采取合理井灌比例對(duì)銀川平原鹽漬化防治與改良對(duì)策

崔秀凌，葛秀珍，李庚陽(yáng)

(1.湖南省核工業(yè)地質(zhì)局三O一大隊(duì)，湖南長(zhǎng)沙 410114;2.中國(guó)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)

0 引言

銀川平原地處我國(guó)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(shì)平坦、土地肥沃，成為我國(guó)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(zhǎng)期以來(lái)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(kāi)采程度較低，地下水長(zhǎng)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(wèn)題就引起了國(guó)家及地方政府的高度重視，于1984年由寧夏地礦局組織開(kāi)展并完成了1∶5萬(wàn)《銀北地區(qū)鹽漬化土壤改良水文地質(zhì)勘察報(bào)告》，1991年又完成了1∶10萬(wàn)《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(píng)價(jià)》，從而對(duì)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(lái)水量的逐年減少，國(guó)家從大局出發(fā)，決定從2003年起，對(duì)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(kāi)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(shí)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(shí)，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(zhǎng)所需的最低水位成為本課題需要研究的關(guān)鍵問(wèn)題。為此本文通過(guò)近2年的調(diào)查和分析，結(jié)合在銀川平原開(kāi)展的“潛水蒸發(fā)與水位埋深的關(guān)系試驗(yàn)場(chǎng)”資料，設(shè)計(jì)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(jì)了40個(gè)方案對(duì)井灌比例進(jìn)行分析研究。并采用地下水流數(shù)值模型，對(duì)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。

1 基本概況

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(zhǎng)165km，東西寬42～60km，總面積7790km2，共有8個(gè)市縣。海拔高度1100～1200m。地勢(shì)開(kāi)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(shí)，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(lái)，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(wèn)題，必須要調(diào)整水資源開(kāi)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。

2 研究方法

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(guò)對(duì)各種方案的對(duì)比，對(duì)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(kāi)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(duì)鹽漬化進(jìn)行防治與改良，在方案設(shè)計(jì)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(lái)進(jìn)行灌溉。由于銀川平原8個(gè)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(jì)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(jì)了5%、10%、15%、20%、25%五種情況，這樣8個(gè)市縣總共設(shè)計(jì)了40個(gè)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(kāi)采量條件下，對(duì)上述40個(gè)方案進(jìn)行了預(yù)報(bào)計(jì)算，達(dá)到動(dòng)態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)后，統(tǒng)計(jì)了各方案下各市縣相對(duì)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(jì)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。

3 各市縣合理井灌比例的確定

3.1 確定依據(jù)

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(guò)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(chǎng)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(wèn)題，但在現(xiàn)實(shí)中不可能通過(guò)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(guò)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(guò)大，影響地表植被的正常生長(zhǎng);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(lái)看，在現(xiàn)狀排水溝排水的條件下，通過(guò)布設(shè)開(kāi)采井開(kāi)采地下水來(lái)降低地下水位是相對(duì)可行的方案。這里需要研究的一個(gè)問(wèn)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(lái)進(jìn)行考慮。

在銀川平原，人們已經(jīng)習(xí)慣于用地表水來(lái)灌溉，而且這種灌溉的費(fèi)用比較低，大量地布設(shè)開(kāi)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(duì)較小，潛水蒸發(fā)量的減小程度相對(duì)較大就成為一個(gè)需要深入研究的問(wèn)題。

通過(guò)對(duì)阿維楊諾夫斯基蒸發(fā)量計(jì)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(shí)，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(shí)，盡管在這一水位埋深段的區(qū)域面積還相對(duì)較大，但這時(shí)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(shí)，作物將不受鹽害的影響而正常生長(zhǎng)，土壤鹽漬化問(wèn)題也能夠基本得到解決。因此可以這樣確定一個(gè)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(guò)對(duì)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(lái)確定其合理的井灌比例。

3.2各市縣合理井灌比例的確定

(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(shí)，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(shì)明顯;當(dāng)井灌比例由20%增加到25%時(shí)，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(duì)應(yīng)，當(dāng)井灌比例從20%增加到25%時(shí)，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(shí)，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(duì)于降低潛水的蒸發(fā)已經(jīng)沒(méi)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(shí)，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(méi)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(shí)，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(shì)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shì)明顯;當(dāng)井灌比例由20%增加到25%時(shí)，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(shí)，2.5～3.0m水位埋深面積呈持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)。這說(shuō)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(duì)降低潛水的蒸發(fā)已經(jīng)沒(méi)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(shí)，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(shì)明顯;當(dāng)井灌比例由20%增加到25%時(shí)，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(shí)，2.0～2.5m水位埋深段所占面積具有明顯的下降趨勢(shì)。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(shí)，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(shì)明顯，當(dāng)井灌比例由15%增加到25%時(shí)，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(shí)，2.0～2.5m水位埋深段的面積整體呈下降趨勢(shì)，當(dāng)井灌比例由15%增加到25%時(shí)，灌期2.0～2.5m水位埋深段所占面積呈上升趨勢(shì)，非灌溉期呈下降趨勢(shì)。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(shí)，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(shì)明顯，當(dāng)井灌比例由15%增加到25%時(shí)，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(shì)。當(dāng)井灌比例從0增加到15%時(shí)，2.5～3.0m水位埋深段所占面積呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，當(dāng)井灌比例由15%增加到25%時(shí)，2.5～3.0m水位埋深段所占面積在灌溉期沒(méi)有明顯變化，在非灌溉期呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。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(shí)，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(shì)明顯，當(dāng)井灌比例由15%增加到25%時(shí)，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(shí)，2.0～2.5m水位埋深段所占面積呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。從現(xiàn)狀到井灌比例增加為25%時(shí)，2.5～3.0m水位埋深段所占面積呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。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(shí)，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(shì)明顯，當(dāng)井灌比例由15%增加到25%時(shí)，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(jiàn)，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(duì)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

4 合理井灌比例下土壤鹽漬化防治與改良的模擬結(jié)果分析

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(kāi)采量條件下，分高、低兩個(gè)方案，分別利用地下水流數(shù)值模型，對(duì)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(duì)應(yīng)于表2中合理井灌比例的上限，低方案對(duì)應(yīng)于合理井灌比例的下限。根據(jù)模擬結(jié)果，計(jì)算了銀川平原相對(duì)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(kāi)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(kāi)采條件時(shí)，相對(duì)現(xiàn)狀開(kāi)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(jì)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(duì)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(jì)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(kāi)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)現(xiàn)狀增加1m左右的區(qū)域范圍比低方案作用要大。

5 結(jié)語(yǔ)

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(duì)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(shí)，農(nóng)民種地支出的增加幅度相對(duì)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(wú)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。

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