河套灌區(qū)解放閘灌域節(jié)水對(duì)地下水及蒸發(fā)影響研究

劉中一，霍再林，陳 航(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，北京 100083)

0 引 言

內(nèi)蒙古河套灌區(qū)是我國重要的糧油生產(chǎn)基地，黃河引水是其主要灌溉水源，多年平均灌溉引水量約為50億m3[1]。按照黃河水利委員會(huì)及內(nèi)蒙古自治區(qū)批準(zhǔn)的分水方案，灌區(qū)的未來引黃水量應(yīng)逐漸減少為40億m3。因此，灌區(qū)節(jié)水勢(shì)在必行，灌區(qū)水均衡過程必然受其影響[2,3]。近年來，有關(guān)學(xué)者針對(duì)灌區(qū)節(jié)水對(duì)水平衡的影響展開了大量的田間及灌區(qū)尺度的研究，包括Perter等[4]對(duì)節(jié)水灌溉技術(shù)與鹽漬化防治措施的研究，徐旭[2]、屈忠義[5]等節(jié)水措施對(duì)灌區(qū)地下水動(dòng)態(tài)的影響研究，郝遠(yuǎn)遠(yuǎn)[3]多種節(jié)水情景化條件下河套灌區(qū)土壤水鹽運(yùn)移、作物生長和水分生產(chǎn)率的響應(yīng)規(guī)律研究，Khan等[6]對(duì)流域?qū)嵤┕?jié)水灌溉的凈經(jīng)濟(jì)收益進(jìn)行的分析研究，姜瑤[7]對(duì)灌區(qū)不同節(jié)水情境下的農(nóng)業(yè)水文過程及其對(duì)水平衡的影響研究，江燕等[8]對(duì)河套永聯(lián)實(shí)驗(yàn)區(qū)節(jié)水后田間水均衡變化研究?，F(xiàn)有研究主要針對(duì)灌區(qū)節(jié)水改造對(duì)水平衡要素的影響開展了深入的研究，有助于制定更加合理的用水節(jié)水措施。然而，對(duì)于地下水淺埋條件的河套灌區(qū)，灌區(qū)水轉(zhuǎn)化頻繁，灌區(qū)節(jié)水對(duì)水平衡的影響更為復(fù)雜。本研究基于解放閘灌域2006-2013年實(shí)際土壤水、地下水埋深及渠道引水資料，定量研究作物生育期內(nèi)地下水埋深、區(qū)域耗水變化及水均衡過程特征。研究對(duì)于明確節(jié)水條件下的灌區(qū)水循環(huán)過程，制定更加合理的節(jié)水灌溉制度，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)可持續(xù)發(fā)展具有指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)簡介

解放閘灌域位于河套灌區(qū)西部，總土地面積約為2 157 km2，其中約66%為耕地。灌域內(nèi)地形較為平緩，海拔高程為1 032～1 046 m。灌域內(nèi)共有3條干渠，16條分干渠。灌域年平均降雨量155 mm，其中 70%左右的降雨集中于 7-9 月。灌域內(nèi)布設(shè)55個(gè)地下水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每隔五日監(jiān)測(cè)一次地下水埋深數(shù)據(jù)，并將其中22個(gè)地下水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)同時(shí)作為土壤含水率監(jiān)測(cè)點(diǎn)(圖1)。在本研究中，根據(jù)灌域內(nèi)三條主干渠(烏拉河、楊家河、黃濟(jì))以及清惠分干渠的分布及其控制引水渠道，將解放閘灌域劃分為四個(gè)分灌域，分別基于水量平衡對(duì)作物生育期內(nèi)的灌域進(jìn)行水均衡過程分析。各灌域基本信息如表1所示。

圖1 解放閘灌域渠系、排水溝、地下水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)及土壤水分監(jiān)測(cè)點(diǎn)Fig.1 The canals、drains、groundwater monitoring site and soil moisture monitoring site in Jiefangzha sub-district

表1 解放閘各分灌域基本信息Tab.1 The basic information of the district in Jiefangzha sub-district

2 材料與方法

2.1 水文氣象數(shù)據(jù)收集與處理

(1)土壤含水率及地下水埋深。在每次灌水前利用取土烘干法對(duì)22個(gè)土壤水分監(jiān)測(cè)點(diǎn)0～0.1，0.1～0.2，0.2～0.4，0.4～0.7，0.7～1 m土層分別取土樣進(jìn)行含水率測(cè)定。地下水埋深資料由河套管理局每隔5日進(jìn)行一次監(jiān)測(cè)。

(2)灌溉資料、降雨資料及排水資料。灌域內(nèi)各渠道每次引水量資料均由河套管理局監(jiān)測(cè)提供，降雨數(shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)杭錦后旗站。根據(jù)1990-2009年排水量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，灌域內(nèi)全年排水量占引水量的7.5%。根據(jù)這一比例系數(shù)，本研究計(jì)算了灌域內(nèi)各分灌域各年總排水量以及作物生育期內(nèi)的排水量。具體計(jì)算過程可表示為：

Dt=7.5%It

(1)

(2)

(3)

(4)

D=kDt

(5)

式中：I′為全年引水總量，m3；It為單位面積全年引水總量，mm；A為分灌域面積，m2；Dt為總排水量，mm；Is為作物生育期內(nèi)引水總量，m3；I為對(duì)應(yīng)Is的單位面積引水量，mm；k為生育期內(nèi)引水量占全年引水總量的比例；D為生育期內(nèi)排水量，mm。

2.2 蒸散發(fā)計(jì)算

本研究中各分灌域作物生育期內(nèi)的蒸散發(fā)計(jì)算過程可由方程公式(6)～(9)表示。計(jì)算中，考慮了非飽和帶土壤儲(chǔ)水量的變化以及飽和帶地下水的儲(chǔ)水量變化。由于該研究區(qū)降雨量較少且地形較為平緩，故在本研究中不考慮地面徑流。

I+P-ET-D=ΔS

(6)

ΔS=ΔSg+ΔSs

(7)

ΔSg=μΔh1 000

(8)

ΔSs=θtht-θ0h0

(9)

式中：I、D的含義同方程(3)、(5)中的含義；P為降雨，mm；ET為蒸散發(fā)，mm；ΔS為總的儲(chǔ)水量變化mm；ΔSg為地下水儲(chǔ)水量變化；ΔSs為非飽和帶土壤水儲(chǔ)量變化，mm；μ為給水度，這里取0.07[9]；Δh為地下水埋深變化，m；θt及θ0分別為秋澆前及第一次灌水前地下水水位以上土體的加權(quán)土壤含水率，cm3/cm3。由于監(jiān)測(cè)含水率只到1 m，地下水埋深大于1 m土層含水率取為與0.7～1 m相同值計(jì)算，ht與h0為對(duì)應(yīng)θt與θ0的地下水埋深，m。

2.3 地下水對(duì)蒸散發(fā)的貢獻(xiàn)量

由于該地區(qū)地下水埋深較淺，土壤水和地下水間的交換非常強(qiáng)烈。本研究利用土壤水量平衡方程計(jì)算了作物生育階段內(nèi)距地表1m深土體地下水對(duì)蒸散發(fā)的貢獻(xiàn)，計(jì)算過程可由方程(10)、(11)表示。

ΔW=Wt-W0=H(θt-θ0) 1 000

(10)

P+Iη+ETg-ET=ΔW

(11)

式中：ΔW為距地表1 m深土體作物生育階段內(nèi)土壤儲(chǔ)水量變化，mm；Wt及W0分別為秋澆前及第一次灌水前1 m土體儲(chǔ)水量，mm，H=1 m；η為渠系水利用系數(shù)，根據(jù)屈忠義等未公開調(diào)查報(bào)告，η=0.49；其他參數(shù)含義同蒸散發(fā)計(jì)算中各參數(shù)含義。

3 結(jié)果與分析

3.1 地下水埋深變化

作為地下水淺埋農(nóng)業(yè)灌區(qū)，作物生育階段內(nèi)地下水埋深的變化直接反映了節(jié)水措施對(duì)水平衡因素的影響。本研究分別計(jì)算了2006-2013年作物生育期內(nèi)各地下水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)埋深趨勢(shì)線斜率，并將各點(diǎn)斜率值進(jìn)行了空間插值(圖2)。根據(jù)圖2所示，約有80%左右的地區(qū)地下水埋深呈增大趨勢(shì)，大部分地區(qū)地下水埋深增幅在0～1 m。節(jié)水措施的施行，導(dǎo)致對(duì)地下水的消耗增大，地下水位下降。此外，黃濟(jì)分灌域及清惠分灌域部分地區(qū)地下水埋深增幅相較其他地區(qū)偏大，分析認(rèn)為除受節(jié)水措施的影響外，也與少量的井灌區(qū)域分布有關(guān)。2013年作物生育期平均地下水埋深要比2006年埋深增大了0.05 m，最大增大值達(dá)到3.47 m。

圖2 2006-2013年作物生育期內(nèi)地下水埋深趨勢(shì)變化斜率空間分布Fig.2 The spatial distribution of the groundwater depth change trend slope during the crop growth period in 2006-2013

3.2 灌域水量平衡

根據(jù)2006-2013年數(shù)據(jù)資料，按照式(6)～(9)對(duì)作物生育期內(nèi)各分灌域的各項(xiàng)水平衡項(xiàng)進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表2所示。作物生育階段內(nèi)解放閘灌域8年平均蒸散發(fā)為667 mm， 但由于灌溉量、作物種植結(jié)構(gòu)、作物類型、土壤類型等因素影響，各分灌域蒸散發(fā)略有差別，烏拉河灌域8年平均蒸散發(fā)量為718 mm， 楊家河、黃濟(jì)、清惠分灌域則分別為629、631、691 mm。這一結(jié)算結(jié)果與Miao等計(jì)算結(jié)果基本一致[10]。但是各分灌域各年際蒸散發(fā)量變化并無明顯規(guī)律。作為水分輸出項(xiàng)，蒸散發(fā)占總輸出的94%。對(duì)解放閘灌域，作為水量輸入項(xiàng)，降雨和灌溉是蒸散發(fā)的主要來源項(xiàng)，8年各分灌域，烏拉河、楊家河、黃濟(jì)及清惠平均(I+P)/ET分別為0.93、0.95、0.99、0.94。根據(jù)表2計(jì)算結(jié)果，2006-2013年解放閘灌域作物生育階段降雨和灌溉約占蒸散發(fā)的95%。灌域內(nèi)地下水及土壤水儲(chǔ)量也均處于減小狀態(tài)。解放閘灌域8年平均土壤水儲(chǔ)量減少了31 mm，地下水儲(chǔ)量減少了22 mm。計(jì)算結(jié)果說明，灌溉及降雨量并不足以滿足作物的蒸散發(fā)消耗，在作物生長發(fā)育過程中還消耗了部分土壤水及地下水。

表2 2006-2013解放閘各分灌域水均衡項(xiàng)Tab.2 The water balance parameters of the district in Jiefangzha sub-district during 2006-2013

解放閘各分灌域2006-2013年作物生育期內(nèi)水量輸入如圖3所示，灌域8年平均水分輸入量為626 mm。除08年灌水量略大，各區(qū)域其他年份的水量輸入均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。如清惠灌域2006年生育期內(nèi)降雨和灌溉總量為668 mm，2013年則為617 mm。解放閘灌域2006年作物生育期內(nèi)平均水量輸入為639 mm，而2013年則為624 mm。作為蒸散發(fā)的主要來源項(xiàng)，一定范圍內(nèi)水分輸入量的減少會(huì)明顯導(dǎo)致蒸散發(fā)減少(圖4)。為滿足作物生育期內(nèi)作物及土壤的蒸散發(fā)需求，必然要消耗一部分的淺層地下水。

圖3 解放閘各分灌域2006-2013年水量輸入變化Fig.3 The change of water input during 2006-2013

圖4 2006-2013蒸散發(fā)隨灌溉與降雨變化趨勢(shì)Fig.4 Evapotranspiration variability trend as the change of irrigation and rainfacl during 2006-2013

3.3 地下水對(duì)蒸散發(fā)貢獻(xiàn)

研究對(duì)解放閘內(nèi)各分灌域2006-2013年作物生育期內(nèi)地下水對(duì)蒸散發(fā)的貢獻(xiàn)量進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果見表3。結(jié)果表明，2006-2013年作物生育期內(nèi)各分灌域地下水對(duì)蒸散的平均貢獻(xiàn)量相差不大，烏拉河、楊家河、黃濟(jì)渠、清惠渠分灌域分別為255、230、206、251 mm,但是由于各灌域每年具體灌水量、作物種植結(jié)構(gòu)及土壤質(zhì)地等差別，使得各灌域地下水對(duì)蒸散發(fā)的貢獻(xiàn)量波動(dòng)范圍差別較大，烏拉河分灌域?yàn)?45～411 mm,楊家河分灌域?yàn)?58～298 mm，黃濟(jì)渠及清惠渠分灌域則分別為150～285 mm及147～406 mm。此外，對(duì)比2006-2013年水量輸入變化(圖3)及地下水對(duì)蒸散發(fā)的貢獻(xiàn)率變化(圖5)，在水分輸入量呈下降趨勢(shì)的同時(shí)，地下水對(duì)耗水的貢獻(xiàn)率呈增大趨勢(shì)這也進(jìn)一步驗(yàn)證在水量輸入不足以支持蒸散的需求時(shí)，消耗了部分地下水。此外，大量的渠系水運(yùn)移過程中滲漏補(bǔ)給地下水，蒸散發(fā)消耗地下水時(shí)使得這部分水分被再次消耗利用，根據(jù)計(jì)算，解放閘灌域作物生育期內(nèi)8年平均地下水對(duì)蒸散發(fā)的貢獻(xiàn)率為34%。

表3 解放閘各分灌域2006-2013地下水對(duì)蒸散發(fā)貢獻(xiàn)量Tab.3 The groundwater contribution to evapotranspiration during 2006-2013 in the district of Jiefangzha

圖5 2006-2013解放閘地下水對(duì)耗水貢獻(xiàn)率變化 Fig.5 The ratio change of groundwater to evapotranspiration in Jiefangzha during 2006-2013

4 結(jié) 論

(1)受節(jié)水措施的影響，2006-2013年的地下水埋深呈一定幅度的增大趨勢(shì)，約有80%的地區(qū)地下水埋深呈增大趨勢(shì)，這一趨勢(shì)在少部分有井灌的區(qū)域尤為明顯。

(2)作為水均衡的主要輸出項(xiàng)，解放閘灌域8年作物生育期內(nèi)平均蒸散發(fā)為667 mm，大部分在500～800 mm波動(dòng)。

(3)解放閘灌域2006年至2013年階段水分輸入項(xiàng)呈減少趨勢(shì)，而作為蒸散發(fā)的主要來源項(xiàng)水分輸入量的減少導(dǎo)致對(duì)蒸散發(fā)的貢獻(xiàn)減少。為滿足耗水需求，有一部分的地下水被消耗掉，地下水對(duì)蒸散發(fā)的貢獻(xiàn)量在一定范圍內(nèi)呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，逐漸增大的地下水埋深也說明了這一點(diǎn)。

□

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