民勤縣綠洲地下水礦化度變化特征

劉德誠，邱進雄，楊曉寶

(1.甘肅省民勤縣麟權生態種業有限公司，甘肅 民勤 733300;2.甘肅民勤連古城國家級自然保護區管理局，甘肅 民勤 733300)

1 引言

石羊河是河西走廊三大內陸河之一，水資源主要來源于祁連山區降水和冰雪消融水，對維持該區域生態系統平衡、社會經濟可持續發展具有重要意義[1]。民勤縣地處石羊河下游，伴隨著人口增加、耕地面積擴張、防風固沙林大量營造，引發水資源被大量、重復利用，加之降水稀少、地表來水量減少，使得開發并超采地下水資源成為必然，從而引起了一系列的生態環境問題[2]：如地下水埋深增加、礦化度升高和水質惡化、植被衰退和耕地撂荒等，已經嚴重影響到當地和周邊地區的生態安全，引起了黨中央、國務院和省、市各級政府，以及專家學者、社會各界的高度關注。從2001開始，該區域先后實施了關井壓田、生態輸水、種植業結構調整等一系列的工程措施，使得該區域生態環境逐步得到改善。

2 研究區概況

民勤縣三面被騰格里和巴丹吉林兩大沙漠包圍，年均降雨量少、分配不均、蒸發量大，風大沙多，屬于典型的大陸性荒漠氣候，境內由沙漠、低山丘陵和平原3種地貌組成[14]，地帶性土壤為風沙土、灰棕漠土、草甸土和草甸沼澤土，最主要耕作土壤為灌淤土[15]。研究區可分為環河區、壩區、昌寧區、泉山區和湖區，天然植被以白刺(Nitrariatangutorum)、檉柳(Tamarixramosissima)、紅砂(Reaumuriasoongirica)、鹽爪爪(Kalidiumfoliatum)、蘆葦(Phragmitesaustralis)、沙拐棗(Calligonummongolicum)等灌木和草本植物為主，人工植被以梭梭(Haloxylonammodendron)、檸條(Caraganaintermediaintermedia)為主。種植農作物主要有小麥、玉米、葵花、瓜類、棉花、茴香等。

3 研究方法

研究區1998～2013年地下水礦化度數據來自于民勤縣水務局，地下水礦化度數據統計及單因素方差分析在Spss18.0中進行，文中圖在Excel中完成。

4 結果與分析

4.1 地下水礦化度年變化特征

地下水礦化度在1998～2013年間變化規律如圖1所示。在空間上，地下水礦化度全年均值排序為湖區>泉山區>昌寧區>壩區>環河區；在時間序列上，無論是全區還是各個分區，地下水礦化度變化規律均為先增加后降低，但地下水礦化度達到最大值年份不一致，其中環河區地下水礦化度最大值出現在2005年，其余各區均出現在2012年。

圖1 地下水礦化度年際變化規律

4.2 地下水礦化度季節變化特征

4.2.1 地下水礦化度春季變化特征

地下水礦化度在1998～2013年間春季變化規律如圖2所示。在空間上，地下水礦化度以湖區最大，環河區最小，排序為湖區>泉山區>昌寧區>壩區>環河區；在時間序列上，整體呈現先升高后降低的趨勢，各個區出現峰值的年份各異，其中湖區、泉山區、昌寧區和壩區地下水礦化度在2012年為轉折點，環河區地下水礦化度在2006年出現拐點。

圖2 地下水礦化度春季變化特征

4.2.2 地下水礦化度秋季變化特征

地下水礦化度在1998～2013年間秋季變化規律如圖3所示。湖區地下水礦化度繼續增加，其余各區地下水礦化度均先增加后降低，但各區出現拐點的年份不一致，其中壩區、環河、泉山和昌寧分別在2004年、2007年、2012年和2008年出現拐點。

圖3 地下水礦化度秋季變化特征

4.3 地下水礦化度年際變幅

為了便于說明生態工程治理措施對石羊河下游地下水礦化度恢復程度的影響，本文選取生態工程治理措施開始實施的下一年即2002年地下水礦化度年際變幅來進行描述，從圖4 可以看出，無論是全區還是各個分區，全年地下水礦化度年際變幅均降低，其中昌寧區地下水礦化度年際變幅下降趨勢最大為每年0.0346，其次為泉山區和壩區，最小為湖區，其中全區、泉山區和壩區地下水礦化度年際變幅下降趨勢顯著(P<0.05)。

春秋季節地下水礦化度年際變幅統計分析如表1所示，地下水礦化度春季年際變幅均值最大為湖區0.0081，最小為全區為-0.0004，春季礦化度年際變幅的趨勢值均為負值，表明全區及各個分區礦化度年際變幅呈下降趨勢，其中泉山區礦化度年際變幅下降趨勢明顯；地下水礦化度秋季年際變幅均值最大為湖區0.0289，其次為全區0.0104，最小為壩區-0.0059，秋季礦化度年際變幅的趨勢值除湖區外其余均為負值，表明除湖區地下水礦化度年際變幅增加外，其余各區礦化度年際變幅比均呈下降趨勢，其中全區和昌寧區礦化度年際變幅下降趨勢明顯。

圖4 地下水礦化度年際變幅

表1 春秋季地下水礦化度年際變幅

4.4 地下水礦化度方差分析

地下水礦化度方差分析如表2所示。治理前，湖區和環河區全年地下水礦化度與其余各區差異性顯著(P<0.05)，其中以泉山區地下水礦化度變異系數最小，湖區地下水礦化度變異系數最大；治理后，湖區、壩區和環河區全年地下水礦化度與其余各區存在顯著性差異(P<0.05)，其中昌寧區地下水礦化度變異系數最大，全區地下水礦化度變異系數最小，全年地下水礦化度除湖區在治理前后差異性顯著(P<0.05)外，其余均不存在顯著性差異，但從表中可以看出治理后地下水礦化度變異系數均增加。治理前的春季地下水礦化度，湖區地下水礦化度與其余各區差異顯著(P<0.05)，環河區地下水礦化度與壩區、昌寧區和全區差異顯著(P<0.05)，地下水礦化度變異系數湖區最大，泉山區最小；治理后，湖區和環河區的地下水礦化度與其余各區差異顯著(P<0.05)，地下水礦化度變異性以昌寧區最大，泉山區最小，對比分析發現治理后各區地下水礦化度變異性均增加。秋季地下水礦化度在治理前和治理后，湖區地下水礦化度均與其余各區差異顯著(P<0.05)，治理后地下水礦化度變異系數變大。

表2 地下水礦化度方差分析

5 結論與討論

在空間上，地下水礦化度全年平均值變化規律與距離水源補給區的距離有很大關系，距離水源補給區越遠地下水礦化度越高、越近地下水礦化度越低，表現為湖區>泉山區>昌寧區>壩區>環河區。這種變化規律與仲生年[5]、劉文杰[8]和席海洋[16]對民勤綠洲壩區、民勤全區以及額濟納綠洲地下水礦化度的研究結果相一致。一方面是由于民勤和額濟納降水稀少，蒸發量極大，礦化度高，另一方面民勤地區礦化度的變化特征與地質構造[17]以及地下水礦化度基數有很大的關系。研究表明，民勤地形封閉，該區域降雨量從南到北[18](離水源補給區距離從南到北增大)逐漸變小，地勢由南向北逐漸降低，導致地下水的水平運動為從南到北，致使鹽分的積累量也表現為從南到北增加，即民勤地下水礦化度的基數表現為從南到北變大。地下水礦化度變化還與地下水位及含水層的性質有很大關系，最近幾年連續大量的水直接作用于湖區青土湖，使得湖區地下水位得到回升[19]，在治理前后的地下水礦化度差異顯著，但礦化度依然很大，這是因為湖區形成于氣候干燥的第四世紀冰期末期[20]，湖泊面積日益萎縮，再加上強烈蒸發濃縮作用，導致湖區形成大量鹽分，從而形成了高礦化度的地下水層。在泉山區、壩區和昌寧區，開展農業活動早，以咸水和苦咸水灌溉為主，加之上游來水量減少，開采地下水成為必然，目前在該區域已經形成了大面積的漏斗[6,21]，致使地下水流運動由水平轉化為三維，加劇了地下水側滲補給[21]，從而增加了鹽分的來源，導致地下水礦化度升高。通過對比治理前后地下水礦化度的變異系數可知，治理后地下水礦化度變異系數增大，表明研究區地下水礦化空間變異性增強，這是由于與長期人為強烈的負面干擾和自然地理條件下形成的地下水礦化度相比，目前所采取的短歷時人工正面干擾在一定程度上來說類似于點源正面干擾，即絕大多數只在農田進行灌溉補給地下水或關井壓田，有些在經濟利益的驅使下只是退耕解決水源困難或種植農作物生長不良的區域。在時間序列上，研究區地下水礦化度基本上呈現先增加后降低的趨勢但出現峰值的年份卻不同，這一方面與各個分區在不同年份的土地利用類型[7,9]有很大關系，耕地面積占比越大，對水資源的需求量就越多，地下水礦化度越高；另一方面和各分區在不同年份的植被類型有關，不同的植被類型其根系吸收和利用水、養分的能力也不同，從而導致地下水含鹽量及礦質離子產生較大差異。

研究區地下水礦化度的季節變化規律與地下水季節性開采量和利用效率[22]有很大關系。民勤地區地下水的開采主要應用在農作物灌溉方面，在灌溉條件下，補給地下水的最主要因素就是農田灌溉水，消耗地下水的方式有地下水出流以及土壤和植物的葉面蒸發，所以在灌區地下水礦化度的變化取決于補給地下水和消耗地下水的消長關系[23]。雖然近些年來采取了一系列的生態工程治理措施，地下水礦化度依然整體表現為升高趨勢，但地下水礦化度的增加幅度在降低，說明目前的治理措施可以有效地緩解地下水礦化度增加幅度的升高，但要從根本上遏制地下水礦化度的升高，需要進一步加大力度實施目前的工程治理措施。