准噶尔盆地南缘水文地质条件变化特征分析

准噶尔盆地南缘水文地质条件变化特征分析

准噶尔盆地南缘地区位于木冬县，西至博乐市，南至北至山西南部，北至古尔班通古特沙漠前。随着该地区经济发展，水资源需求日益增加，地下水开发水平显著提高。该地区的水文条件发生了重大变化，地下水资源逐年减少。因此，对新疆准噶尔盆地南缘（天山北麓）人类经济活动带来的水文条件变化的特点进行了评价、规划和开发。对冷湿地区的地下水资源评价、规划和开发具有很高的主导意义。1地下水特征及地下水类型天山北麓地区总体地势南东高、北西低,海拔高度由山区3000~5000m向盆地边缘绿洲带递减至1000m,盆地中心高约400~500m,艾比湖地势最低,海拔189m.受新构造运动及地下水补给条件影响,天山北麓地带山前沉积着巨厚的第四系松散堆积物,最大厚度达1000多米,赋存有丰富的地下水,地下水类型为松散岩类孔隙水,主要接受山区侧向径流、沟谷潜流、河道入渗、田间灌溉入渗、降水入渗、渠系入渗等补给,以泉水溢出、蒸发蒸腾、人工开采等为主要排泄方式,具典型干旱区水文地质规律.富水性由山前到沙漠表现为弱→强→弱的变化规律,沿G312线一带富水性最强,单位涌水量为10~30m3/h·m或大于30m3/h·m,该带两侧富水性减弱至1.0~10m3/h·m.含水层岩性由山前带到沙漠(或汇流中心),由卵砾石、砂砾石逐渐过渡为中粗砂、粉细砂.区域上由南向北构造单元划分为天山褶皱带、山前坳陷带(区内)和准噶尔地块.2主要河流类型天山北麓地下水补给由地表水入渗、大气降水入渗和地下水转化补给组成.因此,地下水与地表水联系密切,地下水资源直接受降水量、河流径流量、引水量的影响.天山北麓地表水系发育,汇流中心分别为玛纳斯湖水系和艾比湖水系,主要河流有博尔塔拉河、精河、四棵树河、奎屯河、玛纳斯河、呼图壁河、三屯河、乌鲁木齐河、开垦河等,总径流量88.10×108m3/a.由2000年以前的44年平均径流量资料分析,大部分河流50~60年代为偏丰水期,70~80年代为偏枯水期,至90年代以后有增加趋势(图1,2,).以昌吉州为例,1975—1984年昌吉州河流年径流量平均28.90×108m3/a,1985—1995年平均30.00×108m3/a,1995—2000年平均31.59×108m3/a,近几年随着大气降水的增加,河道泄水量在丰水年呈上升趋势,从河道入渗量分析,丰水年河道入渗比列增大河道入渗补给量变化规律与地表水径流量变化规律基本一致.3受水保护项目影响的水文条件变化3.1大量引水量降低下游来水量大规模修建水利工程,一方面人为的将上游地下水补给区迁移至下游平原区,打破了原来的上游以补给为主、中游以径流为主、下游以排泄为主的循环模式;另一方面上游大量引水,使下游来水量减少,造成湖面萎缩甚至枯竭.如玛纳斯湖1965年面积为550km2,现已干涸;艾比湖1950—1987年期间,水面由1070km2缩小到500km2,90年代进入丰水期,面积增至近800km2;老龙河下游的东道海子,60年代水域面约14km2,水最深处达10m,现已完全干涸,周边湿地面积缩小.引起以上变化的主要原因为山口引水、平原区水库修建等切断补给来源造成.3.2入渗补给量比较天山北麓平原区地下水补给中,河川径流约占80%以上,由于大规模拦水、引水,导致入渗条件极好的河道补给功能减弱甚至丧失,地下水河道入渗补给量急剧减少.据1985年与2003年地下水资源评价资料、计算结果,1985年河道入渗补给为26.3315×108m3/a,2003年减少了6.2438×108m3/a,其中玛纳斯河1985年河水渗漏补给量近3.8567×108m3/a,2003年平均不足0.64×108m3/a,减少了84%;渠系与田间入渗补给1985年为34.16×108m3/a,2003年为32.6392×108m3/a;经计算渠系与田间入渗补给大于河道入渗补给,1985年为1.30倍,2003年为1.62倍.因此,地下水补给模式由20世纪50年代前的山前戈壁带或河道自然入渗补给,转变为现今的田间-河道渗漏复合补给,田间渗漏补给比率不断增大,河道渗漏补给不断变小.3.3地下水补给量变化由于引水量不断增加,河道泄洪量不断减少,入渗补给量逐年减少.渠系入渗由于渠道防渗设施不断完善,有效利用系数由0.45提高到0.65,特别是大型干渠目前基本上提高到0.90~0.92,入渗补给量减少.田间入渗虽灌溉量比80年代有较大数量的增加,但由于节水及亩灌溉定额减少,而形成补给量总体上减少.据木垒-乌苏地下水开发利用程度较高区计算对比,河道入渗补给量、渠系入渗补给量、田间入渗补给量分别由1985年的11.6761×108m3、15.9455×108m3、5.3104×108m3,减少到2003年的10.522×108m3、11.6563×108m3和3.9563×108m3.根据资料,20世纪80年代天山北麓地下水补给总量为53.5724×108m3/a,90年代末为48.12×108m3/a,2003年丰水年为48.6337×108m3/a(丰水年),总体呈减少的趋势.4地下水开采引起的水文条件变化4.1配套机井开采量少,数量大小从20世纪50年代开始,天山北麓开始井采地下水,60年代末在天北公路沿线形成少数井灌区.70年代后机井建设发展较快,至1978年底,据不完全统计,全区配套机井约8017眼,开采量约11.0×108m3;1985、1995、2000、2003年配套机电井分别为11943、15160、18941、19178眼;地下水可开采量分别占年可开资源的35.49%、64.93%、72.89%、67.08%,1980—2003年地下水开量变化见图3.4.2地下水动态类型及径流、径流分布排泄方式改变大量的人工开采,一方面使地下水水位下降,泉流量衰竭甚至消亡,泉水溢出带北移,使原来以泉水排泄、潜水蒸发蒸腾排泄为主的排泄方式向以人工开采为主的排泄方式转变.据资料分析,开采量占排泄量比例1980年为17.94%,1990年为年仅为0.002×108m3,造成了潜水蒸发减少湿地萎缩.另一方面,使排泄区由分布于中下游向上、中、下游均有分布转变,受开采技术水平的提高和人类经济活动强度增大的影响,在上游山前地带甚至山间谷地内有不同强度地下水开采活动,使地下水补给区出现了地下水的人工排泄.地下水流场改变产生大量降落漏斗由于地下水高强度的开采,使天山北麓地下水水位与承压水头持续下降(图4),改变了原始状态下的地下水流场,同时产生大量降落漏斗.原始状态下,天山北麓平原区孔隙潜水流场形态总趋势是从山前向平原区径流,最终汇入河、湖、水库,地下水水力坡度由山前的1.5‰~3.0‰,变至1.0‰~2.5‰,下游由3.0‰~5.0‰变至3.5‰~6.0‰,地下水动态类型也由径流型转变为径流排泄型.承压水处于封闭或半封闭状态,排泄不畅,更新非常缓慢,含水层多者达5~7层,深度几十至几百米,主要接受单一结构潜水侧向径流补给及相邻含水层越流补给.天然状态下,承压水由南向北径流,水力坡度变化平缓(图5).由于50多年来人类活动的干扰,造成天山北麓经济带,32.00%,2000年为46.17%,2003年为52.01%(其中奎屯-木垒地段达63.7%),呈增长趋势;泉水排泄,如玛纳斯河西岸泉水1956年4.29×108m3,1960年3.744×108m3,1980年3.0201×108m3,1990年2.8823×108m3,2003年1.6×108m3,泉水溢出带也由20世纪50年代末向北平移2~5km;奇台县泉水1966年1.12×108m3,1986年0.262×108m3,2000单一结构潜水区地下水位下降4~10m(1985—2003年),泉水溢出带下移(2~5km),水力坡度由1980年的1.5‰~3.0‰变至2003年的1.0‰~2.5‰,天然状态下的地下水流场发生了变化.承压水区,含水层水头下降10~60m(1980—2003年),水力坡度由20世纪80年代的3.0‰~5.0‰变至2003年的3.5‰~6.5‰,自流水面积减小甚至消失,地下水水平方向上流场发生了大的变化,垂向流动发生逆转(图6).天然条件下深层承压水向浅层地下水越流排泄,大部分地段改变为接受上部含水层的向下越流补给,形成多处地下水降落漏斗.2003年地下水在沙漠边缘的105-150团、135-147团形成2处较大的降落漏斗,其中105-150团漏斗面积2465km2,漏斗中心水头下降至20~54.25m.135-147团漏斗面积1280km2,漏斗中心水头下降至20~37.50m.昌吉州属地下水开采区,地下水位下降累计超过10m的漏斗区已形成9个,漏斗总面积877km2,占地下水动态监测网控制面积7083km2的12%,地下水流系统由区域水流系统向局部水流系统转变.5地下水补给模式转变新疆准噶尔盆地南缘天山北麓地区是一个地下水最为丰富的地区,自20世纪50年代以来受水文因素变化及水资源开发利用影响,2000年以来,区内水文地质条件发生了较大变化.(1)水资源循环特征发生了变化,打破了原来上游补给、中游径流、下游排泄为主的循环模式,补给模式由20世纪50年代前的山前戈壁带或河道自然入渗补给为主,转变为田间-河道渗漏复合补给为主.(2)地下水补给由于渠系引水增加、