崔秀凌,葛秀珍,李庚陽
(1.湖南省核工業(yè)地質(zhì)局三O一大隊(duì),湖南長沙 410114;2.中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心,河北保定 071051)
銀川平原地處我國西北地區(qū),區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造形成了銀川地塹。該地區(qū)地勢平坦、土地肥沃,成為我國的主要商品糧基地之一??v貫銀川平原的黃河水,成為銀川平原農(nóng)田灌溉的主要水資源。但長期以來農(nóng)田受引黃灌溉的影響,造成區(qū)域潛水水位埋深較淺,加上降水稀少,蒸發(fā)強(qiáng)烈,使土壤鹽分聚積地表形成土壤鹽漬化,糧食減產(chǎn),極大地影響了農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。另一方面,在銀川平原有著豐富的地下水資源,但農(nóng)業(yè)灌溉基本上不用地下水,工業(yè)和生活用地下水,開采程度較低,地下水長期保持高水位,加劇了土壤鹽漬化的形成。20世紀(jì)80年代,銀川平原的土壤鹽漬化問題就引起了國家及地方政府的高度重視,于1984年由寧夏地礦局組織開展并完成了1∶5萬《銀北地區(qū)鹽漬化土壤改良水文地質(zhì)勘察報告》,1991年又完成了1∶10萬《銀川平原農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地地下水資源及農(nóng)業(yè)地質(zhì)綜合勘察評價》,從而對鹽漬化的分布、形成原因及鹽漬化改良進(jìn)行了分析研究。鑒于黃河來水量的逐年減少,國家從大局出發(fā),決定從2003年起,對黃河中上游的用水大戶銀川平原實(shí)行逐漸壓減引黃水量,由于引黃量減少,直接導(dǎo)致大量的農(nóng)田灌溉得不到保證。為此寧夏自治區(qū)政府提出了在銀川平原打井抽取地下水灌溉農(nóng)田,采用渠灌和井灌相結(jié)合的灌溉方式,合理地開發(fā)利用部分潛水。這樣不僅保證了農(nóng)田灌溉的用水量,同時能防治和改良土壤鹽漬化。那么,如何確定合理的井灌比例(水井抽水灌溉在農(nóng)田總灌溉中的比例),在滿足農(nóng)田灌溉的同時,達(dá)到既能降低水位改善該地區(qū)的土壤鹽漬化,又不影響植物生長所需的最低水位成為本課題需要研究的關(guān)鍵問題。為此本文通過近2年的調(diào)查和分析,結(jié)合在銀川平原開展的“潛水蒸發(fā)與水位埋深的關(guān)系試驗(yàn)場”資料,設(shè)計了在保持現(xiàn)有引黃灌溉定額不變的情況下,潛水井灌量在農(nóng)業(yè)灌溉總量中所占的比例分別為5%、10%、15%、20%、25%五種情況,共設(shè)計了40個方案對井灌比例進(jìn)行分析研究。并采用地下水流數(shù)值模型,對銀川平原的地下水流狀態(tài)進(jìn)行了模擬,從而驗(yàn)證確定的井灌比例。
銀川平原位于寧夏回族自治區(qū)北部,地處黃河中上游,南起青銅峽,北至石嘴山,西依賀蘭山,東靠鄂爾多斯平原西緣。南北長165km,東西寬42~60km,總面積7790km2,共有8個市縣。海拔高度1100~1200m。地勢開闊平坦,由西南向東北傾斜,黃河南北向流經(jīng)本區(qū),有近2000年的墾植歷史、溝渠縱橫、農(nóng)田密布、湖沼星羅棋布,是重要的農(nóng)林牧副漁生產(chǎn)區(qū)。該區(qū)多年平均氣溫 8.92℃,年平均降水量186.7mm,年蒸發(fā)量1838.44mm,生態(tài)環(huán)境較脆弱。
銀川平原是干旱少雨的地區(qū),農(nóng)業(yè)發(fā)展完全依賴于引黃灌溉。但在引用黃河水進(jìn)行農(nóng)田灌溉的同時,卻極少利用灌溉入滲后形成的淺層地下水,造成地下水位偏高,大量的地下水以蒸發(fā)的形式垂直排向大氣,加重了灌區(qū)的排水負(fù)擔(dān),也造成土壤次生鹽漬化[1]。近年來,采用溝、渠、站相結(jié)合的排水措施,鹽漬危害有所減輕,但要從根本上解決問題,必須要調(diào)整水資源開發(fā)利用結(jié)構(gòu),提高利用地下水的比例,井渠結(jié)合,以灌代排。
現(xiàn)狀條件下,銀川平原農(nóng)田灌溉基本全部用的是黃河水,為了降低潛水位,減少潛水蒸發(fā),本次研究采用渠灌和井灌相結(jié)合的灌溉方式,通過對各種方案的對比,對土壤鹽漬化防治與改良進(jìn)行分析研究。最終確定合理的井灌比例,合理地開發(fā)利用部分潛水,以改變目前單一引用黃河水進(jìn)行灌溉的灌溉模式。
為了從根本上對鹽漬化進(jìn)行防治與改良,在方案設(shè)計中考慮了保持現(xiàn)有灌溉定額不變的情況下,抽取一部分潛水來進(jìn)行灌溉。由于銀川平原8個市縣的農(nóng)田類型、田間灌溉定額和農(nóng)灌回歸補(bǔ)給系數(shù)的不同,故將計算區(qū)按行政區(qū)進(jìn)行劃分。根據(jù)各市縣潛水井灌量在農(nóng)業(yè)灌溉總量中所占的比例分別設(shè)計了5%、10%、15%、20%、25%五種情況,這樣8個市縣總共設(shè)計了40個方案。
利用地下水流數(shù)值模型[2],在平均水文、氣象條件及現(xiàn)狀開采量條件下,對上述40個方案進(jìn)行了預(yù)報計算,達(dá)到動態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)后,統(tǒng)計了各方案下各市縣相對現(xiàn)狀的潛水蒸發(fā)量減量、排水溝排泄地下水量減量,并結(jié)合現(xiàn)狀地下水位埋深段在0~0.5m、0.5~1.0m、1.0~1.5m、1.5~2.0m、2.0~2.5m 和 2.5~3m的面積計算結(jié)果進(jìn)行了分析,確定了各市縣合理的井灌比例范圍。
確定合理井灌比例的目的在于考慮井灌費(fèi)用、農(nóng)民的承受能力以及用水習(xí)慣的情況下,通過合理抽取淺層地下水進(jìn)行灌溉,使得潛水位埋深增大,蒸發(fā)量減少,土壤鹽漬化得到改良[3]。根據(jù)在銀川市建立的潛水蒸發(fā)與水位埋深的關(guān)系試驗(yàn)場可知,銀川平原潛水蒸發(fā)的臨界水位埋深在3m左右,若將其作為各市縣地下水位的統(tǒng)一調(diào)控標(biāo)準(zhǔn),雖然能夠最大限度的降低潛水的蒸發(fā)量,治理土壤鹽漬化問題,但在現(xiàn)實(shí)中不可能通過經(jīng)濟(jì)上合理的人工措施使得地下水位統(tǒng)一降低至這一深度。若通過抽水井或排水渠的方式使得銀川平原的地下水位埋深統(tǒng)一降至3m以下,必然使一些地區(qū)的地下水位降深過大,影響地表植被的正常生長;從經(jīng)濟(jì)方面考慮,達(dá)到這種水位狀態(tài)的費(fèi)用也將是相當(dāng)昂貴的。從現(xiàn)實(shí)可行的角度來看,在現(xiàn)狀排水溝排水的條件下,通過布設(shè)開采井開采地下水來降低地下水位是相對可行的方案。這里需要研究的一個問題就是什么樣的井灌比例是合理的?這就需要從井灌的費(fèi)用、農(nóng)民的承受能力以及潛水蒸發(fā)量的降低來進(jìn)行考慮。
在銀川平原,人們已經(jīng)習(xí)慣于用地表水來灌溉,而且這種灌溉的費(fèi)用比較低,大量地布設(shè)開采井抽取淺層地下水進(jìn)行灌溉必然要增大農(nóng)民種地的支出。那么在什么樣的井灌比例下農(nóng)民的支出相對較小,潛水蒸發(fā)量的減小程度相對較大就成為一個需要深入研究的問題。
通過對阿維楊諾夫斯基蒸發(fā)量計算公式進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),由于潛水蒸發(fā)量隨著地下水位埋深的增大呈指數(shù)規(guī)律減小,因此當(dāng)?shù)叵滤宦裆畲笥谝欢ǔ潭葧r,蒸發(fā)量將變得很小。在銀川平原,當(dāng)?shù)叵滤宦裆畲笥?m時,盡管在這一水位埋深段的區(qū)域面積還相對較大,但這時潛水的蒸發(fā)量已經(jīng)變得很小了。事實(shí)上,根據(jù)寧夏銀北地區(qū)鹽漬化治理試驗(yàn)的研究成果[4],當(dāng)?shù)叵滤宦裆羁刂圃谕寥辣韺雍妥魑锔鲗优R界范圍之內(nèi),即2m左右時,作物將不受鹽害的影響而正常生長,土壤鹽漬化問題也能夠基本得到解決。因此可以這樣確定一個地區(qū)合理的井灌比例,在該比例下,地下水位埋深小于2m的區(qū)域面積有較大程度的減小。
下面通過對各縣市不同井灌比例下3m(實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù))以內(nèi)各水位埋深段所占面積變化的分析來確定其合理的井灌比例。
(1)石嘴山市
石嘴山市地處銀川平原北部,屬于地下水排泄帶,地下水徑流滯緩,地下水位埋深較淺。當(dāng)井灌比例從0變化到20%時,0~0.5m、0.5~1.0m、1.0~1.5m、1.5~2.0m水位埋深段所占面積的下降趨勢明顯;當(dāng)井灌比例由20%增加到25%時,上述各水位埋深段所占面積的變化則變得比較平緩。與此對應(yīng),當(dāng)井灌比例從20%增加到25%時,2.0~2.5m、2.5~3.0m水位埋深段所占面積急劇下降。這主要是由于地下水位降低到一定程度時,水位埋深小于2.0m的區(qū)域大部分位于引水渠、排水溝和湖泊附近,要使這些地區(qū)埋深小于2.0m的面積再繼續(xù)減小已經(jīng)很困難,抽水只能使埋深大于2m的區(qū)域面積不斷減小,但這種減小對于降低潛水的蒸發(fā)已經(jīng)沒有任何意義了。由上述分析可知,當(dāng)井灌比例由20%增加到25%時,水位埋深小于2.0m區(qū)域面積的變化已經(jīng)很小,增加井灌比例,其面積基本沒有變化,卻增加了井灌的費(fèi)用和農(nóng)民的負(fù)擔(dān)。最終確定石嘴山市合理的井灌比例范圍在20%~25%。
(2)平羅縣
平羅縣地處平原北部,在灌區(qū)劃分上屬于銀北灌區(qū),地下水徑流滯緩,地下水位埋深淺,是銀川平原土壤鹽漬化最嚴(yán)重的縣區(qū)之一。當(dāng)井灌比例從0增加到25%時,0~0.5m、0.5~1.0m、1.0~1.5m、1.5~2.0m、2.0~2.5m水位埋深段所占面積的下降趨勢明顯。隨著井灌比例的增加,2.5~3.0m水位埋深段所占面積的變化幅度不大,當(dāng)井灌比例從0增加到15%時,2.5~3.0m水位埋深段所占面積持續(xù)增加;當(dāng)井灌比例由15%增加到25%時,2.5~3.0m水位埋深段所占面積基本保持恒定。根據(jù)上述合理井灌比例的確定依據(jù),最終確定平羅縣的合理井灌比例為25%。
(3)賀蘭縣
賀蘭縣位于平羅以南,銀川市以北,灌區(qū)劃分上屬于銀北灌區(qū)。當(dāng)井灌比例從0增加到20%時,0~0.5m、0.5 ~1.0m、1.0 ~1.5m、1.5 ~2.0m、2.0 ~2.5m水位埋深段所占面積的下降趨勢明顯;當(dāng)井灌比例由20%增加到25%時,上述各水位埋深段所占面積的變化趨于平緩。當(dāng)井灌比例由0增加到25%時,2.5~3.0m水位埋深面積呈持續(xù)增長趨勢。這說明當(dāng)井灌比例大于20%以后,若繼續(xù)增大井灌比例,埋深小于2.5m的區(qū)域面積將變化不大,因此井灌比例的增大對降低潛水的蒸發(fā)已經(jīng)沒有意義。最終確定賀蘭縣合理的井灌比例在20%~25%。
(4)銀川市
銀川市位于平原中部。當(dāng)井灌比例從0增加到20%時,0~0.5m、0.5~1.0m、1.0~1.5m、1.5~2.0m、2.5~3.0m水位埋深段所占的面積下降趨勢明顯;當(dāng)井灌比例由20%增加到25%時,上述各水位埋深段所占面積的變化趨于平緩。當(dāng)井灌比例從0增加到25%時,2.0~2.5m水位埋深段所占面積具有明顯的下降趨勢。最終確定銀川市合理的井灌比例20%~25%。
(5)永寧縣
永寧縣位于銀川市以南、黃河以西。當(dāng)井灌比例從0增加到 15% 時,0~0.5m、0.5~1.0m、1.0~1.5m、1.5~2.0m水位埋深段所占面積的下降趨勢明顯,當(dāng)井灌比例由15%增加到25%時,上述各水位埋深段所占面積的變化趨于平緩。當(dāng)井灌比例從0增加到15%時,2.0~2.5m水位埋深段的面積整體呈下降趨勢,當(dāng)井灌比例由15%增加到25%時,灌期2.0~2.5m水位埋深段所占面積呈上升趨勢,非灌溉期呈下降趨勢。受 0~0.5m、0.5~1.0m、1.0~1.5m、1.5~2.0m、2.0~2.5m水位埋深段面積的變化影響,各井灌比例下2.5~3.0m水位埋深段所占面積的變化規(guī)律性不明顯。最終確定永寧縣的合理井灌比例在15%~20%。
(6)靈武市
靈武市位于平原南部,黃河以東地區(qū)。當(dāng)井灌比例從0增加到15%時,0~0.5m、0.5~1.0m、1.0~1.5m、1.5~2.0m水位埋深段所占面積的下降趨勢明顯,當(dāng)井灌比例由15%增加到25%時,上述各水位埋深段所占面積的變化趨于平緩。隨著井灌比例的增加,2.0~2.5m水位埋深段所占面積總體呈下降趨勢。當(dāng)井灌比例從0增加到15%時,2.5~3.0m水位埋深段所占面積呈增長趨勢,當(dāng)井灌比例由15%增加到25%時,2.5~3.0m水位埋深段所占面積在灌溉期沒有明顯變化,在非灌溉期呈增長趨勢。最終確定靈武市合理的井灌比例在15%~20%。
(7)青銅峽市
青銅峽市位于平原南部,平原引黃灌溉水入口處。當(dāng)井灌比例從0增加為15%時,0~0.5m、0.5~1.0m、1.0~1.5m、1.5~2.0m水位埋深段所占面積的下降趨勢明顯,當(dāng)井灌比例由15%增加到25%時,上述各水位埋深段所占面積的變化趨于平緩。從現(xiàn)狀到井灌比例增加為15%時,2.0~2.5m水位埋深段所占面積呈增長趨勢。從現(xiàn)狀到井灌比例增加為25%時,2.5~3.0m水位埋深段所占面積呈增長趨勢。最終確定青銅峽市合理的井灌比例在15%~20%。
(8)利通區(qū)
利通區(qū)位于平原南部,黃河以東地區(qū)。當(dāng)井灌比例從0增加到15%時,0~0.5m、0.5~1.0m、1.0~1.5m、1.5~2.0m水位埋深段所占面積下降趨勢明顯,當(dāng)井灌比例由15%增加到25%時,上述各水位埋深段所占面積的變化趨于平緩。各井灌比例下2.0~2.5m、2.5~3.0m水位埋深段所占面積的變化規(guī)律性不明顯。最終確定利通區(qū)合理的井灌比例在15% ~20%。
根據(jù)上述分析,可得銀川平原各市縣合理的井灌比例范圍(表1)。由表可見,根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果所確定的合理井灌比例是符合銀川平原實(shí)際情況的。在銀北地區(qū),土壤鹽漬化嚴(yán)重,地下水位埋深小,地下水徑流不暢,故井灌比例相對較大;在銀南地區(qū),隨著地下水位埋深的增大、土壤鹽漬化的減弱、地下水徑流條件的較好,井灌比例小一些。
表1 各市縣合理井灌比例表Table 1 Reasonable well irrigation scale of all county
按照上述的合理井灌比例,在平均水文、氣象條件及現(xiàn)狀開采量條件下,分高、低兩個方案,分別利用地下水流數(shù)值模型,對銀川平原的地下水流狀態(tài)進(jìn)行了模擬。模擬中的高方案對應(yīng)于表2中合理井灌比例的上限,低方案對應(yīng)于合理井灌比例的下限。根據(jù)模擬結(jié)果,計算了銀川平原相對現(xiàn)狀的潛水蒸發(fā)量減量、排水溝排泄地下水量減量、井灌開采潛水的量,及平原內(nèi)不同水位埋深段的面積(表2),繪制了按照上述井灌比例進(jìn)行開采條件時,相對現(xiàn)狀開采條件下低方案的潛水降深等值線圖(圖1(a))和高方案的潛水降深等值線圖(圖1(b))。
表2 各市縣合理井灌比例下相關(guān)量的計算結(jié)果表(單位:108m3/a)Table 2 The results table of reasonable irrigation scal quantity in all county(unit:108m3/a)
圖1 高、低方案相對現(xiàn)狀潛水埋深的變化等值線圖Fig.1 Groudwate level contour map of high and low scheme relative status
表2的計算結(jié)果表明,高、低方案下潛水蒸發(fā)量分別比現(xiàn)狀潛水蒸發(fā)量減少了1.8×108m3/a和1.32×108m3/a,排水溝排泄地下水量分別比現(xiàn)狀減少了1.59×108m3/a和0.96×108m3/a,井灌開采潛水的量分別為5.671×108m3/a和4.586×108m3/a。把灌溉期和非灌溉期不同水位埋深段的面積與對應(yīng)的現(xiàn)狀面積進(jìn)行比較可以看出可知,水位埋深小于0.5m、0.5~1.0m、1.0~1.5m、1.5~2.0m 和 2.0~2.5m的面積與現(xiàn)狀相比有明顯減小,且高方案的減小幅度大于低方案。水位埋深在2m以內(nèi)區(qū)域面積的減少量分別占現(xiàn)狀的36.02%和30.83%,而高、低方案下2.5~3m水位埋深段的面積變化不大。
由圖1可以看出,高、低方案下在平原大部分地區(qū)地下水位埋深相對現(xiàn)狀增加了0.5m左右,在銀川市以北平羅、惠農(nóng)的許多地方地下水位埋深相對現(xiàn)狀增加了1m左右,在銀川市以南的永寧、利通區(qū)等地有部分區(qū)域地下水位埋深相對現(xiàn)狀增加了1m左右,而且在高方案作用下地下水位埋深相對現(xiàn)狀增加1m左右的區(qū)域范圍比低方案作用要大。
根據(jù)所選取的合理的井灌比例不僅可以有效地降低潛水位,減少潛水蒸發(fā),對土壤鹽漬化的防治與改良起到良好的效果,而且可提高水資源的利用效率,減少農(nóng)田灌溉引用黃河水的量。同時,農(nóng)民種地支出的增加幅度相對也是較低的。這樣不僅能防治和改良土壤鹽漬化,使土壤質(zhì)量得到改善,而且還能減少潛水的無效蒸發(fā),提高水資源的利用效率,減輕平原的排水負(fù)擔(dān),緩解平原水資源的供需矛盾。
[1]張黎,王利.寧夏地下水資源[M].銀川:寧夏人民出版社,2003,22-123.ZHANG li,WANG li.Groundwater resources of Ningxia[M].Yinchuan:Ningxia People’s Publishing House,2003:122-123.
[2]傅冬綿,等.關(guān)于區(qū)域水資源的優(yōu)化配置模型[J].國土資源科技管理,2001(4),15-18.FU Dongmian,et al.A model for optimization allocation of regional waterresource[J]. ManagementGeological Science and Technology,2001(4),15-18.
[3]韓雙平,荊繼紅,孫繼朝,等.銀川北部平原土壤水分運(yùn)動狀態(tài)類型及水鹽運(yùn)移機(jī)理研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科技學(xué)報,2005(S1),148-152.HAN Shuangping,JING Jihong,SUN Jichao,et al.Analyses of moisture movement types and movement mechanism of moisture and salinity atsoilsection[J]. Journalof Agroenvironmental Science,2005(S1),148-152.
[4]馬云瑞,苗濟(jì)文,張益民,等.寧夏銀北地區(qū)土壤鹽漬化綜合治理[J].土壤通報,1996(6),253-255.MA Yunduan,MIAO Jiwen,ZHANG Yimin,et al.The soil salinization comprehensive governance in Yinbei region of Ningxia[J].Chinese journal of soil science,1996(6),253-255.