內蒙古河套灌區(qū)某灌域地下水埋深時空變化特征研究

李昕陽，趙 晶，李洪濤

(1.華北水利水電大學 水利學院，河南 鄭州 450046；2.新鄉(xiāng)市水利科技推廣中心，河南 新鄉(xiāng) 453000)

地下水是世界上最主要的可用淡水資源，在各國的供水量中所占比例較大。區(qū)域地下水的動態(tài)變化反映當地地下水資源的相關信息[1]，分析研究地下水動態(tài)要素變化有助于了解地下水資源的演變過程。關于地下水埋深的時空變化特征，20世紀70年代已引起國外學者的廣泛關注[2]，近年來隨著信息技術的飛速發(fā)展，地下水動態(tài)要素的時空變化特征研究方法不斷更新發(fā)展，出現如統(tǒng)計分析方法、時序分析法、分型方法、頻譜分析法、地質統(tǒng)計學法、數值模擬[3- 4]、隨機模擬方法以及近年的各種插值法等[5- 7]研究方法。

孫月等[8]、王小克等[9]采用基于GIS技術的反距離加權平均空間插值方法分析石羊河流域、敦煌盆地東湖地下水埋深空間變化分析，許月卿等[10]利用GIS 技術和克里金插值法分析河北平原近25年的地下水動態(tài)變化。李新波等[11]利用SPSS10.0軟件統(tǒng)計地下水埋深，選用球狀和指數模型分析地下水埋深時空變異特征。席海洋等[12]結合地質統(tǒng)計學方法分析額濟納盆地地下位變化。關于地下水埋深變化的歸因分析，鮑艷等[13]利用模擬檢驗方法分析了西北干旱地區(qū)地下水埋深下降受區(qū)域氣候變影響。桂云鵬等[14]認為大黑河平原區(qū)地下水位變化主要受降水入滲補給、地下水開采以及潛在蒸發(fā)的影響，三者貢獻率之和超過90%。萬思成等[15]認為地下水埋深變化與降水量和地下水資源超采量密切相關，王默涵等[16]認為區(qū)域高程、土地利用類型與植被種類、地下水資源取用水對地下水埋深影響程度較大。不同區(qū)域地下水埋深變化的影響因素各異，河套灌區(qū)近30年地下水埋深整體呈增加趨勢，地下水埋深的影響因素有待于進一步深入研究。

河套灌區(qū)位于內蒙古自治區(qū)西部的巴彥淖爾市，是我國最大灌區(qū)之一，也是我國重要的商品糧、油生產基地。烏蘭布和灌域作為河套灌區(qū)五大灌域之一，承擔著灌域內部分耕地的灌排任務。灌域地下水埋深影響作物根系土壤水分和鹽分運移，進而影響作物生長發(fā)育。近年來引黃水量減少，灌域水資源與經濟社會發(fā)展的自然結構不協(xié)調，灌域內地下水出現了分布不均勻、開采嚴重等一系列的問題。烏蘭布和灌域地下水埋深時空變化特征與歸因亟需進一步深入分析。本文基于烏蘭布和灌域18 眼觀測井1990—2018年逐月地下水埋深觀測資料，采用Mann-Kendal 趨勢檢驗法，并借助 Arc Gis10.2等軟件，研究灌域地下水埋深時空演變規(guī)律，采用相關分析法分析引黃水量、降雨量與蒸發(fā)量變化對地下水埋深的影響，可為灌域地下水開發(fā)利用與管理提供基礎支撐。

1 研究方法與數據來源

1.1 Manner-Kendall(M-K)趨勢分析法

假設時間序列X有n個樣本容量(x1，…，xn)，對于所有時間樣本1

(1)

式中，xj—時間序列X的第j個數據值；n—數據樣本的長度；sgn—符號函數。

1.2 相關分析法

針對于兩種不同事物X與Y，假設它們的樣本值分別為Xi與Yi(i=1，2，…，n)，則二者之間的相關系數計算公式為：

(2)

式中，RXY—X與Y兩種事物之間的相關系數，它表示了兩種事物之間的相關程度。RXY的絕對值越大，表示X與Y兩種事物之間的相關性越強。因此RXY的絕對值越接近1，相關呈度就越強；RXY越接近 0，反之相關度就越弱。

1.3 Penman-Monteith公式

采用Penman-Monteith公式[17]計算潛在蒸散量：

(3)

式中，ET0—潛在蒸散量，mm/d；Rn—作物表面凈輻射量，MJ/(m2·d)；G—土壤熱通量，MJ/(m2·d)；Δ—飽和水氣壓與氣溫關系曲線的斜率，kPa/℃；γ—濕度計常數，kPa/℃；Tmean—空氣平均氣溫，℃；U2—在地面以上2m高處的風速，m/s；es—空氣飽和水氣壓，kPa；ea—實際飽和水氣壓，kPa。

1.4 數據來源

本文選用18眼地下水觀測井，信息和所處位置分布如圖1所示。18眼地下水觀測井均處于磴口縣境內，海拔高度介于1030～2046m之間，地勢走向呈東南高、西北低。地下水數據來源內蒙古河套灌區(qū)管理局。氣象數據為烏蘭布和灌域內磴口縣氣象站點的逐日氣溫、平均相對濕度、平均風速、日照時數氣象資料(1990年1月1日—2018年12月31日)，數據來源于國家氣象信息中心。

圖1 研究區(qū)地下水觀測井位置分布圖

2 結果與分析

2.1 時間變化特征

烏蘭布和灌域1990—2018年地下水埋深變化如圖2所示，年地下水埋深序列的統(tǒng)計值Z為0.86，表明近30年來烏蘭布和灌域地下水埋深呈增加趨勢，線性趨勢率為0.076m/10a。1990—1995年間地下水埋深呈減少趨勢，平均每年減少0.05m。1996—2005年呈持續(xù)增長趨勢，平均每年增加0.09m。2008—2018年呈波動式變化。烏蘭布和灌域多年平均地下水埋深1.79m，最大埋深為2.01m(2005年)，最小年均埋深為1.50m(1995年)。

內蒙古河套灌區(qū)地下水埋深變化呈現出明顯的季節(jié)性和周期性。季節(jié)性是由于河套灌區(qū)地下水受到氣溫、降雨、蒸發(fā)等氣象條件的影響；周期性是由于河套灌區(qū)每年從黃河引水灌溉，影響地下水埋深變化。由圖3中可以看出，河套灌區(qū)地下水理深變化呈W型，在2、3、9月份，地下水埋深會下降到低谷；在5、6、11月份，地下水埋深會上升到峰值。河套灌區(qū)地下水埋深年內變化可分為以下5個階段: ①融凍階段，時間從3月中旬到5月中旬。隨氣溫回升，土壤開始解凍，融凍水逐漸回補地下水，地下水位開始回升。②夏灌階段，時間從5月中旬到7月中旬。因引黃水量大，渠道滲漏水量增多補給地下水，另一方農田灌溉水入滲到土壤層到達潛水位，造成地下水水位升幅較大。③秋灌階段，時間從7月中旬到9月中旬，降雨主要集中在這個階段，灌溉引黃水量增大，地下水埋深受到降雨和秋灌的雙重影響呈減少趨勢。④秋澆階段，時間從9月下旬到11月中旬，為壓鹽和蓄墑，河套灌區(qū)秋澆階段也會引用大量黃河水。大量的水在短時間漫灌到田間造成地下水埋深迅速增加，達到了全年最高水位。⑤封凍階段，時間從11月中旬到3月中旬，土壤開始逐步凍結，地下水埋深隨著冰凍層的逐漸加厚而逐漸減少。土壤蒸發(fā)由于氣溫降低而降至最小量，多種因素綜合作用使3月份出現全年最低水位。

圖2 地下水埋深年際變化

圖3 多年平均地下水埋深年內變化

2.2 空間變化特征

本文繪制研究區(qū)多年平均地下水埋深等值線圖如圖4(a)所示。利用MK趨勢檢驗法計算了灌域內各觀測井點多地下水埋深序列的統(tǒng)計值Z，其等值線圖如圖4(b)所示。地下水埋深變化呈從東南向西北先增后減趨勢。大致以那林套海農場—太陽廟農場為分界處，呈現東西低中部高的分布規(guī)律，中部那林套海農場(巴5- 1)地區(qū)為水位埋深高值區(qū)，多年平均地下水埋深等值線均介于2.3～3.3m之間；以隆盛合鎮(zhèn)(巴6- 2、巴8- 1)、渡口鎮(zhèn)(巴13- 1、巴24- 1)地區(qū)為埋深低值中心向周圍擴散為埋深低值區(qū)，此區(qū)域地下水埋深值較低，多年平均地下水埋深等值線均在1.1～1.7m之間。多年平均地下水埋深值在東部地區(qū)分布較為復雜，等值線較為密集且變化較大；而西部地區(qū)則相反，多年平均地下水埋深等值線稀疏，即地下水埋深在空間分布上變化并不明顯。

地下水埋深值的變化趨勢呈由東向西逐漸遞增趨勢。大致以中部那林套海農場(巴5- 1)地區(qū)以北、北部隆盛合鎮(zhèn)(巴8- 1)地區(qū)以南為分界線，將灌域分為三部分。第一分區(qū)以巴音毛道農場(巴4- 1)為中心，地下水埋深MK統(tǒng)計值Z向四周擴散增加，該分區(qū)地下水埋深MK統(tǒng)計Z值均為負值，絕對值介于2.3～4.9之間，絕大部分通過α=0.001顯著性性水平檢驗，該區(qū)地下水埋深下降趨勢明顯；從中部那林套海農場(巴5- 1)地區(qū)至巴彥套海農場(巴11)地區(qū)為第二分區(qū)，該分區(qū)Z值等值線在- 1.5～-0.7之間，大部分通過了α=0.1顯著性水平檢驗，該區(qū)地下水埋深下降趨勢較明顯；第三分區(qū)Z值等值線在-0.5～0. 3之間，部分地區(qū)地下水埋深呈增加趨勢。

圖4 多年均地下水埋深與 MK 變化趨勢空間分布

2.3 影響因素分析

本文基于灌區(qū)氣象數據應用Penman-Monteith公式計算了磴口站的ET0，如圖5(c)所示，ET0整體呈先升后降趨勢，與地下水量埋深呈弱相關，見表1。引黃水量整體呈下降趨勢與地下水量埋深呈中等負相關，如圖5(a)所示。降雨量整體呈上升趨勢與地下水量埋深不相關，如圖5(b)所示。地下水開采量呈上升趨勢與地下水量埋深呈弱相關，如圖5(d)所示。

圖5 地下水埋深與引黃水量、降雨量、潛在蒸散發(fā)量與地下水開采量的變化趨勢

地下水埋深與引黃水量、降雨量、潛在蒸散發(fā)量與地下水開采量的相關系數見表1，地下水埋深與引黃水量相關系數最大，為-0.380，其次是與潛在蒸散發(fā)量的相關系數，為0.265，第三為地下水開采量與潛在蒸散發(fā)量的相關系數，為0.229。這主要是由于內蒙古河套地區(qū)地處我國干旱的西北高原，降雨量少、蒸發(fā)量大，當地水資源匱乏，其生產生活用水主要依賴于過境黃河水。屬于沒有引水灌溉便沒有農業(yè)的地區(qū)，故引黃水量對地下水埋深影響明顯，相關系數大。河套地區(qū)的水分輸出中蒸散發(fā)占80%左右[18]，故潛在蒸散發(fā)對地下水埋深影響較明顯，相關系數較大。地下水開發(fā)利用直接引起地下水埋深變化，但烏蘭布和灌域地下水開采量小，對地下水埋深影響不大。而當地的降雨稀少，對地下水補給量很小，降雨變化對地下水埋深影響很小。

表1 地下水埋深與引黃水量、降雨量、潛在蒸散發(fā)量與地下水開采量的相關系數

3 結語

(1)烏蘭布和灌域內地下水埋深分布由東南向西北呈先增后減趨勢，大致以那林套海農場—太陽廟農場為分界處，呈現東西低中部高的分布規(guī)律。以隆盛合鎮(zhèn)(巴6- 2、巴8- 1)、渡口鎮(zhèn)(巴13- 1、巴24- 1)地區(qū)為埋深低值中心向周圍擴散為埋深低值區(qū)。西部地區(qū)多年平均地下水埋深等值線稀疏。地下水埋深值的變化趨勢呈由東向西逐漸遞增趨勢。

(2)近30年來烏蘭布和灌域地下水埋深呈上升趨勢，線性趨勢率為0.076m/10a。年內周期性與季節(jié)性變化明顯，地下水理深變化呈W型，在2、 3、9月地下水埋深會下降到低谷；春灌、秋澆等典型月份5、6、11月份，地下水埋深會上升到峰值。融凍階段地下水位回升，夏灌階段地下水水位升幅較大，秋灌階段地下水埋深受到降雨和秋灌的雙重影響呈減少趨勢，秋澆階段大量的水在短時間漫灌到田間造成地下水埋深迅速增加，達到了全年最高水位，封凍階段出現全年最低水位。

(3)引黃水量整體呈下降趨勢，與地下水量埋深呈中等負相關，相關系數為-0.380，ET0整體呈先升后降趨勢，與地下水量埋深呈弱相關，相關系數為0.265，地下水開采量呈上升趨勢，與地下水量埋深呈弱相關，相關系數為0.229，降雨量整體呈上升趨勢，與地下水量埋深不相關。