黃土丘陵區(qū)淤地壩作用下地下水位動態(tài)演化特征

白樂 殷會娟 李昭悅

摘 要：以黃土丘陵區(qū)典型淤地壩刀勞慶骨干壩為例，采用野外原位觀測及相關(guān)分析的方法，研究淤地壩作用下地下水位時空分布格局和動態(tài)演化特征，揭示上下游補(bǔ)排關(guān)系及驅(qū)動因素，為淤地壩壩區(qū)地下水資源保護(hù)與高效利用提供理論依據(jù)。結(jié)果表明：①淤地壩下游和壩區(qū)地下水位年最大變幅分別為1.82 m和1.27 m，壩下游地下水位整體呈下降趨勢，而壩區(qū)內(nèi)地下水位呈上升趨勢;②淤地壩區(qū)和下游兩觀測點(diǎn)地面高差9 m，直線距離478 m，淤地壩地下水位比下游地下水位高7.51 m，淤地壩壩區(qū)內(nèi)地下水補(bǔ)給壩下游地下水;③淤地壩下游地下水位變化具有明顯的季節(jié)性，形成高峰（非雨季）與低谷（雨季），降雨補(bǔ)給地下水具有時滯性，壩內(nèi)夏季地下水位上升、其他季節(jié)下降;④農(nóng)業(yè)灌溉用水量增加是地下水位變化的重要驅(qū)動力，其對壩下游地下水位的影響大于壩區(qū)。

關(guān)鍵詞：淤地壩;地下水位;降雨;動態(tài)演化特征;黃土丘陵區(qū)

Abstract：Taking Daolaoqing key dam of typical warping dam in loess hilly area as an example， the spatial and temporal distribution pattern and dynamic evolution characteristics of groundwater level under the action of warping dam were studied by field in-situ observation and correlation analysis. The relationship between upstream and downstream recharge and discharge and driving factors were revealed， which provided theoretical basis for the protection and efficient utilization of groundwater resources in warping dam area. The results show that a） the maximum variation of groundwater level in the downstream of the warping dam and the dam area is 1.82 m and 1.27 m respectively. The overall trend of the groundwater level in the downstream of the warping dam is downward and the groundwater level in the dam area has an upward tendency; b） the ground elevation difference between warping dam area and downstream two observation points is 9 m， straight line distance is 478 m， the groundwater level of warping dam is 7.51m higher than that of downstream water level and the groundwater of the dam area recharges the downstream groundwater; c） the variation of groundwater level in the downstream of warping dam has obvious seasonality， forming peak （non-rainy season） and trough （rainy season）， and rainfall recharge groundwater has time delay. The groundwater level in spring and autumn of the dam falls in winter and rises in summer and; d） the increase of agricultural irrigation water consumption is an important driving force of groundwater level change and its influence to the groundwater level in dam area is not as good as that in downstream dam.

Key words： warping dam; groundwater level; rainfall; dynamic evolutionary characteristics;loess hilly region

淤地壩是黃土高原水土保持的關(guān)鍵措施，大規(guī)模淤地壩建設(shè)在發(fā)揮攔沙蓄水、調(diào)節(jié)徑流[1-4]、改善生態(tài)環(huán)境等綜合功能的同時，對地下水文循環(huán)產(chǎn)生了深刻影響，給地下水資源保護(hù)和生態(tài)治理帶來新的挑戰(zhàn)。地下水位是地下水循環(huán)的“脈搏”，是衡量區(qū)域地下水資源開發(fā)合理與否的重要判據(jù)。黃土高原水資源短缺、生態(tài)環(huán)境脆弱，大規(guī)模淤地壩建設(shè)對地下水位動態(tài)特征的影響，已逐步成為水文、環(huán)境、生態(tài)等學(xué)科研究的熱點(diǎn)。

眾多學(xué)者從淤地壩對地下水的影響機(jī)理、補(bǔ)排關(guān)系、影響比例等方面進(jìn)行研究，例如：高海東等[5-7]闡述了淤地壩作為障礙性節(jié)點(diǎn)，對徑流過程和地下水產(chǎn)生影響;袁水龍等[8]指出淤地壩建設(shè)明顯改變壩前壩后的水動力過程，而且改變了溝道的侵蝕動力分布，進(jìn)而對地下水循環(huán)產(chǎn)生影響;畢慈芬等[9]研究指出淤地壩建設(shè)可形成地下水庫，調(diào)節(jié)區(qū)域水環(huán)境。Huang等[10-12]研究表明黃土高原地下水補(bǔ)給主要發(fā)生在7—9月的雨季;綦俊諭等[13]運(yùn)用3種計算方法研究淤地壩減水作用，結(jié)果表明淤地壩等工程措施對岔巴溝流域減水作用僅為7%左右，但流域內(nèi)地下水占比增加約20%;黃金柏等[14]開發(fā)了淤地壩系統(tǒng)水力計算模型，計算結(jié)果表明淤地壩系統(tǒng)對水資源再分布的影響主要體現(xiàn)在減少地表徑流、增加入滲補(bǔ)給等方面。

綜上，學(xué)者們主要通過研究淤地壩建設(shè)對地表徑流的影響，進(jìn)而分析其對基流量或地下水補(bǔ)給及占比變化的影響[15-19]，專門研究淤地壩作用下地下水位動態(tài)變化特征的較少。因此，本文以黃土丘陵區(qū)典型淤地壩刀勞慶骨干壩為例，選取淤地壩下游和淤地壩壩區(qū)兩個觀測點(diǎn)，通過原位監(jiān)測淤地壩作用下的地下水位變化，揭示地下水位時空分布格局和動態(tài)演化特征，以期為淤地壩壩區(qū)地下水資源保護(hù)與高效利用提供參考，也為淤地壩生態(tài)治理效益評價提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

西柳溝是內(nèi)蒙古“十大孔兌”之一，發(fā)源于鄂爾多斯市東勝區(qū)柴登鎮(zhèn)宗兌村張家山，向北注入黃河。西柳溝河道全長106.5 km，流域面積1 356 km2。流域多年平均降水量305.9 mm，主要集中在6—9月（約占年降水量的80.4%），以7月、8月降水最為集中（分別約占年降水量的28.4%、27.8%）。流域年均水面蒸發(fā)量2 200 mm，干旱指數(shù)>7，屬典型的干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。西柳溝淤地壩建設(shè)開始于2000年，至2016年有淤地壩106座，大規(guī)模的淤地壩建設(shè)對地下水位的影響已顯現(xiàn)。

刀勞慶骨干壩位于西柳溝流域哈他土溝右岸支溝刀勞慶，地貌地形屬典型的黃土丘陵溝壑區(qū)。刀勞慶壩址以上流域面積3.27 km2，總庫容78.3萬m3，最大壩高14 m，壩長350 m。溝道呈寬淺式，溝底比降1.2%，溝床覆蓋第四系沖積洪積砂壤土，溝底砂礫石層為地下水的滲流通道，地下水埋深5～8 m。該壩于2006年年底建成，設(shè)計淤積年限20 a。

1.2 數(shù)據(jù)來源

降雨量數(shù)據(jù)通過安置在研究區(qū)的HOBO小型自動氣象站獲得，記錄時間間隔為10 min，監(jiān)測時間為2019年6月21日—2020年9月30日。兩個地下水位觀測點(diǎn)分別選在刀勞慶淤地壩下游和淤地壩壩區(qū)內(nèi)，分別記為J1點(diǎn)（高程1 327 m）和J2點(diǎn)（高程1 336 m）。J1和J2井深分別為7 m和10 m，觀測井井口高程超出地面高程0.5 m。J1點(diǎn)位于J2點(diǎn)下游，兩觀測點(diǎn)直線距離478 m，高差9 m。地下水埋深數(shù)據(jù)通過安裝在監(jiān)測井中的Diver自動水位記錄儀獲得，每30 min記錄一次，監(jiān)測時段為2019年6月26日—2020年9月30日。安置在淤地壩壩區(qū)的J2監(jiān)測井中的水位計2019年8月15—22日堵孔，其間數(shù)據(jù)通過插補(bǔ)獲取。

2 地下水位時空分布和動態(tài)演化特征

2.1 年尺度地下水位動態(tài)特征

淤地壩下游地下水位監(jiān)測井J1水位波動幅度較大，年最大變幅1.82 m左右，地下水埋深表現(xiàn)為波動增大—持續(xù)減小—波動較快增大—急劇減小，春夏季水位降低，秋冬季水位逐步回升，地下水位總體呈下降趨勢。壩區(qū)地下水位監(jiān)測井J2水位變化較小，年最大變幅1.27 m左右，地下水埋深呈現(xiàn)減小—緩慢增大—快速減小—波動減小的變化趨勢，總體變化不大（見圖1）。

2.2 季尺度地下水位動態(tài)變化特征

春季（3—5月）隨著氣溫逐漸回升，淤積凍層在垂向上沿自上而下和自下而上2個方向同步融化，凍層中部消融具時滯性[21]，壩下游地下水位緩慢下降。夏季（6—8月）降雨、蒸發(fā)和灌溉用水量增加，壩下游地下水位下降，與春季相比，地下水位下降0.88 m。秋季（9—11月）農(nóng)灌用水量減少，蒸發(fā)減弱，地下水位較夏季回升了0.46 m（見圖2）。冬季（12月至次年2月）為土壤凍結(jié)期，隨著氣溫持續(xù)降低，土壤由表層向下逐漸凍結(jié)，水分向凍結(jié)鋒面遷移，發(fā)生“凍后聚墑”現(xiàn)象，地下水位持續(xù)回升。

春季淤地壩壩區(qū)內(nèi)地下水位亦呈小幅降低趨勢;夏季隨降雨量增加，地下水位升高;秋冬季地下水埋深分別增大到7.31 m和7.37 m，這可能與其側(cè)向排泄有關(guān)。

2.3 汛期與非汛期地下水埋深變化特征

（1）淤地壩下游地下水埋深變化特征。2019年汛期（6—9月）降雨量226.6 mm，壩下游地下水埋深由6.18 m減小為5.80 m，地下水位上升了0.38 m;2020年汛期降雨量312.7 mm，較上年增加38%，汛期地下水埋深由6.25 m減小到5.44 m，減小0.81（見圖3（a））。2020年汛期地下水位升幅大于2019年同期，但淤地壩下游平均地下水埋深由2019年的6.04 m增加到6.14 m，地下水位仍呈下降趨勢。非汛期（2019年10月到2020年5月），地下水埋深由5.84 m減小到5.34 m（見圖3（b））。

（2）淤地壩壩區(qū)地下水埋深變化特征。2019年汛期（6—9月）淤地壩壩區(qū)地下水埋深由7.74 m減小為7.31 m，水位上升0.43 m。2020年汛期壩區(qū)地下水埋深由7.51 m減小到6.67 m，水位上升0.84 m（見圖3（a））。與2019年相比，2020年汛期降雨量增加38%，而平均地下水埋深由7.48 m減小到6.93 m，水位抬升0.55 m。因此，地下水位隨著降雨量增加而抬升的同時，仍受到用水增加的影響，地下水位上升幅度較小。非汛期（2019年10月到2020年5月）降水少，壩區(qū)地下水埋深由7.34 m增大到7.46 m，增加0.12 m（見圖3（b））。

2.4 月尺度地下水埋深動態(tài)特征

（1）淤地壩下游地下水位變化特征。2019年7—8月降雨量97.2 mm，地下水埋深由5.80 m增大到6.18 m（見圖4），降雨量增加，地下水埋深增大。這一時期蒸發(fā)強(qiáng)烈，農(nóng)灌次數(shù)增加導(dǎo)致地下水開采量增加，一定程度上抑制了地下水位抬升。9月蒸發(fā)和開采量減少，水位小幅回升。10月到次年3月，降水減少、氣溫降低、蒸散發(fā)減弱、地下水開采量減少，地下水位回升0.50 m。4—5月隨著天氣回暖，蒸散發(fā)增強(qiáng)，而降雨量僅6.4 mm，地下水得不到補(bǔ)充，地下水位下降0.27 m。6—7月總降雨量162 mm，地下水埋深繼續(xù)增大至6.41 m，地下水開采量增加是地下水位降低的主要原因。

（2）淤地壩壩區(qū)地下水埋深特征。2019年7月壩區(qū)地下水埋深為7.74 m，之后隨著降雨量增加，地下水埋深逐步減小，到10月減小至7.29 m。2019年11月到2020年6月地下水埋深呈緩慢增大趨勢，最大埋深7.51 m，該時期降水稀少（除2020年6月降水量84.4 mm），蒸散發(fā)作用由弱變強(qiáng)，蒸發(fā)是影響地下水位變動的主要原因。2020年7月，隨著降雨量持續(xù)增加，地下水埋深減小到6.86 m，比6月（7.51 m）減小0.65 m，減幅8.66%。8—9月總降雨量150.7 mm，隨著氣溫逐漸降低，蒸散發(fā)作用減弱，地下水得到補(bǔ)充，埋深減小至6.67 m。

3 地下水補(bǔ)排關(guān)系及影響因素分析

3.1 地下水補(bǔ)排關(guān)系分析

淤地壩下游監(jiān)測井位于排泄區(qū)，潛水含水層賦存于第四系沖積洪積層中。巖性以沖積砂、砂礫石為主，主要接收大氣降水的入滲補(bǔ)給，其次接收農(nóng)業(yè)灌溉回歸水補(bǔ)給，地下徑流條件好[21]，故淤地壩下游監(jiān)測井的地下水位可代表其附近第四系的地下水位。淤地壩壩區(qū)監(jiān)測井揭露的第四系潛水含水層分布較連續(xù)，其水位可代表淤地壩壩區(qū)和附近區(qū)域地下水位變化趨勢。

監(jiān)測區(qū)內(nèi)淤地壩壩區(qū)與淤地壩下游監(jiān)測井地面高差為9 m，井深分別為7 m和10 m。壩區(qū)和淤地壩下游地下水位分別為1 328.72 m和1 321.21 m，壩區(qū)內(nèi)地下水位比下游高7.51 m。水頭差的存在導(dǎo)致淤地壩內(nèi)地下水補(bǔ)給壩下游地下水，與淤地壩下游地下水位恢復(fù)較快的事實(shí)相吻合。壩區(qū)地下水位和淤地壩下游地下水位差值非汛期（1.86 m）大于汛期（1.15 m），進(jìn)一步說明壩區(qū)地下水補(bǔ)給壩下游地下水[22]。

3.2 地下水位變化驅(qū)動因素分析

研究區(qū)第四系潛水含水層具有埋藏淺、透水性好的特點(diǎn)，地下水位變化受地形地貌的控制，在不同時間尺度和空間分布上表現(xiàn)出不盡相同的動態(tài)特征。汛期降雨量增加38%，壩下游地下水埋深增大1.27%，壩區(qū)地下水埋深減小7.35%。在其他因素保持不變的條件下，農(nóng)業(yè)灌溉用水量增加是影響壩區(qū)和下游地下水位變化的重要因素，下游受影響更明顯，這與下游農(nóng)民大量種植玉米等農(nóng)作物密切相關(guān)。淤地壩下游地下水位變化基本上遵循大氣降水量增加地下水位抬升的規(guī)律，但農(nóng)灌用水量增幅大于降水量增幅，表現(xiàn)為6—8月（汛期）降雨量增大，地下水位降低，汛期過后地下水位逐步回升。因此，淤地壩下游地下水位變化是降水入滲補(bǔ)給、蒸發(fā)排泄、農(nóng)業(yè)灌溉等多種因素綜合作用的結(jié)果[21]，降水量增加是壩區(qū)地下水位抬升的主要原因，農(nóng)業(yè)灌溉用水量增加是地下水位降低的重要影響因素，而蒸發(fā)量增加在一定程度上抑制了地下水位抬升。壩區(qū)地下水位受農(nóng)業(yè)灌溉的影響不及下游大。

4 結(jié) 論

（1）淤地壩下游監(jiān)測井地下水位年最大變幅為1.82 m左右，地下水位呈下降趨勢。淤地壩壩區(qū)監(jiān)測井地下水位變化較小，年最大變幅為1.27 m左右，地下水位呈上升趨勢。

（2）汛期淤地壩下游和淤地壩壩區(qū)地下水位分別回升0.81 m和0.84 m，但淤地壩下游地下水位仍呈下降趨勢。非汛期淤地壩下游地下水埋深由5.84 m減小到5.34 m，地下水位有所回升;壩區(qū)地下水埋深由7.34 m增大到7.46 m，地下水位略有下降。

（3）淤地壩壩區(qū)地下水位比下游地下水位高7.51 m，淤地壩壩區(qū)地下水補(bǔ)給壩下游地下水。兩者地下水位差值非汛期大于汛期，進(jìn)一步說明壩區(qū)地下水補(bǔ)給壩下游地下水。

（4）淤地壩下游地下水位變化基本上遵循降水量增加地下水位抬升的規(guī)律，形成高峰（非雨季）與低谷（雨季），雨季過后水位逐步回升，且降雨補(bǔ)充地下水具有明顯的時滯性。淤地壩下游及壩區(qū)地下水位變化是降水入滲補(bǔ)給、蒸發(fā)排泄、農(nóng)業(yè)灌溉等多種因素綜合作用的結(jié)果，農(nóng)業(yè)灌溉是地下水位變化的重要影響因素，其對淤地壩下游地下水位的影響大于對壩區(qū)的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1] LI B， LIANG Z， ZHANG J， et al. Attribution Analysis of Runoff Decline in a Semiarid Region of the Loess Plateau， China[J].Theoretical and Applied Climatology，2018，131（1-2）：845-855.

[2] HASHEMI A， GHAZARIYAN S. The Effect of Sedimentation in Rock Check Dam Reservoirs on the Peak of Flood in Small Watersheds[J].European Journal of Nuclear Medicine & Molecular Imaging， 2014，39（S）：386-387.

[3] YAZDI J. Check Dam Layout Optimization on the Stream Network for Flood Mitigation： Surrogate Modelling with Uncertainty Handling[J].Hydrological Sciences Journal， 2017，62（10）：1669-1682.

[4] 高云飛，郭玉濤，劉曉燕，等.黃河潼關(guān)以上現(xiàn)狀淤地壩攔沙作用研究[J].人民黃河，2014，36（7）：97-99.

[5] 高海東，賈蓮蓮，李占斌，等.基于圖論的淤地壩對徑流影響的機(jī)制[J].中國水土保持科學(xué)，2015，13（4）：1-8.

[6] CALLOW J N， SMETTEM K R. The Effect of Farm Dams and Constructed Banks on Hydrologic Connectivity and Runoff Estimation in Agricultural Landscapes [J].Environmental Modelling & Software，2009，24： 959-968.

[7] 吳凱，殷會娟，何宏謀，等.基于水文連通特征的黃土高原淤地壩系[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報，2020，28（3） ：717-726.

[8] 袁水龍，李占斌，李鵬，等.基于MIKE模型的不同淤地壩型組合情景對小流域侵蝕動力和輸沙量的影響[J].水土保持學(xué)報，2019，33（4）：30-36.

[9] 畢慈芬，鄭新民，李欣，等.黃土高原淤地壩建設(shè)對水環(huán)境的調(diào)節(jié)作用[J].人民黃河，2009，31（11）：85-86.

[10] HUANG T M，PANG Z H， EDMUNDS W M. Soil Profile Evolution Following Land-Use Change： Implications for Groundwater Quantity and Quality[J].Hydrological Processes，2013，27（8） ：1238-1252.

[11] GAO Z， ZHANG L， CHENG L， et al. Groundwater Storage trends in the Loess Plateau of China Estimated from Streamflow Records[J].Journal of Hydrology，2018，53（1）：281-290.

[12] LIANG W， BAI D， WANG F， et al. Quantifying the Impacts of Climate Change and Ecological Restoration on Streamflow Changes Based on a Budyko Hydrological Model in Chinas Loess Plateau[J].Water Resources Research， 2015，51（8）：6500-6519.

[13] 綦俊諭，蔡強(qiáng)國，方海燕，等.岔巴溝流域水土保持減水減沙作用[J].中國水土保持科學(xué)，2010，8（1）：28-33.