总压采量的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以内,使地下水严重超采区全部变为一般超采区,一般超采区变为采补平衡区。地下水埋深以2015年12月地下水埋深6.44~49.19 m为基准,按照地下水位降速控制指标,到2020年地下水埋深控制在5.00~46.00 m之间。
  (2)到2025年库尔勒市地下水累计压减50.0%的超采量,压采量达到14 867万 m3(每五年规划的总压采量分别按五年规划总压采量的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以内,地下水埋深控制在4.00~40.00 m之间。
  (3)2030年,库尔勒市用水总量控制指标为105 121万m3,其中地表水为70 168万m3、地下水为32 653万m3、其它水量为2 300万m3。到2030年库尔勒市地下水累计再压减剩余20.0%的超采量,压采量达到5 947万m3(每五年规划的总压采量分别按五年规划总压采量的30%、30%、20%、10%和10%分解到各年),水位下降速率为-0.10~0.10 m/a或呈回升趋势,地下水埋深控制在3.00~35.00 m之间,实现全面地下水采补平衡,地下水生态环境得到明显改善。
  5.2 地下水超采区治理工程措施
  (1)引水工程。库尔勒市为有效遏制地下水超采状态,库尔勒城市供水二期工程拟在库尔勒市以北51 km处的焉耆盆地乌拉斯台农场境内每年提取7 300万m3的地下水量,该工程的建成使用将极大地缓减库尔勒市供水紧张局面。
  (2)节水工程。库尔勒市从2003年实施面积为667 hm2高效节水灌溉工程,到2015年高效节水灌溉面积累计达到56 667 hm2,每1 hm2地减少6 300-7 800 m3的用水量。节水灌溉工程的实施不仅为农民减少了经济负担,而且还减轻了当地水资源消耗,弥补了区域性水资源不足。
  (3)压减地下水开采量。主要措施包括:封填机井、退地减水等。   5.3 地下水超采区治理非工程措施
  (1)落实水资源管理制度。依据《巴州库尔勒市用水总量控制方案》,严格执行水资源管理的“三条红线”控制指标,落实地下水禁采、限采要求,规范完善取水许可审批管理工作,禁止任何单位及个人在孔雀河两岸1 km范围内(地下水限采区)取用地下水。同时,对于大型项目的建设,要考虑当地环境因素,把水资源论证作为方案审批的首要条件,为工程措施(供水、节水工程)的顺利实施提供有力的保障。
  (2)加强地下水动态监测。为全面了解地下水年内动态和年际动态规律,每年对库尔勒市171 眼地下水位统测井进行地下水位监测及18 眼地下水水质监测井进行水质监测,及时向相关部门提供地下水位变化情况。
  6 结论
  (1)库尔勒市地下水位动态分析结果表明:从年际看,2010-2017年库尔勒市各乡镇场浅层地下水位总体呈下降趋势,动态类型主要为快速、中速下降型。从年内看,地下水位呈波动性变化,受季节性影响因素较大,水位特征为典型的开采型。2003-2017年库尔勒市地下水位统测点水位下降速率在5.33~0.03 m/a之间,地下水位埋深与开采量呈线性正相关关系。
  (2)库尔勒市地下水超采区总面积为819.86 km2,其中严重超采区面积为709.98 km2,占超采区总面积的86.6%;一般超采区面积为109.88 km2,占超采区总面积的13.4%。地下水开采程度最高为库尔勒市建成区,开采系数高达6.18。
  (3)库尔勒市地下水主要由山前积雪融化水、河道地表水、渠系水、农田灌溉水渗漏补给,用水户以农业灌溉为主。地下水补给量减少和地下水资源大量开采是造成地下水埋深增大的主要原因,根据这一情况,为库尔勒市地下水超采区综合治理提出包括工程措施(引水工程、封填机井、退地减水、农田高效节水)和非工程措施(落实水资源管理制度、加强地下水动态监测)的建议。
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