煤窯溝灌區地下水化學特征與地下水動態分析

祖力皮亞·熱西提

（新疆維吾爾自治區水文局,新疆 烏魯木齊 830000）

煤窯溝灌區2009 年～2018 年農業、工業、生活及生態多年平均用水量分別為31059 萬m3、853萬m3、1330萬m3和813萬m3,總用水量為34055萬m3。其中地下水（井水、泉水利用、坎兒井利用）多年平均利用量分別為24698萬m3、758萬m3、1176萬m3和630萬m3。為了科學利用地下水資源,需對灌區地下水化學和動態特征進行分析。

1 概況

煤窯溝灌區是吐魯番市高昌區最大的一個灌區,是吐魯番市和高昌區重要的棉花和葡萄生產基地。煤窯溝灌區地下水的形成和富集,主要受補給條件和地層巖性特征的控制,局部受構造的影響。在山前沖洪積傾斜平原地區,地下水主要由山區降雨、融雪水及山區基巖裂隙水側向徑流流入補給或由山前地表水入滲轉化形成。北部的高山區,地下水主要以基巖裂隙水的形式向下運移,并對河水有補給作用。在中山區段,基巖裂隙水不太發育,主要靠河水對其補給。由北向南,出低山區后河床覆蓋層變厚,在山口下游,其厚度達數百米,地表水除蒸發以外,全部轉化成地下水進入山前傾斜礫質平原中,地下水存在的形式,主要為孔隙潛水,潛水埋深一般大于50 m。在山前沖洪積礫質平原中,地下水水質較好,水量較豐富。地下水水化學類型為HCO3-Ca型或HCO3-Ca·Na型,礦化度小于1g/L。

經過地質勘探,煤窯溝灌區地下水埋深6 m～10 m、10 m～20 m、20 m～30 m、30 m～50 m和＞50 m的面積分別為8.6 km2、33.4 km2、221.6 km2、297.7 km2和1286.5 km2；依次占平原區面積的0.5%、1.8%、11.8%、15.9%和68.6%?？傮w看,高昌區煤窯溝灌區南盆地地下水埋深大于20 m,對區內天然生態環境植被存在不利因素。

2 地下水化學特征

2.1 地下水化學類型

根據灌區機井（井深50 m～190 m）水質資料分析可知,煤窯溝灌區井水pH值為7.2～8.6,為弱堿性水；井水總硬度69.4 mg/L～939 mg/L,屬軟水、微硬水和硬水；井水溶解性總固體為180 mg/L～2440 mg/L,屬淡水（＜1000 mg/L）和微咸水（低礦化水1000 mg/L～3000 mg/L）；井水化學類型（舒卡列夫分類）主要以11 -A（HCO3、SO4型）、39-A（SO4、Cl型）為主。地下水化學類型從上游到下游具有由HCO3型HCO+SO4型 HCO+SO4+Cl型SO4型Cl型的演變特征。煤窯溝灌區灌區流域以陰離子為HCO3型、HCO+SO4型、 SO4型和Cl型的地下水化學類型的面積分別為27.7 km2、1220.5 km2、86.5 km2、475.7 km2和85.7 km2,分別占煤窯溝灌區總面積的1.5%、64.4%、4.6%、25.1%和4.5%。

2.2 地下水硫化度特征

由收集的煤窯溝灌區井水（井深50 m～190 m）水質資料得出,灌區北盆地全區及南盆地北部及中部區域,地下水礦化度一般＜1000 mg/L。地下水礦化度1000 mg/L～2000 mg/L分布區域主要在南盆地上中部；地下水礦化度＞2000 mg/L分布在南盆地最下部,同時在南盆地的中部也有分布。煤窯溝灌區流域地下水礦化度分布主要以＜1000 mg/L為主,其次是 1000 mg/L～2000 mg/L 的地下水質。煤窯溝灌區流域地下水礦化度＜1000 mg/L、1000 mg/L～2000 mg/L、2000 mg/L～3000 mg/L的面積分別為1301 km2、480.3 km2和114.7 km2,分別占煤窯溝灌區總面積的68.6%、25.3%和6.0%。

高昌區艾丁湖湖積平原區是流域的最低處,是地表水和地下水的歸縮處,也是鹽分聚積堆積區。地下水處于停滯狀態,以蒸發排泄強烈濃縮為主,尤其氯化鈉鹽飽和后析出鹽分聚積,在盆地周圍形成嚴重鹽沼地,水質鹽化,一般為CI- SO4-Na型水,向艾丁湖地帶,演變為CI-Na型水,礦化度達50 g/L～350 g/L。

綜上,煤窯溝灌區地下水化學成分,主要受徑流條件控制,在含鹽巖層的溶濾以及水與離子交替吸附等綜合作用下,形成以艾丁湖為中心的半環狀水化學分帶特征。水平方向從平原低處到北部山區,垂直方向從上到下,地下水礦化度由高變低,水化學類型由氯化物型水-硫酸鹽型水-重碳酸鹽型水的變化特征。

3 地下水動態特征

3.1 地下水埋深變化特征

（1）年內地下水埋深變化特征

煤窯溝灌區地下水動態變化,在吐魯番山前地帶隨地表徑流量變化而變化。地下水動態變化的主要表現,枯水期最低水位出現在冬季凍結后,隨著春暖解凍融雪,有地表徑流入滲,地下水水位波動回升,出現豐水期二次；一次在積雪消融解凍地表水的洪峰期,相對影響地下水出現豐水洪峰；第二次一般在5月～8月降水多時段,地下水出現最高豐水期。10月份后,地表徑流量變小,水位逐漸下降。因此,動態類型屬水文徑流型。

綠洲區內由于人類的活動,大量開采利用地下水,地下水動態主要呈開采型特征,地下水位變化大多呈單峰型,一般自4月份水位開始下降,最低水位出現在7 月～8 月,隨后水位開始緩慢上升,最高地下水位出現在第二年的1 月～3 月,年變幅1.0 m～6.0 m。

（2）年際地下水位變化特征

根據吐魯番水文局地下水監測資料,繪制煤窯溝灌區南盆地地下水2009 年～2019 年10 年變化降深,見圖1、圖2。

從圖1、圖2中可以明顯看出,煤窯溝灌區北西向南東方向地下水埋深多年變化由穩定向快速下降狀態演變。北西即高昌區敬老院區域地下水埋深多年變化為基本穩定區（-0.1 m/a～0.1 m/a）；恰特卡勒水管所、火焰山農業開發區區域則為中速下降區域（-0.5 m/a～-1.0 m/a）,再向南東火焰山園藝村、恰特卡勒唐努兒隊區域地下水埋深為快速下降區（＞-1.0 m/a）。

圖1 火焰山園藝村地下水埋深變化及趨勢圖

圖2 恰特喀勒鄉唐努爾隊地下水埋深變化及趨勢圖

統計煤窯溝灌區南盆地地下水埋深多年變化速率分區（表1）可以看出,煤窯溝南盆地面積902.7 km2,其中地下水穩定區（-0.1 m/a～0.1 m/a）面積為51.9 km2,占總面積的5.7%；慢速下降區（0.1 m/a～0.5 m/a）面積為74.1 km2,占總面積的8.2%；中速下降區（0.5 m/a～1.0 m/a）面積為221 km2,占總面積的24.5%；快速下降區（＞1.0 m/a）面積為555.5 km2,占總面積的61.6%；煤窯溝灌區南盆地地下水埋深主要以快速下降為主。

表1 煤窯溝灌區南盆地地下水埋深年平均變化速率分區表 單位：km2

3.2 坎兒井出流變化特征

（1）2009 年以前變化特征

據2009 年吐魯番市水文局對區域坎兒井實測資料 （表2）,2003年煤窯溝灌區坎兒井出流量為1.21億m3；至2009年坎兒井出流量減低到0.50億m3；6年間減少了41.2%,平均每年遞減率為86.3%。說明這是由區域地下水處于嚴重超采階段所致。煤窯溝灌區除原種場坎兒井流量相對穩定外,其它區域坎兒井均處于流量減小趨勢,其中,勝金鄉坎兒井流量遞減量相對較大。

表2 吐魯番市各鄉坎兒井年出水量對比表 單位：億m3

（2）評價期變化特征

根據吐魯番水文局坎兒井監測資料, 2009年～2018年煤窯溝灌區監測坎兒井多年平均月出流量見圖3。煤窯溝灌區坎兒井年內3 月出流量最大為10.22 萬m3,之后開始下降至8月為最小流量7.31萬m3,9月后流量開始逐漸回升,至翌年3月達到最大?？矁壕陜攘髁孔兎鶠?.72 萬m3。坎兒井年內變化與區域地下水埋深變化基本相同。

圖3 高昌區監測坎兒井多年平均徑流量月過程圖

根據吐魯番水文局2009年～2018年監測坎兒井資料（圖4）,米依木阿吉坎兒井、吐爾坎兒井2009 年～2013 年、2014年呈下降趨勢,之后流量開始回升且超過2009年的出流量；巴宗坎兒井出流量相對較為穩定,最低值出現在2012年和2013年。

圖4 高昌區監測坎兒井年出流量變化特征圖

統計吐魯番水文局坎兒井監測資料（表 3）,2009年～2018年煤窯溝灌區流域坎兒井溢出水量為1830 萬m3～2724萬m3,煤窯溝灌區流域2009 年～2013 年坎兒井出流量呈下降趨勢,2013 年坎兒井最小出流量1830萬m3。之后2014年～2018 年坎兒井出流量則呈連續弱增加趨勢,但2018年坎兒井出流量1982 萬m3仍遠低于2009 年水量,煤窯溝灌區坎兒井多年平均出流量為2120萬m3。

表3 煤窯溝灌區流域坎兒井出流量表 單位：萬m2

3.3 泉水出流變化特征

(1)年內變化特征

據煤窯溝灌區監測資料（見圖5）,2016年煤窯溝灌區流域泉水出流量為1296萬m3。灌區泉水年內3月出流量最大為177.32萬m3,之后開始下降至7、8月兩月為最小流量62.47萬m3,9月后流量開始緩慢回升。泉水年內流量變幅為183 萬m3。泉水年內變化與區域地下水埋深變化基本相似。

圖5 煤窯溝灌區2016年泉水年內出流量變化特征圖

根據吐魯番水文局泉水監測資料（表4）,2009 年～2018年煤窯溝灌區流域泉水溢出水量為1078萬m3～1715萬m3,煤窯溝灌區2009年～2012年泉水出流量呈下降狀態。煤窯溝灌區流域泉水多年平均出流量為1385萬m3。

表4 煤窯溝灌區流域泉水出流量表 單位：萬m3

4 結語

地下水在煤窯溝灌區工農業生產使用中占很大比重,通過對煤窯溝灌區地下水化學特征和地下水動態特征分析可知,煤窯溝灌區流域地下水礦化度分布主要以＜1000 mg/L為主,占灌區總面積的68.6%。地下水礦化度從平原低處到北部山區由高變低,水化學類型由氯化物型水-硫酸鹽型水-重碳酸鹽型水的變化特征。地下水位（包括坎兒井、泉水）近年呈下降趨勢,需加強保護減少開采。