內(nèi)蒙古臨河區(qū)地下水補徑排特征及動態(tài)變化規(guī)律

楊志巖， 孫 標， 李元杰， 丁慧君

(1.內(nèi)蒙古地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院,呼和浩特 010020;2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學水利與土木建筑工程學院,呼和浩特 010018)

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內(nèi)蒙古臨河區(qū)地下水補徑排特征及動態(tài)變化規(guī)律

楊志巖1， 孫 標2， 李元杰1， 丁慧君1

(1.內(nèi)蒙古地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院,呼和浩特 010020;2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學水利與土木建筑工程學院,呼和浩特 010018)

查明地下水的補給、徑流、排泄特征及動態(tài)變化規(guī)律，可為地下水資源開發(fā)與保護提供科學依據(jù)。通過長期觀測內(nèi)蒙古臨河區(qū)地下水變化，綜合研究前人資料，分析該區(qū)地下水補給、徑流和排泄特征及動態(tài)變化規(guī)律。該區(qū)屬于河套灌區(qū)，人類灌溉活動對地下水的補給占全部補給量的65.5%； 人工開采及排干溝排泄等人為因素排泄占排泄總量的67.7%。通過分析該區(qū)年內(nèi)地下水動態(tài)變化趨勢，認為該區(qū)灌溉區(qū)地下水位動態(tài)與灌溉活動一致，城區(qū)地下水位動態(tài)主要受人工開采活動影響。

地下水； 補給； 徑流； 排泄； 動態(tài)變化； 內(nèi)蒙古臨河

0 引言

內(nèi)蒙古河套灌區(qū)是黃河中游的大型引黃灌區(qū)，是中國設計灌溉面積最大的灌區(qū)，位于內(nèi)蒙古自治區(qū)西部的巴彥淖爾盟。河套灌區(qū)傳統(tǒng)的“秋后淋鹽、春季保墑”的特殊灌溉及排泄制度[1]對臨河區(qū)地下水具有顯著影響。目前河套地區(qū)地下水的研究大多關注砷超標[2-5]、土壤鹽分運移[6-9]等環(huán)境問題，對地下水的補給、徑流、排泄特征及動態(tài)變化等尚未進行研究。本文通過分析臨河區(qū)地下水補給、徑流、排泄特征，根據(jù)長期監(jiān)測的地下水變化資料，探討該區(qū)地下水的動態(tài)變化規(guī)律，以期為該區(qū)地下水開發(fā)與保護提供參考。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理概況

臨河區(qū)位于河套平原腹地，屬于河套灌區(qū)(圖1)，中溫帶干旱—半干旱大陸性氣候，四季變化明顯。該區(qū)降水量少，蒸發(fā)量大，風大沙多，無霜期短，晝夜溫差大，日照時間長。氣象資料顯示，該區(qū)多年平均降水量為145.95 mm，多集中在7—9月； 多年平均蒸發(fā)量為2 183 mm； 凍土層厚度為100～138 cm。

圖1 研究區(qū)地理位置Fig.1 Location of the study area

該區(qū)面積約1 400 km2，地勢自西南向東北微傾，開闊平坦，局部有一定起伏，形成崗丘和洼地。黃河是研究區(qū)內(nèi)唯一的長年地表水流，是河套平原農(nóng)田灌溉的主要水源。研究區(qū)內(nèi)干、支、斗、農(nóng)、毛各級人工渠系縱橫分布，渠系滲漏及農(nóng)田灌溉補給地下水。由于灌溉不合理，地下水中的鹽分沿土壤毛管孔隙上升并在地表積累，研究區(qū)普遍存在土地鹽漬化現(xiàn)象[9]。

1.2 水文地質(zhì)概況

研究區(qū)所在的河套平原為形成于中生代的斷陷盆地。盆地內(nèi)沉積巨厚的第四系，厚度達數(shù)千米，主要由沖湖積粉砂、粉細砂、細砂、中砂互層組成。淺層地下水含水層由上更新統(tǒng)至全新統(tǒng)組成，巖性為黃褐、灰褐色中細砂、粉細砂，局部粉土夾層，結構松散，分選均勻。頂部大部分為粉土，局部有黏性土覆蓋層，形成“上細下粗”的二元結構，為潛水-微承壓水含水層。該含水層厚度大，分布穩(wěn)定，埋深淺，地下水補給條件好，水質(zhì)佳，供水意義較好[10-12](圖2，圖3)。

圖2 研究區(qū)富水性分區(qū)及水文地質(zhì)剖面位置圖Fig.2 Distribution of hydrogeological sections and water rich zone in the study area

圖3 研究區(qū)水文地質(zhì)剖面圖Fig.3 Hydrogeological sections in the study area

2 地下水補、徑、排特征

研究區(qū)引黃灌溉、開挖排水溝及對地下水的開采利用等人為活動改變了地下水天然補、徑、排條件。人為活動已成為該區(qū)地下水補給的主導因素，地下水補給量的大小受人為活動控制。本文研究時段為2012年5月1日至2013年4月30日，計算面積約為1 400 km2(圖2)。計算依托在巴彥淖爾市杭錦后旗建立的包氣帶水鹽運移試驗場[13]，通過長期試驗觀測，獲取降水入滲系數(shù)、蒸發(fā)系數(shù)及灌溉入滲系數(shù)等。

2.1 地下水補給特征

引黃灌溉水入滲對研究區(qū)地下水的補給作用突出，其包括渠道行水過程中渠道滲漏與灌溉水進入田間后的入滲。灌溉期從2012年5月上旬至11月中旬，地下水動態(tài)嚴格受灌溉控制。張志杰等[14]通過試驗及模擬計算，得出灌溉入滲補給地下水系數(shù)為0.15～0.3，入滲補給量與灌溉水量直接相關。大氣降水入滲補給地下水是該區(qū)地下水的補給源之一。大氣降水主要集中在7月、8月和9月，此期間正是灌溉期，地下水位埋深一般<2 m，表層土滲透性較好，為大氣降水入滲創(chuàng)造了良好條件。由野外滲水試驗[12]可知，該區(qū)表層土滲透系數(shù)一般為0.18～0.65 m/d，入滲補給較容易。

降水入滲系數(shù)： 結合以往降水入滲數(shù)據(jù)，對臨河地區(qū)降水入滲系數(shù)進行校正，根據(jù)巖性及埋深不同，降水入滲系數(shù)取值范圍為0.07～0.42。

給水度： 以樣品測定值為基礎，參考地下水動態(tài)資料，水位變動帶巖性、水位變動帶沉積環(huán)境等水文地質(zhì)條件，綜合得出研究區(qū)的給水度范圍為0.14～0.18。

渠道入滲補給量： 參考內(nèi)蒙古自治區(qū)水事監(jiān)理服務中心《內(nèi)蒙古巴彥淖爾市臨河區(qū)水資源調(diào)查與評價報告》中關于臨河區(qū)灌域渠系滲漏模數(shù)的相關試驗數(shù)據(jù)。

灌溉入滲系數(shù)： 以2010—2011年在杭錦后旗實驗場獲取的粉土、粉質(zhì)黏土、粉砂在0.5 m、1 m、1.5 m、2 m、3 m的灌溉入滲系數(shù)為基礎，依據(jù)河套平原的灌溉方式、包氣帶巖性、水位埋深等，灌溉入滲系數(shù)取值范圍為0.132～0.385。

滲透系數(shù)： 對研究區(qū)7個雙孔孔組(1抽水孔+1觀測孔)和1個多孔孔組(1抽水孔+7觀測孔)進行非穩(wěn)定流抽水試驗，得出取值范圍為5～10 m/d。

通過計算得出研究區(qū)地下水補給量見表1。

表1 研究區(qū)地下水補給量表Tab.1 Groundwater recharge in the study area

2.2 地下水徑流特征

研究區(qū)地下水由西南流向東北。由于地形平坦，含水巖組巖性顆粒較細，地下水徑流滯緩，其水力坡度為0.1‰～0.15‰，滲透系數(shù)為5.20～16.61 m/d[10]。近年來，由于地下水開采量的增加，臨河市區(qū)及附近逐漸形成地下水降落漏斗，漏斗分布面積在2013年枯水位期時達153.72 km2。臨河地下水降落漏斗的形成，導致地下水流向發(fā)生變化，漏斗中心水位較周圍低5～6 m，漏斗中心水力坡度達2.0‰。在漏斗區(qū)，地下水流向漏斗中心。由于總干渠渠底低于地下水位2～3 m，研究區(qū)總干渠周圍地下水排向總干渠，在流經(jīng)臨河區(qū)段，與臨河漏斗連成一片，此段總干渠水也滲向漏斗。地下水水動力條件的變化加速了該區(qū)地下水的循環(huán)(圖4)。

圖4 城區(qū)漏斗流場Fig.4 Funnel flow field of groundwater in urban areas

2.3 地下水排泄特征

該區(qū)地下水排泄主要有以下4個途徑。

(1) 蒸發(fā)排泄。淺層地下水蒸發(fā)量計算式為：

Q蒸發(fā)=C×F×ε0×10-5

(1)

式中：Q蒸發(fā)為淺層地下水蒸發(fā)量，108m3/a；C為潛水蒸發(fā)系數(shù)；F為計算區(qū)面積，km2；ε0為水面實際蒸發(fā)強度，mm/a，水面蒸發(fā)觀測數(shù)據(jù)乘以折算系數(shù)0.62(根據(jù)《內(nèi)蒙古自治區(qū)水資源利用調(diào)查評價》)，轉換成E601型蒸發(fā)皿水面蒸發(fā)值。

將全年分為灌溉期和非灌溉期，通過計算獲得灌溉期淺層地下水蒸發(fā)量為0.79×108m3/a，非灌溉期淺層地下水蒸發(fā)量為0.13×108m3/a，研究區(qū)全年淺層地下水蒸發(fā)量為0.92×108m3/a。

(2) 人工開采。城區(qū)范圍由于工業(yè)和生活用水的需要，集中開采地下水，已逐漸形成較穩(wěn)定的降落漏斗(圖4)。本次調(diào)查結果顯示集中供水水源現(xiàn)狀開采量約為0.202×108m3/a。

(3) 排水溝排泄。為降低地下水位，河套平原修建排水溝系統(tǒng)工程以達到改土治堿的目的。排水溝具有一定的排泄地下水的作用。

(4) 側向流出。研究區(qū)有一定流量向北及東北方向側向流出，根據(jù)均衡分析，研究時段內(nèi)該區(qū)地下水側向排泄量為0.027×108m3/a。

研究區(qū)地下水各項排泄量見表2。

表2 研究區(qū)地下水各項排泄量Tab.2 Groundwater drainage in the study area

綜上所述，研究區(qū)地下水的補、徑、排條件主要受人為因素控制。地下水的補給主要是人為引黃灌溉水的入滲，其補給量的大小由人為控制。由于該區(qū)地下水徑流滯緩，埋深淺，加之蒸發(fā)強烈，該區(qū)地下水主要通過潛水蒸發(fā)和排溝排泄，部分為人工開采。

3 地下水動態(tài)變化規(guī)律

本次工作在研究區(qū)共布置42個長觀點，觀測序列從2012年4月中旬至2013年4月下旬，獲得的地下水水位觀測資料總體反映了研究區(qū)地下水水位年內(nèi)的變化趨勢。該區(qū)地下水動態(tài)變化分為灌溉入滲-蒸發(fā)型和開采型2種類型。

3.1 灌溉入滲-蒸發(fā)型

研究區(qū)內(nèi)沿用傳統(tǒng)的灌溉方法，每年4月開始春澆，至5月結束。因此，地下水位從4月底開始逐漸升高，5月底達到峰值后水位開始回落，6—8月短暫放水灌溉農(nóng)田導致地下水位小幅波動。9月底至10月是傳統(tǒng)的秋澆，地下水位11月達到最高值。12月至次年4月枯水期水位逐漸下降，至3月底4月初降至最低值。研究區(qū)現(xiàn)狀年地下水位動態(tài)曲線及蒸發(fā)量變化如圖5所示，由于現(xiàn)狀年6月初降雨量過大，導致地下水位在6—7月略有升高。

圖5 灌溉區(qū)地下水位動態(tài)曲線(灌溉入滲-蒸發(fā)型)Fig.5 Dynamic curve of groundwater level in irrigated areas(irrigation infiltration-evaporation type)

由圖5可知，地下水位的變化與人類灌溉活動密切相關； 根據(jù)臨河氣象站提供的蒸發(fā)數(shù)據(jù)，通過前述分析的研究區(qū)排泄量結果(表2)可知，該區(qū)蒸發(fā)排泄占排泄總量的31.43%。4—10月蒸發(fā)量所占比重較大，這段時間內(nèi)如果沒有農(nóng)田灌溉(6—8月)，地下水位將緩慢下降，11—3月(來年)灌溉區(qū)幾乎沒有地下水開采活動，地下水位將隨著潛水的蒸發(fā)而緩慢下降。

3.2 開采型

臨河城區(qū)地下水位動態(tài)受城區(qū)地下水開采、降水、蒸發(fā)以及側向補給影響，動態(tài)曲線與灌溉區(qū)地下水位動態(tài)(灌溉入滲-蒸發(fā)型)不同。城區(qū)地下水位動態(tài)曲線與地下水開采量對比如圖6所示，由于現(xiàn)狀年6月臨河區(qū)降雨量達80 mm(圖5)，導致地下水位標高提升，其他時間段地下水位標高基本隨地下水開采量的增加而降低，隨地下水開采量的減少而升高。

圖6 城區(qū)地下水位動態(tài)曲線(開采型)及地下水開采量對比Fig.6 Dynamic curve of groundwater level (mining type) and groundwater exploitation in urban areas

4 結論

(1) 人為因素對內(nèi)蒙古臨河區(qū)地下水補給、徑流、排泄具有控制作用，引黃灌溉對地下水的補給占全部地下水補給量的65.5%，人工開采及排干溝排泄等人為因素排泄占排泄總量的67.7%。

(2) 灌溉區(qū)和城區(qū)地下水年內(nèi)動態(tài)變化趨勢不同，灌溉區(qū)(灌溉入滲-蒸發(fā)型)地下水位動態(tài)曲線變化與灌溉活動一致，城區(qū)(開采型)受灌溉和降雨影響較小，主要與人類地下水開采活動有關。

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[12]中國地質(zhì)科學院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所,內(nèi)蒙古地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院.河套盆地地下水資源及其環(huán)境問題調(diào)查評價成果報告(1∶25萬)[R].2013.

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(責任編輯： 劉永權)

Characterization of groundwater recharge, runoff and drainage and their dynamic changes in Linhe, Inner Mongolia

YANG Zhiyan1, SUN Biao2, LI Yuanjie1, DING Huijun1

(1.InnerMongoliaGeologicalEnvironmentMonitoring,Hohhot010020,China;2.InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Hohhot010018,China)

We have identified groundwater recharge, runoff , drainage characteristics and dynamic variation, and provided a reliable scientific basis for the development and protection of groundwater resources. Based on the long-term observation data and collecting research data of Linhe groundwater, we analyzed the regional groundwater recharge, runoff and drainage characteristics and influencing factors. The study area belongs Hetao irrigation area and human irrigation activities accounted for 65.5% of all replenishment. Human exploitation and drains ditches or other human activities accounted for 67.7% of all excretion. In addition, we studied the changing trends of groundwater level in the study area, and concluded that dynamic changes of groundwater level were consistent with irrigation activities in irrigation district. Dynamic changes of urban groundwater level were mainly affected by human exploitation.

groundwater; recharge; runoff; drainage; dynamic changes; Linhe, Inner Mongolia

楊志巖，孫標，李元杰，等.內(nèi)蒙古臨河區(qū)地下水補徑排特征及動態(tài)變化規(guī)律[J].中國地質(zhì)調(diào)查,2016,3(6): 63-67.

2016-03-29；

2016-07-12。

內(nèi)蒙古自治區(qū)地質(zhì)勘查項目“內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市臨河區(qū)地下水資源綜合評價(編號： 2011-2-SK5)”資助。

楊志巖(1983—)，女，工程師，碩士，主要從事水文地質(zhì)研究。Email: yangzhiyan110@163.com。

P641.1

A

2095-8706(2016)06-0063-05