景泰川灌區(qū)地下水埋深變化與影響因素分析

宋增芳，程玉菲，王軍德

(甘肅省水利科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730000)

景泰川灌區(qū)自建成以來(lái)，由于每年從黃河大量提水灌溉，加之當(dāng)?shù)靥厥獾乃牡刭|(zhì)條件，灌區(qū)排水不暢，使得灌區(qū)局部地域地下水位呈明顯上升態(tài)勢(shì)，蘭煉農(nóng)場(chǎng)所在草窩灘等地出現(xiàn)了嚴(yán)重的土壤次生鹽堿化，水環(huán)境惡化的態(tài)勢(shì)非常明顯，農(nóng)田有效灌溉面積減少，嚴(yán)重地影響了灌區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[1- 4]；與此同時(shí)，由于灌溉回歸水的大量增加，且全部泄入黃河，一定程度上污染了黃河水水質(zhì)，給下游的用水戶(hù)造成了不利影響。水環(huán)境問(wèn)題已成為景泰川灌區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的主要瓶頸。本研究主要從時(shí)空變化特征及影響因素方面對(duì)景泰川灌區(qū)地下水觀測(cè)數(shù)據(jù)展開(kāi)分析，成果可探討灌區(qū)不同區(qū)域適宜的地下水位，從而為減少灌溉定額、降低黃河提水量、控制地下水位升高提供科學(xué)理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

景泰川灌區(qū)位于河西走廊東端，白銀市景泰縣及武威市古浪縣境內(nèi)。研究區(qū)DEM圖(Digital Elevation Mode數(shù)字高程模型地圖)如圖1所示。灌區(qū)總面積1496km2，有效灌溉面積97.67萬(wàn)畝[5- 6]。灌區(qū)氣候條件干燥，多年平均氣溫為8.3℃，降水量稀少，降水量年變幅在104.5～298.4mm之間，多年平均降水量184.8mm，多年平均蒸發(fā)量高達(dá)2289.9mm。灌區(qū)地勢(shì)呈西南東北走向，地形下坡連片平坦，坡度約1/100，上部坡度約1/30。灌區(qū)地下水以潛水含水層為主，含水層基巖以砂質(zhì)粘土、粘質(zhì)砂土為主，地下水補(bǔ)給條件差，補(bǔ)給量小，徑流條件差，廣大地區(qū)水位埋藏較深，不易開(kāi)采地下水[7- 9]。

圖1 研究區(qū)DEM圖

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

研究區(qū)地下水位觀測(cè)井見(jiàn)表1，如圖2所示。總計(jì)14口觀測(cè)井，其中長(zhǎng)序列觀測(cè)井8口，分別為一期總二支、紅柳泉、余家窯、一期西六支、石城村、南灘八隊(duì)、城關(guān)一隊(duì)和宋梁一隊(duì)；另外6口觀測(cè)井觀測(cè)時(shí)間從1980年至2000年前后，分別為蘭煉農(nóng)場(chǎng)、馬莊、喜集水車(chē)站、條山農(nóng)場(chǎng)、興泉車(chē)站、條山七支渠。觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)自于甘肅省水文水資源局，研究采用Mann-Kendall趨勢(shì)分析法分析了長(zhǎng)序列8口觀測(cè)井的地下水埋深年際變化特征[10- 17]，根據(jù)灌區(qū)14口觀測(cè)井多年地下水埋深月數(shù)據(jù)，分析了地下水埋深年內(nèi)月變化特征，采用Arcgis軟件及Kriging空間插值法對(duì)灌區(qū)14口觀測(cè)井地下水埋深空間變化進(jìn)行了分析[18- 27]。

表1 地下水位監(jiān)測(cè)井一覽表

圖2 研究區(qū)地下水監(jiān)測(cè)井位置圖

3 灌區(qū)地下水埋深的時(shí)空動(dòng)態(tài)演化特征

3.1 地下水埋深時(shí)間變化特征

研究選取灌區(qū)8口觀測(cè)井(一期總二支、紅柳泉、余家窯、一期西六支、石城村、南灘八隊(duì)、城關(guān)一隊(duì)、宋梁一隊(duì))1998—2011年觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行地下水埋深年際變化分析，見(jiàn)表2，如圖3—4所示。

表2 觀測(cè)井年地下水埋深Mann-Kendall檢驗(yàn)系數(shù)統(tǒng)計(jì)表

圖3 地下水埋深小于5m的年際變化

圖4 地下水埋深大于5m的年際變化

通過(guò)分析可知，灌區(qū)8口觀測(cè)井，其中紅柳泉、城關(guān)一隊(duì)、一期總二支、余家窯4口井地下水埋深小于5m；南灘八隊(duì)、宋梁一隊(duì)、一期西六支、石城村4口觀測(cè)井地下水埋深大于5m。

紅柳泉、城關(guān)一隊(duì)、一期總二支、南灘八隊(duì)、一期西六支、石城村6口觀測(cè)井年地下水埋深的檢驗(yàn)系數(shù)均小于0，表明這6口觀測(cè)井年地下水埋深變化趨勢(shì)為下降趨勢(shì)，余家窯和宋梁一隊(duì)2口觀測(cè)井的年地下水埋深檢驗(yàn)系數(shù)均大于0，表明這2口觀測(cè)井年地下水埋深變化趨勢(shì)為上升趨勢(shì)。而城關(guān)一隊(duì)、余家窯和南灘八隊(duì)3口觀測(cè)井年地下水埋深檢驗(yàn)系數(shù)的絕對(duì)值均小于臨界檢驗(yàn)值±1.96[28- 30]，說(shuō)明變化不顯著，其他5口觀測(cè)井檢驗(yàn)系數(shù)的絕對(duì)值均大于臨界檢驗(yàn)值，變化顯著。

根據(jù)灌區(qū)14口觀測(cè)井多年地下水埋深年內(nèi)月平均值可看出，景泰川灌區(qū)年內(nèi)地下水埋深呈季節(jié)性和周期性明顯變化。季節(jié)性變化的原因是地下水受到灌區(qū)的降雨、蒸發(fā)、氣溫等氣象因素的影響；周期性變化是地下水受灌區(qū)每年從黃河引水進(jìn)行灌溉的影響。如圖5所示，景泰川灌區(qū)的地下水埋深變化呈W型，6、8、9三個(gè)月地下水埋深值上升到峰值，說(shuō)明該區(qū)域此時(shí)農(nóng)作物生長(zhǎng)處于最旺盛階段，且生長(zhǎng)季節(jié)對(duì)地下水消耗的程度較高；11、12兩個(gè)月地下水埋深下降到低谷，這主要是與該區(qū)域12月前后冬灌剛剛結(jié)束，地下水停止開(kāi)采，且氣溫較低，作物在此季節(jié)停止生長(zhǎng)，地下水位在受到各種補(bǔ)給作用而回升；地下水埋深變化從16.89～17.25m，呈現(xiàn)雙峰型變化趨勢(shì)，1—5月基本穩(wěn)定，5—7月和7—9月出現(xiàn)2次先增后減，并且從9月開(kāi)始地下水埋深值逐漸減小，到12月達(dá)到最小值。

圖5 多年平均地下水埋深年內(nèi)變化

3.2 地下水埋深空間變化特征

基于灌區(qū)地下水觀測(cè)數(shù)據(jù)，選擇1980—1990年、1990—2000年、2000—2011年這3個(gè)時(shí)段的均值作為分析地下水位的空間變化特征，這3個(gè)時(shí)段分別代表1980s、1990s和2000s。分別將3個(gè)時(shí)段各地下水埋深均值數(shù)據(jù)在ArcGIS軟件中利用Spatial Analyst空間分析模塊進(jìn)行Kriging空間插值，3期的空間插值結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，1980s景泰川灌區(qū)地下水位埋深自南向西北方向呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)，且在景泰川灌區(qū)南部興泉車(chē)站井周?chē)霈F(xiàn)一個(gè)明顯的降落漏斗，即圖上最下面區(qū)域，該區(qū)地下水位埋深相對(duì)較大，且該區(qū)域地下水位最大埋深大于45m。地下水位埋深在0～5m的區(qū)域在蘭煉農(nóng)場(chǎng)、余家窯和紅柳泉井一帶；地下水位埋深在5～10m的區(qū)域，主要分布在蘭煉農(nóng)場(chǎng)井至一期西六支井之間的區(qū)域以及蘭煉農(nóng)場(chǎng)井至一期總二支井之間的區(qū)域；地下水位埋深在10～15m的區(qū)域主要分布在灌區(qū)北部的一期總二支井北部的區(qū)域及條山農(nóng)場(chǎng)北部的區(qū)域；地下水位埋深在從20～45m的區(qū)域主要分布在條山農(nóng)場(chǎng)以南至興泉車(chē)站的灌區(qū)，地下水位埋深由北向南逐漸增大。

1990s景泰川灌區(qū)地下水位埋深與1980s的空間分布相差不大，主要是灌區(qū)中東北部地下水位埋深呈現(xiàn)明顯的變化，灌區(qū)中西南部地下水位埋深基本上無(wú)明顯的變化。其中1990s地下水位埋深在0～5m的區(qū)域相較1980s面積以蘭煉農(nóng)場(chǎng)井為中心向四周有所增加；地下水位埋深在5～10m的區(qū)域相較1980s向東北部擴(kuò)展，面積呈現(xiàn)明顯的增加變化；地下水位埋深在10～15m的區(qū)域相較1980s在灌區(qū)東北部面積有所減小，即這些區(qū)域受引水工程影響，地下水位呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

圖6 3期灌區(qū)地下水埋深空間變化圖

2000s景泰川灌區(qū)地下水位埋深相較1980s和1990s的地下水位埋深變化十分顯著。2000s景泰川灌區(qū)地下水位埋深在0～5m的區(qū)域面積有所減小，包括紅柳泉東北部、余家窯東北部、蘭煉農(nóng)場(chǎng)東部和一期總二支井南部的區(qū)域；2000s地下水位埋深在5～10m的區(qū)域包括1990s地下水位埋深在5～10m的大部分區(qū)域和10～15m的灌區(qū)北部的大部分區(qū)域；2000s一期西六支南部的地下水位埋深相較1990s也呈現(xiàn)明顯的減小變化，這說(shuō)明通過(guò)景泰川灌區(qū)的引水工程，已使得該區(qū)地下水位埋深呈現(xiàn)明顯的減小變化。

4 影響因素分析

研究選擇灌區(qū)一期西六支觀測(cè)井地下水埋深數(shù)據(jù)，基于灌區(qū)景泰縣氣象數(shù)據(jù)，采用Penman-Monteith[31]公式計(jì)算了ET0，如圖7所示，ET0整體呈上升趨勢(shì)，相關(guān)系數(shù)判斷標(biāo)準(zhǔn)[32]見(jiàn)表3，與地下水量埋深呈高度負(fù)相關(guān)，見(jiàn)表4。引黃水量整體呈上升趨勢(shì)與地下水量埋深呈中度負(fù)相關(guān)，如圖8所示。降雨量整體呈上升趨勢(shì)與地下水量埋深呈低度負(fù)相關(guān)，如圖9所示。

圖7 潛在蒸散發(fā)量與地下水埋深

圖8 引黃水量與地下水埋深

圖9 降雨量與地下水埋深

地下水埋深與引黃水量、降雨量、潛在蒸散發(fā)量的相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表4，地下水埋深與潛在蒸散發(fā)量相關(guān)系數(shù)最大，為-0.820，其次是與引黃水量的相關(guān)系數(shù)，為-0.612，與降雨量的相關(guān)系數(shù)最低為-0.129。造成這種現(xiàn)象的原因主要是景泰川灌區(qū)地處我國(guó)西北半干旱氣候區(qū)，降雨少、蒸發(fā)大，水資源匱乏，生產(chǎn)、生活用水主要依賴(lài)引入的黃河水。灌區(qū)的水分輸出中蒸散發(fā)量占比較高，故潛在蒸散發(fā)對(duì)地下水埋深影響最明顯，相關(guān)系數(shù)大；灌區(qū)農(nóng)業(yè)依賴(lài)引水灌溉，所以，引黃水量對(duì)地下水埋深影響較明顯，相關(guān)系數(shù)較大；灌區(qū)的降雨稀少，對(duì)地下水補(bǔ)給很小，故降雨變化對(duì)地下水埋深影響很小[33]。

表3 相關(guān)系數(shù)判斷標(biāo)準(zhǔn)

表4 地下水埋深與引黃水量、降雨量、潛在蒸散發(fā)量的相關(guān)系數(shù)

5 結(jié)論

通過(guò)分析可知，灌區(qū)引黃水量在上升、地下水埋深整體在下降，這些變化均會(huì)加劇灌區(qū)土壤次生鹽漬化。因此，建議灌區(qū)下一步必須加強(qiáng)管理，采取有效的措施，如調(diào)整灌溉定額、改變種植結(jié)構(gòu)、采用節(jié)水灌溉等方式降低或控制地下水位，從而改善灌區(qū)土壤次生鹽堿化等環(huán)境問(wèn)題。另外，在進(jìn)行影響因素分析時(shí)，研究?jī)H選擇以一期西六支觀測(cè)井為例，下一步建議可選擇以宋梁一隊(duì)、南灘八隊(duì)等觀測(cè)井為例，作對(duì)比分析，使結(jié)論依據(jù)更充實(shí)、可靠。