平羅縣不同地下水位分布區(qū)地下水埋深變化特征分析

樊麗琴，吳 霞，李 磊，張永宏

（寧夏農(nóng)林科學(xué)院 農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，銀川 750002）

0 引 言

【研究意義】在干旱半干旱地區(qū)，土壤含鹽量和土壤鹽漬化狀況受地下水位及地下水礦化度的控制和影響較大，地下水埋深是土壤發(fā)生鹽漬化的一個(gè)決定性條件[1-2]，土壤鹽分與地下水埋深有著緊密的聯(lián)系[3-5]。在灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)，由于淺層地下水的主要補(bǔ)給來(lái)源是引黃灌溉水的入滲，合理控制灌區(qū)淺層地下水埋深是防治土壤次生鹽漬化的有效措施[6]，因此，研究地下水埋深的時(shí)空變化規(guī)律及其影響因素具有重要意義，可更好地指導(dǎo)合理用水和防治土壤鹽漬化。【研究進(jìn)展】魏曉妹等[7]通過黃土原灌區(qū)地下水系統(tǒng)的水量均衡分析，認(rèn)為降水、灌溉、開采是灌區(qū)地下水動(dòng)態(tài)的主要影響因素；蘇閱文等[8]對(duì)內(nèi)蒙古河套灌區(qū)地下水埋深分布規(guī)律進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)地下水埋深年內(nèi)變化具有明顯的季節(jié)性，年際變化具有明顯的周期性；趙新宇等[9]對(duì)銀北灌區(qū)地下水位年際和年內(nèi)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律進(jìn)行了研究，結(jié)果表明灌區(qū)地下水位變化具有周期性、季節(jié)性的特點(diǎn)?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】平羅縣位于寧夏引黃灌區(qū)北部，該縣不同區(qū)域地下水埋深存在較大差異，地勢(shì)低洼地段地下水埋深淺，年均地下水埋深小于1 m，土壤鹽漬化嚴(yán)重，而在地勢(shì)較高地段，年均地下水埋深可達(dá)2 m 左右，土壤鹽漬化程度相對(duì)較輕，除去地形因素對(duì)地下水埋深的影響，其他因素對(duì)地下水埋深會(huì)產(chǎn)生何種影響，是否可調(diào)控是值得探討的問題，而目前關(guān)于不同地下水位分布區(qū)地下水埋深多年動(dòng)態(tài)變化及其影響因素的報(bào)道尚不多見。【擬解決的關(guān)鍵問題】為明確銀北灌區(qū)不同地下水位分布區(qū)的地下水埋深變化規(guī)律，根據(jù)平羅縣不同地下水位分布區(qū)內(nèi)9 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的2007—2017 年地下水埋深觀測(cè)資料，分析了平羅縣不同水位分布區(qū)地下水埋深的變化特征及其影響因素，以期為更好地改良鹽堿地提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

平羅縣位于寧夏銀川平原北部，地處東經(jīng)105°57′42″—106°58′2″，北緯38°36′18″—39°51′13″之間，是石嘴山市所轄唯一建制縣，屬于溫帶干旱荒漠氣候區(qū)，太陽(yáng)輻射量4—10 月為4 225.9 kJ/m2，6 月最強(qiáng)，為716 kJ/m2；年平均日照時(shí)間3 201.8 h，6 月最多；年降水量186.5 mm，主要集中在7—9 月；蒸發(fā)量為1 708.7 mm[10]。該縣主要依靠惠農(nóng)渠系和唐淶渠系進(jìn)行灌溉，本文中引黃水量是指惠農(nóng)渠引黃水量，惠農(nóng)渠灌域南起青銅峽水利樞紐，北至石嘴山，東臨黃河，西靠賀蘭山，涉及青銅峽、永寧、銀川、賀蘭、平羅、石嘴山6 個(gè)市（縣），地下水取水量指石嘴山市的地下水總?cè)∷?，惠農(nóng)渠引黃水量、地下水取水量數(shù)據(jù)均來(lái)源于《寧夏水資源公報(bào)》；平羅縣水稻種植面積、降雨量、年平均氣溫來(lái)自《寧夏統(tǒng)計(jì)年鑒》。相關(guān)數(shù)據(jù)見表1。

表1 平羅縣地下水埋深影響因素?cái)?shù)據(jù) Table 1 Data of influencing factors of groundwater depth in Pingluo County

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)寧夏石嘴山市平羅縣地下水埋深特點(diǎn)，以多年地下水埋深均值（DA）范圍劃分高、中、低水位區(qū)域，高水位區(qū)域DA<1 m，中水位區(qū)域1 m≤DA<1.5 m，低水位區(qū)域1.5 m≤DA<2 m。高、中、低水位各選擇3 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，共設(shè)9 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，分別為平羅縣黃渠橋鎮(zhèn)侯家梁子三隊(duì)（以H1 表示）、平羅縣崇崗鎮(zhèn)鎮(zhèn)朔三隊(duì)（以H2 表示）、平羅縣姚伏鎮(zhèn)沙渠六隊(duì)（以H3 表示）、平羅縣黃渠橋鎮(zhèn)慶豐九隊(duì)（以M1 表示）、平羅縣黃渠橋鎮(zhèn)四渠七隊(duì)（以M2 表示）、平羅縣黃渠橋鎮(zhèn)西潤(rùn)六隊(duì)（以M3 表示）、平羅縣姚伏鎮(zhèn)大興墩二隊(duì)（以L1 表示）、平羅縣黃渠橋鎮(zhèn)惠北四隊(duì)（以L2 表示）、平羅縣渠口鄉(xiāng)交際六隊(duì)（以L3 表示），分析2007—2017 年高、中、低水位分布區(qū)內(nèi)9 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的地下水埋深變化特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水位分布區(qū)地下水埋深變化特征

由圖1 可知，2007—2017 年不同水位分布區(qū)各月地下水埋深大小均表現(xiàn)為低水位>中水位>高水位；且與內(nèi)蒙古河套灌區(qū)一樣表現(xiàn)為地下水埋深年內(nèi)變化具有明顯的季節(jié)性[9]，2—4 月，隨著氣溫逐漸回升，土壤凍層開始融化，融化自上而下和自下而上2 個(gè)方向進(jìn)行，凍層中部融化較滯后，地下水位逐漸升高；5—8 月為作物灌溉期，也是作物生長(zhǎng)旺盛期，灌溉水和降水一部分用于滿足作物生長(zhǎng)發(fā)育，另一部分對(duì)地下水進(jìn)行補(bǔ)充，地下水保持高水位；9—10 月為作物收獲期，此時(shí)不進(jìn)行灌水，且作物收獲后地表呈裸露狀態(tài)，蒸發(fā)強(qiáng)烈，地下水位呈下降趨勢(shì)；11 月為冬灌期，灌水量大而且集中，地下水位急劇抬升；12月至次年1 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，地下水位呈下降趨勢(shì)。

由圖2 可知，2007—2017 年來(lái)不同水位分布區(qū)地下水埋深年際間均相對(duì)穩(wěn)定，而年內(nèi)變化幅度明顯大于年際。各觀測(cè)點(diǎn)地下水埋深隨月份變化趨勢(shì)基本一致，均表現(xiàn)為呈“W”形，且在2 月地下水埋深相對(duì)最大，5—8 月作物灌溉期或11 月冬灌后地下水埋深則明顯變小，地下水埋深的變化規(guī)律與灌溉制度有著密切的聯(lián)系，與他人研究結(jié)論一致[10-11]；同一月份各觀測(cè)點(diǎn)地下水埋深隨年份均呈平緩波浪形變化，5—8 月和11 月至次年1 月各觀測(cè)點(diǎn)地下水埋深變化曲線呈聚集狀態(tài)，其他月份則呈離散狀態(tài)。

2.2 不同水位分布區(qū)地下水埋深差異分析

由表2 和表3 中變異系數(shù)大小可比較地下水埋深年際間和年內(nèi)變異程度?？傮w上表現(xiàn)為年內(nèi)變異系數(shù)高于年際間變異系數(shù)，而年內(nèi)變化主要受蒸發(fā)和灌水影響，年際間變化主要受降雨影響，初步判定灌水對(duì)地下水埋深的影響大于降雨。不同水位分布區(qū)年際間變異系數(shù)表現(xiàn)為：高水位>中水位>低水位，年內(nèi)則無(wú)明顯規(guī)律，說(shuō)明高水位分布區(qū)地下水埋深年際間變異程度更大，年際間地下水埋深變化幅度大于中低水位分布區(qū)，可見與中低水位分布區(qū)相比，高水位分布區(qū)地下水埋深更不穩(wěn)定。

圖1 各觀測(cè)點(diǎn)不同月份地下水埋深年際間動(dòng)態(tài)變化 Fig.1 Dynamic change of inter-annual groundwater depth of different month from 9 observation points

圖2 各觀測(cè)點(diǎn)地下水埋深月、年均值 Fig.2 Monthly and annual average of groundwater depth from 9 observation points

表2 不同觀測(cè)點(diǎn)地下水埋深年際間變異系數(shù) Table 2 Coefficient of variation of inter-annual groundwater depth from 9 observation wells %

表3 不同觀測(cè)點(diǎn)地下水埋深年內(nèi)變異系數(shù) Table 3 Coefficient of variation of groundwater depth in the year from 9 observation poins %

由表4 可看出，高、中、低水位觀測(cè)點(diǎn)地下水埋深均值分別為0.66、1.23 m 和1.81 m，1—4 月高、中、低水位觀測(cè)點(diǎn)地下水埋深均值分別為0.92、1.64、2.32 m，5—8 月高、中、低水位觀測(cè)點(diǎn)地下水埋深均值分別為0.47、0.92、1.38 m，9—12 月高、中、低水位觀測(cè)點(diǎn)地下水埋深均值分別為0.59、1.18、1.75 m。與高水位分布區(qū)相比，中水位分布區(qū)不同月份水位均值差均低于低水位與高水位分布區(qū)的水位均值差，同時(shí)中、低水位分布區(qū)與高水位分布區(qū)水位均值差均表現(xiàn)為1—4 月和9—10 月接近，5—8 月和11—12 月接近，后者所處月份為作物灌溉期和冬灌后，1—4 月和9—10 月水位均值差高于5—8 月和11—12 月，地下水位變化受灌水影響明顯，表現(xiàn)為低水位分布區(qū)各月份與高水位分布區(qū)的地下水埋深差值均大于中水位分布區(qū)。

表4 不同月份中、低地下水位觀測(cè)點(diǎn)與高水位觀測(cè)點(diǎn)地下水埋深均值差 Table 4 The average diffference of groundwater depth between the observation points of high-groundwater level and the observation points of middle and low groundwater level in different month

2.3 地下水埋深與各影響因素相關(guān)性分析

表5 為平羅縣各觀測(cè)點(diǎn)地下水埋深與各影響因素之間的相關(guān)性。由表5 可知，平羅縣高、中水位分布區(qū)地下水埋深與惠農(nóng)渠引黃水量均表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)，而低水位分布區(qū)則無(wú)相關(guān)性；高、中水位分布區(qū)地下水埋深與平均氣溫則表現(xiàn)為弱負(fù)相關(guān)性，而低水位分布區(qū)同樣表現(xiàn)為無(wú)相關(guān)性；高水位分布區(qū)地下水埋深與降雨量表現(xiàn)為弱負(fù)相關(guān)性，而中、低水位分布區(qū)則表現(xiàn)為無(wú)相關(guān)性；高、中水位分布區(qū)與作物種植面積和水稻種植面積呈正相關(guān)?；蒉r(nóng)渠引黃水量與地下水埋深之間的相關(guān)性明顯強(qiáng)于降雨量、平均氣溫與地下水埋深之間的相關(guān)性，地下水取水量則與地下水埋深之間無(wú)相關(guān)性，說(shuō)明降雨量、平均氣溫、引黃水量和地下水取水量4 個(gè)因素之間，引黃水量對(duì)地下水埋深的影響更大。這是因?yàn)槠搅_縣屬于溫帶干旱荒漠氣候區(qū)，2007—2017 年平羅縣降雨量在117.1～243.4 mm 之間，均值為183.2 mm，蒸發(fā)量可達(dá)降雨量的8～10 倍，而農(nóng)業(yè)灌溉用水主要依賴黃河水，故地下水埋深變化更多地受引黃水量影響，且對(duì)高、中水位分布區(qū)地下水埋深的影響大于低水位分布區(qū)，可能與高中水位分布區(qū)多處于地勢(shì)低洼地段灌水后排水不暢有關(guān)。因石嘴市2007—2017 年地下水取水量在1.0 億～1.3 億m3之間，僅占引黃水量的11.6%～15.2%，故而地下水取水量對(duì)地下水埋深的影響有限。從不同水位分布區(qū)地下水埋深與平羅縣水稻種植面積之間的相關(guān)性來(lái)看，高、中水位分布區(qū)地下水埋深隨著水稻種植面積的增加而增加主要受平羅縣水稻主要分布區(qū)域和水稻灌溉水源有關(guān)。

表5 各觀測(cè)點(diǎn)地下水埋深與各因素之間的相關(guān)性 Table 5 The correlation between groundwater depth at each observation point and the factors

3 討 論

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，地形、潛水蒸發(fā)、降雨、氣溫等自然因素和灌溉、地下水開采、農(nóng)田排水等人類活動(dòng)均會(huì)影響區(qū)域地下水位的變化[8,12]。蘇閱文等[8]研究認(rèn)為，內(nèi)蒙古河套灌區(qū)地下水埋深變化的主要驅(qū)動(dòng)因子及排序?yàn)椋赫舭l(fā)量＞引黃水量＞降雨量；劉婕等[12]研究表明，新疆沙灣縣灌區(qū)地下水動(dòng)態(tài)變化的驅(qū)動(dòng)因子為地下水開采、地表水灌溉、節(jié)水灌溉、灌溉面積、氣溫、降水，影響程度依次降低；高宇陽(yáng)等[13]研究表明，地表水引水量與地下水開采量為影響烏蘇市地地下水位演化的主要驅(qū)動(dòng)力；吉磊等[14]研究表明，灌溉入滲、地下水開采和潛水蒸發(fā)是影響新疆瑪納斯河下游莫索灣灌區(qū)地下水埋深變化的主要因素。以上研究證實(shí)，地下水埋深變化的主要驅(qū)動(dòng)因子及排序在不同灌區(qū)表現(xiàn)不同。

在平羅縣，地下水埋深同樣受潛水蒸發(fā)量、引黃水量、地下水取水量、降雨量、氣溫等多種因素影響。從地下水取水量來(lái)看，平羅縣農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以傳統(tǒng)的糧油作物為主，考慮到投入成本，目前以地下水為主要水源的節(jié)水灌溉面積仍然較??；從氣溫來(lái)看，平羅縣年均氣溫處于較低水平；從降雨量來(lái)看，平羅縣降雨量遠(yuǎn)小于蒸發(fā)量，且降雨對(duì)地下水的補(bǔ)給存在滯后和累加效應(yīng)[15]。趙新宇等[9]研究認(rèn)為銀北灌區(qū)地下水位變化的主要影響因素是引水量、退水量和降水量，本研究則表明，引黃水量對(duì)銀北灌區(qū)平羅縣地下水埋深變化的影響明顯大于降水量，但在不同水位分布區(qū)的影響程度表現(xiàn)并不一致，高、中水位分布區(qū)的響應(yīng)程度大于低水位分布區(qū)，在平羅縣，由于高水位分布區(qū)多位于地勢(shì)低洼、排水不暢地段，地下水埋深受周邊地勢(shì)較高區(qū)域的引黃水量影響較大，故應(yīng)同時(shí)關(guān)注高水位區(qū)域及其周邊地勢(shì)較高區(qū)域農(nóng)田引黃灌溉對(duì)地下水埋深的影響。

此外，平羅縣水稻種植面積的增加并未引起地下水位的抬升，相反一定程度上對(duì)地下水位下降起到了積極作用。傳統(tǒng)認(rèn)為在平羅縣水稻種植面積的增加會(huì)引起區(qū)域地下水位的抬升，本研究發(fā)現(xiàn)，高、中水位分布區(qū)地下水埋深與水稻種植面積呈正相關(guān)，說(shuō)明水稻種植面積的增加不但不會(huì)引起區(qū)域地下水位的抬升，還有降低地下水位的作用。這是因?yàn)槠搅_縣水稻多栽培在地勢(shì)低洼、排水不暢區(qū)域，灌溉用水多來(lái)自農(nóng)溝匯集的周邊農(nóng)田大水漫灌后的退水，農(nóng)田退水的再利用減少了淺層地下水的補(bǔ)充，可在一定程度上降低地下水位，說(shuō)明在地勢(shì)低洼、排水不暢地段利用農(nóng)田退水栽培水稻改良重度鹽堿地短期內(nèi)是可行的。張倩等[16]的研究證實(shí)，節(jié)水改造后地下水埋深降低，地下水埋深在一定范圍內(nèi)降低能夠有效緩解內(nèi)蒙古河套灌區(qū)土壤鹽堿化。本研究綜合考慮各因素，認(rèn)為在平羅縣地下高、中水位分布區(qū)域，應(yīng)改變傳統(tǒng)的大引大排改良鹽堿地的習(xí)慣，改良鹽堿地應(yīng)從減少引黃水量、利用淺層地下水或周邊農(nóng)田退水進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉以降低地下水位出發(fā)。

4 結(jié) 論

1）2007—2017 年，平羅縣高、中、低不同水位分布區(qū)地下水埋深年內(nèi)變化幅度均大于年際間，隨月份呈“W”形變化，隨年份呈平緩波浪形變化，年內(nèi)變化主要受灌溉制度影響，5—8 月和11 月至次年1月各觀測(cè)點(diǎn)地下水埋深變化曲線呈聚集狀態(tài)，其他月份則呈離散狀態(tài)。

2）平羅縣不同水位分布區(qū)地下水埋深年際間變異系數(shù)表現(xiàn)為：高水位>中水位>低水位，年內(nèi)則無(wú)明顯規(guī)律，與中低水位分布區(qū)相比，高水位分布區(qū)地下水埋深更不穩(wěn)定。

3）從各觀測(cè)點(diǎn)地下水埋深與平羅縣降雨量、年平均氣溫、惠農(nóng)渠引黃水量、地下水取水量、作物種植面積之間的相關(guān)性來(lái)看，平羅縣高、中水位分布區(qū)地下水埋深變化更多地受引黃水量影響，水稻種植面積的增加對(duì)降低高水位分布區(qū)地下水埋深起到了積極作用。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，平羅縣高、中水位鹽堿地的改良應(yīng)從減少引黃水量、利用淺層地下水或周邊農(nóng)田退水進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉以降低地下水位入手。