吐魯番市淺層地下水功能區劃分

唐 蘊,王 研,唐克旺

(中國水利水電科學研究院水資源研究所,北京 100038)

吐魯番市淺層地下水功能區劃分

唐 蘊,王 研,唐克旺

(中國水利水電科學研究院水資源研究所,北京 100038)

為了對吐魯番市地下水進行合理利用與保護管理,以全國地下水功能區劃分技術大綱為基本依據,結合吐魯番市的水循環特點、水文地質條件、地下水開發利用現狀及生態環境保護需求,確定了地下水各功能區的劃分依據,將吐魯番市淺層地下水劃分為開發區、保護區和保留區3類地下水一級功能區,根據地下水主導功能進一步劃分為集中式供水水源區、分散式開發利用區、生態脆弱區、地下水水源涵養區、不宜開采區和儲備區6類地下水二級功能區。對各二級功能區現狀進行評價,表明分散式開發利用區超采情況較為嚴重,是未來地下水管理的重點對象。本著從嚴管理地下水功能區的原則,從水質、水量和水位3方面明確了各功能區的保護目標。最后從地下水開采總量控制、坎兒井保護、地下水監測體系完善與健全等方面提出了地下水功能區管理措施及相關建議。

地下水;功能區劃分;坎兒井;吐魯番市

地下水具有3種基本屬性,即資源供給屬性、生態屬性、環境地質屬性。對應這3種屬性,地下水具有資源供給功能、生態環境保護功能、地質安全保障功能[1-3]。由于不合理開采地下水引發的地面沉降、土地沙化、海水入侵、水質惡化等問題,基本都可以歸結于地下水功能退化或喪失。因此,從地下水的屬性功能角度出發,研究管理地下水對遏制生態環境地質問題的發生具有重要的現實意義。

目前,盡管國外沒有地下水功能區劃分方面的研究報道,但在地下水資源保護中大多都充分考慮地下水在基流維持、地面穩定、河岸植被保護等方面的重要作用和功能,實質上,這也是一種基于地下水功能理念的管理。2000年前后,南非水務和林業部制定的地下水系統保護手冊中,強調應重視地下水在水文系統中的很多重要作用,并且將水文地質類型分區作為地下水管理的基礎平臺[4]。在美國地下水管理和保護中,同樣遵循系統性的理念,在水文地質單元分區(美國全國共劃分了25個主要水文地質單元)基礎上,考慮地表水(基流)保護、生態系統保護、海水入侵預防、地面穩定性維持等。

國內開展地下水功能區劃分始于21世紀初。開展這項工作的部門主要是水利部和國土資源部。2005年水利部下發了《地下水功能區劃分技術大綱》(以下簡稱《大綱》),開展了全國范圍內的地下水功能區劃分工作。《大綱》明確了功能區劃分體系、劃分依據、功能區保護指標及目標確定原則等。2006年6月中國地質調查局印發了《地下水功能區評價與區劃技術要求》(以下簡稱《技術要求》),規定了地下水功能評價工作的基本原則、主要工作內容、評價指標體系、評價方法與步驟等。自2004年以后,國內很多學者開展了地下水功能區方面的研究工作[5-12],涉及理念探討、區劃體系、劃分方法、評價指標等,總體而言,基本上代表了水利部和國土資源部兩種不同的劃分思路。

本文參照《大綱》,結合吐魯番市的實際情況,適當調整了劃分標準,得到吐魯番市淺層地下水二級功能區劃分結果。在劃分過程中首先立足于內陸河地區“山區徑流形成-中游徑流利用-下游尾閭湖泊徑流耗散”水循環特點;其次,在劃分中高度重視坎兒井水源的涵養保護,合理確定了坎兒井保護范圍及劃分標準。地下水功能區劃分成果可為今后吐魯番市地下水管理提供依據。

1 吐魯番市概況

吐魯番市位于新疆維吾爾自治區東部,東與哈密為鄰,西、南與巴音郭楞蒙古自治州的和靜、和碩、尉犁、若羌縣毗連,北隔天山與烏魯木齊市及昌吉回族自治州的奇臺、吉木薩爾、木壘縣相接,地處東經87°41′～91°54′,北緯41°12′～43°38′,南北長約240 km,東西寬約300 km。吐魯番市下轄高昌區、鄯善縣、托克遜縣1區2縣,土地總面積約7萬km2。

1.1 水文地質條件

受地質、地貌、地層、氣象、水文等因素控制,吐魯番盆地分為基巖山區、北盆地、南盆地3個水文地質單元。基巖山區主要分布有碎屑巖裂隙水。北盆地沉積著數十米至1 000 m的第四系卵礫石、砂礫石、砂及少量黏土層,為地下水賦存提供了良好的空間。根據埋藏條件,北盆地可以細分2個亞區:①北盆地上、中部深埋潛水區。由自北向南傾斜的山前卵礫石、砂礫石組成的沖洪積扇構成,地形坡度大于0.4%。第四系沉積最厚在北盆地中部,西部煤窯溝以南最大厚度大于1 000 m,第四系沉積厚度均在100 m以上,賦存著十分豐富的潛水,水位埋深大于30 m,最深處大于200 m。②北盆地南緣綠洲帶潛水、承壓水、自流水區。該區位于火焰山北側一線,由第四系沖洪積卵礫石、砂礫石、砂及黏性土層組成,沉積厚度50～100 m,儲存著豐富的潛水和小面積自流水。南盆地是一個以艾丁湖為中心的封閉盆地,沉積著數十米厚的第四系卵礫石、砂礫石、砂和黏性土層,艾丁湖區沉積著湖相鹽漬土和芒砂鹽層。根據地下水賦存和分布規律,將南盆地地下水分為3個亞區:①伊拉湖、托克遜區。位于南盆地西部,三面環山,呈簸箕形。以粗顆粒為主的沖洪積物,沉積厚度100～500 m。該區有豐富的潛水、承壓水和自流水,構成了南盆地地下水最富地段。②吐魯番、三堡、魯克沁區。該區為火焰山山前傾斜平原,地形由北向南,向艾丁湖傾斜。第四系沉積厚度200～700 m。由山前沖洪積扇頂部以卵礫石層為主,過渡到艾丁湖一帶以黏性土層為主;地下水由單一的潛水過渡到承壓水、自流水。③托克遜干溝以東卻勒塔格山前傾斜平原區。該區呈東西條帶狀,地勢由南向北傾斜。第四系沉積以坡洪積碎石為主,沉積厚度小于100 m。該區因缺少補給源,是南盆地地下水最貧區。

1.2 水資源及開發利用情況

吐魯番市是一個相對封閉的內陸盆地,四面環山,中間低洼。特殊的地理地貌使得僅有極少量的溫濕氣流通過盆地西、北部山區形成降水,因此吐魯番盆地西、北部的中高山區是水資源的主要形成區;平原區降水極少,對地表水、地下水的補給意義不大,是水資源的散發區。

吐魯番市水資源總量為12.6億m3,其中,地表水資源量為10.6億m3(境內自產地表水資源量為6.6億m3,境外流入地表水資源量4.0億m3),地下水資源量為2.0億m3(不重復量)。水資源可利用量為12.26億m3,其中,地表水資源可利用量為6.32億m3,地下水資源可開采量為5.94億m3。

2012年全市總引用水量為13.79億m3(不含221團)。按引水水源劃分,地表水(河水、庫水)引水量為4.37億m3,占31.7%;地下水(井水、泉水、坎兒井)引水量為9.42億m3,占68.3%。按用水類型劃分,農業灌溉用水12.43億m3,占90.12%;工業用水0.57億m3,占4.13%;城鎮生活用水0.29億m3,占2.07%;生態與環境用水0.51億m3,占3.68%。

地下水是吐魯番市的主要供水水源,目前地下水超采量達3億m3。由于過度開發利用,已經在高昌區、鄯善縣、托克遜縣形成了3個地下水超采區,超采面積分別是295.6 km2、480.1 km2、67.5 km2,共計843.2 km2。地下水水位持續下降,2002—2011年，年均地下水位下降速率分別是1.18～1.62 m、1.07～4.01 m、1.06 m。另外,由于地下水超量開采,導致坎兒井干涸的數量不斷增加、流量不斷減少。

2 地下水功能區劃分體系及依據

2.1 劃分體系

筆者依據《大綱》進行吐魯番市地下水功能區劃分。地下水功能區劃分采用了兩級劃分體系。地下水一級功能區劃分為:開發區、保護區、保留區3類,主要協調經濟社會發展用水和生態與環境保護的關系,體現吐魯番市對地下水資源合理開發利用和保護的總體部署。

在地下水一級功能區框架內,根據地下水資源的主導功能,劃分為8類地下水二級功能區,其中,開發區劃分為集中式供水水源區和分散式開發利用區2類二級功能區;保護區劃分為生態脆弱區、地質災害易發區和地下水水源涵養區3類二級功能區;保留區劃分為不宜開采區、儲備區和應急水源區3類二級功能區。地下水二級功能區主要協調各區縣之間、用水部門之間和不同地下水功能之間的關系。

2.2 劃分依據

地下水功能區的劃分依據是在參照《大綱》基礎上,結合吐魯番市的水文地質條件、地下水資源及開發利用狀況、未來地區水資源配置中對地下水的利用情況,以及地區生態環境問題及生態環境保護對地下水的需求情況。劃分過程中具體考慮地下水資源模數、補給模數、開采模數、水源地規模、生態環境保護目標等具體指標。

a. 集中式供水水源區。《大綱》對集中式供水水源區界定為現狀或規劃期內供給生活飲用水或工業生產用水為主的地下水集中式供水水源地。《大綱》的劃分條件是:地下水可開采量模數不小于10萬m3/(a·km2),日開采量1萬m3以上的水源地單獨劃出;對于生活用水,供水水質不低于《地下水質量標準》(GB/T14848—93)規定的III類水的標準值,對于工業生產用水,供水水質符合工業生產的水質要求。根據吐魯番市目前的集中式水源地開采規模,本次將日開采在5 000 m3以上的集中式供水水源地單獨劃出。根據規劃期地下水供水量和地下水可開采量模數劃定集中式供水水源區的范圍,以地下水匯水漏斗的外包線確定。

b. 分散式開發利用區。《大綱》對分散式開發利用區界定為現狀或規劃期內以分散的方式供給農村生活、農田灌溉的地下水賦存區域。《大綱》的劃分條件是:補給條件良好,多年平均地下水可開采量模數不小于2萬m3/(a·km2)。根據新疆地下水資源評價結果,吐魯番盆地灌區多年平均總補給模數在20萬～40萬m3/(a·km2),可開采模數在15萬～25萬m3/(a·km2)。吐魯番市灌區是地下水分散式開發利用的主要區域。

c. 生態脆弱區。《大綱》將生態脆弱區界定為有重要生態保護意義且生態系統對地下水變化十分敏感的區域,包括干旱半干旱地區的天然綠洲及其邊緣地區、具有重要生態保護意義的自然保護區。吐魯番市地處內陸干旱地區,年均降水量只有16 mm,生態條件極其脆弱,水資源的合理利用,特別是地下水的合理開發對地區的生態環境保護至關重要。天然情況下,盆地下游的艾丁湖是本地區所有水資源的匯集地和水量耗散地,近10多年來,由于盆地上游水資源利用量增加,特別是機井開采量的劇烈增加,使得主要依賴地下水維持的艾丁湖湖水日漸減少,近年已經基本干涸。湖盆周邊植被退化,土地沙化、荒漠化問題應引起重視。筆者認為首先應在艾丁湖周邊劃分一定面積的生態脆弱區;其次,為了保護人工綠洲,應該在人工綠洲外側維持一定規模的天然綠洲。

d. 地下水水源涵養區。《大綱》對地下水水源涵養區界定為為了保持重要泉水一定的噴涌流量或為了涵養水源而限制地下水開采的區域。劃分條件之一:有重要生態意義且必須保證一定的生態基流的河流或河段的濱河地區。吐魯番市的河流基本上都形成于北部天山山脈,山丘區是本地區地表徑流和地下水的發源地,如高昌區的重要供水水源地中,一碗泉集中式供水水源地屬于泉水利用型水源地,紅星渠首供水水源地屬于截潛流型供水水源地,因此,從泉水補給和河道基流保護角度而言,山丘區應劃分為地下水水源涵養區。劃分條件之二:坎兒井是我國干旱區獨特的水利工程,具有重要的物質文化遺產價值,應加以重點保護。吐魯番市現有坎兒井1 091條,有水坎兒井404條,干涸坎兒井687條。有水坎兒井中最大流量為244.9 m3/s,最小流量為0.2 m3/s,總出水量為7 353.91 m3/s。根據吐魯番市坎兒井分布及出水量現狀,結合未來吐魯番市坎兒井上游規劃水利工程分布,確定坎兒井保護的原則是:對目前出水流量大于50 m3/s的坎兒井進行保護;對已經規劃了水利工程的河流下游坎兒井酌情進行保護。目前由于南盆地的地下水開采程度較高,地下水水位在短期難以恢復,因此,應以北盆地中的坎兒井為主要保護對象。具體保護范圍為坎兒井第一眼豎井上下游一定范圍內的區域。

圖1 吐魯番市地下水二級功能區劃分

e. 地質災害易發區。《大綱》將地質災害易發區界定為地下水水位下降后,容易引起海水入侵、咸水入侵、地面塌陷、地下水污染等災害的區域。從目前掌握的資料看,沒有發現因為地下水開發利用而產生各方面的環境地質問題,因此,在吐魯番市不劃分地質災害易發區。

f. 不宜開采區。《大綱》對不宜開采區界定為由于地下水開采條件差或水質無法滿足使用要求,現狀或規劃期內不具備開發利用條件或開發利用條件較差的區域。劃分條件是,多年平均地下水可開采量模數小于2萬m3/(a·km2),地下水礦化度大于2g/L。吐魯番盆地南部的沙漠地區地下水資源量很小,不具備開發利用條件,可以劃分為不宜開采區。另外,綠洲與綠洲之間的水資源可利用量很少,不具備開發利用條件。

g. 儲備區。《大綱》將儲備區界定為有一定的開發利用條件和開發潛力,但在當前和規劃期內尚無較大規模開發利用活動的區域。劃分條件是,地下水賦存和開采條件較好,當前及規劃期內人類活動很少、尚無或僅有小規模地下水開采的區域;地下水賦存和開采條件較好,當前及規劃期內,當地地表水能夠滿足用水的需求,無需開采地下水的區域。

h. 應急水源區。《大綱》將應急水源區界定為地下水賦存、開采及水質條件較好,一般情況禁止開采,僅在突發事件或特殊干旱時期應急供水的區域。

3 地下水功能區劃分成果

3.1 功能區面積及分布

根據前述劃分依據對吐魯番市淺層地下水進行二級功能區劃分,劃分面積72 973 km2。一級功能區劃分各區面積分別是:開發區2 251 km2、保護區25 460 km2、保留區45 262 km2,相應面積比例分別是3.08%、34.89%、62.02%。劃分結果見圖1、表1和表2。

集中式供水水源區10個,面積18 km2,占總區劃面積的0.02%。10個集中式供水水源區分別是:

表1 吐魯番市地下水二級功能區數 個

表2 吐魯番市地下水二級功能區面積

高昌區一碗泉生活飲用集中式供水水源地、高昌區紅星渠首生活飲用集中式供水水源地、高昌區沈宏集團小陰溝水源地、鄯善縣第一自來水公司水源地、托克遜縣華電公司水源地、托克遜縣圣雄公司水源地、托克遜縣工業園區水源地、托克遜縣欣葉公司水源地、托克遜縣雪銀公司水源地以及即將通水的高昌區大草湖水源地。

分散式開發利用區5個,面積2 233 km2,占總區劃面積的3.06%。分散式開發利用區基本上沿灌區分布,主要分布在盆地中部的火焰山——鹽山兩側,即北盆地和南盆地,并且以南盆地為主要開發區。開采井外邊線基本與灌區分布一致。

生態脆弱區8個,面積14 208 km2,占總區劃面積的19.47%。生態脆弱區主要分布在吐魯番盆地下游的艾丁湖周邊區域。在艾丁湖周圍分布有“羅布泊野駱駝國家級自然保護區”,在艾丁湖以南的區域是庫木塔格沙漠,主要植被是駱駝刺。生態脆弱區還分布在人工綠洲與戈壁灘地之間,一定規模的天然綠洲對人工綠洲具有防護作用。

地下水水源涵養區9個,面積11 252 km2,占總區劃面積的15.42%。地下水水源涵養區主要分布于吐魯番盆地北部的天山山脈區,山丘區起到對本地區地表水和地下水維系和涵養作用。根據坎兒井保護原則,需要保護的坎兒井主要位于北盆地,劃定吐魯番市坎兒井保護區范圍約167.07 km2。

不宜開采區7個,面積38 290 km2,占總區劃面積的52.47%。不宜開采區分布范圍較廣,主要分布于吐魯番盆地南部的庫木塔格沙漠區。另外,不宜開采區分布于各灌區之間的區域,這些地區可利用的水資源量很少,不具備開發利用條件。

儲備區3個,面積6 972 km2,占總區劃面積的9.55%。儲備區主要分布于天山山脈山前戈壁帶,這些地區地下水目前開發利用較少,水量較為豐沛。

3.2 功能區現狀評價

吐魯番市地下水功能區總補給量為11.98億m3,可開采量5.43億m3,現狀年實際開采量為7.79億m3(采用2010—2014年近5的平均值),超采量約為3.18億m3。超采量嚴重的功能區是分散式開發利用區,該功能區的超采量占總超采量的91%。其余有9%的超采分布在生態脆弱區和不宜開采區。

目前,吐魯番盆地的主要開采形式是分散式開采,地下水開采井遍布在幾乎所有的鄉鎮,綠洲區基本上都是超采區。可見,未來地下水管理的重點地區應該是綠洲區,應控制開采井數及開采量。

表3 吐魯番市地下水二級功能區開發利用現狀

3.3 功能區管理目標及措施

地下水功能區保護目標是指各功能區在規劃期內能夠正常發揮其各項供水和生態與環境功能時應該達到的目標要求。地下水功能區的保護指標包括地下水水質、地下水開采量和地下水水位3類。地下水是脆弱的系統,一旦遭到破壞就很難修復,因此在制定分區目標時要特別強調對地下水的保護,從嚴制定控制目標,保障地下水的各項功能的正常使用。原則上,對目前實際情況好于其功能標準要求的,分區地下水保護的目標標準不應低于現狀;對于目前已經處于臨界邊緣的,要加大保護力度,防止出現影響其功能發揮的惡化趨勢;對于各功能區目前由于超采和污染等原因導致地下水功能不能正常發揮的地區,要考慮需要與可能,分別提出修復治理目標。

根據功能區管理目標制定原則,確定吐魯番市各地下水二級功能區的保護目標。①集中式供水水源區。水質保護標準均維持現狀I～II類水質類別;水量保護標準是不大于可開采量2 945萬m3;多年平均情況下水位呈動態平衡,保持現狀平均水位即可。②分散式開發利用區。水質保護標準均維持現狀II～III類水質類別;水量保護目標是對現狀已經超采的4個分散式開發利用區應壓減開采到各自的可開采量;如果要達到采補平衡,分散式開發利用區的地下水水位應比現狀上升10～20 m。考慮到高昌區和鄯善縣的水資源緊缺程度,酌情確定在近5年內水位維持現狀。③生態脆弱區。水質目標維持現狀III類水質類別;目前在灌區周邊的生態脆弱區有超采現象,應控制該功能區的開采量,防止綠洲荒漠化;水位應保持在現狀基礎略有回升。④地下水水源涵養區。應禁止在山區開礦,防止由于地表污染引起的地下水污染,以及由于礦山排水引起的泉水水源補給量減少,其水質、水量、水位保護指標維持現狀。⑤不宜開采區。不宜開采區基本上是荒漠區和灌區之間的戈壁,人類活動較少,其水質、水量、水位維持現狀。⑥儲備區。儲備區分布在山前戈壁地帶,目前開發利用較少，其水質、水量、水位基本維持現狀。

筆者認為,為了保證今后按照地下水功能區進行管理,應采取以下措施:①嚴格控制超采區開采量。目前高昌區和鄯善縣劃分的分散式開發利用區中地下水超采較為嚴重,應控制這些地區的地下水開采,實行總量控制。②切實落實坎兒井保護。坎兒井是我國干旱區獨特的水利工程,具有極高的文化保護價值。坎兒井保護核心是水源問題,應嚴格控制坎兒井保護區范圍內的地下水開采量,以利于坎兒井水源的涵養與保護。③完善和健全地下水監測網絡。根據地下水功能區水量、水質、水位3個方面監督考核的需要,補充地下水水質檢測,特別是水源地的水質監測,制定地下水監測規劃,完善地下水監測網絡體系。

4 結論及建議

按照水利部《地下水功能區劃分技術大綱》具體要求,結合吐魯番市實際情況,對吐魯番市72 973 km2范圍內淺層地下水進行了功能區劃分,得到如下結論:①地下水一級功能區中開發區、保護區、保留區的面積比分別是3.08%、34.89%、62.02%。②地下水二級功能區中集中式供水水源區、分散式開發利用區、生態脆弱區、地下水水源涵養區、不宜開采區、儲備區的劃分個數分別是10個、5個、8個、9個、7個、3個,面積比分別是0.02%、3.06%、19.47%、15.42%、52.47%、9.55%。③現狀年地下水功能區地下水超采約3.18億m3,其中分散式開發利用區占總超采量的91%,其余有9%超采分布在生態脆弱區和不宜開采區。④地下水二級功能區的水質、水量和水位管理目標均應不低于現狀,對于目前超采較為嚴重的分散式開發利用區應進行水量與水位雙控。

地下水功能區劃分是一項全新的工作,國家還沒有正式出臺相關的技術標準和規范,這給地下水功能區劃分工作造成較大困難和不確定性。因此,建議對本次研究確定的吐魯番市地下水功能區劃分方案試行一定時期,評定劃分成果的合理性,以便修改完善劃分方案,同時,也為地下水功能區劃分技術標準的出臺提供一定借鑒。

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Functional division of shallow groundwater in Turpan City

TANG Yun, WANG Yan, TANG Kewang

(DepartmentofWaterResources,ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch,Beijing100038,China)

This paper formulates the divisional basis of various groundwater functional areas for reasonable utilization, management, and conservation of groundwater in Turpan City. based on technical guidelines of China’s nationwide division with consideration of water cycle, hydro-geological nature, groundwater exploitation situation, and eco-environmental conservation demands. Shallow groundwater is divided into the following three types of areas with first-class functions: the developing area, the conservation area, and reserve area. Six sub-class functional areas are further divided as follows: the centralized drinking water area, the distributed exploitation area, ecologically vulnerable area, groundwater conservation area, unavailable exploitation area, and reserve area. The situations of various sub-class functional areas are evaluated. The results indicate that the distributed exploitation area, which has been exploited excessively, should be a focus in future groundwater management. Based on the principle of strict management of groundwater functional areas, the targets of various functional areas are determined with water quality, water quantity, and water level taken into account. Management measures and suggestions are put forward in regard to total water quantity control, Karez conservation, and the improvement of groundwater monitoring system.

groundwater; functional division; Karez; Turpan City

10.3880/j.issn.1004-6933.2017.02.004

中國水利水電科學研究院“十三五”重點科研專項(WR0145B502016)

唐蘊(1968—)，女，教授級高級工程師，博士，主要從事水資源開發利用中的生態環境研究。E-mail: tangyun@iwhr.com

P641.8

A

1004-6933(2017)02-0016-06

2016-07-27 編輯：彭桃英)