Evolution and Genetic Pattern of Groundwater Flow Field in the Aksu River Basin of Xinjiang Over the Past 40 Years
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摘要:
西北干旱内陆河流域经历了水土资源的大规模开发，对区域地下水和生态环境产生重要影响，但地下水长期演化机制认识尚不够清晰。本研究以新疆阿克苏河流域为典型区，通过最新地下水位数据和历史数据对比，分析流域地下水流场和埋深时空变化历史过程、特征及成因模式，探讨该区地下水长期演化与土地利用变化之间的关系，揭示人类活动影响下的地下水演化机制。结果表明：1979年以来，随着耕地面积增加，区域地下水流场经历了近天然状态到人类活动强烈影响的历史过程，潜水位和承压水头均有不同程度下降，局部地区承压水流向以及与潜水的补排关系发生改变。承压水主要依靠侧向径流补给，但人工开采强度远远大于侧向补给量，导致承压水头明显下降。以研究区中部英艾日克乡–喀拉塔勒镇一线为界，北部地区潜水水位和承压水水头降幅均大于南部地区，原因在于土地利用变化造成地下水补排条件发生改变，北部地区潜水水质较好，被大量开采用于农业灌溉，而南部因地下水质较差，以引用地表水灌溉为主，地下水开采强度较低，因此南部地下水下降不如北部地区明显。研究成果可为新疆阿克苏河流域及类似地区地下水的可持续开发利用与生态保护提供科学依据。
Abstract:The arid inland river basin in the northwest has undergone large-scale exploitation of soil and water resources, which has had a significant impact on regional groundwater and ecological environment. However, the long-term evolution mechanism of groundwater remains unclear. This study takes the Aksu River Basin in Xinjiang as a typical area. By comparing the latest groundwater monitoring data with historical data, the historical process, characteristics, and genetic pattern of the spatiotemporal changes in groundwater flow field and burial depth in the basin are analyzed. The relationship between the long-term evolution of groundwater in the area and land use changes is explored, and the mechanism of groundwater evolution under the influence of human activities is revealed. The results indicate that since 1979, with the increase of farmland area, the regional groundwater flow field has experienced a historical process from a nearly natural state to a strong impact of human activities. Groundwater have decreased to varying degrees, and the direction of groundwater flow in local areas and the replenishment and discharge relationship with the groundwater have changed. Groundwater mainly relies on lateral runoff supply, but the intensity of manual mining is much greater than that of lateral supply, resulting in a significant decrease in groundwater table. Taking the line from Yingairike Township to Karatale Township in the central part of the research area as the boundary, the decrease in the groundwater table in the northern region was greater than that in the southern region, because land use change causes the change of groundwater recharge and discharge conditions. The groundwater quality in the northern region is good, and it is exploited in large quantities for agricultural irrigation, while in the southern region, surface water is mainly used for irrigation due to poor groundwater quality. The intensity of groundwater extraction is low, so the decline of groundwater in the south is not as obvious as that in the north. The research results can provide scientific basis for sustainable exploitation and ecological protection of groundwater in Aksu river basin and similar areas in Xinjiang.
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西北干旱内陆河流域水资源短缺，制约了该地区社会经济可持续发展（陈亚宁, 2023），区内降雨稀少，蒸发强烈，地表水资源无法满足用水需求，地下水资源成为维系生活、生态、工业、农业的重要水源（Williams 1999; Rockstrom et al, 2009; Wang et al, 2021; 党学亚等, 2022; 胡顺等, 2022; 李文明等, 2022）。随着区域现代化进程加快和农业发展规模扩大，土地利用变化显著改变了区域水文过程（罗先香等, 2003; 张俊等, 2021; 王璐晨等, 2023; 龙睿等, 2023），尤其是水资源的大规模开发利用不仅改变了地下水时空分布特征（徐梦瑶等, 2012; 罗杰等, 2020; 刘伟朋等, 2021; 束龙仓等, 2022; 冯嘉兴等, 2023），同时局部地下水位大幅下降，引发植被退化和荒漠化加剧等诸多生态环境问题（陈亚宁等, 2004；满苏尔·沙比提等, 2011; 郭宏伟等, 2017; 王浩等，2020）。在西北地区，针对地下水流场的演化机制已有大量研究，如乌苏市地下水位变化主要受地下水开采量和地表水引水量影响（高宇阳等, 2019），鄯善县地下水开采是地下水位变化的主导因素（陈泽等, 2023），黑河流域中游地下水位变化主要由人为因素控制（王贞岩, 2019）。然而，由于缺乏历史时期地下水监测数据等因素，限制了长时间尺度地下水位变化的根本驱动力研究。因此，厘清长时间尺度地下水流场演化与土地利用变化间的响应关系，可为今后区域水土资源协调发展提供因地制宜的科学基础。
新疆阿克苏河流域，是典型的干旱内陆河流域。以20世纪90年代为界，阿克苏河流域土地变化从前期的准平衡状态转变为后期的不平衡状态（周德成等, 2010），尤其是耕地面积开始大幅度增加（满苏尔·沙比提等, 2011; 王涛等, 2017; 王志成等, 2018），灌溉用水需求不断增大。引水渠与水库等水利工程的修建，截留了上游来水量用于灌溉，使得中下游河水入渗补给量减少（沈永平等, 2008; 周德成等, 2010）。同时，由于中下游地区地表水不足以满足灌溉用水需求，90年代后期地下水大量开采（张旭等, 2020; Huang et al, 2022），造成流域内绿洲区地下水位的下降。因此，40年来阿克苏河流域地下水流场经历了20世纪90年代前的近天然状态到90年代后的人类活动强烈影响的历史过程，可作为地下水演化特征及成因分析的理想区域。
笔者选取阿克苏河流域平原土地利用变化较大的绿洲区进行重点剖析，基于最新地下水统测数据和地下水监测数据，并与20世纪80年代近天然状态的地下水位历史数据对比，分析流域地下水流场和埋深时空变化历史过程、特征及成因模式，探讨人类活动影响下的地下水演化机制，为地下水的可持续开发利用与生态保护提供科学依据。
1. 研究区概况
阿克苏河流域位于新疆中部、天山山脉中段南麓，为典型的干旱内陆河流域，地理位置处于E 79°55′～80°45′、N 40°36′～41°29′（图1）。研究区海拔高度为1 040～1 180 m，北部多山区，地势呈NW向SE倾斜，地形平坦开阔，地处欧亚大陆腹地，四季分明，夏季干旱炎热，冬季寒冷，多年平均气温约为10 ℃，昼夜温差大；降水稀少，多年平均降水量为75 mm；蒸发强烈，年蒸发量为1 200～1 500 mm，属典型的暖温带干旱气候。阿克苏河是塔里木盆地北缘典型的大河之一，上游有托什干河和库玛拉克河两大支流，均起源于天山西南部，在阿克苏市西北部交汇形成阿克苏河。阿克苏河为冰川融雪水和降水混合补给型河流（Sun et al, 2016; 余斌等, 2021; 普拉提·苏力坦, 2023），年平均输入塔里木河干流水量为33.66亿m3，占塔里木河干流总水量的70%以上（满苏尔·沙比提等, 2011; 阿曼妮萨·库尔班等，2022）。阿克苏河流经途中被各级水利枢纽引入到各级渠系和农田，通过沿途渗漏及农业灌溉等方式补给地下水。
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图 1 研究区示意图（a）及监测点分布图（b）Figure 1. Schematic diagram of the study area and monitoring sites distribution流域内地形地貌主要为中低山区和堆积平原区，地下水类型以松散层孔隙水为主，含水层类型为第四系Qp3～Qh冲洪积松散堆积层潜水和承压水含水层，岩性以砂砾石、中粗砂、细砂为主（图2）。研究区自北向南由冲洪积倾斜平原区过度到冲积细土平原区，岩性由粗变细，由砂砾石转变为中粗砂、粉细砂和粉土。在冲洪积倾斜平原内，含水层为单一结构的第四系潜水，单井涌水量大于5 000 m3/d，富水性强，地下水循环条件好。到冲积细土平原地层发生变化，在阿克苏市-佳木镇-五团以南一带，含水层变为潜水、承压水双层多层结构，上部孔隙潜水富水性强-贫乏等，单井涌水量由1 000～5 000 m3/d逐渐减少为10～100 m3/d，下部承压水单井涌水量自北西向南东，由1 000～5 000 m3/d逐渐减少为100～1 000 m3/d，地下水循环条件逐渐变差，更新能力变弱，TDS变高，水质变差。
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图 2 研究区 A - A′水文地质剖面图Figure 2. A - A′ South-north hydrogeological profile of Research area自20世纪90年代起，随着土地开发生产活动逐渐加强，原先以地表水为主，地下水为辅的农田灌溉用水结构已无法满足需要，为了缓解用水矛盾，区内开始大量开发利用地下水资源，据统计，1980～2018年耕地面积增加2006.28 km2，年增长率1.26%，其中1980～1990年耕地总面积基本不变，1990～2018年耕地面积增加2307.71 km2，增大将近1倍。随之地下水开采量从1998年的0.23×108 m3增加到2017年的2.97×108 m3，增大超过10倍。
2. 数据来源与处理方法
本研究所选地下水历史数据来源于1979年中国人民解放军OO九二五部队完成的《阿克苏地区1∶20万区域水文地质普查报告》（潘一心, 1979）及5幅1∶20万综合水文地质图。潜水位信息主要提取自该报告和综合水文地质图中埋深分区以及民井、试坑和洛阳铲孔等水点埋深实测数据，承压水头信息提取自水文地质钻孔水位实测数据，共包括潜水点61组和承压水点38组。同时，根据DEM高程数据，将各水点水位埋深数据换算成水位高程数据。现状水位数据，采用中国地质调查局西安地质调查中心于2022年实测的224组地下水统测数据和国家地下水监测工程监测点23组，包括潜水点140组、承压水点107组，采用相同的DEM高程数据将水位埋深数据换算成水位高程数据，以保证高程基准的一致性。
为研究分析研究区地下水流场演化特征，选择阿克苏河流域平原土地利用变化较大的绿洲区，且历史和现状两期地下水点可同时覆盖的地区作为重点分析区。在重点分析区内，根据1979年和2022年两期水位数据，在Arcgis采用克里金插值法，分别生成两期潜水和承压水水位（头）及埋深栅格数据，并绘制相应水位等值线和埋深分区图。采用Arcgis栅格计算功能将两期地下水位栅格数据进行差值运算，并生成1979～2022年潜水水位和承压水水头变幅图。1979年地下水开采量少，水位基本接近天然状态，2022年水位数据选择开采量较少的高水位期，以减少年内水位变化对历史累计变幅的影响。
1980年和2018年土地利用类型来源于中国科学院地理科学与资源研究所发布的中国多时期土地利用遥感监测数据集（CNLUCC）。该数据是以美国陆地卫星Landsat遥感影像作为主要信息源，通过人工目视解译构建的中国国家尺度多时期土地利用/土地覆盖专题数据库。
3. 研究结果
3.1 地下水流场空间分布特征
3.1.1 1979年地下水流场及埋深特征
由图3a中可看出，区内潜水水位高程1 040～1 170 m，由北到南逐渐降低。水力坡度由北到南逐渐变缓，约为0.57‰～1.12‰。地下水流向整体由北向南，与河流方向基本一致。区内潜水埋深较浅，埋深1～3 m区间面积较大，占比超过70%。红旗坡农场-拜什艾日克镇潜水埋深3～10 m，英艾日克乡-巴格托格拉克乡以南潜水埋深小于1 m。
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图 3 1979～2022年地下水等值线及潜水埋深图Figure 3. Groundwater level contour and diving burial depth from 1979 to 2022区内承压水头高程1 030～1 180 m之间，由北到南逐渐降低。水力坡度由北到南逐渐变缓，约为0.42‰～1.44‰。承压水流向由北向南，与潜水流向基本一致。托普鲁克乡-古勒阿瓦提乡以南、英艾日克乡-喀拉塔勒镇以北承压水头比潜水位高，承压水越流补给潜水。喀拉塔勒镇以南承压水头与潜水位基本相同。
3.1.2 2022年地下水流场及埋深特征
由图3b中看出，区内潜水水位高程1 040～1 180 m，地下水位空间分布及水力坡度与1979年基本相同。从潜水埋深分区来看，埋深3～10 m区间面积较大，占比超过60%。红旗坡农场-拜什吐格曼乡潜水埋深由1979年的3～10 m变为2022年的大于10 m，埋深变大；艾西曼湖潜水埋深由1979年的小于1 m变为2022年的1～3 m，埋深变大。
区内承压水头高程1 030～1 180 m，由北到南逐渐降低。水力坡度由北到南逐渐变缓，约为0.41～1.54‰。承压水整体流向为SN向、EW向，与潜水流向不同。研究区内总体承压水头低于潜水位，潜水补给承压水。其中在古勒阿瓦提乡以南-喀拉塔勒镇东一带，承压水头由1979年1 050～1 080 m变为2022年的1 020～1 050 m，承压水流向由1979年的南北向变为2022年的EW向。承压水头在托普鲁克乡–古勒阿瓦提乡以南、英艾日克乡–喀拉塔勒镇以北相比2022年下降，且低于潜水水位，由1979年的承压水越流补给潜水变为2022年的潜水补给承压水。
3.2 1979～2022年地下水流场演化
根据1979～2022年潜水水位变幅图（图4），潜水水位整体以下降为主，潜水埋深降幅1～3 m的面积占比较大，超过40%，主要集中在1979年潜水埋深为1～3 m的地段。潜水降幅由北向南呈逐渐减小趋势，红旗坡农场以北，潜水降幅明显，最大降幅达到38.18 m；降幅超过10 m的面积为259.31 km2；降幅3～10 m的面积为1 382.96 km2；降幅小于1 m的面积为1 477.95 km2；此外艾西曼湖及阿克苏河下游潜水水位上升，增幅面积为265.13 km2。
根据1979～2022年承压水水头变幅图（图5），承压水水头整体下降，以研究区中部英艾日克乡-喀拉塔勒镇为界，以北地区降幅大于3 m，最大超过20 m，以南地区降幅小于3 m，且由北向南逐渐减小。其中在六团十连一带降幅明显，最大降幅达到27.2 m；降幅超过20 m的面积为269.40 km2；降幅10～20 m的面积为490.40 km2；降幅3～10 m的面积为1 456.23 km2；降幅小于3 m的面积为2 513.62 km2。
地下水开采量的增加是地下水位下降的主要原因。据统计地下水开采量由1983年92万m3/a增加到2018年2.97亿m3/a，累计开采量约101亿m3/a。根据上述水位变幅计算，1979～2022年潜水累计储存量减少65.89亿m3/a，承压水累计储存量减少16.10亿m3/a，地下水总储存量累计减少81.99亿m3/a（根据《阿克苏地区1：20万区域水文地质普查报告》（潘一心, 1979），给水度取0.0095，弹性释水系数取0.0021），占累计开采量的81%。
4. 讨论
4.1 土地利用变化与地下水流场演化关系
对比1980年（图6a）及2018年（图6b）遥感解译结果，耕地面积由1980年的2 408.34 km2增加到2018年的3 340.76 km2，增加面积为932.42 km2，增幅为38.72%；草（林）地面积由1980年的1 806.56 km2减少到2018年的859.37 km2，减少面积为947.18 km2，降幅52.43%。从不同土地利用类型面积变化可知，1979～2022年期间，研究区草（林）地大量转化为耕地。
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图 6 1980～2018年阿克苏河流域研究区土地利用类型图a. 1980年土地利用类型图；b. 2018年土地利用类型图Figure 6. The distribution of land use in the Aksu River Basin from 1980 to 2018耕地面积增加对地下水位变化有重要影响。随着耕地面积增加，研究区潜水和承压水均有不同程度下降。以研究区中部英艾日克乡-喀拉塔勒镇一线为界，北部地区潜水水位和承压水水头降幅均大于南部地区。
北部地区由于耕地面积大幅增加，灌溉用水需求相应大幅增大，因此地下水被大量开采用于农业灌溉，引起地下水位明显下降。尤其是承压水主要靠侧向径流补给，补给条件较差，承压水头下降更为明显，并形成局部下降漏斗，流向发生反转。
由于南部地下水水质较差，农业灌溉以引用地表水灌溉为主，地下水开采强度相对较低，因此地下水下降不如北部地区明显。在艾西曼湖一带潜水位也出现下降，但该区以荒地为主，无耕地面积变化，潜水位下降与农业灌溉无关，主要是由于喀什噶尔河断流，地表水补给量少，引起潜水位下降，并造成湖泊面积和草（林）地面积缩小（图6）。
4.2 地下水流场变化成因模式分析
研究区属于干旱内陆盆地平原区，降水稀少，地下水主要靠地表水补给。土地利用变化通过改变用水结构和地表水空间分布格局，使得地下水补排条件发生剧烈变化，从而引起地下水流场演化和地下水动态类型的改变。由于潜水和承压水在补给排泄条件、水质以及地下水开发利用方式等方面的差别，土地利用变化对潜水和承压水水位的影响也不尽相同。
研究区潜水补给项主要为河流、渠系和田间灌溉入渗补给3项，排泄项主要为蒸发蒸腾、河道和人为开采排泄3项。从补给项变化看，研究区1979～2022年耕地面积明显增大，大量农业引水灌溉，使得渠系和田间灌溉入渗补给大量增加而河流入渗补给减少。从排泄项变化看，研究区潜水位埋深由1979年的1～3 m为主，变为2022年的3～10 m为主，地下水位下降，潜水蒸发蒸腾排泄大幅减少，同时研究区北部潜水水质好富水性强，潜水人工开采用于灌溉，研究区南部地下水水质较差，开采较少，主要以地表水灌溉为主。但因潜水位较浅造成土地盐渍化，通过沟渠排水排盐人工调控降低潜水位（梁籍等，2003）。根据研究区南部潜水位动态监测孔A1（位置见图1），2月中旬春灌期、6～9月夏季农作物灌溉期和11月初冬灌期，渠系和田间灌溉入渗补给量大量增加，造成地下水位上升，地下水动态类型表现为灌溉型，年内变幅1.52 m，地下水位稳定在5 m左右（图7a），潜水蒸发蒸腾作用减弱，土壤表层积盐减轻，盐渍化土地改良。因此，绿洲区潜水水位下降并未引起明显生态问题，仅在艾希曼湖一带出现草（林）地退化。
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图 7 典型监测孔2022年年内地下水埋深变化曲线a. 潜水埋深变化曲线；b. 承压水埋深变化曲线Figure 7. Annual variation of groundwater depth variation in typical monitoring holes in 2022承压水补给项主要为侧向径流和潜水越流补给两项，排泄项主要为侧向径流和人为开采排泄两项。从补给项变化看，该地区北部柯克亚河和台兰河的两条河流渗漏补给潜水，然后潜水通过侧向径流补给承压水，由于含水层渗透性差，侧向径流补给能力差、承压水更新能力弱。受大量引水灌溉影响，地表水被截流或直接引走，导致潜水渗漏补给减少，继而引起承压水侧向径流补给减少。从排泄项变化看，随着耕地面积增大，地下水开采量增加，引起承压水排泄项的变化，排泄方式由侧向径流排泄转变为人工排泄为主。人类活动开采强度远远大于侧向径流补给，导致承压水头明显下降，尤其是研究区北部阿克苏河东侧六团十连一带承压水水头下降最明显。根据研究区北部承压水动态监测孔A2（图7b），6～8月为开采地下水灌溉的高峰期，承压水头处于低水位期，7月开采量最大导致水头降到全年最低点；9月随着灌溉期结束，开采量减少，水位迅速回升，地下水人为开采导致水位大幅度下降，地下水动态类型表现为开采型，年内变幅达8.28 m。研究区南部承压水水质较差，人工开采排泄较北部少，补排条件变化不大，水头降幅也较北部小。
综上所述，研究区地下水位变化的根本驱动力是土地利用变化，土地利用变化引起的地下水补排条件变化是地下水水位变化的直接原因。潜水水位下降，使得盐渍化土地改良是土地利用变化的正面效应；承压水因补给条件差表现为过度开采，引起区域地下水下降并形成地下水漏斗，是土地利用变化的负面效应。
5. 结论
（1）40年来，受人类活动影响，阿克苏河流域地下水动力场发生改变，形成地下水位下降区。潜水降幅由北向南呈逐渐减小趋势，红旗坡农场以北，降幅明显，最大降幅达到38.18 m；承压水降幅以研究区中部英艾日克乡-喀拉塔勒镇为界，以北地区降幅大于3 m，最大超过20 m，以南地区降幅小于3 m，且由北向南逐渐减小。
（2）土地利用变化是地下水位变化的根本驱动力，随着耕地面积的快速扩张，潜水和承压水均有不同程度下降。
以研究区中部英艾日克乡—喀拉塔勒镇一线为界，北部地区潜水水位和承压水水头降幅均大于南部地区。北部地区由于耕地面积大幅增加，灌溉用水需求相应大幅增大，因此地下水被大量开采用于农业灌溉，引起地下水位明显下降。南部地下水水质较差，农业灌溉以引用地表水灌溉为主，地下水开采强度相对较低，因此地下水下降不如北部地区明显。
（3）土地利用变化通过改变用水结构和地表水空间分布格局，使得地下水补排条件发生剧烈变化，从而引起地下水流场演化和地下水动态类型的改变。潜水的渠系和田间灌溉入渗补给量增加，但河流入渗补给减少，同时人工开采增加，造成潜水位下降。承压水侧向径流补给减少，同时地下水开采量增加，造成承压水头明显下降。人工绿洲范围内地下水位下降，一方面对土壤盐渍化减轻有正面影响，但如果未来地下水位持续下降，将影响地下水资源的可持续利用。同时，地下水位下降可能引起人工绿洲外围区沙漠化、植被退化等问题。今后研究需加强人工绿洲与外围区地下水位动态的监测与预测工作，进一步深化土地利用变化条件下流域水平衡及其生态效应的定量研究。
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图 1 研究区示意图（a）及监测点分布图（b）
Figure 1. Schematic diagram of the study area and monitoring sites distribution
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图 2 研究区 A - A′水文地质剖面图
Figure 2. A - A′ South-north hydrogeological profile of Research area
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图 3 1979～2022年地下水等值线及潜水埋深图
Figure 3. Groundwater level contour and diving burial depth from 1979 to 2022
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图 6 1980～2018年阿克苏河流域研究区土地利用类型图
a. 1980年土地利用类型图；b. 2018年土地利用类型图
Figure 6. The distribution of land use in the Aksu River Basin from 1980 to 2018
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