某灌區(qū)地下水變化規(guī)律研究

邵麗盼·卡爾江

(新疆維吾爾自治區(qū)水利廳灌溉排水發(fā)展中心，新疆 烏魯木齊 830000)

新疆位于我國(guó)內(nèi)陸，屬干旱缺水地區(qū)，因此提倡更靈活的水資源分配政策十分重要，本文以新疆某灌區(qū)為研究區(qū)分析地下水位的時(shí)空變化及其影響因素，建立適用于研究區(qū)的地下水平衡模型。

1 研究區(qū)概況

老大河灌區(qū)是阿克蘇河流域的一級(jí)大型灌區(qū)，某灌區(qū)位于新疆阿克蘇，屬于老大河灌區(qū)阿瓦提縣分灌區(qū)，是阿克蘇流域的一級(jí)大型灌區(qū)，灌溉總面積設(shè)計(jì)灌溉面積3.6萬(wàn) hm2，設(shè)計(jì)引水能力30 m3/s，全年供水1.4億 m3[1-5]。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源

水利部門(mén)對(duì)灌區(qū)進(jìn)行了地下水調(diào)查。目前已對(duì)80個(gè)觀察井進(jìn)行監(jiān)控，每5天手動(dòng)觀測(cè)一次。除2002年和2010年外，其他數(shù)據(jù)均為2000年至今。水質(zhì)監(jiān)測(cè)是指對(duì)鉀離子、氮離子、碳離子、錳離子、碳離子、硫離子、氧離子和總?cè)芙夤腆w濃度的觀測(cè)。在2005年至2018年期間，每?jī)蓚€(gè)月對(duì)26個(gè)觀測(cè)井收集的地下水樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

3 地下水平衡模型

研究區(qū)的地下水平衡方程如下[10-12]：

ΔhSyA=(Cr+Ir+Pr+Mr+Rr)-(Eg+We+Dg)

(1)

式中：Δh為單位時(shí)間內(nèi)地下水位深度的變化，LT-1；Sy為比產(chǎn)量(無(wú)量綱)；A為研究區(qū)面積；Cr為渠道滲水的補(bǔ)給量；Ir為滲漏引起的田間灌溉補(bǔ)給量；Pr為降雨補(bǔ)給量；Mr為來(lái)自凍土層的融化水補(bǔ)給量；Rr為往返灌區(qū)的橫向流量；Eg為地下水蒸發(fā)量；We為地下水側(cè)向流入量；Dg為通過(guò)排水溝的排放量。

渠道滲水補(bǔ)給量Cr為：

Cr=bQcd

(2)

式中：b為滲透率；Qcd流入渠道的總灌溉水量。

降雨提供的水量補(bǔ)給率為：

Pr=dPA

(3)

式中：d為水量交換系數(shù)；P為5 mm以上降雨事件的降水量(假定小降水量事件不會(huì)導(dǎo)致滲漏)

田間灌溉水滲漏產(chǎn)生的補(bǔ)給量Ir為：

(4)

式中：a為水量輸送比，ci代表在灌溉i期間滲入地下水的灌溉水比例，i=1代表作物生長(zhǎng)季節(jié)，i=2代表秋季灌溉時(shí)期。融水的補(bǔ)給主要發(fā)生在4月。

Eg值采用0.5 m、1.0 m、1.5m、1.8 m、2.1 m、2.5 m、3.0 m七個(gè)地下水深度進(jìn)行估算，其計(jì)算公式如下：

(5)

式中：j=1為沙質(zhì)壤土；j=2為粉質(zhì)粘土；m=1代表耕作土壤；m=2代表裸耕或非耕作土壤；Cmj為地下水蒸發(fā)因子，具體取決于地下水位、土壤類(lèi)型和植被；Ew為水分蒸發(fā)率，根據(jù)20 cm蒸發(fā)皿估計(jì)；xj為土壤類(lèi)型為j的面積所占百分比，即蒸發(fā)面積，不包括居住用地、道路、渠道和排水溝的面積。Cmj采用下式計(jì)算：

(6)

式中：H為地下水深度；emj、fmj、gmj、hmj為與土壤類(lèi)型和用途有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，其取決于植被生長(zhǎng)時(shí)期。土壤調(diào)查數(shù)據(jù)表明，研究區(qū)66%～68%的地區(qū)為壤土，而32%～34%的地區(qū)為粉質(zhì)粘土。

本文采用2011-2013年非凍結(jié)期(4-10月)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型校準(zhǔn)，采用2014-2016年的數(shù)據(jù)集進(jìn)行驗(yàn)證。并采用納什效率系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)偏差評(píng)估模型預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)果分析

4.1 地下水動(dòng)態(tài)變化分析

圖1給出了2011-2014年研究區(qū)月平均地下水位隨降水和灌溉水量的變化。圖2給出了2000-2018年期間五天滑動(dòng)平均地下水位變化，可以看出：從3月下旬-5月底的第一個(gè)時(shí)期P1為內(nèi)河解凍期。土壤在該時(shí)期開(kāi)始時(shí)為凍結(jié)狀態(tài)，地下水處于最低水位。直到五月初，土壤解凍后，其含水層正被上層土壤層流出的融水補(bǔ)給。此外，由于第一次灌溉是在4月底或5月初進(jìn)行，含水層隨后也受到滲流和滲透水的補(bǔ)充。在此期間，水面蒸發(fā)和植物根系的吸水量較小，地下水在此期間結(jié)束時(shí)達(dá)到峰值。地下水位深度從1.8～2.9 m上升到0.5～2.0 m，其平均水深從2.1 m上升到0.9 m。在第二個(gè)時(shí)期P2，即5月到9月，對(duì)應(yīng)于作物的生長(zhǎng)季，該時(shí)期水面蒸發(fā)量較大，導(dǎo)致毛細(xì)管高度上升，地下水通過(guò)蒸發(fā)和作物根系吸收排出。由于流出量超過(guò)流入量(灌溉和降雨導(dǎo)致的補(bǔ)給量)，因此地下水出現(xiàn)了下降。地下水平均埋深從0.9 m增加到1.5 m。第三個(gè)時(shí)期P3是從10月初-11月初，該時(shí)期為所有農(nóng)作物收貨期，該時(shí)期采用秋季洪水灌溉以瀝濾鹽分，通過(guò)土壤上層發(fā)生的凍結(jié)-融化過(guò)程改善土壤結(jié)構(gòu)，并為隨后的春季作物生長(zhǎng)提供適當(dāng)?shù)耐寥浪?。用于秋季灌溉的水量占總灌溉量?0%～35%，因此產(chǎn)生了大量的滲漏，該時(shí)期蒸發(fā)量較低。地下水迅速上升到今年的最高水平。在大多數(shù)地區(qū)，由于渠道系統(tǒng)的滲漏和灌溉田地的滲漏，其深度接近地表時(shí)小于0.8 m。在此期間，地下水位從平均深度1.5～0.5 m開(kāi)始上升。第四個(gè)時(shí)期P4即11月初至3月中旬，相當(dāng)于土壤凍結(jié)期。隨著溫度的降低，凍結(jié)層的厚度逐漸增加，地下水水深減少，地下水位平均深度從0.5 m降至2.1 m。在土壤中的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究觀測(cè)表明，地下水的減少速率與凍結(jié)層的增加速率有關(guān)。2005年6月和2016年 9月的地下水空間分布結(jié)果表明：無(wú)論是年還是月，空間結(jié)構(gòu)都表現(xiàn)出相似性。地下水流動(dòng)模式顯示出從南到北的主要流動(dòng)方向，分別幾乎垂直于和沿著南部和北部的主排水溝。地下水的水力梯度約為0.02%～0.03%，與地表的平均坡度大致相同。

圖1 2011-2014年研究區(qū)地下水位隨月降雨量和灌溉水深的變化

圖2 2000-2018年不同時(shí)期研究區(qū)5天平均地下水位的變化

2000-2018年年平均地下水深變化見(jiàn)圖3。可以看出：年平均地下水出現(xiàn)了波動(dòng)變化，沒(méi)有顯示出減少或增加的趨勢(shì)。2014年以后，其略有下降的趨勢(shì)，這可能與降水和灌溉的總投入減少有關(guān)，可能是由于灌溉水分配減少導(dǎo)致的。灌溉水和降水量與地下水的相關(guān)性分析表明：年平均地下水深隨灌溉水和降水的年總量呈線性變化，其決定系數(shù)R2為0.62，表明地下水的部分變化是由灌溉和降水(主要是灌溉)的變化造成的。說(shuō)明灌溉水是地下水補(bǔ)給的主要來(lái)源。

圖3 2000-2018年期間年平均地下水位隨年降雨量及灌水量的變化

4.2 模型校準(zhǔn)和驗(yàn)證

采用地下水平衡模型計(jì)算了2011-2013年期間月平均地下水深度，其于觀測(cè)值一致性較好。其線性回歸產(chǎn)生了接近1.0的回歸斜率，確定系數(shù)較高，R2為0.89，表明本文建立的地下水平衡模型在校準(zhǔn)期的模擬經(jīng)度較高。本文采用2014-2016年非凍結(jié)期的月地下水?dāng)?shù)據(jù)對(duì)模型的驗(yàn)證。其平均的RE、NSE和SEE值分別為8.6%、0.92和0.12 m，略低于觀測(cè)值。觀測(cè)值與模擬值的線性回歸也產(chǎn)生了接近1.0的斜率，并且確定系數(shù)高，R2=0.85。實(shí)測(cè)地下水位深度和模擬地下水位深度之間的總體一致性表明，校準(zhǔn)參數(shù)得到了充分估計(jì)，該模型可用作進(jìn)一步探索研究區(qū)地下水管理問(wèn)題的工具。

5 結(jié)語(yǔ)

灌區(qū)地下水位的時(shí)空變化表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性變化；在灌溉期間，地下水主要受灌溉水補(bǔ)給和地下水蒸發(fā)(由于毛細(xì)上升，植被根系吸收水分直接蒸發(fā))的影響。蒸發(fā)是地下水在冰凍期降低的主要原因。在非凍結(jié)期，渠道滲漏和田間滲漏分別占地下水總補(bǔ)給量的51%和46%，占年地下水總補(bǔ)給量的48%和44%。地下水蒸發(fā)量占年總排放量的82%。過(guò)度的灌溉用水導(dǎo)致地下水位升高，在作物生長(zhǎng)季節(jié)平均深度為1～1.45 m。