內(nèi)蒙古河套灌區(qū)地下水位埋深分布規(guī)律及其影響因素分析

蘇閱文，馮紹元，王 娟，徐 英

(揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009)

0 引 言

內(nèi)蒙古河套灌區(qū)位于我國(guó)西北內(nèi)陸，自產(chǎn)地表水資源很少，主要是依靠引黃河水。近年來(lái)，隨著水資源短缺問(wèn)題的加劇以及我國(guó)大型灌區(qū)節(jié)水改造工程的實(shí)施，河套灌區(qū)的允許引黃水量從52 億m3逐步縮減為40 億m3，由于河套灌區(qū)淺層地下水的補(bǔ)給主要來(lái)源于引黃灌溉的入滲，因此分析研究灌區(qū)地下水位的時(shí)空變化規(guī)律及其影響因素具有重要意義，可為當(dāng)?shù)氐叵滤_(kāi)發(fā)利用和水環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)我國(guó)北方平原灌區(qū)地下水已經(jīng)開(kāi)展了諸多研究。在地下水水位與水質(zhì)的變化規(guī)律方面的研究，道仁等對(duì)新疆玉龍喀什河流域地下水位進(jìn)行了半方差函數(shù)分析并運(yùn)用克里格法對(duì)其地下水位埋深進(jìn)行空間插值成圖，認(rèn)為玉龍喀什河流域地下水位埋深在時(shí)間和空間上均存在變異性[1]。杜軍等對(duì)河套灌區(qū)年內(nèi)地下水埋深與礦化度進(jìn)行了時(shí)空變化分析，并進(jìn)一步分析了兩者之間的變化關(guān)系，得出淺層地下水埋深與礦化度之間線(xiàn)性關(guān)系不明顯，但在特定地區(qū)地下水埋深能夠定性地反映出礦化度的分布規(guī)律[2]。Yong Xiao等基于ArcGIS地統(tǒng)計(jì)模塊和半變異函數(shù)模型分析了北京地區(qū)山前平原地下水位的時(shí)空變異，得出其與水文地質(zhì)單元和土地利用密切相關(guān)[3]。

許多學(xué)者從氣象因素和人為因素兩方面研究了引起灌區(qū)地下水位變化的影響因素。魏曉妹等通過(guò)水量均衡分析，認(rèn)為降水、灌溉、開(kāi)采是黃土原灌區(qū)地下水動(dòng)態(tài)的主要影響因素[4]。李和平等研究了新疆尉犁縣生態(tài)園區(qū)地下水動(dòng)態(tài)變化，認(rèn)為孔雀河對(duì)地下水的影響范圍一般為50～100 m內(nèi)的河灘地，而100 m以外的其他土地的地下水位則受灌溉滲漏水的影響[5]。許月卿等認(rèn)為降水和地表徑流的減少以及地下水的嚴(yán)重超采是引起河北平原地下水位下降的主要原因[6]。胡春勝等認(rèn)為導(dǎo)致太行山前平原地下水超采、地下水位下降的主要是由氣候干旱化、地表水徑流與地下水側(cè)滲補(bǔ)給下降和高耗水型作物比重過(guò)大造成的[7]。M. Shamsudduha等認(rèn)為在恒河雅魯藏布江梅克納河三角洲的淺層地下水水位具有很強(qiáng)的季節(jié)性變化特征，這與該區(qū)典型的季風(fēng)降水相關(guān)[8]。

地下水位的預(yù)測(cè)與模擬方法研究方面，趙宏亮等通過(guò)建立灤河沖洪積扇不同連續(xù)時(shí)段內(nèi)的平均降雨量累計(jì)值與地下水水位變幅的相關(guān)圖模型，對(duì)其淺層地下水埋深進(jìn)行了預(yù)測(cè)[9]。趙靜等利用灰色關(guān)聯(lián)度理論分析地下水變化的主要影響因素為降水、灌溉和開(kāi)采，并在此基礎(chǔ)上建立GM(1，1)模擬地下水動(dòng)態(tài)演變規(guī)律[10]。趙新宇等采用主成分分析法確定了青銅峽銀北灌區(qū)地下水位變化的主要影響因素是引水量、退水量和降水量，并用變速率的VLBP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了對(duì)灌區(qū)地下水位變化的模擬[11]。Vijai Singhal等基于MODFLOW-2000，運(yùn)用地下水模擬系統(tǒng)GMS和GIS數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)印度拉賈斯坦地區(qū)的巴利建立了地下水動(dòng)態(tài)模型，研究其地下水變化過(guò)程及其影響因素[12]。

目前，對(duì)河套灌區(qū)地下水位埋深的研究主要集中在：地下水位埋深時(shí)空變異規(guī)律[13-14]，節(jié)水改造后地下水位變化的預(yù)測(cè)及水環(huán)境的影響分析[15-18]，地下水臨界深度的確立[19,20]以及地下水位埋深對(duì)土壤水、鹽和作物生長(zhǎng)的影響[21,22]等方面。本文主要根據(jù)內(nèi)蒙古河套灌區(qū)220個(gè)觀測(cè)井1980-2013年地下水位觀測(cè)資料，運(yùn)用ArcGIS10.2的克里格(Kriging)插值等方法，研究河套灌區(qū)地下水位埋深隨時(shí)間的變化規(guī)律和平面分布特征，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)度分析法探討引起地下水位變化的主要影響因素，以期為當(dāng)?shù)氐叵滤Y源的合理開(kāi)發(fā)利用與科學(xué)管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古河套灌區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)西部的巴彥淖爾市，地理坐標(biāo)東經(jīng)106°20′-109°19′，北緯40°19′-41°18′，包括內(nèi)蒙古巴彥淖爾市的磴口縣、杭錦后旗、臨河區(qū)、五原縣和烏拉特前旗。灌區(qū)東西長(zhǎng)約250 km、南北寬約50 km，設(shè)計(jì)灌溉面積達(dá)73.3 萬(wàn)hm2，現(xiàn)灌溉面積為57.4 萬(wàn)hm2。河套灌區(qū)以三盛公攔河樞紐控制引水，由180 km的總干渠供水、220 km的總排干溝排水，以烏梁素海作為灌區(qū)的排水承泄區(qū)，通過(guò)13條干渠、10條干溝控制整個(gè)灌區(qū)的灌溉排水，形成一個(gè)帶狀有灌有排的一首制灌區(qū)。按行政區(qū)劃分為一干管理局、解放閘、永濟(jì)、義長(zhǎng)、烏拉特 5個(gè)灌域。

河套灌區(qū)屬于中溫帶大陸性氣候，降雨少而蒸發(fā)強(qiáng)烈。全年平均氣溫為3.7～7.6 ℃，年平均降雨量100～300 mm，多年平均蒸發(fā)量在2 100～2 300 mm之間，年平均風(fēng)速為2.5～3.3m/s，年平均無(wú)霜期160～180 d。每年的11月中下旬土壤開(kāi)始凍結(jié)，凍土層厚度約1.0～1.3 m，直到5月中旬凍層才全部融通，土壤凍結(jié)期歷時(shí)長(zhǎng)達(dá)180 d。河套灌區(qū)海拔1 007～1 050 m，坡度0.125‰～0.200‰，總的地勢(shì)自西南向東北微傾，地勢(shì)平坦開(kāi)闊，局部有一定的起伏，形成崗丘和洼地。

1.2 研究方法

(1)ArcGIS10.2與克里格(kriging)插值法。ArcGIS10.2是美國(guó)環(huán)境系統(tǒng)研究所(Environment System Research Institute, ESRI)推出的新一代GIS軟件。該軟件提供了多種空間分析工具，具有強(qiáng)大的空間插值和空間分析能力[23]。其中，克里格法(kriging)是地統(tǒng)計(jì)學(xué)的主要方法之一，從統(tǒng)計(jì)意義上說(shuō)，它從相關(guān)性及變異性出發(fā)，在有限區(qū)域內(nèi)對(duì)區(qū)域化變量的取值進(jìn)行無(wú)偏、最優(yōu)估計(jì)得一種方法；從插值角度講，它是對(duì)空間內(nèi)的數(shù)據(jù)求線(xiàn)性最優(yōu)、無(wú)偏內(nèi)插估計(jì)的一種方法[24]。

本文基于河套灌區(qū)220個(gè)觀測(cè)井1980-2013年地下水位觀測(cè)資料(圖1)，運(yùn)用ArcGIS10.2軟件，對(duì)豐水年(1992年)、平水年(1998年)和枯水年(2013年)灌區(qū)年平均地下水位高程及其相應(yīng)的地下水位埋深進(jìn)行克里格(kriging)插值，并繪制灌區(qū)地下水位等值線(xiàn)圖，從而分析河套灌區(qū)地下水位的平面分布特征。

圖1 河套灌區(qū)220個(gè)觀測(cè)井分布圖Fig.1 Distribution of 220 observation wells in Hetao Irrigation District

(2)灰色關(guān)聯(lián)度分析。作為灰色系統(tǒng)理論重要組成部分的灰色關(guān)聯(lián)度分析，它是基于系統(tǒng)各因素時(shí)間序列曲線(xiàn)間差異程度衡量其關(guān)聯(lián)度大小的方法[25-27]。

設(shè)系統(tǒng)行為數(shù)列：

xi=[xi(1),xi(2),…,xi(n)],i=0,1,2,…,m

式中：當(dāng)i=0時(shí)，xi為參考數(shù)列；當(dāng)i≠0時(shí)，xi為指標(biāo)數(shù)列。

①均值化法進(jìn)行無(wú)量綱的數(shù)據(jù)變化，得到新數(shù)列：

(1)

②參考數(shù)列與指標(biāo)數(shù)列求差數(shù)列。記:

Δ0,i(k)=|y0(k)-yi(k)|

i=1,2,…,m;k=1,2,…,n

(2)

③兩級(jí)最大差和最小差。

(3)

④r0,i(k)為xi對(duì)于x0在k時(shí)刻的關(guān)聯(lián)系數(shù)：

(4)

式中：ρ為分辨系數(shù)，且ρ∈[0,1],一般取ρ=0.5。

⑤r(x0,xi)為xi對(duì)于x0的關(guān)聯(lián)度。稱(chēng)：

(5)

2 結(jié)果與分析

2.1 代表年的選取

根據(jù)河套灌區(qū)1960-2014年磴口縣、杭錦后旗、臨河區(qū)、五原縣和烏拉特前旗5個(gè)測(cè)站實(shí)測(cè)降雨資料，用算術(shù)平均法求得河套灌區(qū)年平均降雨量，繪制降雨量P-Ⅲ頻率曲線(xiàn)，按實(shí)測(cè)降雨量接近于設(shè)計(jì)降雨量的原則選擇代表年：豐水年、平水年和枯水年，從而對(duì)河套灌區(qū)不同降水頻率條件下地下水埋深進(jìn)行時(shí)空分布規(guī)律分析。降雨經(jīng)驗(yàn)頻率曲線(xiàn)圖如圖2所示，不同水平年的選取如表1所示。

表1 代表年的選取

圖2 河套灌區(qū)降雨經(jīng)驗(yàn)頻率曲線(xiàn)圖Fig.2 The map of rainfall empirical frequency curve in Hetao Irrigation District

2.2 地下水位平面分布特征

本文選取豐水年(1992年)、平水年(1998年)和枯水年(2013年)，運(yùn)用ArcGIS10.2軟件，通過(guò)克里格(Kriging)插值法，繪制不同水文年河套灌區(qū)地下水位等值線(xiàn)圖，見(jiàn)圖3。

圖3 河套灌區(qū)不同水文年地下水位等值線(xiàn)圖Fig.3 Maps of groundwater level Contour in different years in Hetao Irrigation District

從圖3中可以看出：

(1)豐水年河套灌區(qū)地下水位埋深較小，變化幅度也較小，在0.6～2.3 m范圍內(nèi)。平水年地下水位埋深逐漸增大，變化幅度也增大，為0.7～2.5 m。枯水年灌區(qū)地下水位埋深達(dá)到最大值，變化幅度最大，為0.9～11.0 m。主要是由于豐水年降雨大，降雨入滲補(bǔ)給地下水較多，灌區(qū)1992年引水量為49.81 億m3，所以灌區(qū)地下水位較高，相應(yīng)地下水位埋深較小。而枯水年降雨量少，氣候干旱，降雨入滲補(bǔ)給量較小，而地下水通過(guò)潛水蒸發(fā)和開(kāi)采等形式排泄與消耗，同時(shí)灌區(qū)2013年引水量減少，為47.60 億m3，所以灌區(qū)地下水位埋深較大。

(2)總體上，河套灌區(qū)中部地區(qū)地下水位埋深較淺，主要是因?yàn)楣嘤虻叵滤_(kāi)采量較小。地下水位埋深較大的區(qū)域主要集中于臨河、杭錦后旗和五原城鎮(zhèn)地區(qū)，城鎮(zhèn)生活用水、公共設(shè)施用水等基本取用地下水，地下水耗水量較大，導(dǎo)致地下水位埋深較大。

(3)河套灌區(qū)潛水由西南向東北流動(dòng)，與地勢(shì)起伏相一致。

(4)位于河套灌區(qū)西南地區(qū)的一干灌域地下水流速較大，而位于中部和東部地區(qū)的其他四個(gè)灌域地下水流速較小。

(5)烏拉特灌域東北區(qū)域出現(xiàn)地下水漏斗現(xiàn)象。

2.3 地下水位埋深年內(nèi)變化

根據(jù)河套灌區(qū)1980-2013年220個(gè)觀測(cè)井的地下水位動(dòng)態(tài)觀測(cè)資料，選取具有長(zhǎng)系列地下水位觀測(cè)資料的43號(hào)井作為解放閘灌域的代表站，2013年為代表年，進(jìn)行地下水埋深的年內(nèi)變化分析，如圖4所示。

圖4 2013年解放閘灌域(43號(hào)井)地下水位埋深年內(nèi)變化圖Fig.4 The change of groundwater depth in 2013 in jiefangzha irrigation area

從圖4可以看出，年內(nèi)地下水位變化大致可分為5個(gè)階段：

融凍階段(3-4月)：3、4月份無(wú)降水和灌溉入滲補(bǔ)給，在前期凍結(jié)影響下為全年最低水位期。3月后，氣溫回升，土壤開(kāi)始解凍，凍層以下融凍水回補(bǔ)地下水使得水位回升，凍層融通前，水位上升緩慢，相應(yīng)的水位埋深逐漸變小。

夏灌階段(5-7月)：5月上(中)旬夏灌開(kāi)始，第一次水量大，水位上升也較多。與此同時(shí)，蒸散發(fā)作用增加，水位有所下降。總體表現(xiàn)為水位上升，地下水位埋深繼續(xù)減小。

秋灌階段(7-9月)：秋灌期水位變幅受降水和秋灌水共同影響，同時(shí)在蒸發(fā)和作物蒸騰作用下，水位有所下降，一般降至非凍結(jié)期的最低水位，相應(yīng)的水位埋深達(dá)到最大。

秋澆階段(9-11月)：秋澆主要是為了壓鹽和保墑，灌水量大，一般占全年總灌溉用水量的1/3 ，灌溉時(shí)間短，約為40 d左右，因此這一階段地下水位急劇上升，秋澆結(jié)束后出現(xiàn)全年最高水位，某些地區(qū)地下水位接近地表，甚至出現(xiàn)漫灌現(xiàn)象。

封凍階段(12-1月)：隨著凍層的逐漸加厚，地下水位埋深隨之增加，由于氣溫低，土壤蒸發(fā)降至最小限度，至3月份出現(xiàn)全年最大水位埋深。

因此，河套灌區(qū)地下水位變化受降水、蒸發(fā)、凍融等氣象因素和灌溉作用的影響，表現(xiàn)為季節(jié)性變化。

2.4 地下水位埋深年際變化

仍然選取具有長(zhǎng)系列地下水位觀測(cè)資料的43號(hào)井作為解放閘灌域的代表站，進(jìn)行地下水位埋深的年際變化分析，如圖5所示。

由圖5可見(jiàn)，河套灌區(qū)地下水位埋深的年際變化有以下特點(diǎn)：

圖5 解放閘灌域地下水埋深年際變化圖Fig.5 The annual change of groundwater depth in jiefagnzha irrigation area

(1)盡管地下水位埋深多年月平均值變化較大，若將其進(jìn)行線(xiàn)性擬合(如圖5所示)，其多年月平均地下水位埋深隨著時(shí)間的變化率非常小，亦即年平均地下水位埋深基本不變，地下水資源量基本保持均衡狀態(tài)。通過(guò)進(jìn)一步分析計(jì)算：解放閘灌域的多年平均地下水位埋深變化較小，為1.50 m。最大月地下水位埋深為2.47 m，最小為0.42 m。

(2)年際變化總體特征，受引黃灌溉水影響表現(xiàn)為周期性變化。

2.5 地下水位影響因素

引起河套灌區(qū)地下水位埋深變化的主要影響因素有：降雨量、蒸發(fā)量和引黃水量。本文以解放閘灌域?yàn)榇韰^(qū)域，采用灰色關(guān)聯(lián)度分析法對(duì)研究區(qū)2013年月平均地下水位變化影響因素進(jìn)行分析，計(jì)算過(guò)程見(jiàn)表2～表4。

表2 地下水位埋深及主要影響因素觀測(cè)資料

表3 均值化法無(wú)量綱數(shù)據(jù)變化結(jié)果

表4 關(guān)聯(lián)系數(shù)及關(guān)聯(lián)度計(jì)算表

由表2～表4可以看出：2013年月平均地下水位變化各影響因素的灰色關(guān)聯(lián)度分別為：降雨量 0.679 7，蒸發(fā)量 0.809 4，引黃水量 0.703 2，因此研究區(qū)地下水位埋深的主要驅(qū)動(dòng)因子由大到小的排列順序?yàn)椋赫舭l(fā)量、引黃水量、降雨量，其中蒸發(fā)量對(duì)于地下水位變化的影響最大。

同時(shí)，本文仍采用上述灰色關(guān)聯(lián)度分析法對(duì)研究區(qū)1985-2013年年平均地下水位變化影響因素進(jìn)行分析，其結(jié)果見(jiàn)表5所示。

由表5可以看出：1985-2013年，多年平均地下水位變化影響因子由大到小排列順序?yàn)椋赫舭l(fā)量(0.805 1)>引黃水量(0.706 6)>降雨量(0.670 8)。對(duì)比表2-表4和表5可以看出，研究區(qū)地下水位年際變化與典型年內(nèi)變化的影響因素具有一致性，即地下水位的主要影響因素中蒸發(fā)量占主導(dǎo)作用，而降雨量對(duì)地下水位埋深變化的影響最小，表明降雨入滲補(bǔ)給地下水量較少。

表5 1985-2013年解放閘灌域地下水位影響因素灰色關(guān)聯(lián)分析計(jì)算表

此外，河套灌區(qū)位于我國(guó)西北內(nèi)陸，降水少而蒸發(fā)能力強(qiáng)，各地年蒸發(fā)量普遍大于年降水量，因此蒸發(fā)量的關(guān)聯(lián)度大于降水量，蒸發(fā)量的大小對(duì)地下水位的埋深影響較大。河套灌區(qū)一般從4月開(kāi)始引黃河水灌溉，到封凍季節(jié)12月無(wú)需灌溉引水，所以引黃水量集中在4-11月，相較于灌區(qū)全年都存在的蒸發(fā)量，引黃水量對(duì)地下水埋深的影響次于蒸發(fā)量。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)河套灌區(qū)地下水位變化受降水、蒸發(fā)、凍融等氣象因素和灌溉、開(kāi)采等人為因素的影響，年內(nèi)地下水位埋深表現(xiàn)為季節(jié)性變化，年際則表現(xiàn)為周期性變化。

(2)利用ArcGIS10.2的克里格(kriging)插值法繪制河套灌區(qū)不同水平年地下水位等值線(xiàn)圖，可以看出：河套灌區(qū)地下水位自西向東呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，一干灌域地下水流速較大，而中部地區(qū)和東部地區(qū)地下水流速較小。烏拉特灌域局部地區(qū)出現(xiàn)地下水過(guò)度開(kāi)采形成地下水漏斗現(xiàn)象。

(3)應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)度分析法探討引起河套灌區(qū)解放閘灌域地下水位埋深變化的主要影響因素，各影響因素的灰色關(guān)聯(lián)度分別為：降雨量 0.67，蒸發(fā)量 0.80，引黃水量 0.70，即主要驅(qū)動(dòng)因子排序?yàn)椋赫舭l(fā)量>引黃水量>降雨量。

(4)由于缺乏地下水開(kāi)采量的資料，對(duì)于地下水位變化的影響因素忽略了人為因素—地下水開(kāi)采，只對(duì)降雨量、蒸發(fā)量和引黃水量3個(gè)因素進(jìn)行了計(jì)算分析，需要進(jìn)一步的探討。

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