袁 月，唐 蕴

（1.中国水利水电科学研究院，北京 100038；2.中国地质大学（北京），北京 100083）

1 研究背景

地下水功能是指随着地下水的质量和数量的变化，对生态环境以及人类社会的影响，主要包括资源功能、生态功能、地质环境功能，其中：资源功能是指具有补给、储存和开采条件，且地下水循环正常，具有更新能力，地下水消耗后可得到稳定、有效补给的能力；生态功能指地下水对其地表的湖泊、植被、湿地、观赏性名泉有维持作用，一旦地下水发生变化，地表生态环境也发生变化；地质环境功能是指地下水系统对地质环境的支撑作用，地下水变化会造成地质环境出现相应变化，如地面沉降、地面塌陷等。

21世纪初我国水利部和国土资源部开始地下水功能评价工作［1］。2005年水利部组织编写《地下水功能区划技术大纲》，根据水文地质条件、地下水资源情况、地下水水质状况，结合规划期内对水资源的配置，以水文地质单元的界线为基础划分地下水功能区，再以行政区的边界进行切割作为地下水功能区的基本单元［2］，朱亮［3］、唐蕴［4］、高爽［5］等均据此对神木县、吐鲁番市及内蒙古松辽流域进行地下水功能评价；2006年国土资源部印发《地下水功能评价与区划技术要求》，阐述了地下水功能评价的研究对象、标准等，张光辉［6-7］等建立地下水功能评价方法，充分了解研究区地下水的基本情况，明确评价因子，构建评价体系，根据实际选取合适的评价方法确定因子对应的权重值，结合空间分析等技术确定地下水功能，依据此方法，邓吉强［8］、李秀明［9］、李学成［10］等结合层次分析法与GIS的空间分析技术对柴达木盆地、下辽河平原、鸡西市进行地下水功能评价。水利部和国土资源部的方法有所差别，水利部门侧重区域地下水的主导功能，区划方法简单，但在理论基础方面仍需深入；国土资源部门运用数学方法进行研究区的地下水功能评价，理论完善，但评价指标多，工作量大。

吐鲁番地处西北内陆，气候干旱，年均降水仅16 mm，地下水是国民经济和社会发展的主要供水水源，也是维持生态环境的重要支撑。如果地下水不合理利用将会引起地表植被退化、天然绿洲面积减小、湿地河流萎缩，土壤盐渍化等一系列生态环境问题。因此，如何合理开发利用地下水是吐鲁番地区的重要研究课题。目前，吐鲁番地区地下水功能评价工作很少，本文在参照《地下水功能评价与区划技术要求》的基础上，根据吐鲁番高温干旱的内陆盆地实际情况，选取有针对性的功能评价指标，对吐鲁番市地下水进行功能评价。

2 研究区概况

吐鲁番市位于新疆东部，北纬41°12′—43°40′，东经87°16′—91°55′，包括高昌区、鄯善县、托克逊县，面积约7万km2，北邻乌鲁木齐，东邻哈密，西南与巴音郭楞蒙古族自治州相望。吐鲁番地形主要是山地和平原，其中平原面积约3万km2，山地面积约4万km2，吐鲁番西北部为天山山脉，地势较高，南部是觉洛塔格山，南部地势低，东部是沙漠，盆地内部被火焰山-盐山沿东西分割成南北两个盆地，南盆地中艾丁湖海拔-154 m，是中国内陆最低点，吐鲁番地形状况见图1。吐鲁番盆地属于封闭的内陆盆地，湿气被四周的山体阻挡，气温高，最高气温在49℃以上，日照达3000 h，降水主要在夏季，盆地北部天山降水量较大，向南逐渐减少。

2.1 水文地质条件 吐鲁番地区含水层主要由第四系冲洪积作用形成，分为基岩山区、北盆地、南盆地3个水文地质单元。基岩山区主要分布碎屑岩裂隙水。

根据地下水埋藏条件，北盆地分为两个区：①北盆地上、中部深埋潜水区，沉积山前卵砾石、砂砾石；②北盆地南缘绿洲带潜水、承压水、自流水区，第四系冲洪积卵砾石、黏性土层构成。

南盆地根据地下水赋存规律分为三个区：①伊拉湖、托克逊区，沉积粗颗粒冲洪积物；②高昌区城区、三堡、鲁克沁区，向艾丁湖倾斜，水量逐渐减少，矿化度增大；③托克逊干沟以东却勒塔格山前倾斜平原区，坡洪积碎石为主，降水少，补给少，地下水贫乏［3］。

2.2 地下水开发利用情况2016年全市地下水用水总量7.547亿m（3含兵团221团），按用水类型划分，农业用水6.945亿m3，占92.02%；工业用水0.274亿m3，占3.63%；生活用水0.191亿m3，占2.53%；生态用水0.137亿m3，占1.82%。

2012年开采量9.42亿m3，达到最大，2012年后逐渐减少。根据新疆水资源综合规划地下水资源调查与评价成果（新疆农业大学，新疆水文局等2004年完成的《新疆地下水资源调查与评价》），吐鲁番地下水资源可采量5.94亿m3，然而近年地下水平均开采量每年达8.44亿m3，地下水已经超采，并在高昌区、鄯善县、托克逊县形成三个超采区，超采区面积分别为1171.5km2、1208 km2、694 km2。此外，由于地下水超量开采，导致坎儿井干涸数量不断增加。

3 地下水功能评价指标与评价方法

结合吐鲁番市的具体情况选取资源功能、生态功能、地质环境功能的评价指标，利用ARCGIS软件的自然点间断法对单指标评价及评分，层次分析法赋权重，将指标在ARCGIS中进行栅格化和归一化处理，根据权重值将各指标在ARCGIS中加权叠加从而得到资源、生态、地质环境功能的评价结果，将三大功能的评价结果再次加权叠加得到吐鲁番地区的综合功能评价结果。

3.1 地下水功能评价指标选取

（1）资源功能评价指标。吐鲁番盆地内部降水少，蒸发强烈，有效降水量基本上不产生地表径流，盆地内部的水资源主要来源于河流出山口径流，在山前戈壁地带大部分渗入地下，转化为地下水。地下水可利用资源量是盆地内部农业发展和居民生活的主要水源。结合吐鲁番水文地质条件、地下水资源及开发利用情况等，资源功能评价指标有单井涌水量、地下水总补给模数、地下水资源模数和地下水可采模数。

（2）生态功能评价指标。生态功能指地下水对湖泊、湿地、河流及天然植被的维持作用。地处内陆干旱区，吐鲁番盆地降水少，蒸发强烈，天然植被的生长主要依靠地下水维持。生态功能评价指标有地下水水位埋深和天然植被分布。

（3）地质环境功能评价指标。吐鲁番地区由于气候干旱，土壤盐渍化问题严重，在地下水接近地表的情况下，加上干旱气候条件，促使水中以及各种元素迅速浓集，尤其是环艾丁湖地区的盐渍化现象较为普遍，不适宜开发利用。因此，地质环境功能评价指标主要是地下水矿化度。

根据吐鲁番具体情况选取评价指标如表1所示。

表1 吐鲁番功能评价指标

3.2 地下水功能评价指标 利用新疆水文水资源勘测局、新疆地矿局第一水文工程地质大队及吐鲁番市水利局提供的地下水资源量及分布数据、矿化度、地下水位埋深及2014年土地利用TM数据对三大功能的指标进行评价。

3.2.1 资源功能评价指标 单井涌水量、地下水总补给模数、地下水资源模数、地下水可采模数均表征地下水开采潜力，四个指标的等级分布基本一致，托克逊县夏乡，高昌区胜金乡、恰特克勒乡、二堡乡、鲁克沁镇等，鄯善县沿火焰山北侧一带，单井涌水量200～1000 m3/（d·m），水量丰富，含水层为松散岩类孔隙水，总补给模数、资源模数、可采模数大；盆地内部其余乡镇及山前戈壁带单井涌水量200～1000 m3/（d·m），富水性较好，资源模数较大；山区与沙漠所在含水层为裂隙水，单井涌水量小，水量贫乏，总补给模数、资源模数、可采模数较小。具体分布见图2—图5。

3.2.2 生态功能评价指标

（1）地下水水位埋深。山区地下水位埋深很大，对生态功能影响很小，且并未在山区布设水位监测井，故主要分析盆地内部水位埋深对生态功能的影响。盆地北部山前地带地下水位埋深大，＞200米，由北向南逐渐变浅，到火焰山北侧水位埋深小于1米，南盆地靠近火焰山水位埋深较浅，在30米内，径流带水位埋深变大，至地下水排泄带，水位埋深呈环艾丁湖状，艾丁湖水位埋深达到最浅。

（2）天然植被分布。天然植被主要分布于吐鲁番北部天山山区及山前地带，盆地中部位于人工绿洲与戈壁荒漠之间，以及托克逊县南部山区。

3.2.3 地质环境功能评价指标 地下水矿化度：北盆地地下水的补给区、径流区与排泄区属局部流动系统，径流条件好，滞留时间短，矿化度低；南盆地地下水补给区流动好，矿化度较低，其径流区及环艾丁湖的排泄区，径流条件差，滞留时间长，矿化度较高。

图2 吐鲁番含水层富水性

图3 吐鲁番地下水总补给模数分区图

3.3 地下水功能评价方法

3.3.1 指标分级评分 根据地下水功能指标的变化，结合前人的研究，对每个地下水功能指标划分为若干范围，并进行评分与分级，各指标评分在0～1之间，评分越高，功能越强。

（1）资源功能指标评分。利用ARCGIS中的自然点间断法对单井涌水量、总补给模数、资源模数、可采模数四个资源功能评价指标进行评分，标准如表2所示。

图4 吐鲁番地下水资源模数分区图

图5 吐鲁番地下水可采模数分区

图6 吐鲁番盆地地下水水位埋深

图7 吐鲁番天然植被分布图

表2 吐鲁番资源功能评价指标评分表

（2）生态功能指标评分。地下水位埋深、天然植被分布均表征地下水对植被的维持作用，根据实地调查及文献查阅，在吐鲁番盆地，地下水的水位埋深逐渐增大，植物群落由灌木群落逐渐演替成草本群落。地下水位埋深大于30 m，多为耐旱植物，从生长多种植被（梭梭、柽柳、花花柴、刺山柑等）演替为生长花花柴、刺山柑的模式；地下水水位埋深在10～30 m之间，多为耐旱、耐盐碱植物，由芦苇、骆驼刺、白刺的生物群落演替为生长单一骆驼刺的演替模式；地下水水位埋深小于10 m的地区，多为耐盐碱植物，从芦苇、盐穗木、柽柳演替为只生长盐穗木或柽柳的模式。指标评分如表3所示。

（3）地质环境功能指标评分。地质环境功能的评价指标地下水矿化度表征土壤盐渍化状况，对吐鲁番地区土壤盐渍化进行分级与评分，如表4所示。

表4 吐鲁番土壤盐渍化状况分级评分表

3.3.2 指标赋权重 地下水功能评价时通过层次分析法对各评价指标赋权重，表示该指标的影响程度，权重越大，则其影响越大，权重越小，则其影响也越小，最大权重值为1，最小为0。

根据实际情况，吐鲁番气候干旱，地下水资源功能需重视，吐鲁番盆地内天然绿洲对生态环境意义重大，地下水生态功能需重视，这两个要素重要度比值为1。吐鲁番基本没有因地下水引起的地质灾害，只存在由于原生气候造成的土地盐渍化问题，地下水地质环境功能重视程度可适当减弱。故资源功能、生态功能较地质环境功能稍微重要，重要度比值为资源功能/地质环境功能=3，生态功能/地质环境功能=3。据此可得到三大功能成对比较表5。

表5 地下水功能成对比较表

利用和积法将成对比较表中各列加和，按列归一化，将归一化后同一行的各列相加后除以3即得三大功能的权重。属性层均只有一个，故继承功能层的权重，再用同样的方法计算得因子层的权重。

各评价因子的权重值见表6。

表6 吐鲁番评价指标权重值

3.3.3 功能评价分级 利用ARCGIS软件对各指标进行归一化和栅格化处理，将各单项指标乘以权重，进行图层间的叠加分析，分别计算资源功能指数（Dr）、生态功能指数（De）、地质环境功能指数（Df）及综合功能指数（Dc），并利用ARCGIS的分类法，将评价结果进行分级。各种功能指数计算如公式（1）—（4），功能分级如表7所示。

（1）资源功能指数。资源功能指数（Dr）计算公式如下：

式中：D为单井涌水量；G为总补给模数；Z为资源模数；A为可采模数。

（2）生态功能指数。生态功能指数（De）计算公式如下：

式中：L为地下水位埋深；N为天然植被分布。

（3）地质环境功能指数。地质环境功能指数（Df）计算公式如下：

式中S为土壤矿化度。

（4）综合功能指数。综合功能指数（Dc）计算公式如下：

由公式（1）—（4）可得到资源、生态、地质环境及综合功能的指数，将计算所得指数根据表7进行分级，利用ARCGIS的分类法得到功能评价的结果图。

表7 吐鲁番地下水功能评价结果分级表

4 地下水功能评价结果

4.1 资源功能评价结果 资源功能指吐鲁番地下水的开采潜力，地下水可采量是盆地内部农业和居民生活的主要供给，选取单井涌水量、资源模数、可采模数等可反映地下水开采潜力的指标进行评价，结果如图8所示。

图8 吐鲁番资源功能评价

资源功能强区主要分布于北盆地的胜金乡和三堡乡，在南盆地分别位于托克逊县的夏乡和高昌区的恰特克勒乡、二堡乡、亚尔乡，面积为241 km2，占总面积的0.36%，含水层厚10～40 m，第四系冲洪积卵砾石、砂砾石，地下水位埋深为0～50 m，资源占有性强，单井涌水量200～1000 m3/（d·m），水量丰富，资源可利用性和再生性强，主要由托克逊县西部及南部山区和盆地东侧的侧向补给和吐峪、胜金口、连木沁等沟谷潜流，该区可规模开采。

资源功能较强区主要分布于火焰山北侧三堡乡、连木沁镇以及南侧鲁克沁镇和迪坎乡，面积为899 km2，占总面积的1.36%，地下水资源占有性强，补给能力较强，主要接受山区地表河流出山口后转入的地下水，含水层厚度为50～300 m，岩性有山前的砂砾石逐渐过渡至中粗砂、细砂，在南盆地过渡为黏土、细砂及艾丁湖黏土，地下水位埋深在盆地内部50～200 m，山前地带水位埋深大于200 m，单井涌水量200～1000 m3/（d·m），水量丰富，北盆地径流条件好，矿化度低，南盆地地下水径流区和排泄区，径流条件差，矿化度较高，在该区可适度开采。

资源功能一般区主要分布于盆地、山前戈壁带及托克逊县和高昌区南部山区间，地下水补给主要来源于北部天山山脉，面积12 467 km2，占总面积的18.88%，地下水资源占有性较强，含水层厚度较大，分布基岩裂隙水，水量丰富，水质较好。

资源功能弱区主要是盆地南部山区，面积52 434 km2，占总面积的79.4%，面积很大，地下水资源占有性、补给性较差，主要是基岩裂隙水，单井涌水量很小。

4.2 生态功能评价结果 生态功能指吐鲁番地区地下水对湖泊、湿地、天然植被的维持作用，随着地下水位的变化，湖泊矿化度、湿地面积及天然植被的生长模式不同。其评价结果如图9所示。

生态功能强区主要分布于人工绿洲与荒漠戈壁之间的天然绿洲，分布有芦苇、骆驼刺、柽柳、沙拐柳等沙生、盐生植物，植被生态是多年演化的结果，主要依靠地下水，面积845 km2，占总面积的1.28%；生态功能较强区位于北部山区、托克逊县南部及盆地中部，面积10 537 km2，占总面积的15.99%；生态功能一般区零星分布与盆地内部，主要分布于北盆地，地下水埋藏深度大于30 m，多为耐旱植物，面积2008 km2，占总面积的3.05%；生态功能弱区位于盆地北戈壁带和南部荒漠山区，面积52 520 km2，占总面积的79.68%。

4.3 地质环境功能评价结果 地质环境功能指吐鲁番地区由于气候干旱，地下水埋深较浅的情况下，水中元素浓集导致土壤盐渍化。其评价结果如图10所示。

图10 吐鲁番地质环境功能评价图

地质环境功能强区分布于托克逊县绿洲带—高昌区艾丁湖乡—鄯善县迪坎乡一带，东巴扎乡和七克台镇沿火焰山北部一带，地下水位埋深在5 m以内，蒸发强烈，蒸发浓缩作用为主，溶解性总固体较大，矿化度高，土壤盐渍化与次生盐渍化程度大，面积2306 km2，占总面积的3.42%；地质环境功能较强区分布于托克逊县南部山区补给带、火焰山两侧沿火焰山带状分布，属地下水径流区和排泄区，矿化度较高，随着地下水的开采，对外界变化响应程度较高，面积2147 km2，占总面积的3.18%；地质环境功能一般区分布于盆地内部，北盆地与南盆地的补给与径流区，径流条件好，矿化度较小，面积6637 km2，占比9.84%；山区地质环境功能弱，面积56 389 km2，占比83.57%。

4.4 综合功能评价结果 根据上述地下水资源、生态、地质环境功能评价结果，对吐鲁番市地下水进行综合功能评价，评价结果如图11所示。

综合功能强区主要分布于托克逊县的夏乡，高昌区的艾丁湖乡、恰特克勒乡、胜金乡，及鄯善县的迪坎乡，面积1182 km2，占总面积的1.81%，该区地下水的生态功能强，环境敏感性高，不宜开采地下水，地质环境功能强，地下水利用价值小，资源功能主要属于强区与一般区，以生态功能和地质环境功能为主导功能。

图11 吐鲁番地下水综合功能评价图

综合功能较强区主要分布于高昌区南盆地，鄯善县南盆地库木塔格沙漠西部，七克台镇沿火焰山一带，以及盆地山前戈壁带，面积3543 km2，占总面积的5.42%，该区生态功能和地质环境功能从较强-一般均有分布，情况复杂，资源功能属于强-较强区，以资源功能为主导功能，地下水可适度开采，要发挥相对优势功能，弱化劣势功能，涵养生态功能，避免弱化地下水的可持续开发利用性。

综合功能一般区主要分布于北盆地，托克逊县盆地南部和山区南部，北部天山山区，面积14 208 km2，占比21.75%，该区生态功能属于较强区和一般区，资源功能属于一般区，地质环境功能从一般-弱均有分布，以生态功能为主导功能，地下水可利用性一般，调节开采，涵养生态环境。

综合功能弱区主要分布于南部山区和天山山区西部及沙漠，面积46 397 km2，占总面积的71.02%，资源功能、生态功能和地质环境功能均属于弱类型区，该区地下水不可持续开发利用。

5 结论

地下水具有资源、生态、地质环境三大功能。本文根据吐鲁番盆地水文地质条件、生态环境特征、地下水开发状况等，分别选取地下水可采潜力、生态敏感性、土壤盐渍化评价因子，应用层次分析法和GIS的空间分析技术，对吐鲁番地下水的资源、生态、地质环境功能进行评价，并在此基础上对地下水综合功能进行评价分析。得到以下结论：

（1）资源功能强-较强区主要分布于托克逊县夏乡及高昌区的恰特克勒乡及火焰山南侧鲁克沁镇和迪坎乡，可进行开发利用；资源功能一般-弱区主要分布于盆地及山区，所占面积超过98%。

（2）生态功能强-较强区主要分布在天然绿洲区及北部山区、托克逊南部，不宜开采地下水；山区生态功能一般-弱，应注意山区植被的水源涵养功能。

（3）地质环境功能强-较强区主要分布于托克逊县绿洲带-高昌区艾丁湖乡及火焰山南北两侧，矿化度较高，不宜进行开采；盆地补给区、径流区及山区地质环境功能一般-弱。

（4）综合功能强-较强区位于北盆地沿火焰山一带及南盆地径流区，地下水可持续开发利用；北部天山山区、北盆地、托克逊县南部地下水的综合功能一般，不宜再大规模开采；南部山区及库木塔格沙漠地下水综合功能弱，不宜开采利用。