典型草原區(qū)河谷帶地下水位對水均衡要素變化的響應(yīng)

賈利民，廖梓龍,2，龍胤慧，梁文濤，韓振華

(1.水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所，呼和浩特 010020;2.中國水利水電科學(xué)研究院水資源所, 北京 100038)

位于內(nèi)蒙古中部的典型草原區(qū)干旱少雨，蒸發(fā)強(qiáng)烈，生態(tài)環(huán)境脆弱。受降水和徑流條件的制約，地表水資源可利用量有限，地下水成為該區(qū)域生產(chǎn)、生活和生態(tài)最重要的供水水源[1,2]。錫林河流域下游河谷帶是其中的典型代表，隨著錫林浩特市經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和城市化水平的提高，城市供水將仍以消耗地下水，通過不斷增加水位降深，擴(kuò)大開采范圍來增加開采量，滿足日益增長的需水要求。

在氣候干暖化背景下，地下水位與降水量、蒸發(fā)量和開采量等水均衡要素間的相關(guān)關(guān)系更加顯著[3,4]，水資源緊缺與水環(huán)境惡化形式也日趨嚴(yán)峻，地下水可持續(xù)供水能力成為學(xué)者和社會(huì)廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)[5,6]。作為衡量地下水系統(tǒng)儲(chǔ)變量變化的最直觀指標(biāo)，地下水位對水均衡要素變化的響應(yīng)關(guān)系研究取得了一系列成果，如方樟通過地下水?dāng)?shù)值模擬模型確定了研究區(qū)不同地區(qū)代表性監(jiān)測井的地下水控制性管理水位及閾值[7]；翟遠(yuǎn)征等采用水均衡理論和水位動(dòng)態(tài)均衡法，對北京市平原區(qū)地下水位與補(bǔ)給量、排泄量均衡要素之間的時(shí)間變化規(guī)律及相互關(guān)系進(jìn)行了分析[8]；采用水均衡法劃定了地下水安全開采控制水位[9]。本文在上述研究成果的基礎(chǔ)上，分析以錫林河流域下游河谷帶為代表的典型草原區(qū)地下水位對水均衡動(dòng)態(tài)要素的響應(yīng)規(guī)律，勢必為解決地下水可持續(xù)利用與生態(tài)環(huán)境安全提供技術(shù)依據(jù)。

1 原理與方法

根據(jù)水均衡原理，地下水系統(tǒng)其內(nèi)部任一時(shí)段的補(bǔ)給量(Q補(bǔ))和排泄量(Q排)之差等于含水層中孔隙水體積的變化量(ΔQ)。均衡方程及均衡項(xiàng)如下[3]：

地下水均衡方程：

∑Q補(bǔ)-∑Q排=ΔQ

(1)

儲(chǔ)變量：

ΔQ=Δh·μ·F/100

(2)

式中：Q補(bǔ)為淺層地下水補(bǔ)給量，億m3/a；Q排為淺層地下水排泄量，億m3/a；ΔQ為均衡時(shí)段內(nèi)單項(xiàng)儲(chǔ)存量變化，億m3/a；Δh為淺層地下水水位變幅，m；μ為淺層地下水變幅帶給水度；F為均衡區(qū)面積，km2。

在水文地質(zhì)單元內(nèi)，不論來自于哪一個(gè)補(bǔ)給項(xiàng)和排泄項(xiàng)的貢獻(xiàn)，地下水位上升或下降是由降水和開采量間變化的直接結(jié)果。因此，本文基于統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，從水均衡公式出發(fā)，建立水位與降水量、水位與單位開采量的相關(guān)性分析以及水位與降水量、單位開采量的多元回歸擬合，并根據(jù)方程中降水量和單位開采量的權(quán)重系數(shù)量化其對地下水位的影響程度。

(3)

式中：f(·)表示關(guān)于某變量的函數(shù)；P為降水量，mm；Q為單位面積地下水開采量，mm；A、B、C為待定系數(shù)，D為待定常數(shù)，通過歸一化待定系數(shù)可分別計(jì)算地下水位對降水量變化、開采量變化、降水和開采共同變化的響應(yīng)。

2 研究區(qū)概況

錫林河屬于內(nèi)陸河，發(fā)源于赤峰市克什克騰旗的敖倫諾爾和呼倫諾爾，從東向西流入錫林浩特市，在錫林河水庫以下河流潛入地下，最后匯入查干諾爾沼澤地自然消失，全長268.1 km，流域面積10 542 km2，其中赤峰境內(nèi)701 km2，地形以山丘為主；錫林浩特境內(nèi)9 841 km2，地形由東向兩側(cè)山丘向河谷傾斜。多年平均降水量200～350 mm，屬于半干旱區(qū)。

錫林河流域是一個(gè)以牧草地為主體土地類型的區(qū)域，草原面積占流域面積的89.55%，其中典型草原占草原面積的80.3%，其余為低平地草甸草原和草甸草原。生態(tài)雖然在近些年來有所改善，但仍有45%的典型草原發(fā)生不同程度的退化，主要發(fā)生于下游河谷帶錫林浩特市城市規(guī)劃區(qū)周邊。

3 水均衡分析

3.1 基本情況分析

錫林河流域地表水資源十分匱乏，地下水是該區(qū)域最主要的供水水源。第四系松散沉積物廣泛分布于錫林河谷沖積平原區(qū)和丘間溝谷洼地中。在氣候干暖化背景下，以降水、蒸發(fā)和人類開采為主的水均衡要素在時(shí)空尺度上非一致變化影響了典型草原區(qū)河谷帶地下水資源的可持續(xù)性。

研究區(qū)域內(nèi)地下水流向由東南向西北，東西邊界山區(qū)帶與水流方向垂直，含水層巖性以粉細(xì)砂、細(xì)砂、中細(xì)砂為主，砂礫石次之，并夾有多層黏土和粉質(zhì)黏土，與第四系上更新統(tǒng)沖洪積砂礫石構(gòu)成統(tǒng)一的含水體，厚度一般為2～5 m，最厚可達(dá)70余m，富水性具有明顯分帶性，從中部的1 000～3 000 m3/d向兩側(cè)遞減至100 m3/d。圖1為研究區(qū)基本情況，表1為觀測井基本情況。

圖1 研究區(qū)概況

編號名稱經(jīng)度緯度開采類型1農(nóng)場三隊(duì)井116°4′28″43°57′55″農(nóng)作物灌溉2烏蘭圖噶煤礦井116°1′17″43°59′30″煤礦開采3飼草料基地井116°6′21″44°0′46″飼草料作物灌溉4奶牛場井116°3′37″43°59′8″牲畜飲水井5一棵樹水源井116°4′10″43°55′7″城鎮(zhèn)集中供水井

3.2 水均衡要素分項(xiàng)計(jì)算

研究區(qū)主要補(bǔ)給項(xiàng)為大氣降水入滲補(bǔ)給、側(cè)向徑流補(bǔ)給、井灌回歸補(bǔ)給，排泄項(xiàng)包括人工開采、蒸發(fā)和側(cè)向排泄。通過均衡計(jì)算統(tǒng)計(jì)各均衡項(xiàng)，如表2所示。

表2 錫林河下游河谷平原中心帶水均衡項(xiàng)計(jì)算結(jié)果 萬m3

從表2可以看出，錫林河流域地下水系統(tǒng)處于多年平均負(fù)均衡狀態(tài)(1980-2014年)，降水入滲補(bǔ)給是地下水系統(tǒng)最主要的補(bǔ)給源，占總補(bǔ)給量的90%左右；隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，地下水開采量由20世紀(jì)80年代的年均864.35萬m3增加至近五年(2010-2014年)的年均2 898.45萬m3，開采量增加導(dǎo)致大部分區(qū)域地下水位降至臨界蒸發(fā)深度以下，人工開采已取代蒸發(fā)成為地下水系統(tǒng)最大的排泄項(xiàng)。

此外，與歷史各個(gè)時(shí)期相比，近幾年錫林河流域開始進(jìn)入降水偏豐周期，但地下水“入不敷出”的情況愈加明顯，過量的地下水開采需求只能通過消耗地下水儲(chǔ)蓄量來實(shí)現(xiàn)。

4 地下水位對水均衡要素動(dòng)態(tài)變化的響應(yīng)

4.1 水位與降水量的關(guān)系

根據(jù)圖2不同監(jiān)測井水位變化與降水量變化相關(guān)性分析可知，降水量年際變化呈波浪形起伏變化，年均降水量總體上近幾年都在220～400 mm范圍內(nèi)上下波動(dòng)，而地下水埋深呈逐年增加的趨勢，其中飼草料基地井與烏蘭圖噶煤礦井水位下降最為明顯。各個(gè)觀測井對降水時(shí)序變化的響應(yīng)差異較大，飼草料基地井與農(nóng)場三隊(duì)井地下水位變幅與降水豐枯交替呈的負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明這兩眼井所在區(qū)域地下水位對降水較為敏感，其他觀測井水位變幅與降水的一致性關(guān)系在2003年以前較為明顯，說明這些區(qū)域降水對地下水的影響程度在逐漸減小。

圖2 各個(gè)觀測井地下水埋深與降水量的變化趨勢

4.2 水位與開采量的關(guān)系

從圖3可以看出，各個(gè)觀測井水位埋深與開采量之間存在明顯的正相關(guān)關(guān)系，其中作為城鎮(zhèn)集中供水的一棵樹水源地相關(guān)系數(shù)最高，為0.94；農(nóng)場三隊(duì)相關(guān)系數(shù)最低，為0.54；各觀測井的擬合關(guān)系有所不同，一棵樹水源地和飼草料基地以線性關(guān)系為主，農(nóng)場三隊(duì)和奶牛場的對數(shù)擬合關(guān)系較好，而烏蘭圖噶煤礦井主要表現(xiàn)為指數(shù)響應(yīng)關(guān)系；從水位-開采量關(guān)系曲線變化趨勢來看，隨著地下水開采量增加，農(nóng)場三隊(duì)、飼草料基地和奶牛場的水位響應(yīng)最明顯(即斜率較小)，這與水均衡計(jì)算中農(nóng)業(yè)用水量占總用水量的50%以上是一致的，說明農(nóng)牧業(yè)不合理的快速發(fā)展是制約當(dāng)?shù)氐叵滤沙掷m(xù)開發(fā)利用的主因。

4.3 補(bǔ)排關(guān)系非均衡變化對地下水位的影響

由于降水時(shí)序變化的不確定性及包氣帶厚度增加，導(dǎo)致降水入滲補(bǔ)給量與開采量之間的線性關(guān)系較差，但從二者的年際變化來看，又具有一定的相似規(guī)律，若在作物生長期降水強(qiáng)度較小、降水歷時(shí)較短，則灌溉開采量則相應(yīng)增加，如飼草料作物灌溉量近幾年的降水量與開采量間的相關(guān)關(guān)系呈此消彼長的態(tài)勢。對比降水量和開采量的時(shí)序變化規(guī)律，還會(huì)發(fā)現(xiàn)農(nóng)灌區(qū)在枯水時(shí)段二者變幅不同，即降水減少幅度遠(yuǎn)沒有開采增幅大，這說明局部地下水主采區(qū)(如井灌集中區(qū))地下水系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)非均衡變化。圖4為降水量和開采量關(guān)系。

在最嚴(yán)格水資源管理制度背景下，近幾年錫林河平原城鎮(zhèn)規(guī)劃區(qū)附近地下水開采總量得到了有效控制，與降水補(bǔ)給量相比，開采量具有季節(jié)性和持續(xù)性的特點(diǎn)，季節(jié)性主要體現(xiàn)在農(nóng)灌期作物生長期集中開采，工業(yè)開采和煤礦疏干量只在冷季和暖季有所差別，但開采持續(xù)時(shí)間較長。從圖2可以看出，同類型區(qū)的地下水觀測井也有相似的規(guī)律，農(nóng)灌區(qū)地下水位在作物出苗以后開始持續(xù)下降，而刈割后水位開始回升(如飼草料基地觀測井和農(nóng)場三隊(duì)觀測井)，煤礦開采區(qū)地下水位在10月前后處于不同的高度，但這兩個(gè)時(shí)期內(nèi)的水位變幅都相對平緩(如烏蘭圖噶煤礦井)。

圖3 各觀測井地下水埋深與用水量相關(guān)關(guān)系

圖4 降水量與各項(xiàng)開采量的關(guān)系

基于統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，根據(jù)方程(3)確定多元回歸方程，在待定系數(shù)歸一化的基礎(chǔ)上量化地下水位對降水量變化、開采量變化與降水量和開采量共同變化的響應(yīng)程度。

從表3可以看出，農(nóng)作物大棚種植區(qū)(農(nóng)場三隊(duì)井)主要受降水量與開采量共同作用，響應(yīng)程度為51.16%，飼草料基地受開采量影響最大，達(dá)到60.71%，同為灌溉用水，但二者主控因子不同，原因可能是開采方式不合理，農(nóng)作物大棚種植區(qū)種植方式以分散式為主，且規(guī)模較小，飼草料基地主要為集中、連片開采，而從地下水富水性來看，農(nóng)場三隊(duì)所在區(qū)域單井出水量均大于1 000 m3/d，而飼草料基地水源井所在水文地質(zhì)單元單井出水量在500～1 000 m3/d，可見灌溉飼草料地布局與水資源承載能力是不相適應(yīng)的，壓減灌溉飼草料地規(guī)模、調(diào)整集中連片布局為分散式利用是解決這一矛盾的主要途徑。

烏蘭圖噶煤礦井地下水位對各因子的響應(yīng)程度基本一致，這表明采煤區(qū)地下水位的響應(yīng)過程相對復(fù)雜，難以用單一類型因子來解釋。牲畜養(yǎng)殖場(奶牛場井)和城鎮(zhèn)集中供水水源地(一棵樹水源井)的地下水位受降水量和開采量的共同控制，響應(yīng)程度均在40%以上，說明根據(jù)降水情景制定相應(yīng)的水資源開發(fā)利用方案對落實(shí)最嚴(yán)格的水資源管理制度意義重大。

表3 多元回歸方程與地下水位響應(yīng)程度計(jì)算

5 結(jié) 論

錫林河流域地下水系統(tǒng)處于多年平均負(fù)均衡狀態(tài)(1980-2014年)，降水是最主要的補(bǔ)給源，占總補(bǔ)給量的90%左右；隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，人工開采已取代蒸發(fā)成為地下水系統(tǒng)最大的排泄項(xiàng)。近幾年錫林河流域開始進(jìn)入降水偏豐周期，但地下水“入不敷出”的情況愈加明顯，過量的地下水開采需求只能通過消耗地下水儲(chǔ)蓄量來實(shí)現(xiàn)。

降水量年際變化呈波浪形起伏變化，而地下水埋深呈逐年增加的趨勢，各個(gè)觀測井對降水時(shí)序變化的響應(yīng)差異較大，其中飼草料基地井與農(nóng)場三隊(duì)井地下水位變幅對降水較為敏感。

水位埋深與開采量之間存在明顯的正相關(guān)關(guān)系，從水位-開采量關(guān)系曲線變化趨勢來看，隨著地下水開采量增加，農(nóng)場三隊(duì)、飼草料基地和奶牛場的水位響應(yīng)最明顯。

基于統(tǒng)計(jì)學(xué)方法的多元回歸分析表明，農(nóng)作物大棚種植區(qū)(農(nóng)場三隊(duì)井)單井出水量均大于1 000 m3/d，主要受降水量與開采量共同作用，響應(yīng)程度為51.16%；飼草料基地單井出水量在500～1 000 m3/d，受開采量影響最大，達(dá)到60.71%，因此灌溉飼草料地布局與水資源承載能力是不相適應(yīng)的，壓減灌溉飼草料地規(guī)模、調(diào)整集中連片布局為分散式利用是解決這一矛盾的主要途徑。

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