2003—2019年大連主要灌區(qū)地下水埋深變化及主因分析

梁中華

(遼寧省大連水文局，遼寧 大連 116023)

水資源主要由地表水資源和地下水資源組成，由于開采難度較低、且分布范圍較大，地下水對于區(qū)域水資源供需平衡影響較大[1]。我國水資源時空分布不均特點影響農(nóng)業(yè)灌溉生產(chǎn)。近些年來，大連地區(qū)水資源短缺問題已經(jīng)逐步成為制約區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展的一個重要因素[2]。大連地區(qū)水資源尤其是農(nóng)業(yè)補給主要來源于區(qū)域的幾個大型灌區(qū)，各灌區(qū)水資源量補給占區(qū)域農(nóng)灌總水資量的比例高達75%[3]。當前，對于大連地區(qū)灌區(qū)地下水埋深變化影響研究取得一定研究成果[4- 10]，各研究成果均表明大連地區(qū)主要灌區(qū)地下水埋深變化特征較為明顯，但對于其地下水埋深變化成因探討還較少，為此本文根據(jù)大連地區(qū)3個主要灌區(qū)2003—2019年地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)對灌區(qū)地下水埋深變化特征進行分析，并采用敏感度[11]和貢獻率分析方法[12]對影響主因進行分析，研究成果對于大連地區(qū)灌區(qū)節(jié)水改造規(guī)劃具有重要的參考意義。

1 灌區(qū)概況及分析方法

1.1 灌區(qū)概況

本文主要以大連地區(qū)的莊河、東風、紅旗3個主要灌區(qū)作為研究區(qū)域，其中莊河和東風2個灌區(qū)，分別位于莊河市和瓦房店市境內。灌區(qū)建設于1958—1975年，總土地面積2987km2，耕地面積8.225萬hm2。灌區(qū)設計灌溉總面積4.936萬hm2，有效灌溉面積3.258萬hm2。灌區(qū)主要供水水源為各大中型水庫，現(xiàn)有4座大(Ⅱ)型水庫、3座中型水庫、13座小(Ⅰ)型水庫、25座小(Ⅱ)型水庫、19座塘壩?？偧娣e2148.5km2，總庫容7.96億m3，興利庫容4.57億m3，年調節(jié)水量4.89億m3。灌區(qū)渠道包括34條干渠、長度388.45km，437條支渠、總長度636.39km，1785座攔河閘、壩、渡槽等渠系建筑物。紅旗灌區(qū)工程于1973年10月建成。灌區(qū)南北長20km，橫跨吊橋河和余糧河2個流域，有5個鄉(xiāng)鎮(zhèn)受益。灌區(qū)包括渠道自流、沿河補水和庫區(qū)提水3部分。自流灌區(qū)包括1條總干渠、2條干渠。設計灌溉面積2900萬km2，養(yǎng)魚水面300萬km2。

1.2 研究方法

本文主要采用距平方式，根據(jù)大連地區(qū)3個主要灌區(qū)2003—2019年地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)對灌區(qū)地下水埋深變化波動特征進行分析，在變化特征分析的基礎上采用敏感度及相對貢獻率方法對其變化的主因進行探討。地下水埋深變化影響敏感度主要通過建立地下水埋深和其變化影響因素之間的關聯(lián)度進行計算，其計算方程為：

(1)

Y=b0+b1Q+b2P+b3G+b4ET+b5K

(2)

式中，Y—標準化處理后的地下水埋深；Q—標準化處理后的的灌區(qū)年徑流量;P—標準化處理后的的灌區(qū)年降水量；G—標準化處理后的農(nóng)業(yè)灌溉水量；ET—標準化處理后的的灌區(qū)年蒸發(fā)量；K—標準化處理后地下水開采量。在各影響因子標準化處理成無量綱值后對其相對貢獻率進行計算，方程為：

(3)

式中，η—地下水埋深影響因子貢獻率相對值，%。

2 大連地區(qū)主要灌區(qū)地下水埋深變化特征

2.1 年內各灌區(qū)地下水埋深變化特征

根據(jù)大連地區(qū)3個主要灌區(qū)2003—2019年地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)對各灌區(qū)年內地下水埋深距平值進行統(tǒng)計，統(tǒng)計結果見表1。

表1 大連地區(qū)3個主要灌區(qū)地下水埋深年內距平統(tǒng)計值 單位：m

由大連地區(qū)3個主要灌區(qū)地下水埋深年內距平統(tǒng)計值可看出，各灌區(qū)地下水埋深均在3月距平最低，處于最低值，從3月開始各灌區(qū)地下水埋深距平值增加，地下水埋深逐步遞增；從7月開始到第二年的2月大連地區(qū)3個主要灌區(qū)地下水埋深逐步下降，地下水埋深距平值降低；5—10月各灌區(qū)由于農(nóng)業(yè)灌溉用水需求，其地下水埋深高于區(qū)域多年地下水埋深的均值。通過統(tǒng)計分析大連地區(qū)3個主要灌區(qū)2003—2019年地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，東風灌區(qū)地下水埋深遞減速率要高于其他2個灌區(qū)，年地下水埋深下降的幅度為0.17m/a，莊河灌區(qū)和紅旗灌區(qū)的地下水埋深下降幅度分別為0.15和0.084m/a，紅旗灌區(qū)地下水埋深下降幅度最為緩慢。東風灌區(qū)由于區(qū)域植被覆蓋度較大且位于碧流河下游補給量相對較少，因此地下水埋深變幅最大，而其余2個灌區(qū)由于位于流域上游地下水補給量均要高于東風灌區(qū)，因此地下水埋深變幅相對緩慢。

2.2 農(nóng)作物不同生長時期各灌區(qū)地下水埋深變化特征

考慮灌區(qū)主要為農(nóng)業(yè)灌溉，因此對區(qū)域農(nóng)作物不同生長季節(jié)的地下水埋深變化特征進行分析，各灌區(qū)不同農(nóng)作物生長時期的地下水埋深距平統(tǒng)計值見表2。

表2 大連地區(qū)3個主要灌區(qū)農(nóng)作物不同生長時期地下水埋深距平統(tǒng)計值 單位：m

大連地區(qū)農(nóng)作物生長季主要集中在5—10月，其他月份為農(nóng)作物非生長季節(jié)，從各灌區(qū)農(nóng)作物不同生長季節(jié)的地下水埋深距平值可看出，生長季各灌區(qū)地下水埋深距平值相對較高，而非生長季節(jié)由于農(nóng)灌水量減少，其地下水埋深值增加，從而降低了其地下水埋深距平值。從各灌區(qū)不同生長季地下水埋深變化可看出，紅旗灌區(qū)在農(nóng)作物生長季及非生長季地下水埋深距平值變幅較小，表明該灌區(qū)農(nóng)灌水量并不完全依靠區(qū)域地下水灌溉，東風灌區(qū)不同時期地下水埋深距平值要高于其他2個灌區(qū)，這主要是因為東風灌區(qū)農(nóng)灌水主要依靠區(qū)域地下水所致。

3 大連地區(qū)主要灌區(qū)地下水埋深變化原因分析

3.1 影響敏感度分析

結合前面所述的地下水埋深影響因子敏感度計算方法，對東風灌區(qū)、莊河灌區(qū)及紅旗灌區(qū)地下水埋深影響因子的敏感度進行計算，結果見表3。

表3 大連地區(qū)3個主要灌區(qū)地下水埋深變化影響因子敏感度分析結果

從各因子敏感度分析可看出，對于3個灌區(qū)而言，年蒸發(fā)量對各灌區(qū)地下水埋深影響敏感度最高，且明顯高于其他幾個影響因子，其次為地下水開采量，年徑流量和農(nóng)業(yè)灌溉水量對各灌區(qū)地下水埋深影響為負值，敏感度較低。大連地區(qū)蒸發(fā)量和區(qū)域氣候緊密相關，區(qū)域多年蒸發(fā)量超過1600mm，而年降水量多年均值低于1000mm，從水量平衡角度出發(fā)，相比于降水條件蒸發(fā)對于大連地區(qū)3個灌區(qū)地下水埋深影響最大。

3.2 主因貢獻率相對值分析

根據(jù)區(qū)域地下水埋深變化6個影響因子，對大連地區(qū)3個主要灌區(qū)的地下水影響因子的貢獻率相對值進行分析，結果見表4。

表4 大連地區(qū)3個主要灌區(qū)地下水埋深變化影響因子貢獻率相對值分析結果 單位：%

從各灌區(qū)地下水埋深變化影響因子貢獻率相對值分析結果可看出，東風灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉水量對于其地下水埋深變化貢獻率最高為32.33%，其次為地下水開采量，莊河灌區(qū)地下水開采量對其地下水埋深影響貢獻率最大為35.06%，年降水貢獻率最低為5.72%。紅旗灌區(qū)地下水開采量對其地下水埋深影響貢獻率最大為41.07%，其次為農(nóng)業(yè)灌溉水量為28.31%?？傮w而言各灌區(qū)地下水埋深受降水影響的貢獻率均低于10%，受降水影響度較低。

3.3 灌區(qū)渠井用水比例分析

為對各灌區(qū)地下水用水效率進行分析，結合各渠井2003—2019年數(shù)據(jù)對各灌區(qū)地下水渠井用水比例進行分析，結果見表5。

表5 大連地區(qū)3個主要灌區(qū)地下水渠井用水比例分析結果 單位：%

從各年份3個灌區(qū)地下水地下水渠井用水比例分析結果可看出，莊河灌區(qū)和紅旗灌區(qū)用水比例轉折點在2005年，用水比例呈現(xiàn)較為顯著遞減，通過調查分析這主要是因為莊河灌區(qū)和紅旗灌區(qū)從2005年開始加大了地下水取水量進行農(nóng)業(yè)灌溉，雖然一些節(jié)水措施在灌區(qū)取水得到應用后，其渠井用水比例有所增加，但總體還是小于2005年。東風灌區(qū)從2011年以后其渠井用水比例逐年遞增，這主要是因為東風灌區(qū)近些年來加大了灌區(qū)節(jié)水綜合改造，提高了取水效率。

4 主要結論

(1)東風灌區(qū)地下水埋深遞減速率要高于其他2個灌區(qū)，其年地下水埋深下降的幅度為0.17m/a，莊河灌區(qū)和紅旗灌區(qū)的地下水埋深下降幅度分別為0.15和0.084m/a，紅旗灌區(qū)地下水埋深下降幅度最為緩慢。

(2)對于東風、莊河、紅旗灌區(qū)而言，年蒸發(fā)量對于各灌區(qū)地下水埋深影響敏感度最高，且明顯高于其他幾個影響因子，其次為地下水開采量，年徑流量和農(nóng)業(yè)灌溉水量對各灌區(qū)地下水埋深影響為負值，敏感度較低。

(3)莊河灌區(qū)和紅旗灌區(qū)用水比例轉折點在2005年，用水比例呈現(xiàn)較為顯著遞減，其主要是因為莊河灌區(qū)和紅旗灌區(qū)從2005年開始加大了地下水取水量進行農(nóng)業(yè)灌溉。