典型草原區河谷帶地下水位對水均衡要素變化的響應

賈利民，廖梓龍,2，龍胤慧，梁文濤，韓振華

(1.水利部牧區水利科學研究所，呼和浩特 010020;2.中國水利水電科學研究院水資源所, 北京 100038)

位于內蒙古中部的典型草原區干旱少雨，蒸發強烈，生態環境脆弱。受降水和徑流條件的制約，地表水資源可利用量有限，地下水成為該區域生產、生活和生態最重要的供水水源[1,2]。錫林河流域下游河谷帶是其中的典型代表，隨著錫林浩特市經濟社會的發展和城市化水平的提高，城市供水將仍以消耗地下水，通過不斷增加水位降深，擴大開采范圍來增加開采量，滿足日益增長的需水要求。

在氣候干暖化背景下，地下水位與降水量、蒸發量和開采量等水均衡要素間的相關關系更加顯著[3,4]，水資源緊缺與水環境惡化形式也日趨嚴峻，地下水可持續供水能力成為學者和社會廣泛關注的熱點[5,6]。作為衡量地下水系統儲變量變化的最直觀指標，地下水位對水均衡要素變化的響應關系研究取得了一系列成果，如方樟通過地下水數值模擬模型確定了研究區不同地區代表性監測井的地下水控制性管理水位及閾值[7]；翟遠征等采用水均衡理論和水位動態均衡法，對北京市平原區地下水位與補給量、排泄量均衡要素之間的時間變化規律及相互關系進行了分析[8]；采用水均衡法劃定了地下水安全開采控制水位[9]。本文在上述研究成果的基礎上，分析以錫林河流域下游河谷帶為代表的典型草原區地下水位對水均衡動態要素的響應規律，勢必為解決地下水可持續利用與生態環境安全提供技術依據。

1 原理與方法

根據水均衡原理，地下水系統其內部任一時段的補給量(Q補)和排泄量(Q排)之差等于含水層中孔隙水體積的變化量(ΔQ)。均衡方程及均衡項如下[3]：

地下水均衡方程：

∑Q補-∑Q排=ΔQ

(1)

儲變量：

ΔQ=Δh·μ·F/100

(2)

式中：Q補為淺層地下水補給量，億m3/a；Q排為淺層地下水排泄量，億m3/a；ΔQ為均衡時段內單項儲存量變化，億m3/a；Δh為淺層地下水水位變幅，m；μ為淺層地下水變幅帶給水度；F為均衡區面積，km2。

在水文地質單元內，不論來自于哪一個補給項和排泄項的貢獻，地下水位上升或下降是由降水和開采量間變化的直接結果。因此，本文基于統計學方法，從水均衡公式出發，建立水位與降水量、水位與單位開采量的相關性分析以及水位與降水量、單位開采量的多元回歸擬合，并根據方程中降水量和單位開采量的權重系數量化其對地下水位的影響程度。

(3)

式中：f(·)表示關于某變量的函數；P為降水量，mm；Q為單位面積地下水開采量，mm；A、B、C為待定系數，D為待定常數，通過歸一化待定系數可分別計算地下水位對降水量變化、開采量變化、降水和開采共同變化的響應。

2 研究區概況

錫林河屬于內陸河，發源于赤峰市克什克騰旗的敖倫諾爾和呼倫諾爾，從東向西流入錫林浩特市，在錫林河水庫以下河流潛入地下，最后匯入查干諾爾沼澤地自然消失，全長268.1 km，流域面積10 542 km2，其中赤峰境內701 km2，地形以山丘為主；錫林浩特境內9 841 km2，地形由東向兩側山丘向河谷傾斜。多年平均降水量200～350 mm，屬于半干旱區。

錫林河流域是一個以牧草地為主體土地類型的區域，草原面積占流域面積的89.55%，其中典型草原占草原面積的80.3%，其余為低平地草甸草原和草甸草原。生態雖然在近些年來有所改善，但仍有45%的典型草原發生不同程度的退化，主要發生于下游河谷帶錫林浩特市城市規劃區周邊。

3 水均衡分析

3.1 基本情況分析

錫林河流域地表水資源十分匱乏，地下水是該區域最主要的供水水源。第四系松散沉積物廣泛分布于錫林河谷沖積平原區和丘間溝谷洼地中。在氣候干暖化背景下，以降水、蒸發和人類開采為主的水均衡要素在時空尺度上非一致變化影響了典型草原區河谷帶地下水資源的可持續性。

研究區域內地下水流向由東南向西北，東西邊界山區帶與水流方向垂直，含水層巖性以粉細砂、細砂、中細砂為主，砂礫石次之，并夾有多層黏土和粉質黏土，與第四系上更新統沖洪積砂礫石構成統一的含水體，厚度一般為2～5 m，最厚可達70余m，富水性具有明顯分帶性，從中部的1 000～3 000 m3/d向兩側遞減至100 m3/d。圖1為研究區基本情況，表1為觀測井基本情況。

圖1 研究區概況

編號名稱經度緯度開采類型1農場三隊井116°4′28″43°57′55″農作物灌溉2烏蘭圖噶煤礦井116°1′17″43°59′30″煤礦開采3飼草料基地井116°6′21″44°0′46″飼草料作物灌溉4奶牛場井116°3′37″43°59′8″牲畜飲水井5一棵樹水源井116°4′10″43°55′7″城鎮集中供水井

3.2 水均衡要素分項計算

研究區主要補給項為大氣降水入滲補給、側向徑流補給、井灌回歸補給，排泄項包括人工開采、蒸發和側向排泄。通過均衡計算統計各均衡項，如表2所示。

表2 錫林河下游河谷平原中心帶水均衡項計算結果 萬m3

從表2可以看出，錫林河流域地下水系統處于多年平均負均衡狀態(1980-2014年)，降水入滲補給是地下水系統最主要的補給源，占總補給量的90%左右；隨著經濟社會的快速發展，地下水開采量由20世紀80年代的年均864.35萬m3增加至近五年(2010-2014年)的年均2 898.45萬m3，開采量增加導致大部分區域地下水位降至臨界蒸發深度以下，人工開采已取代蒸發成為地下水系統最大的排泄項。

此外，與歷史各個時期相比，近幾年錫林河流域開始進入降水偏豐周期，但地下水“入不敷出”的情況愈加明顯，過量的地下水開采需求只能通過消耗地下水儲蓄量來實現。

4 地下水位對水均衡要素動態變化的響應

4.1 水位與降水量的關系

根據圖2不同監測井水位變化與降水量變化相關性分析可知，降水量年際變化呈波浪形起伏變化，年均降水量總體上近幾年都在220～400 mm范圍內上下波動，而地下水埋深呈逐年增加的趨勢，其中飼草料基地井與烏蘭圖噶煤礦井水位下降最為明顯。各個觀測井對降水時序變化的響應差異較大，飼草料基地井與農場三隊井地下水位變幅與降水豐枯交替呈的負相關關系，說明這兩眼井所在區域地下水位對降水較為敏感，其他觀測井水位變幅與降水的一致性關系在2003年以前較為明顯，說明這些區域降水對地下水的影響程度在逐漸減小。

圖2 各個觀測井地下水埋深與降水量的變化趨勢

4.2 水位與開采量的關系

從圖3可以看出，各個觀測井水位埋深與開采量之間存在明顯的正相關關系，其中作為城鎮集中供水的一棵樹水源地相關系數最高，為0.94；農場三隊相關系數最低，為0.54；各觀測井的擬合關系有所不同，一棵樹水源地和飼草料基地以線性關系為主，農場三隊和奶牛場的對數擬合關系較好，而烏蘭圖噶煤礦井主要表現為指數響應關系；從水位-開采量關系曲線變化趨勢來看，隨著地下水開采量增加，農場三隊、飼草料基地和奶牛場的水位響應最明顯(即斜率較小)，這與水均衡計算中農業用水量占總用水量的50%以上是一致的，說明農牧業不合理的快速發展是制約當地地下水可持續開發利用的主因。

4.3 補排關系非均衡變化對地下水位的影響

由于降水時序變化的不確定性及包氣帶厚度增加，導致降水入滲補給量與開采量之間的線性關系較差，但從二者的年際變化來看，又具有一定的相似規律，若在作物生長期降水強度較小、降水歷時較短，則灌溉開采量則相應增加，如飼草料作物灌溉量近幾年的降水量與開采量間的相關關系呈此消彼長的態勢。對比降水量和開采量的時序變化規律，還會發現農灌區在枯水時段二者變幅不同，即降水減少幅度遠沒有開采增幅大，這說明局部地下水主采區(如井灌集中區)地下水系統已經出現非均衡變化。圖4為降水量和開采量關系。

在最嚴格水資源管理制度背景下，近幾年錫林河平原城鎮規劃區附近地下水開采總量得到了有效控制，與降水補給量相比，開采量具有季節性和持續性的特點，季節性主要體現在農灌期作物生長期集中開采，工業開采和煤礦疏干量只在冷季和暖季有所差別，但開采持續時間較長。從圖2可以看出，同類型區的地下水觀測井也有相似的規律，農灌區地下水位在作物出苗以后開始持續下降，而刈割后水位開始回升(如飼草料基地觀測井和農場三隊觀測井)，煤礦開采區地下水位在10月前后處于不同的高度，但這兩個時期內的水位變幅都相對平緩(如烏蘭圖噶煤礦井)。

圖3 各觀測井地下水埋深與用水量相關關系

圖4 降水量與各項開采量的關系

基于統計學方法，根據方程(3)確定多元回歸方程，在待定系數歸一化的基礎上量化地下水位對降水量變化、開采量變化與降水量和開采量共同變化的響應程度。

從表3可以看出，農作物大棚種植區(農場三隊井)主要受降水量與開采量共同作用，響應程度為51.16%，飼草料基地受開采量影響最大，達到60.71%，同為灌溉用水，但二者主控因子不同，原因可能是開采方式不合理，農作物大棚種植區種植方式以分散式為主，且規模較小，飼草料基地主要為集中、連片開采，而從地下水富水性來看，農場三隊所在區域單井出水量均大于1 000 m3/d，而飼草料基地水源井所在水文地質單元單井出水量在500～1 000 m3/d，可見灌溉飼草料地布局與水資源承載能力是不相適應的，壓減灌溉飼草料地規模、調整集中連片布局為分散式利用是解決這一矛盾的主要途徑。

烏蘭圖噶煤礦井地下水位對各因子的響應程度基本一致，這表明采煤區地下水位的響應過程相對復雜，難以用單一類型因子來解釋。牲畜養殖場(奶牛場井)和城鎮集中供水水源地(一棵樹水源井)的地下水位受降水量和開采量的共同控制，響應程度均在40%以上，說明根據降水情景制定相應的水資源開發利用方案對落實最嚴格的水資源管理制度意義重大。

表3 多元回歸方程與地下水位響應程度計算

5 結 論

錫林河流域地下水系統處于多年平均負均衡狀態(1980-2014年)，降水是最主要的補給源，占總補給量的90%左右；隨著經濟社會的快速發展，人工開采已取代蒸發成為地下水系統最大的排泄項。近幾年錫林河流域開始進入降水偏豐周期，但地下水“入不敷出”的情況愈加明顯，過量的地下水開采需求只能通過消耗地下水儲蓄量來實現。

降水量年際變化呈波浪形起伏變化，而地下水埋深呈逐年增加的趨勢，各個觀測井對降水時序變化的響應差異較大，其中飼草料基地井與農場三隊井地下水位變幅對降水較為敏感。

水位埋深與開采量之間存在明顯的正相關關系，從水位-開采量關系曲線變化趨勢來看，隨著地下水開采量增加，農場三隊、飼草料基地和奶牛場的水位響應最明顯。

基于統計學方法的多元回歸分析表明，農作物大棚種植區(農場三隊井)單井出水量均大于1 000 m3/d，主要受降水量與開采量共同作用，響應程度為51.16%；飼草料基地單井出水量在500～1 000 m3/d，受開采量影響最大，達到60.71%，因此灌溉飼草料地布局與水資源承載能力是不相適應的，壓減灌溉飼草料地規模、調整集中連片布局為分散式利用是解決這一矛盾的主要途徑。

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