魯西北平原地下水補給空間演化規(guī)律

譚秀翠，王 剛，王華敬，董 潔

(山東農(nóng)業(yè)大學水利土木工程學院，山東 泰安 271018)

地下水補給是地下水運動、排泄、交替的主導因素，是地下水資源評價的重要組成部分[1]，在分析水文循環(huán)規(guī)律、合理制定水資源規(guī)劃及地下水可持續(xù)開采方案中是不可或缺的參數(shù)[2]。隨著人類活動的干擾，地下水位劇烈變化，城市面積不斷擴張，灌溉農(nóng)業(yè)迅速發(fā)展，農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整，使得地下水補給過程越加復雜，在水資源短缺的現(xiàn)狀下，為實現(xiàn)地下水對生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟的最優(yōu)支持，有必要對地下水的補給規(guī)律進行量化研究[3]。目前，地下水補給量的評價方法較多，在小尺度上，開展點位試驗或現(xiàn)場觀測，有示蹤法[4,5]，通量法[6]，地下水位波動法[7,8]，數(shù)值模擬[9,10]等，在大尺度上，數(shù)值模擬方法計算受各類輸入?yún)?shù)精度的制約，部分研究采用基于GIS的簡化物理模型，根據(jù)幾個主要影響因子估算區(qū)域的地下水補給量[11,12]，或結(jié)合遙感數(shù)據(jù)進行計算分析[13,14]，但對地下水補給空間演化的研究較少。本文采用改進的流域模型INFIL3.0計算魯西北平原地下水補給量，分析地下水補給的時空分布規(guī)律，并對人為因素影響下地下水補給的空間演化規(guī)律進行研究。

1 研究區(qū)域

魯西北平原位于山東省西北部，華北平原東南緣，黃河下游地區(qū)，面積約3.2萬km2，地理坐標為東經(jīng)115°19′～119°07′，北緯35°46′～38°16′，地理位置如圖1所示，地勢平坦開闊，自西南向東北地面高程逐漸降低。研究區(qū)屬于暖溫帶大陸性季風氣候區(qū)，多年平均氣溫11.7～14.0 ℃，多年平均降水量584 mm，多年平均蒸發(fā)量1 600～1 900 mm，區(qū)內(nèi)主要河流有馬頰河、徒駭河、德惠新河等[15]。平原淺部地層主要由黏土、粉質(zhì)黏土、粉土夾薄層粉砂組成，咸、淡水相間分布，淡水資源匱乏[16]，地下水和黃河水為該區(qū)的主要供水水源。魯西北平原大規(guī)模開采利用地下水始自20世紀70年代，地下水的大量消耗改變了天然條件下地下水自西南往東北的自然流場，受到局部地下水位降落漏斗影響，至2008年冠縣漏斗中心水位埋深23.67 m，寧津漏斗最低水位埋深15.3 m，德州漏斗中心水位埋深達143.9 m[17]。

圖1 山東省魯西北平原位置示意圖Fig.1 The location of the northwest plain of Shandong Province

2 研究方法

INFIL3.0[18]是美國地質(zhì)調(diào)查局開發(fā)的，早期版本的INFIL用于模擬計算內(nèi)華達州高放射性廢料存貯地的凈入滲水量。該模型是基于水量平衡方程的，分布式參數(shù)的流域模型，可計算根區(qū)層下的凈入滲水量的時空分布，水量平衡方程如下所示：

(1)

模型中設(shè)定根區(qū)層的下邊界為騰發(fā)作用在包氣帶的最大影響深度，通過該邊界的水量為凈入滲量，在地下水水位埋深大，包氣帶較厚的區(qū)域，常將根區(qū)層下水分運動產(chǎn)生的凈入滲量、排水量或滲漏量，直接作為地下水補給量[19,20]。本文就以凈入滲量表征地下水補給量，并進行空間演化分析。

INFIL3.0模型計算的主要程序模塊有：①DAYDIST，對已知的氣象站的降水、溫度等資料進行空間插值；②POTEVAP，采用Priestley Taylor公式計算潛在騰發(fā)量，為提高模型適用性，改為國內(nèi)較為常用的Penman Monteith公式；③SNOW，計算降雪、積雪量、融雪和升華等，本研究區(qū)未考慮該模塊；④ETINFIL，計算根區(qū)凈入滲量和實際騰發(fā)量，根區(qū)層的水量交換采用Jury提出的經(jīng)驗排水模型[21]來確定；⑤SWINFIL，徑流入滲及水量再分配。INFIL3.0模型計算流程如圖2所示。

圖2 INFIL3.0模型流程圖Fig.2 The flowchart of INFIL3.0 model

INFIL3.0的輸入水量中未考慮灌溉水量，因此，增加灌溉模塊以實現(xiàn)對灌溉水量的時空分布，采用ERDAS軟件對遙感影像進行非監(jiān)督分類，提取出弱透水面的空間分布[見圖3(a)]，這些區(qū)域灌溉水量為零。根據(jù)研究區(qū)的農(nóng)業(yè)灌溉用水定額及植被覆蓋度[見圖3(b)]確定灌溉水量的空間分布，見圖3(c)。POTEVAP模塊中采用植被覆蓋度計算實際騰發(fā)量，INFIL3.0中，植被覆蓋度設(shè)置定值，本文將其改為逐月變化。通過對INFIL3.0模型3個模塊的改進，提高了模型的適用性，將其應用在河北省石津灌區(qū)[22,23]及華北平原[24]，計算結(jié)果得到示蹤實驗的驗證，表明改進后的INFIL3.0模型適用于我國北方的平原區(qū)域，因此，本文采用INFIL3.0模型計算分析魯西北平原的地下水補給的空間演化規(guī)律。

圖3 魯西北平原輸入?yún)?shù)空間分布圖Fig.3 Spatial Distribution of Input Parameters in the northwest plain of Shandong Province

INFIL3.0模型的輸入?yún)?shù)主要分為3類：①氣象數(shù)據(jù)，資料來源于中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)；②含有屬性值的數(shù)字地圖，如高程圖、植被覆蓋度等來源于國際科學數(shù)據(jù)服務平臺；③其他控制文件，包括時間步長、初始條件、網(wǎng)格大小等內(nèi)容。魯西北平原計算起止時間為2001年1月1日至2009年12月31日，采用2001年的數(shù)據(jù)試算，消除模型初始設(shè)置的影響，模型計算網(wǎng)格大小為2 000 m×2 000 m，共計7 376個。模型運算中輸入文件16個，輸出文件9個，可根據(jù)研究區(qū)域模擬的實際情況設(shè)定不同的時空輸出。

3 結(jié)果分析

2001-2009年，魯西北平原輸入水量784 mm，地下水補給量105 mm，補給系數(shù)為0.13。年際間，地下水補給量與輸入水量呈現(xiàn)相同的變化趨勢，見圖4(a)，較大的輸入水量易產(chǎn)生較大的補給量，地下水補給量呈增加趨勢，但增加的幅度較小。在年內(nèi)[見圖4(b)]，地下水補給量有2個峰值，一個在4月，補給量為22 mm，占全年的21%，一個在10月，補給量為25 mm，占全年的23%。該區(qū)域在3月份會對小麥進行春灌，因此4月份的地下水補給源主要為灌溉水。研究區(qū)降水集中，6-9月的降水量占全年的70%以上，因此，10月份的地下水補給水源主要是雨季的降水，包氣帶對水流入滲有延遲滯后作用，因此2個補給峰值均存在滯后現(xiàn)象，延遲時間在1～3個月。

圖4 魯西北平原地下水補給時間分布Fig.4 Time distribution of Groundwater recharge in the northwest plain of Shandong Province

在空間上，魯西北平原地下水補給的分布差異較大，見圖5，在城鎮(zhèn)、村落等一些弱透水面區(qū)域，補給量小于50 mm，該區(qū)域的主要補給水源為降雨，因地表入滲條件差，大部分來水以徑流形式消耗，未形成明顯補給。在農(nóng)田等一些透水面區(qū)域，補給源除了降雨，還有灌溉，水量充足，在滿足作物生長消耗后，仍有部分水量可繼續(xù)入滲，并最終形成地下水補給。計算結(jié)果與以往研究成果[25]十分接近，空間分布規(guī)律一致，均呈現(xiàn)由西北向東南增大的趨勢，表明該模型在魯西北平原區(qū)地下水補給模擬有較好的適用性。

圖5 魯西北平原地下水補給空間分布Fig.5 Spatial distribution of Groundwater recharge in the northwest plain of Shandong Province

為分析魯西北平原地下水補給的空間變異性，將地下水補給與各水均衡要素進行空間統(tǒng)計分析，生成相關(guān)系數(shù)矩陣，結(jié)果見表1，可以看出，魯西北平原地下水補給量與補給系數(shù)空間分布與灌溉量相關(guān)度最高，相關(guān)系數(shù)達到0.9，表明地下水補給的空間變異性主要受灌溉量控制。

表1 地下水補給影響因素相關(guān)系數(shù)矩陣Tab.1 Correlation coefficient matrix of influencingfactors of groundwater recharge

4 空間演化分析

4.1 灌溉量影響分析

由魯西北平原地下水補給的時空分布可以看出，補給量的大小受灌溉量影響比較明顯。魯西北平原平均灌溉量為299 mm，為分析灌溉水量與地下水補給的演化關(guān)系，以299 mm為基準數(shù)據(jù)，按5種比例進行水量調(diào)整，分別計算現(xiàn)有灌溉水量的0.25、0.50、0.75、1.25、1.50倍水量情況下，魯西北平原地下水補給的空間分布情況，弱透水面區(qū)域的灌溉水量為零，計算結(jié)果見圖6。

可以看出，在空間上，隨著灌溉量的增加，補給量增加，由于在輸入水量中僅調(diào)整了灌溉量，因此，地下水補給的變化均是由灌溉量的變化引起的，對灌溉變化量與補給變化量的關(guān)系進行分析，見圖7，可以看出，當灌溉量為現(xiàn)有灌溉量0.75倍時，隨著灌溉量的增加，補給變化量與灌溉變化量呈現(xiàn)1:1的比例變化，即，增加的灌溉量均轉(zhuǎn)化為了補給量，可見，魯西北平原現(xiàn)有的灌溉量299 mm，存在一定的節(jié)水空間。

4.2 城市化影響分析

城市化對地下水補給的影響是多方面的，城市的擴張會增加弱透水面分布面積，進而對水流入滲產(chǎn)生影響，但城市擴張的同時，地下各類管道的鋪設(shè)，其滲漏的水量，又會形成新的補給源。本文僅從弱透水面分布面積角度，分析城市化發(fā)展對地下水補給的影響。目前，魯西北平原弱透水面分布面積占總面積的17%，借助GIS技術(shù)設(shè)定4種弱透水面的空間分布比例，依次為20%、24%、29%和34%，分析弱透水面面積的增加對地下水補給的影響，計算結(jié)果見圖8。

圖6 不同灌溉水量下地下水補給量空間分布Fig.6 Spatial distribution of groundwater recharge under different irrigation

圖7 灌溉變化量與補給變化量關(guān)系Fig.7 The change relationship between irrigation and groundwater recharge

可以看出，補給量的空間分布變化，主要發(fā)生在弱透水面處，隨著弱透水面空間分布面積的增大，相應區(qū)域內(nèi)的補給量明顯減小，在弱透水面處補給量均小于50 mm。城市的擴張，使得灌溉農(nóng)田的透水面向城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)等弱透水面轉(zhuǎn)化，地下水的補給源由降水、灌溉轉(zhuǎn)化為單一的降水，地表輸入水量減少，而且透水面向弱透水面的轉(zhuǎn)變，改變了土壤表面的入滲條件，使得可入滲水量減少。對弱透水面分布面積與地下水補給的變化關(guān)系進行分析，見圖9，可以看出隨著弱透水面面積的增大，魯西北平原地下水補給量減少，弱透水面積分布比例增大10%，補給量減少10 mm(減少10%)。

圖8 不同弱透水面分布下地下水補給量空間分布Fig.8 Spatial distribution of groundwater recharge in different area ratio of weakly permeable area

圖9 弱透水面面積比例與補給量變化關(guān)系Fig.9 The relationship between area ratio of weakly permeable area and groundwater recharge

5 結(jié) 語

改進后的INFIL3.0模型的適用性得到驗證，將其應用到魯西北平原，對地下水補給的時空分布規(guī)律進行分析，并對灌溉與城市化影響下地下水補給量的空間演化進行研究，得到如下結(jié)論。

(1)2001-2009年，魯西北平原地下水補給量105 mm，補給系數(shù)為0.13，地下水補給量呈增加趨勢，在年內(nèi)，地下水補給量有2個峰值，分別在4月和10月，補給量為22和25 mm。

(2)魯西北平原地下水補給由西北向東南增大，空間分布差異較大，主要受灌溉量控制。

(3)地下水補給量空間演化結(jié)果表明，魯西北平原現(xiàn)有的灌溉量存在一定的節(jié)水空間；弱透水面積分布比例增大10%，補給量減少10 mm(減少10%)。

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