內蒙古河套灌區某灌域地下水埋深時空變化特征研究

李昕陽，趙 晶，李洪濤

(1.華北水利水電大學 水利學院，河南 鄭州 450046；2.新鄉市水利科技推廣中心，河南 新鄉 453000)

地下水是世界上最主要的可用淡水資源，在各國的供水量中所占比例較大。區域地下水的動態變化反映當地地下水資源的相關信息[1]，分析研究地下水動態要素變化有助于了解地下水資源的演變過程。關于地下水埋深的時空變化特征，20世紀70年代已引起國外學者的廣泛關注[2]，近年來隨著信息技術的飛速發展，地下水動態要素的時空變化特征研究方法不斷更新發展，出現如統計分析方法、時序分析法、分型方法、頻譜分析法、地質統計學法、數值模擬[3- 4]、隨機模擬方法以及近年的各種插值法等[5- 7]研究方法。

孫月等[8]、王小克等[9]采用基于GIS技術的反距離加權平均空間插值方法分析石羊河流域、敦煌盆地東湖地下水埋深空間變化分析，許月卿等[10]利用GIS 技術和克里金插值法分析河北平原近25年的地下水動態變化。李新波等[11]利用SPSS10.0軟件統計地下水埋深，選用球狀和指數模型分析地下水埋深時空變異特征。席海洋等[12]結合地質統計學方法分析額濟納盆地地下位變化。關于地下水埋深變化的歸因分析，鮑艷等[13]利用模擬檢驗方法分析了西北干旱地區地下水埋深下降受區域氣候變影響。桂云鵬等[14]認為大黑河平原區地下水位變化主要受降水入滲補給、地下水開采以及潛在蒸發的影響，三者貢獻率之和超過90%。萬思成等[15]認為地下水埋深變化與降水量和地下水資源超采量密切相關，王默涵等[16]認為區域高程、土地利用類型與植被種類、地下水資源取用水對地下水埋深影響程度較大。不同區域地下水埋深變化的影響因素各異，河套灌區近30年地下水埋深整體呈增加趨勢，地下水埋深的影響因素有待于進一步深入研究。

河套灌區位于內蒙古自治區西部的巴彥淖爾市，是我國最大灌區之一，也是我國重要的商品糧、油生產基地。烏蘭布和灌域作為河套灌區五大灌域之一，承擔著灌域內部分耕地的灌排任務。灌域地下水埋深影響作物根系土壤水分和鹽分運移，進而影響作物生長發育。近年來引黃水量減少，灌域水資源與經濟社會發展的自然結構不協調，灌域內地下水出現了分布不均勻、開采嚴重等一系列的問題。烏蘭布和灌域地下水埋深時空變化特征與歸因亟需進一步深入分析。本文基于烏蘭布和灌域18 眼觀測井1990—2018年逐月地下水埋深觀測資料，采用Mann-Kendal 趨勢檢驗法，并借助 Arc Gis10.2等軟件，研究灌域地下水埋深時空演變規律，采用相關分析法分析引黃水量、降雨量與蒸發量變化對地下水埋深的影響，可為灌域地下水開發利用與管理提供基礎支撐。

1 研究方法與數據來源

1.1 Manner-Kendall(M-K)趨勢分析法

假設時間序列X有n個樣本容量(x1，…，xn)，對于所有時間樣本1

(1)

式中，xj—時間序列X的第j個數據值；n—數據樣本的長度；sgn—符號函數。

1.2 相關分析法

針對于兩種不同事物X與Y，假設它們的樣本值分別為Xi與Yi(i=1，2，…，n)，則二者之間的相關系數計算公式為：

(2)

式中，RXY—X與Y兩種事物之間的相關系數，它表示了兩種事物之間的相關程度。RXY的絕對值越大，表示X與Y兩種事物之間的相關性越強。因此RXY的絕對值越接近1，相關呈度就越強；RXY越接近 0，反之相關度就越弱。

1.3 Penman-Monteith公式

采用Penman-Monteith公式[17]計算潛在蒸散量：

(3)

式中，ET0—潛在蒸散量，mm/d；Rn—作物表面凈輻射量，MJ/(m2·d)；G—土壤熱通量，MJ/(m2·d)；Δ—飽和水氣壓與氣溫關系曲線的斜率，kPa/℃；γ—濕度計常數，kPa/℃；Tmean—空氣平均氣溫，℃；U2—在地面以上2m高處的風速，m/s；es—空氣飽和水氣壓，kPa；ea—實際飽和水氣壓，kPa。

1.4 數據來源

本文選用18眼地下水觀測井，信息和所處位置分布如圖1所示。18眼地下水觀測井均處于磴口縣境內，海拔高度介于1030～2046m之間，地勢走向呈東南高、西北低。地下水數據來源內蒙古河套灌區管理局。氣象數據為烏蘭布和灌域內磴口縣氣象站點的逐日氣溫、平均相對濕度、平均風速、日照時數氣象資料(1990年1月1日—2018年12月31日)，數據來源于國家氣象信息中心。

圖1 研究區地下水觀測井位置分布圖

2 結果與分析

2.1 時間變化特征

烏蘭布和灌域1990—2018年地下水埋深變化如圖2所示，年地下水埋深序列的統計值Z為0.86，表明近30年來烏蘭布和灌域地下水埋深呈增加趨勢，線性趨勢率為0.076m/10a。1990—1995年間地下水埋深呈減少趨勢，平均每年減少0.05m。1996—2005年呈持續增長趨勢，平均每年增加0.09m。2008—2018年呈波動式變化。烏蘭布和灌域多年平均地下水埋深1.79m，最大埋深為2.01m(2005年)，最小年均埋深為1.50m(1995年)。

內蒙古河套灌區地下水埋深變化呈現出明顯的季節性和周期性。季節性是由于河套灌區地下水受到氣溫、降雨、蒸發等氣象條件的影響；周期性是由于河套灌區每年從黃河引水灌溉，影響地下水埋深變化。由圖3中可以看出，河套灌區地下水理深變化呈W型，在2、3、9月份，地下水埋深會下降到低谷；在5、6、11月份，地下水埋深會上升到峰值。河套灌區地下水埋深年內變化可分為以下5個階段: ①融凍階段，時間從3月中旬到5月中旬。隨氣溫回升，土壤開始解凍，融凍水逐漸回補地下水，地下水位開始回升。②夏灌階段，時間從5月中旬到7月中旬。因引黃水量大，渠道滲漏水量增多補給地下水，另一方農田灌溉水入滲到土壤層到達潛水位，造成地下水水位升幅較大。③秋灌階段，時間從7月中旬到9月中旬，降雨主要集中在這個階段，灌溉引黃水量增大，地下水埋深受到降雨和秋灌的雙重影響呈減少趨勢。④秋澆階段，時間從9月下旬到11月中旬，為壓鹽和蓄墑，河套灌區秋澆階段也會引用大量黃河水。大量的水在短時間漫灌到田間造成地下水埋深迅速增加，達到了全年最高水位。⑤封凍階段，時間從11月中旬到3月中旬，土壤開始逐步凍結，地下水埋深隨著冰凍層的逐漸加厚而逐漸減少。土壤蒸發由于氣溫降低而降至最小量，多種因素綜合作用使3月份出現全年最低水位。

圖2 地下水埋深年際變化

圖3 多年平均地下水埋深年內變化

2.2 空間變化特征

本文繪制研究區多年平均地下水埋深等值線圖如圖4(a)所示。利用MK趨勢檢驗法計算了灌域內各觀測井點多地下水埋深序列的統計值Z，其等值線圖如圖4(b)所示。地下水埋深變化呈從東南向西北先增后減趨勢。大致以那林套海農場—太陽廟農場為分界處，呈現東西低中部高的分布規律，中部那林套海農場(巴5- 1)地區為水位埋深高值區，多年平均地下水埋深等值線均介于2.3～3.3m之間；以隆盛合鎮(巴6- 2、巴8- 1)、渡口鎮(巴13- 1、巴24- 1)地區為埋深低值中心向周圍擴散為埋深低值區，此區域地下水埋深值較低，多年平均地下水埋深等值線均在1.1～1.7m之間。多年平均地下水埋深值在東部地區分布較為復雜，等值線較為密集且變化較大；而西部地區則相反，多年平均地下水埋深等值線稀疏，即地下水埋深在空間分布上變化并不明顯。

地下水埋深值的變化趨勢呈由東向西逐漸遞增趨勢。大致以中部那林套海農場(巴5- 1)地區以北、北部隆盛合鎮(巴8- 1)地區以南為分界線，將灌域分為三部分。第一分區以巴音毛道農場(巴4- 1)為中心，地下水埋深MK統計值Z向四周擴散增加，該分區地下水埋深MK統計Z值均為負值，絕對值介于2.3～4.9之間，絕大部分通過α=0.001顯著性性水平檢驗，該區地下水埋深下降趨勢明顯；從中部那林套海農場(巴5- 1)地區至巴彥套海農場(巴11)地區為第二分區，該分區Z值等值線在- 1.5～-0.7之間，大部分通過了α=0.1顯著性水平檢驗，該區地下水埋深下降趨勢較明顯；第三分區Z值等值線在-0.5～0. 3之間，部分地區地下水埋深呈增加趨勢。

圖4 多年均地下水埋深與 MK 變化趨勢空間分布

2.3 影響因素分析

本文基于灌區氣象數據應用Penman-Monteith公式計算了磴口站的ET0，如圖5(c)所示，ET0整體呈先升后降趨勢，與地下水量埋深呈弱相關，見表1。引黃水量整體呈下降趨勢與地下水量埋深呈中等負相關，如圖5(a)所示。降雨量整體呈上升趨勢與地下水量埋深不相關，如圖5(b)所示。地下水開采量呈上升趨勢與地下水量埋深呈弱相關，如圖5(d)所示。

圖5 地下水埋深與引黃水量、降雨量、潛在蒸散發量與地下水開采量的變化趨勢

地下水埋深與引黃水量、降雨量、潛在蒸散發量與地下水開采量的相關系數見表1，地下水埋深與引黃水量相關系數最大，為-0.380，其次是與潛在蒸散發量的相關系數，為0.265，第三為地下水開采量與潛在蒸散發量的相關系數，為0.229。這主要是由于內蒙古河套地區地處我國干旱的西北高原，降雨量少、蒸發量大，當地水資源匱乏，其生產生活用水主要依賴于過境黃河水。屬于沒有引水灌溉便沒有農業的地區，故引黃水量對地下水埋深影響明顯，相關系數大。河套地區的水分輸出中蒸散發占80%左右[18]，故潛在蒸散發對地下水埋深影響較明顯，相關系數較大。地下水開發利用直接引起地下水埋深變化，但烏蘭布和灌域地下水開采量小，對地下水埋深影響不大。而當地的降雨稀少，對地下水補給量很小，降雨變化對地下水埋深影響很小。

表1 地下水埋深與引黃水量、降雨量、潛在蒸散發量與地下水開采量的相關系數

3 結語

(1)烏蘭布和灌域內地下水埋深分布由東南向西北呈先增后減趨勢，大致以那林套海農場—太陽廟農場為分界處，呈現東西低中部高的分布規律。以隆盛合鎮(巴6- 2、巴8- 1)、渡口鎮(巴13- 1、巴24- 1)地區為埋深低值中心向周圍擴散為埋深低值區。西部地區多年平均地下水埋深等值線稀疏。地下水埋深值的變化趨勢呈由東向西逐漸遞增趨勢。

(2)近30年來烏蘭布和灌域地下水埋深呈上升趨勢，線性趨勢率為0.076m/10a。年內周期性與季節性變化明顯，地下水理深變化呈W型，在2、 3、9月地下水埋深會下降到低谷；春灌、秋澆等典型月份5、6、11月份，地下水埋深會上升到峰值。融凍階段地下水位回升，夏灌階段地下水水位升幅較大，秋灌階段地下水埋深受到降雨和秋灌的雙重影響呈減少趨勢，秋澆階段大量的水在短時間漫灌到田間造成地下水埋深迅速增加，達到了全年最高水位，封凍階段出現全年最低水位。

(3)引黃水量整體呈下降趨勢，與地下水量埋深呈中等負相關，相關系數為-0.380，ET0整體呈先升后降趨勢，與地下水量埋深呈弱相關，相關系數為0.265，地下水開采量呈上升趨勢，與地下水量埋深呈弱相關，相關系數為0.229，降雨量整體呈上升趨勢，與地下水量埋深不相關。