河套灌區井渠結合區域分布的確定方法的改進

彭培藝，王璐瑤，何 彬，楊金忠，于 健，朱 焱(.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 43007；.內蒙古水利科學研究院，)

0 引 言

內蒙古河套灌區是我國最大的一首制引水灌區[1]，地勢平坦，灌域廣闊，土地肥沃，農業生產潛力很大。受歷史原因和經濟條件制約，河套灌區灌溉粗放，導致灌區地下水位較高，潛水蒸發強烈，耕地次生鹽漬化問題十分嚴重。而在國家嚴格控制引黃水量的形勢下，灌區的灌溉用水供需矛盾也日益突出。采用地表水和地下水聯合利用的方式，可提高水資源利用率，并對地下水位進行調控，是解決灌區水資源短缺和控制土壤鹽堿化的有利途徑[2]。

制定優化的井渠結合區域分布方案，實行灌區灌溉、控鹽及改土綜合治理，是河套灌區發展灌溉農業的重點和難點，國內外學者也開展了大量研究。沈榮開[3]認為確定井渠結合面積是開發利用地下水資源、實行井渠結合的基礎，并對井渠結合推行過程中遇到的問題進行了研究。彭世彰[4]采用系統分析方法，建立了河套灌區井渠結合優化灌溉模型，求解出工程最優運行方案，并選擇義長灌域永聯試區作為計算驗證區。實施該優化方案后，全年土壤鹽分明顯降低，春小麥地脫鹽率達56.7%。萬亮婷[5]認為確定不同水資源條件下適宜的井渠結合形式與合理布局是制約井渠結合灌區節水改造的關鍵技術問題。田園[6]提出了寧蒙黃河灌區井渠結合區的布置原則，指出應在補給條件較差而水質符合灌溉要求(礦化度<2 g/L)的區域實施井渠結合灌溉。針對河套灌區的具體情況，何彬[7]根據灌區井樣點地下水礦化度資料，應用ArcGIS插值生成灌區地下水礦化度分區圖，初步確定了井渠結合分布區及面積。但該研究中大部分井樣點為機電井，水質資料數量巨大，但精度較低。本文搜集灌區內地質勘探資料，井點數據較少，但數據精度較高。根據井點不同精度地下水水質數據，修正灌區地下水礦化度分區圖，并依據咸淡水分布圖、水文地質圖件和水化學圖進行校正，重新確定河套灌區地下水可開采利用區分布，得到不同地下水開采標準下的井渠結合區域分布及灌溉面積。

1 河套灌區概況

河套灌區位于內蒙古自治區西部的巴彥淖爾市，西至烏蘭布和沙漠，東與包頭市郊區相接，南界黃河，北抵陰山山脈的狼山、烏拉山，總面積達120萬hm2。從西至東，依次為一干灌域、解放閘灌域、永濟灌域、義長灌域和烏拉特灌域，如圖1。

河套灌區氣候干燥，降雨稀少，蒸發強烈。年降水量130～220 mm，降水量在空間上由西向東平緩遞減；年蒸發量1 900～2 500 mm(20 mm蒸發皿)。河套灌區地下水運動以垂直交替為主，其補給源主要為引黃水入滲；排泄途徑主要為蒸發排泄，其次為渠系排水。

河套灌區地形地貌以平原為主，地面坡度平緩。在地質構造上，屬于侏羅紀晚期地殼長期下沉形成的封閉斷陷沉降盆地，地下徑流排泄不暢，地下水位偏高。形成鹽漬土的鹽分來源主要是沉積和構造條件所決定的高鹽分地層與高礦化水。從土壤鹽漬度來看，以0～0.5 m土層平均含鹽量統計，全灌區以含鹽量大于0.3%的中度以上鹽漬土分布范圍最廣，占全區面積的77.7%，其中全鹽量在0.6%以上的重度鹽漬土面積最大，占45.8%[8]。近年來隨著引水量減少，地下水位降低，土壤鹽堿化面積有所減少。河套灌區的鹽漬土的分布主要受到下伏土層含鹽量和地下水礦化度的控制，在地層高含鹽量帶和高礦化咸水帶，往往有重鹽土分布，而在下伏淡水區，一般土壤鹽漬化較輕。重度鹽漬土和鹽土的范圍與南北兩咸水帶的分布基本一致，以北部咸水帶西段和南部咸水帶尤為明顯，其中南部鹵水帶鹽漬化最重。輕鹽漬土主要分布在灌區上游地區，以灌區西南部磴口-頭道橋-干召廟-烏蘭圖克-塔爾湖一線土壤鹽漬化較輕，該區地下水以淡水為主。灌區東部地處下游，由于水鹽的聚集，又處于兩咸水帶之間，加之下部有隱伏咸水分布，土壤鹽堿化一般較重。三湖河地區由于公子廟以西咸水的分布，以重鹽漬土為主，其余地區多為中度鹽漬土[8]。

圖1 河套灌區地理位置圖

2 改進的井渠結合區域分布的確定方法

本文的井渠結合區域分布確定方法是在何彬[7]的研究基礎上改進得到。何彬[7]收集了河套地區鉆孔、機電井、淺層、水化學圖四種來源的數據資料，并進行了整理分析。首先根據水文地質資料，在垂向上將該研究區劃分為三層：淺層弱透水層、第一含水組深層和第二含水組；運用ArcGIS對井樣點底板埋深進行反距離權重插值，繪制了3個含水層底板埋深等值線圖。以該圖為基準，對具有礦化度資料的井樣點數據進行分層提取，得到了淺層弱透水層、第一含水組深層、第二含水組的地下水礦化度分區圖。依據不同的農業灌溉用水要求，將三層咸淡水分布進行對比，進一步在統一的水平方向上，確定河套灌區井渠結合區的分布和面積。該方法采用2 450個井樣點礦化度數據，利用ArcGIS插值得到分區結果。在2 450眼井中，有2 037眼為機電井，216眼數據來源于水化學圖，112眼屬淺層數據，僅87眼是鉆孔資料。機電井主要作用是為滿足農業灌溉需求，多分布在淡水區，監測精度較低，但井點占比很大，且密集分布于局部地區，因此，采用機電井礦化度數據插值所得的不可開采區面積變化較為突兀，如圖2所示，且與咸淡水三淡夾三咸的帶狀分布規律相差很大[9]，因此，需要對該井渠結合區域確定方法進行改進。

圖2 原井渠結合控制區分布圖

2.1 井渠結合區域分布的確定方法改進

2.1.1咸淡水帶水平和垂向分布規律

河套灌區水平方向上的水質分布受地貌、古地理和構造條件的控制，表現出明顯的南北規律，自北向南可以分出六條水質帶，其中，三條淡水帶，三條咸水帶。以北部咸水帶延伸長度最大，為區域性咸水帶，南部咸水帶礦化度最高，水質最咸[9]。第一帶為扇裙全淡水帶，主要分布在狼山山前扇裙平原，該地區含水層顆粒粗，徑流條件好，屬于鹽分的溶濾搬運帶，所以含鹽量低。第二帶為扇前洼地咸水帶，呈條帶狀分布，縱貫全區。第三帶為套區中部淡水帶，西起烏蘭布和沙漠，東至烏拉特前旗北部義通排干以西一帶，該區含水層巖性相對較粗，地形坡度相對較大，加上黃河古河道長期迂回的淡化作用，水質良好。第四帶為南部潛伏隆起咸水帶，沿總干渠北側呈東西向條帶狀分布，西窄東寬，為本區礦化度最高的鹽鹵水帶。第五帶為三湖河淡水帶，包括公子廟以東的烏拉特扇裙帶和三湖河中部大部分灌區，呈西東條帶狀分布。第六帶為三湖河南部咸水帶，分布于三銀河頭和何蘭虎一帶。此帶位于鄂爾多斯臺緣斷裂北側，下部中更新統沉積層含鹽量高。

河套灌區咸淡水的垂向分布特征則主要受氣候和古地理環境的影響，可分為全淡水型、全咸水型、上淡下咸型、上咸下淡型、咸淡咸型和淡咸淡型，共6種類型，前3種類型分布最廣，后3種類型分布面積較小。全淡型主要分布在山前扇裙全淡水帶、套區西南全淡水帶和三湖河全淡水帶；全咸型，可分為北部扇前洼地咸水帶、南部潛伏隆起咸水帶和三湖河南部咸水帶；上淡下咸型，分布于中部淡水帶的東段以及咸水帶外圍向淡水的過渡帶。淡咸水界面在垂向上多是漸變的，自東向西和隨遠離兩側咸水帶逐漸加深，淡水層厚度隨之增大。

2.1.2河套灌區咸淡水分布數據獲取

根據對河套灌區水文地質條件和古地理環境的分析，內蒙古自治區地質局水文地質隊繪制了河套灌區咸淡水分布圖。該分布圖依據礦化度的高低，劃分了淡水區(礦化度<2 g/L)、微咸水區(礦化度2～3 g/L)、半咸水區(礦化度3～5 g/L)、咸水區(礦化度5～10 g/L)和鹽鹵水區(礦化度>10 g/L)。本文借助ArcGIS工具，對河套平原的咸淡水分布圖進行空間校正，得到標準坐標系下的咸淡水分布圖，建立了礦化度為2、3 g/L邊界線文件(如圖3所示)。根據DB13/T 928-2008咸淡水混合灌溉工程技術規范，在特殊鹽漬土地區，可開采利用的地下水礦化度上限為3 g/L。由GB5084-2005農田灌溉水質標準，所有鹽漬土地區，國家標準灌溉水全鹽含量為<2 g/L。為充分開采利用地下水并且保證灌溉水質標準，另取2和3 g/L平均數2.5 g/L作為一個參考的地下水不可開采利用的限制礦化度，因此，本文進一步搜集井樣點礦化度資料，補充繪制了礦化度為2.5 g/L的邊界線文件，并將礦化度2、2.5和3 g/L邊界線文件統一轉化為面文件，最終得到的地下水礦化度分區圖如圖3所示。

2.1.3可開采利用區的校正分析

根據修正的咸淡水分布圖對采用井樣點礦化度數據插值所得的不可開采區面積進行校正分析。本文以灌溉可利用地下水礦化度為3 g/L為例，說明校正分析方法。將根據井樣點礦化度數據得到的原可開采利用區的面文件與修正的咸淡水分布圖中礦化度為3 g/L的面文件，加載在同一個地圖文件中，對其進行顏色區分，并加入來源于機電井、水化學圖、淺層數據、鉆孔資料共2 046個井樣點，并將其按照礦化度大小進行顏色區分，如圖4所示。整體而言，原可開采利用區與咸淡水分布圖中地下水礦化度大于3 g/L的區域分布相近，但是前者的范圍比咸淡水分布圖中地下水礦化度小于3 g/L小，且局部地區兩者有重疊。本文結合井樣點的位置和礦化度，以及水文地質條件最終確定可開采利用區。

由圖4可知，當灌溉可利用地下水礦化度標準為3 g/L時，原可開采利用區與咸淡水分布圖的咸水區并不一致。兩者在局部地區有交集，主要是一干灌域的東北角、解放閘灌域的北部、永濟灌域的南部、義長灌域的北部和烏拉特灌域的北部，即原可開采利用區在咸淡水圖中屬于咸水區；局部地區出現空集，主要是一干灌域的西北部、解放閘灌域的中北部、永濟灌域的北部和東部、義長灌域的中部和北部，烏拉特灌域的南部，即原不可開采利用區的局部地區咸淡水圖中屬于淡水區。本文結合水文地質條件及井點數據，遵循咸淡水分帶的原則，參考井樣點的分布以及礦化度，將僅由零星井點高礦化度圈定的但不符合咸淡水分帶原則的原不可開采利用區，重新劃為可開采利用區；與此同時，從原可開采利用區中，去除礦化度低但數量少且與咸水區重合的部分。逐個灌域，進行以下具體的分析和校正。

圖4 原可開采利用區與咸淡水分布對比圖

(1)一干灌域，其西北部的原可開采利用區僅由2個高礦化度井點控制而中斷，但中間還有兩口潛水井，且該區屬于水質分帶的扇裙全淡水帶，因此，認為將該區水質劃為可開采利用水；東北角的原可開采利用區與咸水區重合，該處井點較密集，且礦化度都較低，也處于扇裙全淡水帶，因此，保留該可開采利用區。

(2)解放閘灌域，其中部的原可開采利用區中有一小塊長橢圓形的咸水區，該區只受一口高礦化度的井控制，然而在水文地質條件與周圍區域沒有突變，仍認為是可開采利用區。該灌域北部的橢圓區域情況則恰恰相反，咸水區中有一塊橢圓形的原可開采利用區，且井點相對較密集，礦化度高，位于咸水帶中，因此，從可開采利用區中去除該橢圓形區域。此外，對原不可開采利用區中僅由零星井點控制而產生的突變，但在咸淡水圖中屬于淡水區的部分進行平滑修正。在不違背控制井點的原則上，參考咸淡水界面等埋深線的變化趨勢，繪制更加平滑的原可開采利用區的邊界。

(3)永濟灌域，其南部長條狀延伸的區域與一干灌域的西北處情況相似，也劃定為可開采利用區。由于插值結果只受到井樣點礦化度的影響，該灌域的原可開采利用區的邊界會突兀地將礦化度較高的點，被礦化度較低的點，因此，存在較多與水文地質條件不符的棱角。參考控制井點的來源及礦化度，機電井礦化度的參考性不大，鉆井礦化度的準確性較高；盡量保證礦化度較高的井點在可開采利用區外，礦化度較低的井點在可開采利用區外。最后，借助ArcGIS，平滑化可開采利用區的邊界。

(4)義長灌域，其南部咸水區形狀不規則，區內井樣點分布零星，在遵循井點礦化度的前提下，對其邊界進行平滑化處理。與永濟灌域相接的可開采利用區僅由零星井點的控制而突兀地減小，因此將永濟灌域和義長灌域的原不可開采利用區擴大至互相連接。北部長條狀藍色網格區域原屬可開采利用區，在咸淡水分布圖中屬咸水區，考慮到該區地處北部扇前洼地咸水帶，潛水井密布于灌域北邊界，而咸水區的井點極少，且高礦化的井比例較高，為此，將把該區劃為不可開采利用區。

(5)烏拉特灌域，其東南角和西北部局部地區原屬于不可開采利用區，而在咸淡水圖中屬于淡水區域，考慮到該區井點并不密集，且淺層弱透水層水質較差，受到開采利用條件的限制，認為該區是不可開采利用區。

2.2 井渠結合區域分布及面積

根據以上修正的地下水可開采利用區分區方法，可得到相應礦化度控制條件下農業灌溉地下水可開采區分布。本文根據地下水礦化度小于3 g/L、小于2.5 g/L和小于2 g/L 3種控制條件，確定了地下水可開采利用區分布。同時，結合沙漠帶的分布情況，可得到灌區井渠結合區分布圖。地下水礦化度小于3 g/L、小于2.5 g/L和小于2 g/L條件下井渠結合區分布圖分別如圖5、圖6和圖7所示。原井渠結合區控制面積與現井渠結合區控制面積計算結果見表1。

根據各灌域的土地利用系數和由表1中所給出的井渠結合區控制面積，可初步計算各灌域井渠結合區的灌溉面積。如取用渠井結合比例為3∶1，可以得到各灌域的井灌區面積(表2)。

圖5 井渠結合控制區分布圖(地下水礦化度<3 g/L條件)

圖6 井渠結合控制區分布圖(地下水礦化度<2.5 g/L條件)

表1 不同灌溉水質條件的原井渠結合控制面積與現井渠結合控制面積的對比 萬hm2

圖7 井渠結合控制區分布圖(地下水礦化度<2 g/L條件)

由以上分析過程知，井渠結合控制區分布及面積的確定是通過對灌區水文地質條件、地下水深淺層礦化度、目前土地利用類型現狀和農業灌溉用水水質要求等進行綜合分析得到的結果。井渠結合控制區主要分布在一干灌域非沙漠帶、解放閘灌域和永濟灌域南部、義長灌域北部、烏拉特灌域尾部(公廟鎮、先鋒鄉、黑柳于鄉)，灌區北部沿狼山山前也有部分區域。由表1可知，因地下水半咸水和咸水的廣泛分布及烏蘭布和沙漠帶的存在，河套灌區井渠結合區控制面積約占整個灌區控制面積的50%。根據不同的灌溉水質控制標準，灌區內可實施井渠結合的控制面積為31～58萬hm2。由表2可知，根據各灌域的土地利用系數，灌區內可實施井渠結合膜下滴灌的灌溉面積約為17～33萬hm3；如果取井渠結合比為1∶3，井灌區面積約為4～8萬hm2。

表2 不同灌溉水質條件的井渠結合區灌溉面積和井灌面積 萬hm2

3 結 論

本文僅由井點礦化度數據確定的礦化度分區結合河套灌區水文地質條件、水平與垂直咸淡水分帶規律對咸淡水分布圖進行了校核修正；采用修正的咸淡水分布圖和鉆孔礦化度資料對僅由井點礦化度數據確定的可開采利用區進行了校正；最終確定了地下水礦化度小于3g/L、小于2.5g/L和小于2g/L等3種不同灌溉標準下的井渠結合區分布及灌溉面積。主要結論如下：

(1)將可開采利用區的礦化度上限設為3、2.5和2 g/L，得到井渠結合的控制面積分別為58、41和31萬hm2。

(2)根據各灌域的土地利用系數，3種地下水礦化度限制條件下，灌區內可實施井渠結合膜下滴灌的灌溉面積分別為為33、23和17萬hm2。若取井渠結合比為1∶3，則井灌區面積分別為8、5和4萬hm2。

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致謝：在資料收集過程中得到內蒙古農業大學屈忠義教授的幫助。

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