白杨河流域达坂城盆地生态水位监测分析

Monitoring and Analysis of Ecological Water Level in the Dabancheng Basin of the Baiyang River Basin

摘要: 地下水埋深及植被生境是表征内陆干旱山间盆地河谷林草湿地的主要指标，为探究地处中高海拔的白杨河流域达坂城盆地水生态环境现状及变化，本文以达坂城盆地河谷林草湿地植被生境区域为研究对象，采用地下水埋深定位监测及河流径流与生态水位相关方法分析，结果表明：1) 达坂城盆地源流区2022年内地下水平均埋深表现为1至7月呈增加趋势，8至12月呈下降状态，盆地三条河流区地下水埋深大小为：黑沟河 > 高崖子河 > 阿克苏河，地下水埋深与河道径流大小呈反比，河道地表径流与地下水埋深变化相互影响较大，反映达坂城盆地河道潜水含水层通过包气带直接与大气圈、水圈相通，具有季节性变化特点。2) 地下水埋深2020至2022年际间表现为，2021至2022年地下水埋深比2020年有所增加，2020至2022年地下水埋深整体呈逐年略增状态。3) 建立了基于达坂城盆地三条源流径流与河段地下水埋深动态关联模型，支持利用已知观测的河道径流信息评估地下水埋深变化趋势。

Abstract: Groundwater depth and vegetation habitat are the main indicators that characterize the forest and grassland wetlands in inland arid mountain basins. In order to explore the current situation and changes of the aquatic ecological environment in the Dabancheng Basin, which is located at a medium to high altitude in the Baiyang River Basin, this article takes the vegetation habitat area of the Dabancheng Basin valley forest and grassland as the research object. Using groundwater depth positioning monitoring and river runoff and ecological water level correlation analysis methods, the results show that: 1) The average groundwater depth in the Dabancheng Basin source area in 2022 shows an increasing trend from January to July, and a decreasing state from August to December. The groundwater depth in the three river areas of the basin is: Heigou River > Gaoyazi River > Aksu River, and the groundwater depth is related to the river runoff size. In inverse proportion, the surface runoff of the river and the variation of groundwater depth have a significant mutual influence, reflecting that the groundwater aquifer in the Dabancheng Basin is directly connected to the atmosphere and hydrosphere through the aeration zone, with seasonal variation characteristics. 2) The groundwater depth between 2020 and 2022 showed an increase compared to 2020, and the overall groundwater depth showed a slight increase year by year from 2020 to 2022. 3) We have established a dynamic correlation model between the runoff of three source streams in the Dabancheng Basin and the groundwater depth in the river section, supporting the use of known observed river runoff information to evaluate the trend of groundwater depth changes.

1. 引言

位于新疆天山东部的博格达峰南麓前山带达坂城盆地三条源流，与山间盆地水生态环境息息相关，河流补给浅层地下水为山间河谷林草植物生存主要水源[1]。达坂城盆地上中游为河道径流区，下游为达坂城低洼地泉水溢出湿地滞纳蓄洪区，形成基于峡口白杨河干流山间盆地水源地[2]。达坂城盆地以荒漠植被类型为主要分布类型，植被垂直带自上游而下依次为荒漠河谷灌木林草带、山间草原带、盆地湿地草甸带[3]。河道地表径流和地下水位及沼泽湿地是达坂城区域经济社会生态平衡的基础。近十年来白杨河流域达坂城区实施“退耕还湿”生态工程的遥感影像显示[4]，湿地面积由2014年的1653 hm²增加到2018年的2804 hm²湿地面积提升近70%，由此进一步体现了达坂城盆地河谷林草沼泽湿地环境与河流径流地表地下水转换关系密切[5]。本文首次基于地下水埋深监测井，分析达坂城区域河谷林草湿地生态水位动态，为评估白杨河流域达坂城盆地水生态环境变化提供技术依据。

2. 材料与方法

2.1. 区域概况

白杨河流域达坂城山间盆地位于天山中东部博格达峰南麓，地处河谷与盆地、戈壁与湿地、地下水垂直水平蒸散交替多维自然地形地貌[6]，构造了达坂城山间盆地黑沟河、阿克苏河、高崖子河三条原流格局，盆地具有独特的前山带降水冰川融雪–山地涵养林–河谷林草平原绿洲环境系统，表现为小河流、源流小、径流长、地表与地下水转换频繁、沼泽湿地洼地水面点多水量少分布不均特点。据达坂城2009至1999年11年气象数据显示[7]，达坂城盆地年均气温7.2℃，平均日照时数8.3 h，平均风速3.6 m/s，平均相对湿度51.8%，年均降水量67.7 mm，年均蒸发量2130.5 mm为降水量的30多倍，为降水少蒸发量高、气候干燥风多频繁、暖温带大陆性干旱气候区，突显了自然生态环境与河流补给休戚与共、水生态环境十分脆弱的特征。

2.2. 监测方法

为了反映达坂城盆地地下水位生态植被生长环境，分别在高涯子、阿克苏和黑沟河三条原流区域，选择地表地下水相互补给带布设12眼观测井(表1)，达坂城盆地源流区生态水位地下水埋深部分监测井区位见图1所示。每眼监测井定点安装重力式自计水位传感器，对地下潜水埋深动态水位变化连续监测，数据采集时间1小时/次，全天候自动水位信息采集上传至管理平台。

Table 1. Distribution of groundwater level monitoring wells in Dabancheng, Baiyang River Basin

表1. 白杨河流域达坂城地下水位监测井区位分布

河区	测点名称	河段部位	分布区位	地理坐标	高程/m	监测作用
高崖子河	高崖子河 1号井	河流上游段，河西约0.6 km。	东沟乡原山子村以东3 km。	东经：88˚51'64''' 北纬：43˚44'51''	1424.0	河道外围植被环境地下水动态。
	高崖子河 2号井	河流上游段，河西约1.3 km。	东沟乡原山子村南4 km。	东经：88˚50'01'' 北纬：43˚44'35''	1422.9	河道边台地植被环境地下水动态。
	高崖子河 下1号井	河流中下游段，河西阶地0.8 km。	东沟乡东湖村西南5 km。	东经：88˚26'54'' 北纬：43˚22'48''	1202.6	河阶地灌木榆树植被环境地下水动态。
	高崖子河 下2号井	河中下游段，下1号井以南140m。	东沟乡东湖村西南5 km。	东经：88˚26'48'' 北纬：43˚22'43''	1203.7	为抽水试验对照的水位观测井。
阿克苏河	阿克苏河 3号井	河流上游段，河东约0.5 km。	东沟乡王家村以西0.5 km。	东经：88˚20'19'' 北纬：43˚27'09''	1394.2	湿地台地及农耕地环境地下水动态。
	阿克苏河 6号井	上游河段冲击扇汇流河床岸边。	东沟乡西北方向3 km。	东经：88˚28'24'' 北纬：43˚27'38''	1409.9	河谷榆树草甸芨芨草环境地下水动态。
	阿克苏河下3号井	河流中下游段，河东台阶地。	东沟乡兰州湾村南边3 km。	东经：88˚26'17'' 北纬：43˚23'36''	1231.3	河谷林草耕地植被环境地下水动态。
	阿克苏河下4号井	中下游河段，下3号井以南60m。	东沟乡兰州湾村南3 km。	东经：88˚26'15'' 北纬：43˚23'35''	1229.2	抽水试验观测井，位于河床东边阶地。
黑沟河	黑沟河 4号井	河流上游段，河东约3 km。	西沟乡雷家村西北向3 km。	东经：88˚22'06'' 北纬：43˚31'01''	1476.8	灌木榆树草本耕地环境地下水动态。
	黑沟河 5号井	河流上游段，河东约6 km。	西沟乡水磨村东北5 km。	东经：88˚25'59'' 北纬：43˚28'52''	1442.4	耕地林草(井邻近渠水)环境地下水动态。
	黑沟河 下5号井	河流中下游段，河东约1 km。	西沟乡2队南边方向3 km。	东经：88˚20'05'' 北纬：43˚23'35''	1125.1	林带草地耕地植被环境地下水动态。
	黑沟河 下6号井	中下游河段，下5号井以南0.3km。	西沟乡2队南3.3 km。	东经：88˚19'58'' 北纬：43˚23'28''	1122.8	林草耕植被环境(邻近渠水)地下水动态。

(a) 黑沟河谷林草5#监测井 (b)黑沟河下游耕林地6#监测井 (c) 阿克苏河谷林草6#监测井

(d) 阿克苏湿台地3#监测井 (e) 阿克苏河湿地下3#监测井 (f) 高崖子河上游河岸1#监测

(g) 高崖子河阶地灌木下2#监测

Figure 1. Location of some monitoring wells in the source flow area of the Dabancheng Basin

图1. 达坂城盆地源流区部分监测井区位

3. 结果与分析

3.1. 地下水埋深年内变化状态

表2和图2为流域达坂城盆地三条源流区，2022年12眼观测井不同河段区位生态植被环境地下水埋深监测综合平均。由监测结果可以看出，1月份地下水平均埋深7.53 m，其中：上游河段高崖子2号井、阿克苏3、6号井位于沼泽湿地区域，中下游段阿克苏下3、下4号井位于河流岸边台地，地下水埋深1.52~3.76 m之间，地下水埋深较小；黑沟河上游段尤其中下游下5、6号井，地下水埋深10.90~20.53 m之间，地下水埋深较大。2月份地下水平均埋深7.53 m，与1月环比持平，其中：地下水埋深最小最大仍为同河流部位。3月份地下水平均埋深8.02 m，环比略增6.5%，其中：地下水埋深最小最大仍为同河流部位。4月份地下水平均埋深7.86 m，环比微降2.0%，其中：地下水埋深最小最大仍为同河流部位。5月份地下水平均埋深8.21 m，环比略增4.5%，其中：地下水埋深最小最大仍为同河流部位。6月份地下水平均埋深8.15 m，环比略减0.7%，其中：地下水埋深最小及最大仍为同河流部位。7月地下水平均埋深8.23 m，环比略增1.0%，其中：地下水埋深最小及最大仍为同河流部位。8月份地下水平均埋深7.29 m，环比明显下降11.4%，其中：地下水埋深最小最大仍为同河流部位。9月份地下水平均埋深7.01 m，环比略降3.8%，其中：地下水埋深最小最大同河流部位。10月份地下水平均埋深7.29 m，环比略增3.9%，地下水埋深最小最大仍为同河流部位。11月份地下水平均埋深7.00 m，环比下降4.0%，地下水埋深最小最大仍为同河流部位。12月份地下水平均埋深7.31 m，环比略增4.4%，地下水埋深最小最大仍为同河流部位。

Table 2. Groundwater burial depth of 12 monitoring wells in the upstream source area of the basin in 2022 (unit: m)

表2. 2022年流域上游源流区12眼监测井地下水埋深(单位：m)

月份	高崖子1号井	高崖子2号井	阿克苏3号井	阿克苏6号井	黑沟河4号井	黑沟河5号井	高崖子下1号	高崖子下2号井	阿克苏下3号	阿克苏下4号	黑沟河下5号井	黑沟河下6号井	综合平均
1	5.44	1.72	1.52	1.61	10.90	11.41	6.49	11.57	3.76	3.06	20.53	12.38	7.53
2	5.45	1.70	1.59	1.86	10.73	11.12	6.30	11.25	3.67	2.96	20.88	12.85	7.53
3	5.91	1.94	1.73	2.24	11.28	11.96	6.48	11.55	3.24	2.55	23.00	14.39	8.02
4	6.10	2.15	1.81	2.49	10.71	12.20	6.07	10.63	1.94	1.46	23.54	15.25	7.86
5	6.67	2.56	2.06	2.96	9.35	13.23	5.39	10.16	2.14	1.71	25.48	16.79	8.21
6	6.25	2.60	2.03	3.14	8.80	13.23	5.51	10.10	2.39	1.84	25.16	16.79	8.15
7	6.21	2.77	1.90	2.91	8.39	13.81	5.33	9.99	1.92	1.97	26.10	17.48	8.23
8	5.50	2.48	1.58	1.65	7.30	13.76	4.73	8.54	1.65	1.68	23.42	15.14	7.29
9	5.66	2.49	1.67	0.79	8.81	13.74	5.39	8.74	2.18	1.99	20.18	12.53	7.01
10	5.89	2.58	1.74	1.04	8.60	13.93	5.36	10.13	2.63	2.30	20.67	12.55	7.29
11	5.44	2.30	1.61	1.14	7.29	12.24	5.86	10.51	3.03	2.52	19.93	12.10	7.00
12	4.99	2.06	1.51	1.35	10.16	11.39	6.45	11.42	4.02	3.05	19.98	11.32	7.31

Figure 2. Changes in groundwater depth of monitoring wells in the source flow area of the Dabancheng Basin

图2. 达坂城盆地源流区监测井地下水埋深变化

综合分析表明，达坂城盆地三条源流区2022年1至12月份，地下水平均埋深为：7.53 m、7.53 m、8.02 m、7.86 m、8.21 m、8.15 m、8.23 m、7.29 m、7.01 m、7.29 m、7.00 m和7.31 m。地下水埋深1至7月份整体为增加趋势，8至12月整体呈下降状态。

3.2. 地下水埋深年际变化

白杨河流域达坂城盆地三条源流区，先后安装运行12眼地下水位监测井，鉴于观测井数据系列完整同质性分析的需要，因此选用早期安装的6眼井2020至2022年地下水埋深监测数据分析。由地下水埋深分析结果(表3和图3)看出，达坂城盆地三条河源流区，2020年1至12月地下水埋深变幅4.34~5.86 m，年均距平−17.1%~4.7%；2021年1至12月地下水埋深变幅5.47~6.12 m，年均距平0.9 %~11.3%；2022年1至12月地下水埋深变幅5.00~6.14 m，年均距平为−6.3%~13.7%。分析结果表明，2021年和2022年地下水埋深比2020年有所增加，达坂城盆地三源流区2020至2022年，地下水埋深整体呈逐年略增状态。

Table 3. Inter annual variation of groundwater depth in the source flow area of the Dabancheng Basin

表3. 达坂城盆地源流区地下水埋深年际变化

月份	地下水埋深/m				距平/%
	2020	2021	2022	年均	2020	2021	2022
1	4.34	5.76	5.43	5.18	−16.2	11.3	4.9
2	4.96	5.66	5.41	5.34	−7.2	5.9	1.2
3	4.92	6.07	5.85	5.61	−12.3	8.2	4.2
4	4.70	5.85	5.91	5.49	−14.4	6.7	7.7
5	4.48	5.58	6.14	5.40	−17.1	3.4	13.7
6	4.94	5.55	6.01	5.50	−10.1	0.9	9.2
7	5.14	6.12	6.00	5.75	−10.6	6.3	4.2
8	4.70	5.63	5.38	5.23	−10.3	7.5	2.8
9	4.79	5.47	5.53	5.27	−9.0	4.0	5.0
10	5.25	5.80	5.63	5.56	−5.5	4.2	1.3
11	5.41	5.60	5.00	5.34	1.3	4.9	−6.2
12	5.86	5.69	5.24	5.60	4.7	1.6	−6.3

Figure 3. Inter annual variation of groundwater depth in the source flow area of the Dabancheng Basin

图3. 达坂城盆地源流区地下水埋深年际变化

3.3. 地下水埋深与河流径流变化

表4为达坂城盆地黑沟河、阿克苏河、高崖子河3条源流区，2020至2022年三年平均的河道径流、灌区引用水量及主要气象数据信息，表5为河道径流与地下水位相关性检验筛选后的8眼监测井地下水位信息。由监测结果看出，随着河道来水流量及气温增大，黑沟河上游段4号井、阿克苏中游段下3号井和下4号井、高崖子河中游段下1号井和下2号井，地下水埋深减少，即地下水位上升变化的趋势明显；随着灌区农业灌溉渠首引用水量的增加以及季节气温下降变化，表现出地下埋深增加了，即地下水位降低的变化趋势，达坂城盆地河道地表水与地下水位变化相互影响关系，说明了河道潜水含水层通过包气带直接与大气圈、水圈相通，具有季节性变化特点。地下水埋深比较分析表明，黑沟河地下水埋深变幅为5.15~14.40 m，高崖子河地下水埋深变幅为1.87~11.57 m，阿克苏河地下水埋深变幅为1.46~3.85 m。

Table 4. Annual average river runoff reference water quantity and meteorological information for the 3 source areas of the Dabancheng Basin from 2020 to 2022

表4. 达坂城盆地3源流区2020~2022年均河道径流引用水量及气象信息

月	黑沟河/万m^3		阿克苏河/万m^3		高崖子河/万m^3		源流区气象
	径流	引用	径流	引用	径流	引用	降水/mm	气温/℃
1	88	0	83	0	71	0	4.4	−9.6
2	99	0	58	0	40	0	1.8	−4.9
3	93	35	70	0	45	0	0.5	2.1
4	116	62	102	37	99	26	4.8	11.2
5	355	176	509	415	558	448	3.0	17.5
6	577	374	1210	765	907	747	5.4	20.0
7	1023	585	2768	998	1910	1103	11.9	22.2
8	1025	513	2908	934	2227	998	15.0	20.0
9	618	368	1463	385	963	349	7.7	14.8
10	344	157	668	274	268	175	0.2	5.6
11	186	51	314	85	146	27	1.8	−2.1
12	121	0	110	0	105	0	0.5	−9.3

Table 5. Annual average groundwater depth of monitoring wells in the source flow area of the Dabancheng Basin (unit: m)

表5. 达坂城盆地源流区监测井年均地下水埋深(单位：m)

月	黑沟河上游段		高崖子河上游段		阿克苏河中游段		高崖子河中游段
	4号井	5号井	1号井	2号井	下3号井	下4号井	下1号井	下2号井
1	10.84	11.47	5.59	1.87	3.76	3.06	6.49	11.57
2	10.69	11.16	5.57	1.83	3.67	2.96	6.30	11.25
3	11.23	12.00	6.04	2.07	3.24	2.55	6.48	11.55
4	10.10	12.24	6.23	2.28	1.94	1.46	6.07	10.63
5	5.15	12.65	6.83	2.75	2.11	1.86	5.49	10.30
6	5.22	13.09	6.69	2.80	2.08	1.85	5.24	9.95
7	6.02	14.02	6.67	2.87	1.83	1.89	5.12	9.57
8	5.46	14.07	6.07	2.60	1.68	1.70	4.66	8.35
9	6.19	13.97	5.97	2.60	2.19	2.00	5.02	8.20
10	6.93	14.40	6.18	2.64	2.54	2.25	5.40	9.62
11	7.58	13.06	5.84	2.39	3.08	2.55	5.70	10.10
12	10.22	12.47	5.63	2.12	3.85	3.03	6.39	11.34

地下水埋深大小顺序为：黑沟河 > 高崖子河 > 阿克苏河。由此看出，地下水埋深与河道年径流大小呈反比，黑沟河年径流量相对最小，黑沟河区域自然环境植被生长，地下水位埋深潜水利用受限，在地下水埋深大于8 m区域河谷林草植被生态需水，主要取决自然降水及少量引水灌溉。表6为基于表4河流径流和表5河流不同部位监测井地下水埋深监测数据，拟合的多元线性模型，图4为基于拟合多元线性模型的河流径流与地下水埋深模拟。

经统计检验表明，达坂城盆地三源流区河道径流与不同河段部位监测地下水埋深存在相互动态关联性，实测数据与模拟计算结果代表性较好。由此，可以利用达坂城盆地河道地表径流量监测信息，分析评估达坂城地下水埋深动态变化趋势。

Table 6. Equations for river runoff and groundwater depth in the Dabancheng Source Area

表6. 达坂城源流区河道径流与地下水埋深方程

监测井位	拟合函数(式中：H地下水埋深，m；Q河道径流量，万m^3)	R	F
黑沟河上游段	H4号井 = 12.935 − 0.035 Q黑沟河 + 0.0101 Q阿克苏河 + 0.0001 Q高崖子河	0.937^**	19.17^**
	H5号井 = 11.458 + 0.0074 Q黑沟河 + 0.0014 Q阿克苏河 − 0.0040 Q高崖子河	0.881^**	9.22^**
高崖子河上游段	H1号井 = 5.2493 + 0.0071 Q黑沟河 − 0.0025 Q阿克苏河 + 0.00049 Q高崖子河	0.838^**	6.27^*
	H2号井 = 1.6506 + 0.0054 Q黑沟河 − 0.0012 Q阿克苏河 − 0.0005 Q高崖子河	0.933^**	18.04^**
阿克苏河中游段	H下3号井 = 3.8498 − 0.0071 Q黑沟河 + 0.0022 Q阿克苏河 − 0.0005 Q高崖子河	0.812^**	5.14^*
	H下4号井 = 2.9906 − 0.0048 Q黑沟河 + 0.0018 Q阿克苏河 − 0.0007 Q高崖子河	0.693^*	2.46
高崖子河中游段	H下1号井 = 6.6904 − 0.0054 Q黑沟河 + 0.0009 Q阿克苏河 + 0.0005 Q高崖子河	0.928^**	16.61^**
	H下2号井 = 12.627 − 0.0066 Q黑沟河 − 0.0002 Q阿克苏河 + 0.00206 Q高崖子河	0.840^**	6.41^*

注：“^*”R_0.05(12,2) = 0.576显著；“^**”R_0.01(12,2) = 0.708极显著；“^*”F_0.05(12,3) = 3.49显著；“^**”F_0.01(12,3) = 5.95极显著。

(a) 黑沟河上游段4# (b) 黑沟河上游段5#

(c) 高崖子河上游段1# (d) 高崖子河上游段2#

(e) 阿克苏河中游段下3# (f) 阿克苏河中游段下4#

(g) 高崖子河中游段下1号井 (h) 高崖子河中游段下2号井

Figure 4. Simulation of river runoff and groundwater depth in the Dabancheng Basin

图4. 达坂城盆地河道径流与地下水埋深模拟

4. 结论

白杨河流域达坂城水文气象及用水资料表明[8]，1986及2004年达坂城源流河道来水基本处于枯水及偏枯期，达坂城区经济社会尤其是农业用水基本处于高位状态，自然人为双重因素的影响使得生态水位环境有所下降。白杨河流域达坂城盆地源流区地下水埋深及河谷林草沼泽湿地环境，成为流域人水生境共生的“风向标”，达坂城盆地适宜的河谷林草荒漠湿地水生态环境，影响流域经济社会生态可持续发展。为此，本文采用地下水埋深定位监测相关分析方法，实施达坂城盆地生态水位监测研究获得结果：1) 由2020至2022年监测分析看出，达坂城盆地地下水埋深略降及植被湿地生境总体尚处正常变幅，盆地河道径流、农业引用水量及气温，对地下水位变化具有明显水圈相通季节性变化影响。2) 基于达坂城盆地源流区地下水埋深、河流径流相互关系变化构建了动态关系模型，分析评估达坂城盆地地下水埋深及生态环境变化状态。