關(guān)中平原灌區(qū)地下水電導(dǎo)率時(shí)間變化特征分析

劉 剛, 李占斌, 徐國(guó)策, 楊媛媛, 成玉婷, 姚京威

(1.西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地, 西安 710048;2.陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司, 西安 710010;3.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100)

土壤鹽漬化是指土壤底層或地下水的鹽分通過(guò)毛管水上升到地表，最終積累在表層土壤中的過(guò)程。土壤鹽漬化會(huì)增大土壤溶液的滲透壓，降低土體的通氣性、透水性和養(yǎng)分有效性，使植物不能正常生長(zhǎng)。土壤鹽漬化是干旱半干旱區(qū)土地退化的主要形式之一，近年來(lái)，因灌溉引起的土壤次生鹽漬化問(wèn)題逐步影響著我國(guó)干旱、半干旱地區(qū)生態(tài)環(huán)境發(fā)展[1-2]，日益引起人們的重視。灌溉農(nóng)業(yè)約占世界糧食生產(chǎn)的1/3，而且其比重正在不斷增大[3]。土壤鹽漬化對(duì)氣候、土壤、地形和水文地質(zhì)等自然條件非常敏感，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，每年全球約有1 000萬(wàn)hm2土地因鹽漬化而不能耕種而最終棄耕撂荒[4]。土壤鹽漬化作為一個(gè)世界性的生態(tài)問(wèn)題，得到了國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的極大關(guān)注，并從其分布、成因、危害、預(yù)防及其評(píng)價(jià)技術(shù)方法等方面進(jìn)行了深入研究[5-6]。地理信息技術(shù)和遙感技術(shù)也在土壤鹽漬化識(shí)別和監(jiān)測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用[7]。

Vachaud等[8]在1985年首次提出了土壤水分時(shí)間穩(wěn)定性的概念，即土壤水分的空間格局隨時(shí)間相對(duì)穩(wěn)定的現(xiàn)象。時(shí)間穩(wěn)定性概念最有用的應(yīng)用之一是能夠找出可靠代表整個(gè)研究區(qū)平均水分含量的采樣位置，這與多點(diǎn)隨機(jī)采樣相比降低了時(shí)間和勞動(dòng)力成本，因此受到了極大關(guān)注,如Gao[9]和Gao[10]等通過(guò)研究土壤水分在時(shí)間上的穩(wěn)定性規(guī)律，對(duì)土壤含水量和不同土層深度土壤儲(chǔ)水量進(jìn)行了估算。鑒于此，一些學(xué)者將時(shí)間上的穩(wěn)定性引入對(duì)土壤中離子的分析研究，如Douaik等[11]研究了匈牙利東部土壤中鹽分空間格局，結(jié)果發(fā)現(xiàn)高鹽點(diǎn)和低鹽點(diǎn)的時(shí)間穩(wěn)定性強(qiáng)弱存在差異；Castrignanò等[12]研究了土壤鈉離子的時(shí)間穩(wěn)定性；徐國(guó)策等[13]研究了洛惠渠地下水電導(dǎo)率的時(shí)間穩(wěn)定性和周期性，認(rèn)為通過(guò)選取代表性位置點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以有效反映研究區(qū)地下水電導(dǎo)率的變化。

近年來(lái)，洛惠渠灌區(qū)存在的不合理灌溉和種植使土壤鹽漬化面積不斷擴(kuò)大，可耕地面積逐年萎縮，已對(duì)該區(qū)糧食安全產(chǎn)生了巨大威脅[14]。劉海波[15]、張霞[16]、李瑛[17]等研究表明，洛惠渠灌區(qū)地下水位變化受降水和灌溉為主的多重因素影響，地下水電導(dǎo)率與水位變化存在緊密聯(lián)系。由于地下可溶性鹽層影響，灌區(qū)地下水電導(dǎo)率整體呈現(xiàn)出與水位相反的變化趨勢(shì)。因此，通過(guò)研究洛惠渠灌區(qū)地下水電導(dǎo)率時(shí)間穩(wěn)定性以及選取該區(qū)地下水電導(dǎo)率代表性位點(diǎn)，可以對(duì)洛惠渠灌區(qū)地下水的平均電導(dǎo)率快速進(jìn)行評(píng)估，這對(duì)合理安排灌溉制度具有重要的指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況

洛惠渠灌區(qū)地處陜西省關(guān)中平原的東部地區(qū)(109°43′—110°19′E，34°36′—35°02′N)，是陜西省重要的糧食產(chǎn)區(qū)，主要種植作物是小麥、玉米、棉花和果樹(shù)等[14-16]。該區(qū)面積約750 km2，屬于溫帶大陸性半干旱氣候區(qū)，氣候干燥，年均氣溫為13.5℃。該區(qū)海拔高度為329～533.5 m，年均蒸發(fā)量和降雨量分別為1 690 mm和480 mm，年均淺地下水埋深為4～12 m。降雨和引水灌溉作為主要來(lái)源，為灌區(qū)地下水提供了大量補(bǔ)充，塬區(qū)潛水和微承壓水也是灌區(qū)地下水補(bǔ)給的重要來(lái)源。灌區(qū)從澄城縣狀頭村引水，通過(guò)3條干渠進(jìn)行灌溉，灌溉范圍主要包括大荔、蒲城等渭洛河階地耕地。灌區(qū)地形大致為西北高、東南低，由于地形限制和影響，灌區(qū)地下水也呈現(xiàn)西北到東南的流向，并主要通過(guò)洛西和洛東排水系統(tǒng)進(jìn)行溝排，部分匯入大荔縣朝邑的鹽湖，部分流入黃河灘。灌區(qū)地下水的可溶性鹽類主要來(lái)源于地下40～50 m 以下的古湖沉積物中，在蒸散發(fā)作用驅(qū)動(dòng)下，可溶鹽隨著地下水不斷上升，潛水礦化度增高，這對(duì)引水灌溉極為不利。該研究涉及的觀測(cè)井的位置分布如圖1所示。

圖1 洛惠渠灌區(qū)觀測(cè)井點(diǎn)分布

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)采集

通過(guò)實(shí)地考察，從洛惠渠灌區(qū)現(xiàn)有觀測(cè)井中確定了51個(gè)觀測(cè)井作為地下水特征監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，水樣取至水面下2 m處，利用哈西HQ30d三參數(shù)分析儀測(cè)量水溫和電導(dǎo)率，采用GPS記錄采樣點(diǎn)位置。觀測(cè)自2004年開(kāi)始，共持續(xù)觀測(cè)7 a，18次。

2.2 樣品測(cè)定與分析方法

相對(duì)差分法和Spearman秩相關(guān)系數(shù)法被用來(lái)鑒定地下水電導(dǎo)率的時(shí)間穩(wěn)定性[14]。

(1)

(2)

(3)

式中：m為測(cè)定的次數(shù)。

MRD和SDRD可作為判斷一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)是否具有代表性的指標(biāo)。一般認(rèn)為，MRD值處于±0.05范圍內(nèi)時(shí)可認(rèn)為趨于0值[18]。確定位置點(diǎn)時(shí)間穩(wěn)定性有兩個(gè)必要條件：一是該樣點(diǎn)的MRD值應(yīng)處于±0.05之間，其次是SDRD值較小[10]。

Spearman秩相關(guān)系數(shù)法，即主要利用基于非參數(shù)Spearman秩的相關(guān)系數(shù)(rs)來(lái)進(jìn)行鑒定:

(4)

式中：Rij為在位置點(diǎn)i在時(shí)間j的觀測(cè)值的秩；Rik為在不同時(shí)間k相同位置點(diǎn)i進(jìn)行觀測(cè)而得到的值的秩；n為觀測(cè)點(diǎn)的總數(shù)。

rs值處于±1之間，rs>0和rs<0分別表示正負(fù)相關(guān)，越遠(yuǎn)離0，時(shí)間穩(wěn)定性說(shuō)明越好，時(shí)間穩(wěn)定性越差則越接近于0[14]。

3 結(jié)果與分析

3.1 地下水電導(dǎo)率的時(shí)間變化特征

51個(gè)位置井點(diǎn)在2004—2010年共監(jiān)測(cè)18次，監(jiān)測(cè)的地下水電導(dǎo)率特征值如表1所示。天然水的電導(dǎo)率，如飲用水或地表水，通常為0.01～0.1 S/m。18個(gè)時(shí)間點(diǎn)下51個(gè)井點(diǎn)地下水平均電導(dǎo)率的變化范圍為0.28～0.36 S/m，均大于飲用水的電導(dǎo)率范圍。根據(jù)對(duì)地表水和地下水管理鹽水電導(dǎo)率分類辦法，電導(dǎo)率為<0.07 S/m，0.07～0.2 S/m，0.2～1.0 S/m，1.0～2.0 S/m，2.0～4.5 S/m和>4.5 S/m對(duì)應(yīng)的類別分別是純水、微含鹽水、中含鹽水、高含鹽水、極高含鹽水、鹵水[19]。由此判斷，其中微含鹽水的井點(diǎn)有21個(gè)，中含鹽水的井點(diǎn)有30個(gè)。表1表明51個(gè)井點(diǎn)地下水電導(dǎo)率最小值變化范圍為0.08～0.11 S/m，最大值變化范圍為0.79～1.00 S/m，相同監(jiān)測(cè)時(shí)期各站點(diǎn)電導(dǎo)率平均值最小值為0.28 S/m，最大值為0.36 S/m。此外，比較發(fā)現(xiàn)，34#和36#井點(diǎn)地下水電導(dǎo)率為最小值和最大值的頻度最大。據(jù)此判斷，51個(gè)井點(diǎn)的地下水電導(dǎo)率均為中等變異，變異系數(shù)的變化范圍為61%～72%。地下水電導(dǎo)率最小值、最大值和平均值的變異系數(shù)分別為8%，7%和6%，均為弱變異。此外，51個(gè)井點(diǎn)在整個(gè)監(jiān)測(cè)期間的電導(dǎo)率平均值和變異系數(shù)均未呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。

表1 51個(gè)井點(diǎn)地下水電導(dǎo)率在不同時(shí)間的統(tǒng)計(jì)特征

3.2 典型位置點(diǎn)的地下水電導(dǎo)率變化特征

根據(jù)對(duì)18個(gè)不同時(shí)間點(diǎn)下51個(gè)井點(diǎn)地下水電導(dǎo)率統(tǒng)計(jì)特征的分析，分別選擇了能代表地下水電導(dǎo)率最大值、最小值和平均值的井點(diǎn)進(jìn)行了典型分析，7個(gè)井點(diǎn)在整個(gè)監(jiān)測(cè)期間的地下水電導(dǎo)率變化特征見(jiàn)表2。19#，26#和36#井點(diǎn)代表地下水電導(dǎo)率高值位置點(diǎn)，其在整個(gè)監(jiān)測(cè)期間的地下水電導(dǎo)率最大值和最小值差異最大，標(biāo)準(zhǔn)差也最大。2#和40#井點(diǎn)的電導(dǎo)率均值接近整個(gè)研究區(qū)地下水的電導(dǎo)率均值，其標(biāo)準(zhǔn)差相對(duì)較小。4#和34#井點(diǎn)代表地下水電導(dǎo)率低值位置點(diǎn)，其標(biāo)準(zhǔn)差最小。由此可以看出，地下水電導(dǎo)率隨時(shí)間呈現(xiàn)出一定的變化，電導(dǎo)率值越大，其值隨時(shí)間的變化也相對(duì)越大。

表2 監(jiān)測(cè)期典型井點(diǎn)的地下水電導(dǎo)率變化特征 S/m

3.3 地下水電導(dǎo)率時(shí)間穩(wěn)定性分析

由表3可以看出，rs最小值出現(xiàn)在2004年8月，除了2004年8月，幾乎所有的rs值均大于0.90。rs的變化范圍為0.81～0.98，其值均接近于1，而且，Spearman秩相關(guān)系數(shù)值水平極顯著相關(guān)(p<0.01)，這表明51個(gè)井點(diǎn)的地下水電導(dǎo)率時(shí)間穩(wěn)定性較強(qiáng)，且整個(gè)監(jiān)測(cè)期間也表現(xiàn)出時(shí)空上的強(qiáng)穩(wěn)定格局。

表3 不同時(shí)間的地下水電導(dǎo)率Spearman秩相關(guān)系數(shù)

注：A到D對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)分別是2004年的1月、3月、6月、8月，E到H對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)為2005年的3月、5月、8月、9月，I到J分別對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)為2006年的3月和8月，K對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)為2007年的3月,L和M分別對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)為2008年的3月和9月，N，O和P分別對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)為2009年的3月、9月、12月，Q和R分別對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)為2010年的3月和9月；相關(guān)系數(shù)均極顯著相關(guān)(p<0.01)。

3.4 地下水電導(dǎo)率代表性位置點(diǎn)識(shí)別

北洛河灌區(qū)地下水電導(dǎo)率平均相對(duì)差分在時(shí)間上的均值(MRD)及其相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差(SDRD)見(jiàn)圖2。MRD 和SDRD的變化范圍分別為-0.65～1.89，0.04～0.25。MRD值呈現(xiàn)出相對(duì)較大的變化。具體來(lái)說(shuō)，19#，26#和36#井點(diǎn)的MRD值較大，4#和34#井點(diǎn)的MRD值較小，這與表1中的地下水電導(dǎo)率最大值及最小值井點(diǎn)相一致。灌溉、補(bǔ)給源的不穩(wěn)定，再加上井水和補(bǔ)給源之間的電導(dǎo)率差異是引起MRD值較大變化的主要原因。分析相對(duì)差分結(jié)果可以看出，19#，26#和36#井點(diǎn)的地下水電導(dǎo)率值較高且一直高于區(qū)域地下水電導(dǎo)率的平均值，而也有部分井點(diǎn)(4#和34#)卻表現(xiàn)出總是低于區(qū)域地下水電導(dǎo)率平均值的現(xiàn)象。2#，8#，29#和40#井點(diǎn)的MRD值均在±0.05范圍內(nèi)，其SDRD值分別為0.07,0.11,0.09，0.10，但是2#井點(diǎn)的MRD值最小，滿足了成為代表性位置點(diǎn)的另一必要條件。因此，洛惠渠灌區(qū)平均地下水電導(dǎo)率的代表性位置點(diǎn)為2#井點(diǎn)，這與其他學(xué)者研究結(jié)果基本一致[13]。究其原因，這可能與2#井點(diǎn)靠近支渠，抽水次數(shù)少，補(bǔ)給源多樣且主要補(bǔ)給源較為穩(wěn)定有關(guān)。

注：豎線代表±1標(biāo)準(zhǔn)差，標(biāo)黑的為代表性位置點(diǎn)。

圖2地下水電導(dǎo)率平均相對(duì)差分

3.5 地下水平均電導(dǎo)率的預(yù)測(cè)分析

地下水平均電導(dǎo)率實(shí)際值與預(yù)測(cè)值的差異見(jiàn)圖3，地下水平均電導(dǎo)率的實(shí)際值是通過(guò)計(jì)算18個(gè)時(shí)間點(diǎn)下51個(gè)井點(diǎn)地下水電導(dǎo)率的平均值得到；預(yù)測(cè)值為洛惠渠灌區(qū)平均地下水電導(dǎo)率代表性位置點(diǎn)2#井點(diǎn)在18個(gè)時(shí)間點(diǎn)下的測(cè)定值。由圖3可以看出，基于2#井點(diǎn)的電導(dǎo)率預(yù)測(cè)值與研究區(qū)地下水平均電導(dǎo)率的實(shí)際值差異不大，18個(gè)時(shí)間點(diǎn)下預(yù)測(cè)值和實(shí)際值的殘差平方和僅為0.008，標(biāo)準(zhǔn)差最大值為0.03。這表明可以通過(guò)2#井點(diǎn)的地下水電導(dǎo)率變化，用以代表研究區(qū)地下水平均電導(dǎo)率實(shí)際值。

圖3 地下水平均電導(dǎo)率實(shí)際值與預(yù)測(cè)值的差異

4 結(jié) 論

洛惠渠灌區(qū)地下水主要是微含鹽水和中含鹽水，選擇低含鹽量的井點(diǎn)進(jìn)行灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉有利于降低土壤鹽堿化的風(fēng)險(xiǎn)。51個(gè)井點(diǎn)的地下水電導(dǎo)率變異系數(shù)的范圍為61%～72%，變化不大，且均屬于中等變異。同時(shí)，隨時(shí)間的變化，地下水電導(dǎo)率值越大的井點(diǎn)，越表現(xiàn)出變化相對(duì)越大的現(xiàn)象和特征。地下水電導(dǎo)率空間格局具有很強(qiáng)的時(shí)間穩(wěn)定性，51個(gè)井點(diǎn)地下水電導(dǎo)率在18個(gè)時(shí)間點(diǎn)的Spearman秩相關(guān)系數(shù)值均在p<0.01水平極顯著相關(guān)。2#井點(diǎn)可以作為洛惠渠灌區(qū)地下水平均電導(dǎo)率的代表性位置點(diǎn)，且基于2#井點(diǎn)的電導(dǎo)率預(yù)測(cè)值與研究區(qū)地下水平均電導(dǎo)率的實(shí)際值差異不大，故可以應(yīng)用于指導(dǎo)灌區(qū)的合理灌溉。

總之，基于洛惠渠灌區(qū)地下水的電導(dǎo)率在時(shí)間上的穩(wěn)定性，通過(guò)確定地下水電導(dǎo)率代表性位置及該點(diǎn)平均電導(dǎo)率可以快速有效地監(jiān)測(cè)該區(qū)地下水平均電導(dǎo)率變化，從而為確定灌溉時(shí)間提供科學(xué)指導(dǎo)。