民勤縣綠洲地下水礦化度變化特征

劉德誠，邱進(jìn)雄，楊曉寶

(1.甘肅省民勤縣麟權(quán)生態(tài)種業(yè)有限公司，甘肅 民勤 733300;2.甘肅民勤連古城國家級自然保護(hù)區(qū)管理局，甘肅 民勤 733300)

1 引言

石羊河是河西走廊三大內(nèi)陸河之一，水資源主要來源于祁連山區(qū)降水和冰雪消融水，對維持該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)平衡、社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[1]。民勤縣地處石羊河下游，伴隨著人口增加、耕地面積擴(kuò)張、防風(fēng)固沙林大量營造，引發(fā)水資源被大量、重復(fù)利用，加之降水稀少、地表來水量減少，使得開發(fā)并超采地下水資源成為必然，從而引起了一系列的生態(tài)環(huán)境問題[2]：如地下水埋深增加、礦化度升高和水質(zhì)惡化、植被衰退和耕地撂荒等，已經(jīng)嚴(yán)重影響到當(dāng)?shù)睾椭苓叺貐^(qū)的生態(tài)安全，引起了黨中央、國務(wù)院和省、市各級政府，以及專家學(xué)者、社會各界的高度關(guān)注。從2001開始，該區(qū)域先后實(shí)施了關(guān)井壓田、生態(tài)輸水、種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等一系列的工程措施，使得該區(qū)域生態(tài)環(huán)境逐步得到改善。

2 研究區(qū)概況

民勤縣三面被騰格里和巴丹吉林兩大沙漠包圍，年均降雨量少、分配不均、蒸發(fā)量大，風(fēng)大沙多，屬于典型的大陸性荒漠氣候，境內(nèi)由沙漠、低山丘陵和平原3種地貌組成[14]，地帶性土壤為風(fēng)沙土、灰棕漠土、草甸土和草甸沼澤土，最主要耕作土壤為灌淤土[15]。研究區(qū)可分為環(huán)河區(qū)、壩區(qū)、昌寧區(qū)、泉山區(qū)和湖區(qū)，天然植被以白刺(Nitrariatangutorum)、檉柳(Tamarixramosissima)、紅砂(Reaumuriasoongirica)、鹽爪爪(Kalidiumfoliatum)、蘆葦(Phragmitesaustralis)、沙拐棗(Calligonummongolicum)等灌木和草本植物為主，人工植被以梭梭(Haloxylonammodendron)、檸條(Caraganaintermediaintermedia)為主。種植農(nóng)作物主要有小麥、玉米、葵花、瓜類、棉花、茴香等。

3 研究方法

研究區(qū)1998～2013年地下水礦化度數(shù)據(jù)來自于民勤縣水務(wù)局，地下水礦化度數(shù)據(jù)統(tǒng)計及單因素方差分析在Spss18.0中進(jìn)行，文中圖在Excel中完成。

4 結(jié)果與分析

4.1 地下水礦化度年變化特征

地下水礦化度在1998～2013年間變化規(guī)律如圖1所示。在空間上，地下水礦化度全年均值排序?yàn)楹^(qū)>泉山區(qū)>昌寧區(qū)>壩區(qū)>環(huán)河區(qū)；在時間序列上，無論是全區(qū)還是各個分區(qū)，地下水礦化度變化規(guī)律均為先增加后降低，但地下水礦化度達(dá)到最大值年份不一致，其中環(huán)河區(qū)地下水礦化度最大值出現(xiàn)在2005年，其余各區(qū)均出現(xiàn)在2012年。

圖1 地下水礦化度年際變化規(guī)律

4.2 地下水礦化度季節(jié)變化特征

4.2.1 地下水礦化度春季變化特征

地下水礦化度在1998～2013年間春季變化規(guī)律如圖2所示。在空間上，地下水礦化度以湖區(qū)最大，環(huán)河區(qū)最小，排序?yàn)楹^(qū)>泉山區(qū)>昌寧區(qū)>壩區(qū)>環(huán)河區(qū)；在時間序列上，整體呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，各個區(qū)出現(xiàn)峰值的年份各異，其中湖區(qū)、泉山區(qū)、昌寧區(qū)和壩區(qū)地下水礦化度在2012年為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，環(huán)河區(qū)地下水礦化度在2006年出現(xiàn)拐點(diǎn)。

圖2 地下水礦化度春季變化特征

4.2.2 地下水礦化度秋季變化特征

地下水礦化度在1998～2013年間秋季變化規(guī)律如圖3所示。湖區(qū)地下水礦化度繼續(xù)增加，其余各區(qū)地下水礦化度均先增加后降低，但各區(qū)出現(xiàn)拐點(diǎn)的年份不一致，其中壩區(qū)、環(huán)河、泉山和昌寧分別在2004年、2007年、2012年和2008年出現(xiàn)拐點(diǎn)。

圖3 地下水礦化度秋季變化特征

4.3 地下水礦化度年際變幅

為了便于說明生態(tài)工程治理措施對石羊河下游地下水礦化度恢復(fù)程度的影響，本文選取生態(tài)工程治理措施開始實(shí)施的下一年即2002年地下水礦化度年際變幅來進(jìn)行描述，從圖4 可以看出，無論是全區(qū)還是各個分區(qū)，全年地下水礦化度年際變幅均降低，其中昌寧區(qū)地下水礦化度年際變幅下降趨勢最大為每年0.0346，其次為泉山區(qū)和壩區(qū)，最小為湖區(qū)，其中全區(qū)、泉山區(qū)和壩區(qū)地下水礦化度年際變幅下降趨勢顯著(P<0.05)。

春秋季節(jié)地下水礦化度年際變幅統(tǒng)計分析如表1所示，地下水礦化度春季年際變幅均值最大為湖區(qū)0.0081，最小為全區(qū)為-0.0004，春季礦化度年際變幅的趨勢值均為負(fù)值，表明全區(qū)及各個分區(qū)礦化度年際變幅呈下降趨勢，其中泉山區(qū)礦化度年際變幅下降趨勢明顯；地下水礦化度秋季年際變幅均值最大為湖區(qū)0.0289，其次為全區(qū)0.0104，最小為壩區(qū)-0.0059，秋季礦化度年際變幅的趨勢值除湖區(qū)外其余均為負(fù)值，表明除湖區(qū)地下水礦化度年際變幅增加外，其余各區(qū)礦化度年際變幅比均呈下降趨勢，其中全區(qū)和昌寧區(qū)礦化度年際變幅下降趨勢明顯。

圖4 地下水礦化度年際變幅

表1 春秋季地下水礦化度年際變幅

4.4 地下水礦化度方差分析

地下水礦化度方差分析如表2所示。治理前，湖區(qū)和環(huán)河區(qū)全年地下水礦化度與其余各區(qū)差異性顯著(P<0.05)，其中以泉山區(qū)地下水礦化度變異系數(shù)最小，湖區(qū)地下水礦化度變異系數(shù)最大；治理后，湖區(qū)、壩區(qū)和環(huán)河區(qū)全年地下水礦化度與其余各區(qū)存在顯著性差異(P<0.05)，其中昌寧區(qū)地下水礦化度變異系數(shù)最大，全區(qū)地下水礦化度變異系數(shù)最小，全年地下水礦化度除湖區(qū)在治理前后差異性顯著(P<0.05)外，其余均不存在顯著性差異，但從表中可以看出治理后地下水礦化度變異系數(shù)均增加。治理前的春季地下水礦化度，湖區(qū)地下水礦化度與其余各區(qū)差異顯著(P<0.05)，環(huán)河區(qū)地下水礦化度與壩區(qū)、昌寧區(qū)和全區(qū)差異顯著(P<0.05)，地下水礦化度變異系數(shù)湖區(qū)最大，泉山區(qū)最?。恢卫砗?，湖區(qū)和環(huán)河區(qū)的地下水礦化度與其余各區(qū)差異顯著(P<0.05)，地下水礦化度變異性以昌寧區(qū)最大，泉山區(qū)最小，對比分析發(fā)現(xiàn)治理后各區(qū)地下水礦化度變異性均增加。秋季地下水礦化度在治理前和治理后，湖區(qū)地下水礦化度均與其余各區(qū)差異顯著(P<0.05)，治理后地下水礦化度變異系數(shù)變大。

表2 地下水礦化度方差分析

5 結(jié)論與討論

在空間上，地下水礦化度全年平均值變化規(guī)律與距離水源補(bǔ)給區(qū)的距離有很大關(guān)系，距離水源補(bǔ)給區(qū)越遠(yuǎn)地下水礦化度越高、越近地下水礦化度越低，表現(xiàn)為湖區(qū)>泉山區(qū)>昌寧區(qū)>壩區(qū)>環(huán)河區(qū)。這種變化規(guī)律與仲生年[5]、劉文杰[8]和席海洋[16]對民勤綠洲壩區(qū)、民勤全區(qū)以及額濟(jì)納綠洲地下水礦化度的研究結(jié)果相一致。一方面是由于民勤和額濟(jì)納降水稀少，蒸發(fā)量極大，礦化度高，另一方面民勤地區(qū)礦化度的變化特征與地質(zhì)構(gòu)造[17]以及地下水礦化度基數(shù)有很大的關(guān)系。研究表明，民勤地形封閉，該區(qū)域降雨量從南到北[18](離水源補(bǔ)給區(qū)距離從南到北增大)逐漸變小，地勢由南向北逐漸降低，導(dǎo)致地下水的水平運(yùn)動為從南到北，致使鹽分的積累量也表現(xiàn)為從南到北增加，即民勤地下水礦化度的基數(shù)表現(xiàn)為從南到北變大。地下水礦化度變化還與地下水位及含水層的性質(zhì)有很大關(guān)系，最近幾年連續(xù)大量的水直接作用于湖區(qū)青土湖，使得湖區(qū)地下水位得到回升[19]，在治理前后的地下水礦化度差異顯著，但礦化度依然很大，這是因?yàn)楹^(qū)形成于氣候干燥的第四世紀(jì)冰期末期[20]，湖泊面積日益萎縮，再加上強(qiáng)烈蒸發(fā)濃縮作用，導(dǎo)致湖區(qū)形成大量鹽分，從而形成了高礦化度的地下水層。在泉山區(qū)、壩區(qū)和昌寧區(qū)，開展農(nóng)業(yè)活動早，以咸水和苦咸水灌溉為主，加之上游來水量減少，開采地下水成為必然，目前在該區(qū)域已經(jīng)形成了大面積的漏斗[6,21]，致使地下水流運(yùn)動由水平轉(zhuǎn)化為三維，加劇了地下水側(cè)滲補(bǔ)給[21]，從而增加了鹽分的來源，導(dǎo)致地下水礦化度升高。通過對比治理前后地下水礦化度的變異系數(shù)可知，治理后地下水礦化度變異系數(shù)增大，表明研究區(qū)地下水礦化空間變異性增強(qiáng)，這是由于與長期人為強(qiáng)烈的負(fù)面干擾和自然地理?xiàng)l件下形成的地下水礦化度相比，目前所采取的短歷時人工正面干擾在一定程度上來說類似于點(diǎn)源正面干擾，即絕大多數(shù)只在農(nóng)田進(jìn)行灌溉補(bǔ)給地下水或關(guān)井壓田，有些在經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)使下只是退耕解決水源困難或種植農(nóng)作物生長不良的區(qū)域。在時間序列上，研究區(qū)地下水礦化度基本上呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢但出現(xiàn)峰值的年份卻不同，這一方面與各個分區(qū)在不同年份的土地利用類型[7,9]有很大關(guān)系，耕地面積占比越大，對水資源的需求量就越多，地下水礦化度越高；另一方面和各分區(qū)在不同年份的植被類型有關(guān)，不同的植被類型其根系吸收和利用水、養(yǎng)分的能力也不同，從而導(dǎo)致地下水含鹽量及礦質(zhì)離子產(chǎn)生較大差異。

研究區(qū)地下水礦化度的季節(jié)變化規(guī)律與地下水季節(jié)性開采量和利用效率[22]有很大關(guān)系。民勤地區(qū)地下水的開采主要應(yīng)用在農(nóng)作物灌溉方面，在灌溉條件下，補(bǔ)給地下水的最主要因素就是農(nóng)田灌溉水，消耗地下水的方式有地下水出流以及土壤和植物的葉面蒸發(fā)，所以在灌區(qū)地下水礦化度的變化取決于補(bǔ)給地下水和消耗地下水的消長關(guān)系[23]。雖然近些年來采取了一系列的生態(tài)工程治理措施，地下水礦化度依然整體表現(xiàn)為升高趨勢，但地下水礦化度的增加幅度在降低，說明目前的治理措施可以有效地緩解地下水礦化度增加幅度的升高，但要從根本上遏制地下水礦化度的升高，需要進(jìn)一步加大力度實(shí)施目前的工程治理措施。