河套灌區解放閘灌域節水對地下水及蒸發影響研究

劉中一，霍再林，陳 航(中國農業大學水利與土木工程學院，北京 100083)

0 引 言

內蒙古河套灌區是我國重要的糧油生產基地，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及內蒙古自治區批準的分水方案，灌區的未來引黃水量應逐漸減少為40億m3。因此，灌區節水勢在必行，灌區水均衡過程必然受其影響[2,3]。近年來，有關學者針對灌區節水對水平衡的影響展開了大量的田間及灌區尺度的研究，包括Perter等[4]對節水灌溉技術與鹽漬化防治措施的研究，徐旭[2]、屈忠義[5]等節水措施對灌區地下水動態的影響研究，郝遠遠[3]多種節水情景化條件下河套灌區土壤水鹽運移、作物生長和水分生產率的響應規律研究，Khan等[6]對流域實施節水灌溉的凈經濟收益進行的分析研究，姜瑤[7]對灌區不同節水情境下的農業水文過程及其對水平衡的影響研究，江燕等[8]對河套永聯實驗區節水后田間水均衡變化研究。現有研究主要針對灌區節水改造對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水措施。然而，對于地下水淺埋條件的河套灌區，灌區水轉化頻繁，灌區節水對水平衡的影響更為復雜。本研究基于解放閘灌域2006-2013年實際土壤水、地下水埋深及渠道引水資料，定量研究作物生育期內地下水埋深、區域耗水變化及水均衡過程特征。研究對于明確節水條件下的灌區水循環過程，制定更加合理的節水灌溉制度，實現灌區可持續發展具有指導意義。

1 研究區簡介

解放閘灌域位于河套灌區西部，總土地面積約為2 157 km2，其中約66%為耕地。灌域內地形較為平緩，海拔高程為1 032～1 046 m。灌域內共有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。灌域內布設55個地下水位監測點，每隔五日監測一次地下水埋深數據，并將其中22個地下水位監測點同時作為土壤含水率監測點(圖1)。在本研究中，根據灌域內三條主干渠(烏拉河、楊家河、黃濟)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分灌域，分別基于水量平衡對作物生育期內的灌域進行水均衡過程分析。各灌域基本信息如表1所示。

圖1 解放閘灌域渠系、排水溝、地下水位監測點及土壤水分監測點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 水文氣象數據收集與處理

(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22個土壤水分監測點0～0.1，0.1～0.2，0.2～0.4，0.4～0.7，0.7～1 m土層分別取土樣進行含水率測定。地下水埋深資料由河套管理局每隔5日進行一次監測。

(2)灌溉資料、降雨資料及排水資料。灌域內各渠道每次引水量資料均由河套管理局監測提供，降雨數據來自中國氣象數據網杭錦后旗站。根據1990-2009年排水量監測數據，灌域內全年排水量占引水量的7.5%。根據這一比例系數，本研究計算了灌域內各分灌域各年總排水量以及作物生育期內的排水量。具體計算過程可表示為：

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為作物生育期內引水總量，m3；I為對應Is的單位面積引水量，mm；k為生育期內引水量占全年引水總量的比例；D為生育期內排水量，mm。

2.2 蒸散發計算

本研究中各分灌域作物生育期內的蒸散發計算過程可由方程公式(6)～(9)表示。計算中，考慮了非飽和帶土壤儲水量的變化以及飽和帶地下水的儲水量變化。由于該研究區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，mm；ΔS為總的儲水量變化mm；ΔSg為地下水儲水量變化；ΔSs為非飽和帶土壤水儲量變化，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土壤含水率，cm3/cm3。由于監測含水率只到1 m，地下水埋深大于1 m土層含水率取為與0.7～1 m相同值計算，ht與h0為對應θt與θ0的地下水埋深，m。

2.3 地下水對蒸散發的貢獻量

由于該地區地下水埋深較淺，土壤水和地下水間的交換非常強烈。本研究利用土壤水量平衡方程計算了作物生育階段內距地表1m深土體地下水對蒸散發的貢獻，計算過程可由方程(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土壤儲水量變化，mm；Wt及W0分別為秋澆前及第一次灌水前1 m土體儲水量，mm，H=1 m；η為渠系水利用系數，根據屈忠義等未公開調查報告，η=0.49；其他參數含義同蒸散發計算中各參數含義。

3 結果與分析

3.1 地下水埋深變化

作為地下水淺埋農業灌區，作物生育階段內地下水埋深的變化直接反映了節水措施對水平衡因素的影響。本研究分別計算了2006-2013年作物生育期內各地下水位監測點埋深趨勢線斜率，并將各點斜率值進行了空間插值(圖2)。根據圖2所示，約有80%左右的地區地下水埋深呈增大趨勢，大部分地區地下水埋深增幅在0～1 m。節水措施的施行，導致對地下水的消耗增大，地下水位下降。此外，黃濟分灌域及清惠分灌域部分地區地下水埋深增幅相較其他地區偏大，分析認為除受節水措施的影響外，也與少量的井灌區域分布有關。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，最大增大值達到3.47 m。

圖2 2006-2013年作物生育期內地下水埋深趨勢變化斜率空間分布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2006-2013年數據資料，按照式(6)～(9)對作物生育期內各分灌域的各項水平衡項進行了計算，計算結果如表2所示。作物生育階段內解放閘灌域8年平均蒸散發為667 mm， 但由于灌溉量、作物種植結構、作物類型、土壤類型等因素影響，各分灌域蒸散發略有差別，烏拉河灌域8年平均蒸散發量為718 mm， 楊家河、黃濟、清惠分灌域則分別為629、631、691 mm。這一結算結果與Miao等計算結果基本一致[10]。但是各分灌域各年際蒸散發量變化并無明顯規律。作為水分輸出項，蒸散發占總輸出的94%。對解放閘灌域，作為水量輸入項，降雨和灌溉是蒸散發的主要來源項，8年各分灌域，烏拉河、楊家河、黃濟及清惠平均(I+P)/ET分別為0.93、0.95、0.99、0.94。根據表2計算結果，2006-2013年解放閘灌域作物生育階段降雨和灌溉約占蒸散發的95%。灌域內地下水及土壤水儲量也均處于減小狀態。解放閘灌域8年平均土壤水儲量減少了31 mm，地下水儲量減少了22 mm。計算結果說明，灌溉及降雨量并不足以滿足作物的蒸散發消耗，在作物生長發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，各區域其他年份的水量輸入均呈現下降趨勢。如清惠灌域2006年生育期內降雨和灌溉總量為668 mm，2013年則為617 mm。解放閘灌域2006年作物生育期內平均水量輸入為639 mm，而2013年則為624 mm。作為蒸散發的主要來源項，一定范圍內水分輸入量的減少會明顯導致蒸散發減少(圖4)。為滿足作物生育期內作物及土壤的蒸散發需求，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蒸散發隨灌溉與降雨變化趨勢Fig.4 Evapotranspiration variability trend as the change of irrigation and rainfacl during 2006-2013

3.3 地下水對蒸散發貢獻

研究對解放閘內各分灌域2006-2013年作物生育期內地下水對蒸散發的貢獻量進行了計算，結果見表3。結果表明，2006-2013年作物生育期內各分灌域地下水對蒸散的平均貢獻量相差不大，烏拉河、楊家河、黃濟渠、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、作物種植結構及土壤質地等差別，使得各灌域地下水對蒸散發的貢獻量波動范圍差別較大，烏拉河分灌域為145～411 mm,楊家河分灌域為158～298 mm，黃濟渠及清惠渠分灌域則分別為150～285 mm及147～406 mm。此外，對比2006-2013年水量輸入變化(圖3)及地下水對蒸散發的貢獻率變化(圖5)，在水分輸入量呈下降趨勢的同時，地下水對耗水的貢獻率呈增大趨勢這也進一步驗證在水量輸入不足以支持蒸散的需求時，消耗了部分地下水。此外，大量的渠系水運移過程中滲漏補給地下水，蒸散發消耗地下水時使得這部分水分被再次消耗利用，根據計算，解放閘灌域作物生育期內8年平均地下水對蒸散發的貢獻率為34%。

表3 解放閘各分灌域2006-2013地下水對蒸散發貢獻量Tab.3 The groundwater contribution to evapotranspiration during 2006-2013 in the district of Jiefangzha

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

4 結 論

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

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

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

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