昌吉國家農業科技園區地下水動態特征分析與監測管理工作思考

徐 瑋 馬 哲 沈朝陽

(1.福建省水文水資源勘測中心，福建 福州 350001；2.新疆昌吉國家農業科技園區農業科技創新局，新疆 昌吉 831100)

地下水是水資源的重要組成部分，在水資源短缺的干旱半干旱地區，地下水資源在居民生活飲用水和農業灌溉等方面發揮著不可替代的作用。然而，由于對地下水資源的有限性認識不足，大量開發利用地下水，導致超采嚴重，部分地區發生地面沉降、土壤鹽堿化、河流干涸等危害。因此，為科學合理利用地下水資源，保障地下水資源可持續利用，必須重視和加強地下水監測及管理工作[1]。

地下水監測是加強地下水管理和保護，貫徹落實最嚴格水資源管理制度的基礎性工作。地下水動態是指表征地下水數量與質量的各種要素(如水位、泉流量、開采量、水質、水溫等)隨時間和空間所發生的變化現象和過程，是地下水資源量變化的重要表現形式，對地下水監測就是對地下水動態的把握[2]。根據2018年《新疆地下水超采區劃定報告》，超采區劃定結果顯示，昌吉國家農業科技園區被劃為地下水特大型嚴重超采區。因此，利用園區地下水多年動態監測數據進行分析研究，能夠為園區制定合理的水資源保護方案及開發利用形式提供依據。

1 基本概況

1.1 地理位置及園區分布

新疆昌吉國家農業科技園區地處新疆維吾爾自治區天山北坡中段，準噶爾盆地南緣，昌吉三屯河流域沖積扇下游平原區，整體地形由南到北呈狹長帶狀分布。園區東與烏魯木齊市、兵團農十二師及米泉市相鄰，西與呼圖壁縣接壤，南與昌吉市佃壩鎮、大西渠鎮相連，北到105團地界。

園區總面積340.7km2，分為“一城兩區”管轄，分別為新疆國家農業科技城核心區，規劃面積28.3km2；現代農業精深加工示范區和現代農業科技創新試驗示范區(老龍河區和牛圈子湖區)，規劃面積312.4km2。

1.2 氣象條件

園區地處中緯度西風帶，具有典型的溫帶大陸性氣候特征，表現為冬季寒冷漫長，夏季炎熱干燥，晝夜溫差大；降水稀少，多年平均降水量167.8mm，降水年內分配不均勻，春夏季降雨較多；蒸發強烈，多年平均年蒸發量1784mm，最大蒸發值出現在6—8月。

1.3 地形地貌和地質構造

園區海拔高程介于400～500m之間，總體地勢平坦開闊，但微地形發育，地形坡度由15‰的頭屯河出山口西側及三屯河出山口以下的沖洪積傾斜平原逐漸降至1‰～3‰的沙漠南緣的細土平原區。園區處于準噶爾-北天山褶皺系中的烏魯木齊山前坳陷區和準噶爾坳陷中央坳陷區構造單元內，在坳陷區內沉積了巨厚的第四紀沉積物，由北向南增厚，沉積物大多未膠結，其結構松散且多孔隙，因而大氣降水和地表徑流易滲入，為地下水的徑流、貯存、補給提供了良好的水文地質條件。地下水的排泄主要有兩種形式：天然排泄和人工排泄。其中，人工開采是園區地下水的主要排泄方式，天然排泄主要是地形低洼處地下水以蒸發或蒸騰的形式排泄。

1.4 水資源概況

園區地表水主要來自三屯河分水、頭屯河分水和“500”西延干渠引水。地下水來自巨厚的第四紀沉積物中埋藏的孔隙潛水和承壓水，主要是核心區、老龍河區和牛圈子湖區農業灌溉開采。根據《2020年昌吉國家農業科技園區水資源公報》統計，2020年園區引用地表水3316萬m3，提取地下水3223萬m3。

2 園區地下水動態監測井分布

昌吉國家農業科技園區成立于2002年，農業種植主要是以農業企業或農場為基本單位，示范區有各類企業、農場154個，老龍河區農場分布較多。園區發展前期，農業灌溉基本為地下水機井灌溉，隨著最嚴格水資源管理制度的施行，園區農業種植用水經歷了從純井灌區到井河混灌區的發展，用水也由全部為地下水轉變為以地表水為主、地下水為輔。園區現有機井545眼，其中核心區8眼，老龍河區317眼，牛圈子湖區220眼。2013年，為加強地下水資源的開發、管理和有效利用，園區將原有的報廢井作為地下水動態監測井，實施地下水動態監測項目，建立了地下水自動監測系統，在線監測地下水水位、水溫變化情況。目前園區州級地下水自動監測井有8眼，分別是核心區1眼、老龍河區5眼、牛圈子湖區2眼。本次地下水動態分析計算按各個區監測井平均數據統計，其中老龍河區有2眼監測井運行時間較短，統計數據采用另外3眼監測井數據。

3 地下水水位動態分析

3.1 地下水水位動態的年內變化

根據影響地下水水位動態的主要控制因素劃分類型，結合水文地質條件分析，主要有氣候型(降水入滲型)、蒸發型、人工開采型、徑流型、水文型(沿岸型)、灌溉型、凍結型、越流型等。

通過2013—2020年園區地下水監測井多年年內各月地下水水位埋深連續觀測數據的平均值，反映園區地下水整體的年內變化情況。園區地下水水位多年平均埋深統計見表1，地下水水位埋深年內變化曲線見圖1。

表1 園區地下水水位多年平均埋深統計

圖1 園區地下水水位埋深年內變化曲線

從圖1可以看出，園區、核心區、老龍河區、牛圈子湖區地下水水位埋深1—3月變化較緩，水位逐步回升，4—6月埋深增大較快，7—8月埋深保持在最大位置，9—12月埋深逐漸減小。整體年內地下水水位動態曲線呈近“V”字形。這種變化的主要原因是新疆氣候干燥，干旱少雨，農作物主要生育期集中在4—10月，園區農業以農作物種植為主，1—3月作物還未種植，地下水開采量較少，氣溫回升，土壤凍層開始融化，補給地下水，地下水位逐漸升高，為地下水水位上升期，最小埋深一般出現在2月或3月；4—8月是作物生長灌溉期，農業灌溉機井抽水灌溉，導致地下水埋深明顯增大，維持在較大水平，地下水水位達到最低；灌溉期結束后，農作物開始收割，地下水開采強度逐漸減小，且受到垂直越流補給，水位得以回升，埋深逐漸減小。因此，園區地下水年內水位動態變化主要受開采量的影響，動態變化類型為人工開采型。

3.2 地下水水位動態的年際變化

根據園區2013—2020年的12月地下水水位埋深監測結果(見表2)，水位多年平均變化除牛圈子湖區下降外，核心區和老龍河區呈明顯的上升趨勢。水位埋深多年平均變幅：核心區地下水水位平均年上升速率為0.81m/a，老龍河區地下水水位平均年上升速率為1.44m/a，牛圈子湖區地下水水位平均年下降速率為0.53m/a?？傮w來看，園區地下水水位呈現逐年上升趨勢，平均年上升速率為0.57m/a。

表2 園區自動監測井多年地下水水位埋深變幅統計 單位：m

通過園區自動監測井逐年年均地下水水位埋深和年開采量分析，得出地下水水位動態的年際變化特征，埋深變化見圖2。從圖2可以看出，牛圈子湖區地下水水位逐年下降，埋深增大趨勢變緩；核心區、老龍河區和園區整體地下水水位在2016年有小幅下降，2017年以后水位埋深開始減小，水位逐年回升。

圖2 園區2015—2020年年均地下水水位埋深變化

園區于2002年5月成立，“十二五”期間為了發展經濟，農場數量不斷增加，機井數也不斷增加，導致地下水提取量日益加大，地下水水位逐年下降，逐漸發展成為嚴重超采區。2012年1月國務院提出要求實行最嚴格水資源管理制度，建立“三條紅線”，對水資源開發利用、用水效率和水功能區限制納污等方面提出了更高更嚴格的要求。近年來，為貫徹落實最嚴格水資源管理制度和有效遏制地下水水位嚴重下降趨勢，盡快修復地下水生態環境與功能，促進區域地下水資源可持續利用，保障經濟社會高質量發展，園區采取了禁采區內機井關停、超采農場停供水、關閉違法取水機電井、嚴格機井更新審批、合理確定年度種植規模、推進耕地資源整合、休耕輪作、推廣使用地表水、退地減水、規范用水計量、地下水管理“警長制”和“井長制”、中水回用、完善灌區配套基礎設施建設、實施機井井電雙控工程等一系列扎實有效的措施，實施地下水用水量和水位降幅雙控制度和用水總量控制指標，嚴格落實壓減地下水開采量目標，逐年減少地下水開采量，使得地下水水位逐步回升[3]。所以園區地下水動態變化類型為人工開采型。老龍河區農場數量較多，機電井數量最多，機井成井深度較深，提取地下水量較大，導致地下水水位一直處在三個區中最低位置，但老龍河區已推廣使用地表水替代地下水多年，水位回升也比較快。牛圈子湖區雖然也是井河混灌區，但地表水使用覆蓋率較低，約為30%，生產用水主要依靠地下水，且區域范圍較小，易受周邊其他區灌溉影響，導致地下水水位逐年降低，但因多項措施并舉控制開采量，下降趨勢變緩。

4 地下水動態監測管理存在的問題

4.1 地下水動態監測站網密度不夠，觀測孔的布設不甚合理

地下水監測站網是保證地下水動態監測工作順利進行的關鍵，觀測孔是幫助地下水動態監測人員開展監測工作的重要工具，因此，地下水動態監測站網布局和觀測孔的布設往往會影響地下水動態監測工作。根據《地下水監測工程技術規范》(GB/T 51040—2014)要求，園區現有監測井數量上不能滿足監測區的合理監測要求，監測密度不滿足規范要求；同時，園區現有機井545眼，布設的觀測孔位置不夠合理，不能準確反映監測區的地下水變化及水文地質單元的地下水變化趨勢。

4.2 自動監測設備靈敏度不夠，信息采集傳輸不穩定

在地下水動態監測工作中，最關鍵的是監測數據的準確性和連續性，而設備的靈敏度和信息采集是很重要的環節，監測探頭對地下水的各種水文、水質數據等進行采集、傳輸后，工作人員才能進一步對這些數據進行分析處理[4]。但是，通過近幾年的動態監測數據接收情況看，園區自動監測設備靈敏度不夠，易受到外界環境因素的影響(如天氣過冷、電壓不穩定等)，無法正確進行數據采集及傳輸，造成數據流量的缺失。同時，設備采用的是GSM移動通信網絡，老龍河區和牛圈子湖區通信信號較差，導致信息傳輸時有時無，監測數據的時效性成為難題。

4.3 地下水自動監測系統硬件功能不齊全，軟件功能不完善

園區現有地下水自動監測主要以水位、水溫監測為主，水質監測以人工采樣監測為主，沒有安裝自動監測探頭，且沒有水量監控探頭，不能全方位反映地下水變化情況。地下水自動監測系統軟件只記錄每日水位、水溫數據，數據管理、統計分析、圖表展示等服務能力不足，每次需對數據進行人工統計分析，導致園區地下水自動監測工作雖已開展多年，積累了一定的數據量，但每年編制地下水動態監測年報時只對數據做簡單的統計和匯總，沒有對本年度地下水水位、水質上升和下降的原因進一步加以分析，或沒有對歷年數據加以比較，分析年際動態變化，沒有發揮出地下水自動監測為水資源開發利用提供服務的作用。

4.4 地下水動態監測重建輕管，后期運行管理困難

園區地下水自動監測井建成后，沒有明顯的自動監測設備標識牌，雖然有外圍圍欄進行保護，但保護措施比較簡陋，易遭到人為破壞。由于人手不足，監測設備運行過程中，工作人員到現場人工監測復核水位、水溫數據次數較少，不能達到相關頻次要求，對監測井周邊的雜草、枯枝等雜物也不能做到及時清理。自動監測設備后期運維跟不上，比如監測井需要定期維修，對其進行井深測量、透水靈敏度試驗及清淤洗井，定期對電池進行更換；系統軟件需要不定期進行備份更新等，這些工作有些涉及專業方面的知識，需要設備廠家的維護，但設備廠家不在本地，新疆區域范圍又大，工程師不能及時趕到，問題不能得以及時解決，維護時效性較差。

5 地下水動態監測管理工作建議

5.1 科學規劃，合理布局，優化地下水監測站網

積極做好地下水監測站網規劃，調整、優化地下水監測站網是做好地下水監測工作的基礎。要在現有自動監測井基礎上，根據《昌吉州地下水監測站網規劃》和機井密度，結合園區的地形、地貌、氣象、水文以及地下水流向，經濟合理布設自動監測井，爭取建設水位、水溫、水質等專用監測井，代替報廢井等，克服因灌溉或生產生活抽水造成的水位不穩定現象，逐步建立站網布局合理、功能齊全、設施先進，符合地下水開采總量控制、水量分配、地下水管理、水資源保護要求，滿足地下水水位、開采量、水溫、水質等水文要素同步監測的監測站網。同時，可與周邊相鄰行政區協商增設自動監測井，與園區監測點位形成數據比對，從而能更合理地反映出地下水水位變化的影響因素。

5.2 多方協作，提高儀器設備適應性和數據傳輸穩定性

地下水自動監測設備均安裝在野外，惡劣的自然環境對設備運行要求嚴格，風沙多、溫差大、長期無人清理等，迫切要求地下水監測設備能在當地工作條件下穩定運行[5]。建議聯系設備廠家，加強雙方合作，園區收集地方氣象、水文等基礎資料，監測極端天氣下設備的反應情況等，以幫助設備廠家改進儀器適應性。通過園區管委會協調移動通信網絡公司，加大老龍河區和牛圈子湖區信號基站建設，保證網絡數據傳輸的通暢性和穩定性。

5.3 積極推動地下水自動化監測系統改造升級

園區現有自動監測井只監測水位、水溫，建議選址建設水質監測專用井，增加水質監測探頭，以在線監控水質變化情況，及時發現水污染情況，保障供水安全。針對現有地下水自動化監測系統軟件不完善問題，建議聯系設備廠家增加數據報表、對比分析、圖表展示、遠程監控、模擬預測、信息發布等模塊功能，便于及時向社會通報區域內的地下水動態?；蛘咧苯诱霞{入園區現在正在開發建設的地下水資源管理系統，拓展使用功能?；蛘呗撓挡菟郑刹菟譅款^，借鑒水文部門國家地下水監測工程地下水監測信息整編系統的建設經驗[6]，開發新系統，完善整編功能。

5.4 加強管理，定期培訓，加快推進地下水監測隊伍建設

加強對工作人員的管理，減少從事地下水動態管理人員的流動性，做到每日都能掌握自動監測數據接收情況，確保監測設備正常運行，發現異常情況及時處理。加大專項經費的投入力度，引進地下水監測專業高級人才或者聯系昌吉州水利局和設備廠家定期對工作人員進行監測取樣和運行維護等系統培訓，使其逐步掌握先進監測設備的使用方法，提升監測技術水平和應急機動能力，不斷提高地下水監測工作質量。

5.5 提升地下水自動監測站運維管理水平

地下水自動監測站運行過程中易出現濾網堵塞、異物掉入井中、設備沒電等問題，所以如何及時解決問題，保證監測數據的連續性變得至關重要。建議采取以下辦法來提升后期運維管理水平：一是水利工作人員經過嚴格培訓后，根據相關運行維護管理實施細則，定期開展站網巡視、監測井洗井清淤、人工校測復核自動監測設備等，確保監測數據能反映真實情況；二是拓寬地下水監測經費來源渠道，做好自動監測站運行維護經費預算，委托設備廠家或者具備資質的第三方機構進行管護，完成監測站及輔助設施看護、監測井井深測量、透水靈敏度試驗及清淤洗井、監測井及輔助設施維修、監測設備維修及更換、自動監測設備現場校測等工作。

5.6 加強各部門協作和數據共享

要做好地下水監測的動態分析，除了有自身連續監測的數據外，還需要國土部門關于地質地貌情況的分析、水文部門關于河流水系水位流量的數據、氣象部門關于降雨情況的報告等，所以平時要加強與國土、水文、氣象等部門的合作交流[5]，形成有效的信息共享機制，最好能形成一個大數據平臺，實現信息共享。同時，水利部門要根據整合信息，積極研究地下水變化規律，提高地下水管理預警預測預報能力。

6 結 語

通過對昌吉國家農業科技園區多年地下水水位埋深數據及開采量的分析，得出以下結論：一是地下水水位年內和年際動態變化類型均為人工開采型；二是地下水水位逐年回升，但趨勢較緩。

地下水資源在昌吉國家農業科技園區國民經濟和社會發展中發揮著重要的作用，地下水動態信息事關抗旱、防災、水資源管理和生態環境保護等。園區現有地下水動態監測站的建成和運行管理已為地下水監測提供了有利的技術支撐，較好地彌補了地下水監測數據的空缺，但后期運行維護管理、自動監測系統軟硬件和部門協作方面還存在不同程度的問題，仍需進一步改進。