引黃灌區(qū)水文變化規(guī)律分析
——以德州市平原縣為例

由樹春，迮曉娜

（1.煙臺(tái)市水文中心，山東 煙臺(tái) 264000；2.龍口市水庫(kù)管理中心，山東 煙臺(tái) 265700）

近年來(lái)有關(guān)農(nóng)業(yè)灌溉與區(qū)域水資源適應(yīng)性的研究較多，國(guó)內(nèi)學(xué)者的研究著重于西北、華北地區(qū)，缺乏對(duì)東部地區(qū)的綜合研究。本文以山東省德州市平原縣為研究區(qū)，該縣為國(guó)家大型糧棉生產(chǎn)基地、京津蔬菜園，做好該地區(qū)的農(nóng)業(yè)灌溉工作對(duì)于整個(gè)華北地區(qū)的農(nóng)作物產(chǎn)品供給具有重要意義。通過(guò)大量文獻(xiàn)資料分析平原縣水文變化規(guī)律，利用ArcGIS 做地下水位空間變異分析，針對(duì)地下水位的空間分布情況選用合理的灌溉方式，對(duì)該縣降雨蒸發(fā)資料進(jìn)行分析，比較蒸降差與地下水位的關(guān)聯(lián)性。結(jié)合蒸降差與地下水位關(guān)系分析預(yù)測(cè)該地區(qū)地下水位動(dòng)態(tài)變化以及水量排補(bǔ)均衡狀況。積極推廣實(shí)施井渠雙灌工程，做到合理、科學(xué)用水，實(shí)現(xiàn)節(jié)水減耗增效和農(nóng)業(yè)增收。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

平原縣位于山東省西北部、德州市中部，地跨東經(jīng)116°10′35″至116°41′，北緯36°57′40″至37°23′16″，土地總面積1047km2，縣區(qū)內(nèi)主要水網(wǎng)包括馬頰河、德惠新河、洪溝河、平武河、引黃干渠等。涵蓋180 個(gè)農(nóng)村社區(qū)，46 萬(wàn)人，85 萬(wàn)畝耕地。平原縣處于暖溫帶，受季風(fēng)影響，屬大陸性半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候；春旱少雨多風(fēng)，夏熱雨量集中，秋雨少而易旱，冬寒少雪晴燥，四季特征分明；該縣多年平均氣溫12.7℃，多年平均無(wú)霜期是190 天。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

根據(jù)德州市水利局及平原縣水務(wù)局對(duì)該縣水文變化的常年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選。地下水位資料選取平原縣內(nèi)13 處典型測(cè)井，所選測(cè)井的地理位置和所處水網(wǎng)覆蓋了平原縣區(qū)的所有范圍，具有較強(qiáng)的代表性。

1.3 數(shù)據(jù)分析與處理

利用SPSS17.0 統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合空間變異理論，利用ArcGIS10.0 中的統(tǒng)計(jì)模塊（GeostatisticalAnalyst）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間克里格插值（OrdinaryKriging）分析，追蹤其地下水位等值線分布，構(gòu)建其地下水位的空間變異分布圖。普通克里格法的公式可表示為：

式中，Z*(x0)為估計(jì)值；Z(xi)為第i 個(gè)樣本的觀測(cè)值；λi為權(quán)重值；為保證插值結(jié)果的無(wú)偏性，權(quán)重之和為1。

2 結(jié)果與分析

2.1 近十年水位走勢(shì)分析

對(duì)2000—2009 年每年的13 處測(cè)井水位求平均值，得到該年全縣的平均水位。并根據(jù)10 年的平均水位做趨勢(shì)分析，了解近十年的平均水位走勢(shì)，如圖1 所示。

圖1 平均水位變化趨勢(shì)圖

由圖1 可看出在2002 年平原縣水位達(dá)到了最低值18.17m，在2004 年水位達(dá)到了最高值19.29m；其余年份水位圍繞著十年的平均水位18.68m 上下波動(dòng)，處于一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程。年際水位大幅度變化歸因于該年的降雨、蒸發(fā)等因素，這一推測(cè)在平原縣降雨蒸發(fā)分析中得以驗(yàn)證。

2.2 典型年份地下水位空間變異分析

選取2002 年（最低值）、2004 年（最高值）、2007 年（最接近平均值）各測(cè)井的水位利用ArcGIS做克里格內(nèi)插分析，研究其水位變化特點(diǎn)。

由圖2 可看出，研究區(qū)地下水位在年際間差異較大。在圖2（a）中可見2002 年大部分區(qū)域處于低水位狀態(tài)，大區(qū)域面積的水位在18.50～19.38m 之間，可推測(cè)其該年降水總量偏低。另外，在王鳳樓鎮(zhèn)仇安石村24A 號(hào)測(cè)井附近出現(xiàn)了水位最低值，僅為14.72m，而出現(xiàn)在王打卦鄉(xiāng)大辛村31 號(hào)測(cè)井附近的最高水位為21.11m。

圖2 平原縣典型年份地下水位等值線圖

由圖2（b）可見平原縣在2004 年平均水位及高水位覆蓋面積較廣，大區(qū)域水位在19m 以上，推測(cè)是由于該年降水總量較高造成的。最高水位點(diǎn)出現(xiàn)在王打卦鄉(xiāng)大辛村31 號(hào)測(cè)井附近為23.95m，最低水位出現(xiàn)在恩城鎮(zhèn)趙莊村的141 號(hào)測(cè)井處為15.24m，但低水位區(qū)域覆蓋面積極小，推測(cè)盡管2004 年總降水量較豐富，但在該測(cè)井附近工農(nóng)業(yè)用水量較大。

在圖2（c）中，研究區(qū)水位在區(qū)域分布上各級(jí)水位分布較均衡。2007 年平均水位是18.65m，與平原縣10 年的平均水位相接近。該年最低水位仍舊出現(xiàn)在恩城鎮(zhèn)邊界處的141 號(hào)測(cè)井處，可推測(cè)自2002年后，恩城鎮(zhèn)趙莊村141 號(hào)測(cè)井附近可能由于農(nóng)業(yè)灌溉或是其他工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)存在地下水不合理開采的情況，使得該測(cè)井附近地下水位持續(xù)偏低，因此斷定該地區(qū)已經(jīng)不適合采用井灌的方式。最高水位點(diǎn)依然在王打卦鄉(xiāng)大辛村31 號(hào)測(cè)井附近，為22.86m。利用ArcGIS 中的距離測(cè)算功能得到兩地距離為4810m 而兩地年均水位差為6.41m，可在大辛村繼續(xù)打井灌溉，或在兩地間修建輸水渠道對(duì)恩城鎮(zhèn)趙莊村進(jìn)行渠灌。

2.3 研究區(qū)年際地下水位變化分析

對(duì)選取的13 處測(cè)井地下水位數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，運(yùn)用SPSS 對(duì)其在2000—2009 年間的地下水位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到各測(cè)井地下水位特征參數(shù)，如表1 所示。

表1 2000—2009 年研究區(qū)地下水位特征參數(shù)表

分析表1 數(shù)據(jù)，13 處測(cè)井的地下水位存在明顯差異性；10 年中每處測(cè)井的變幅差異較大，最高變幅是趙莊村，變化范圍為6.49m；最低變幅是小李寨村，僅為1.56m。偏度表示概率分布密度曲線相對(duì)于均值不對(duì)稱程度的特征指數(shù)。此標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布偏度為0，偏度值表明地下水位無(wú)規(guī)律的分布在平均值的兩側(cè)，各處水位的不對(duì)稱分布主要與降雨、蒸發(fā)、灌溉等因素有關(guān)。標(biāo)準(zhǔn)差體現(xiàn)了地下水位的離散程度，由表中數(shù)據(jù)可見隋莊村、唐樓村、尹屯村附近地下水位波動(dòng)較小，仇安石村、大辛村、趙莊村等地地下水位波動(dòng)較大，地下水位的波動(dòng)與各處測(cè)井的地理位置和灌溉方式有一定關(guān)系。根據(jù)上述分析，對(duì)于水位較高且波動(dòng)較小的地區(qū)可在農(nóng)業(yè)灌溉期間采用井灌方式；針對(duì)水位較低的趙莊村、仇安石村等地區(qū)應(yīng)采用渠灌方式，并對(duì)當(dāng)?shù)夭缓侠淼挠盟绞郊右哉巍?/p>

2.4 研究區(qū)年內(nèi)地下水位時(shí)間變異分析

為了研究地下水位在各個(gè)季節(jié)之間的差異，進(jìn)行地下水年內(nèi)變化特點(diǎn)分析，特別是研究在農(nóng)業(yè)灌溉用水季節(jié)，應(yīng)用何種灌溉方式，以達(dá)到最優(yōu)的地下水利用模式。在研究中發(fā)現(xiàn)該縣地下水位變化受季節(jié)性變化影響較大，水位變化原因如下：1 月份研究區(qū)屬于冬季冰封期，降水少，地下水位主要受蒸發(fā)、工業(yè)以及生活用水的影響；2 月中下旬開始天氣回暖、冰雪融化、河流解凍、地表水補(bǔ)給地下水，造成地下水位略微升高；從3 月下旬開始農(nóng)作物需水量加大，而此階段降雨量少，灌溉水主要來(lái)源于地下水，從而導(dǎo)致地下水位持續(xù)下降；冬小麥?zhǔn)崭詈笥瓉?lái)大豆、蔬菜等作物的種植使得地下水位顯著降低；直到7 月份進(jìn)入雨季，地下水位具有回升趨勢(shì)，但由于該地區(qū)此時(shí)段為酷暑季節(jié)，加速蒸發(fā)，使得地下水位不能得到快速的補(bǔ)給，此時(shí)段的農(nóng)業(yè)灌溉方式轉(zhuǎn)變?yōu)楹恿鞴喔扰c降雨灌溉，同時(shí)大量的地表水入滲補(bǔ)給地下水，使得地下水位繼續(xù)回升；11 月份北方降雨基本結(jié)束，此時(shí)段影響地下水位的主要因素為蒸發(fā)量，導(dǎo)致地下水位從11 月到次年2 月份的緩慢下降。

2.5 平原縣降雨蒸發(fā)分析

水位變化的原因是地下水系統(tǒng)對(duì)內(nèi)外作用力的一種響應(yīng)，地下水均衡的主要影響因素包括：降雨量、蒸發(fā)量、地表水滲透補(bǔ)給量、其他含水層的滲透補(bǔ)給量、地下水溢出量等。降水的持續(xù)效應(yīng)對(duì)觀測(cè)井的水位、流量等也有一定的影響，水位變化是多種影響因素綜合作用的結(jié)果。在這些影響因素中降水與蒸發(fā)對(duì)水位動(dòng)態(tài)的影響最為顯著。

降雨蒸發(fā)資料選取篤馬河平原站水文觀測(cè)站的數(shù)據(jù)，如表2 所示。

表2 平原縣降雨蒸發(fā)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

蒸降差指某一地區(qū)在一定時(shí)間內(nèi)，蒸發(fā)量與降水量的差值。研究蒸降差的時(shí)空分異，在地理環(huán)境上，對(duì)探討氣候環(huán)境變化條件下的水資源循環(huán)具有重要意義；在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，蒸降差是制定農(nóng)作物灌溉計(jì)劃的重要依據(jù)。分析蒸降差與地下水位間的關(guān)聯(lián)性，可為水資源的高效利用提供參考依據(jù)。

由表2 可以看出蒸降差在研究年際內(nèi)變化顯著。蒸降差越大說(shuō)明該年份的水資源消耗越大，地下水位隨之降低；反之亦然。可見在2002 年蒸降差最大時(shí)產(chǎn)生了10 年內(nèi)的最低水位，這一現(xiàn)象符合上述規(guī)律；在2003 年蒸降差達(dá)到最小，但并沒(méi)有產(chǎn)生10年內(nèi)的最高水位，說(shuō)明該年地下水動(dòng)態(tài)均衡受其他因素的影響，如地下水溢出、人工開采地下水等；在2004 年由于降雨量較豐沛，雖然蒸降差較大但仍然產(chǎn)生了10 年內(nèi)最高水位，說(shuō)明該年地下水位均衡受到持續(xù)降雨的影響或地表徑流入滲的補(bǔ)給。以上分析說(shuō)明研究區(qū)內(nèi)蒸降差與地下水位的關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)，但不能完全控制地下水位的高低，其他因素如地表徑流入滲、地下水開采、相鄰流域排補(bǔ)量均對(duì)地下水位存在一定的影響。

3 結(jié)論

結(jié)合GIS 技術(shù)與統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，對(duì)平原縣10 年地下水位進(jìn)行空間變異分析與年內(nèi)的時(shí)間變異分析，針對(duì)地下水位的時(shí)空變化提出在某一時(shí)期、某一區(qū)域到底該應(yīng)用何種灌溉方式。本文的主要研究成果如下：

（1）根據(jù)研究區(qū)近十年地下水位走勢(shì)分析，地下水位圍繞十年水位均值18.66m 上下波動(dòng)，呈現(xiàn)出動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)。（2）在對(duì)研究區(qū)典型年份的地下水位插值分析中得到，年內(nèi)水位空間變異性較強(qiáng)，針對(duì)恩城鎮(zhèn)趙莊村等低水位區(qū)域，農(nóng)業(yè)灌溉應(yīng)渠灌方式取代井灌方式,針對(duì)王打卦鄉(xiāng)大辛村等高水位區(qū)域可在其附近采用井灌方式，以防止土地次生鹽堿化。（3）根據(jù)2000—2009 年研究區(qū)地下水位特征參數(shù)，各處測(cè)井的水位差異較大，變幅差異較大，地下水位無(wú)規(guī)律的分布在平均值的兩側(cè)，水位波動(dòng)較大。（4）由年內(nèi)地下水位時(shí)間變異分析，研究區(qū)地下水位變化受季節(jié)性影響較大，應(yīng)針對(duì)不同季節(jié)選取合理的灌溉方式，合理配置地下水。（5）研究降雨蒸發(fā)量時(shí)，發(fā)現(xiàn)蒸降差與該地區(qū)地下水位變化的關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)，但不能完全控制地下水位的變化。

分析地下水位應(yīng)從多因素入手，積極開展井渠雙灌工程，對(duì)不合理的灌溉模式及地下水使用方式予以糾正和改善，為農(nóng)業(yè)灌溉方面提出理論依據(jù)，給予灌溉管理人員和農(nóng)民指導(dǎo)性意見，從而實(shí)現(xiàn)合理、科學(xué)用水，節(jié)水減耗增效和農(nóng)業(yè)增收