中牟縣地下水生態(tài)水位研究

陳南祥, 楊杰, 屈吉鴻

(華北水利水電大學(xué),河南 鄭州 450045)

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中牟縣地下水生態(tài)水位研究

陳南祥, 楊杰, 屈吉鴻

(華北水利水電大學(xué),河南 鄭州 450045)

地下水位是生態(tài)控制性因素之一。根據(jù)中牟縣地下水位、蒸發(fā)、土壤、土地利用等資料,采用動(dòng)態(tài)資料相關(guān)法計(jì)算地下水生態(tài)水位下限值;根據(jù)各類土壤質(zhì)地的毛細(xì)水上升高度實(shí)測(cè)結(jié)果,結(jié)合植被根系層厚度,通過(guò)對(duì)兩者求和計(jì)算地下水生態(tài)水位上限值。經(jīng)分析計(jì)算，研究區(qū)地下水生態(tài)水位下限值為4.00～13.00 m，上限值為1.30～4.50 m。通過(guò)所給出的地下水生態(tài)水位上、下限閾值對(duì)地下水位進(jìn)行調(diào)控，既能防止土壤干燥、植被退化,又能維持植被(或作物)正常生長(zhǎng)的需要、防止土壤鹽漬化。研究得到的地下水生態(tài)水位上、下限值的空間分布可為區(qū)域地下水管理和調(diào)控提供依據(jù)。

地下水生態(tài)水位;閾值;動(dòng)態(tài)資料相關(guān)法;中牟縣

地下水是水資源的重要組成部分,不僅是人類生產(chǎn)、生活的重要水源,而且是生態(tài)、環(huán)境的控制因素。由于在地下水開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中忽略了地下水的生態(tài)屬性,引發(fā)了水質(zhì)礦化、土壤荒漠化、植被退化、生態(tài)惡化等問(wèn)題[1]。為降低地下水開(kāi)發(fā)利用的生態(tài)負(fù)效應(yīng),地下水與生態(tài)、環(huán)境關(guān)系的研究逐漸引起人們的重視。主要研究成果包括:提出了沼澤化水位、鹽漬化水位、適宜生態(tài)水位、植物脅迫水位、荒漠化水位等生態(tài)水位的概念、分類和確定方法[2-3],分析了地下水位引發(fā)的生態(tài)效應(yīng)[4],建立了考慮生態(tài)影響的地下水評(píng)價(jià)指標(biāo)[5]和基于生態(tài)控制目標(biāo)的地下水調(diào)控模型和方案[6-7]等。其中,地下水生態(tài)水位的確定是該研究的基礎(chǔ)工作。盡管目前地下水生態(tài)水位計(jì)算方法較多,但都較為繁瑣,不便操作。筆者以河南省中牟縣為例,運(yùn)用動(dòng)態(tài)資料相關(guān)法和實(shí)測(cè)法分析、計(jì)算其地下水生態(tài)水位,該方法簡(jiǎn)便、易于理解和操作。

1　研究區(qū)概況

中牟縣位于河南省中部,南北長(zhǎng)55 km,東西寬35 km,面積1 416.6 km2,總?cè)丝?1萬(wàn)人(2012年)。中牟縣位于黃淮平原,地下水含水層多為松散巖類孔隙含水層。潛水主要補(bǔ)給方式為大氣降水和河流入滲,主要排泄方式為蒸發(fā)和人工開(kāi)采,地下水動(dòng)態(tài)為典型的入滲—蒸發(fā)—開(kāi)采型。由于黃河沖積作用,研究區(qū)含水層的巖性多為典型的“二元結(jié)構(gòu)”,或粗細(xì)相間的“多元結(jié)構(gòu)”。區(qū)內(nèi)有賈魯河、小清河等河流,屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候,四季分明,多年平均降水量616 mm,且多集中在6—9月。

2　數(shù)據(jù)與方法

2.1地下水生態(tài)水位的劃分標(biāo)準(zhǔn)及計(jì)算數(shù)據(jù)

地下水生態(tài)水位是維持生態(tài)良性狀態(tài)的地下水水位的總稱。地下水生態(tài)水位分類較多,如沼澤化地下水位、鹽漬化地下水位、荒漠化地下水位、地面沉降型地下水位、海水入侵型地下水位等。根據(jù)研究區(qū)潛在的生態(tài)、環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題,本次研究從地下水生態(tài)水位下限和生態(tài)水位上限的角度劃分地下水生態(tài)水位。其中生態(tài)水位上限和生態(tài)水位下限為控制性水位,超過(guò)控制水位將引發(fā)生態(tài)問(wèn)題,控制區(qū)間內(nèi)水位為生態(tài)適宜水位,劃分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

本次地下水生態(tài)水位分析計(jì)算所采用的數(shù)據(jù)包括中牟縣土地利用類型、土壤質(zhì)地、地下水蒸發(fā)、地下水水位等資料。其中土地利用類型、土壤質(zhì)地分別如圖1和圖2所示。

表1　生態(tài)水位類型及劃分標(biāo)準(zhǔn)

圖1　中牟縣土地利用類型

圖2　中牟縣土壤質(zhì)地

2.2生態(tài)水位下限的計(jì)算方法

地下水生態(tài)水位下限是指可以有效防止土壤干燥、植被退化的地下水位埋深。地下水蒸發(fā)是土壤干燥、植被退化的重要因素。因此,可以采用地下水極限蒸發(fā)深度確定地下水生態(tài)水位下限。地下水極限蒸發(fā)深度是地下水蒸發(fā)為零時(shí)的地下水位埋深,當(dāng)?shù)叵滤宦裆畛^(guò)該深度時(shí)將引發(fā)土壤沙化、植被退化等生態(tài)問(wèn)題[8-9]。

地下水極限蒸發(fā)深度可以通過(guò)實(shí)測(cè)法、經(jīng)驗(yàn)公式法、動(dòng)態(tài)資料相關(guān)法等方法計(jì)算。其中,實(shí)測(cè)法利用蒸滲儀測(cè)定,造價(jià)高;經(jīng)驗(yàn)公式法利用潛水蒸發(fā)的阿維揚(yáng)諾夫公式計(jì)算,參數(shù)不易確定,對(duì)資料要求高;動(dòng)態(tài)資料相關(guān)法利用地下水動(dòng)態(tài)資料計(jì)算,方法簡(jiǎn)單,資料易獲取。因此,本次研究采用動(dòng)態(tài)資料相關(guān)法計(jì)算地下水生態(tài)水位下限。其主要計(jì)算步驟如下:

步驟1統(tǒng)計(jì)逐月蒸發(fā)強(qiáng)度ξ(601)。若實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為ξ(20)蒸發(fā)強(qiáng)度,則用式(1)進(jìn)行換算。

ξ(601)=Cξ(20)，

(1)

式中C為蒸發(fā)強(qiáng)度轉(zhuǎn)換系數(shù),見(jiàn)表2。

表2　逐月蒸發(fā)強(qiáng)度轉(zhuǎn)換系數(shù)

(2)

Δh=hmax-hmin。

(3)

步驟4根據(jù)每口井的地下水生態(tài)水位下限,利用空間插值法,計(jì)算研究區(qū)地下水生態(tài)水位下限。

2.3生態(tài)水位上限的計(jì)算方法

地下水生態(tài)水位上限是指既能防止土壤發(fā)生鹽堿化,又能維持植物正常生長(zhǎng)的最高地下水位。土壤鹽堿化是由于土壤底層或地下水的鹽分隨毛細(xì)水上升到地表,水分蒸發(fā)后,使鹽分積累在表層土壤中的過(guò)程。但只考慮鹽堿化的地下水生態(tài)水位是不夠的,當(dāng)土壤毛細(xì)水上升至植物根系層時(shí),對(duì)于非水生植物來(lái)說(shuō)多數(shù)生態(tài)狀態(tài)不好。因此,地下水生態(tài)水位上限應(yīng)該由毛細(xì)水上升高度和植物根系層厚度共同確定。

毛細(xì)水上升高度可以通過(guò)毛細(xì)水上升試驗(yàn)得出。在試驗(yàn)中,當(dāng)毛細(xì)水上升的穩(wěn)定增加速度小于0.1 cm/d時(shí),認(rèn)為毛細(xì)上升高度達(dá)到最大,據(jù)此可得出研究區(qū)不同土壤質(zhì)地的毛細(xì)上升高度[10]。植物根系層厚度可以參考《中國(guó)北方草本植物根系》和《作物栽培學(xué)各論(北方本)》[11]中關(guān)于北方主要草本植被根系長(zhǎng)度的相關(guān)結(jié)論。

將研究區(qū)不同土壤質(zhì)地的毛細(xì)水上升高度和植物根系層厚度相加,即可得出研究區(qū)地下水生態(tài)水位上限值。

3　結(jié)果與討論

3.1中牟縣地下水生態(tài)水位下限值

中牟縣淺層地下水開(kāi)采以農(nóng)業(yè)灌溉為主,因此選擇地下水開(kāi)采量和降雨量均較小的11月份和12月份作為計(jì)算時(shí)段,以降低降雨和開(kāi)采對(duì)地下水位的影響。以研究區(qū)淺層地下水觀測(cè)資料系列較長(zhǎng)的17口井為對(duì)象,分析計(jì)算研究區(qū)地下水生態(tài)水位下限值及其空間分布。以27號(hào)、31號(hào)和42號(hào)井為例,采用動(dòng)態(tài)資料相關(guān)法計(jì)算地下水生態(tài)水位下限值。

表3　部分監(jiān)測(cè)井地下水統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖關(guān)系曲線

根據(jù)研究區(qū)觀測(cè)井的地下水動(dòng)態(tài)資料和蒸發(fā)資料,采用該方法可以推算出其他觀測(cè)孔所在區(qū)域的地下水位極限埋深。根據(jù)每口井的地下水生態(tài)水位下限值,利用空間插值法,可得中牟縣地下水生態(tài)水位下限值空間分布,如圖4所示。

圖4　中牟縣地下水生態(tài)水位下限值分布圖

研究區(qū)地下水生態(tài)水位下限值為4.00～13.00 m。其中地下水生態(tài)水位下限最大值位于張莊鎮(zhèn),其值為13.00 m左右,偏大的主要原因是張莊鎮(zhèn)的淺層地下水水位低;而狼城崗鎮(zhèn)的地下水生態(tài)水位下限值最小,為4.00 m左右,主要原因是其土壤含水能力差,補(bǔ)給能力差。

3.2中牟縣地下水生態(tài)水位上限值

采用試驗(yàn)方法確定了中牟縣各類土壤質(zhì)地毛細(xì)水上升高度,再通過(guò)參考《中國(guó)北方草本植物根系》和《作物栽培學(xué)各論(北方本)》中各類植被根系層厚度,得出中牟縣植被根系層厚度,兩者相加即為地下水生態(tài)水位上限值,結(jié)果見(jiàn)表4。

表4　地下水生態(tài)水位上限計(jì)算結(jié)果

根據(jù)中牟縣土壤質(zhì)地和土地利用類型空間分布,可以得到中牟縣地下水生態(tài)水位上限值的空間分布,如圖5所示。

圖5　中牟縣地下水生態(tài)水位上限值分布圖

由圖5可知,研究區(qū)地下水生態(tài)水位上限值為1.30～4.50 m,除少部分地區(qū)地下水生態(tài)水位上限值為4 m左右,大部分地區(qū)生態(tài)水位上限值為1.50～2.50 m,主要原因在于研究區(qū)壤土占絕大部分區(qū)域,而粉質(zhì)黏土所占區(qū)域較小。

4　結(jié)　語(yǔ)

本文應(yīng)用地下水動(dòng)態(tài)資料相關(guān)法和試驗(yàn)法計(jì)算并分析了中牟縣地下水生態(tài)水位空間分布及其特征，得到如下結(jié)論：

1)研究區(qū)的地下水生態(tài)水位下限值和上限值分別為4.00～13.00 m和1.30～4.50 m。

2)通過(guò)所給出的地下水生態(tài)水位上、下限閾值對(duì)地下水位進(jìn)行調(diào)控，既能防止土壤干燥、植被退化,又能維持植被(或作物)正常生長(zhǎng)的需要、防止土壤鹽漬化。

3)結(jié)合研究區(qū)地下水水位資料,可得到維持區(qū)域生態(tài)良性發(fā)展的地下水水位動(dòng)態(tài)變化區(qū)間和水量調(diào)控區(qū)間,即基于地下水生態(tài)調(diào)控的水位和水量,可為區(qū)域地下水合理開(kāi)發(fā)利用提供參考。

4)運(yùn)用動(dòng)態(tài)資料相關(guān)法和試驗(yàn)法確定地下水生態(tài)水位,簡(jiǎn)便且易于操作。但是，地下水極限蒸發(fā)深度、毛細(xì)水上升高度的確定方法較多,本研究計(jì)算得到的地下水生態(tài)水位應(yīng)與其他方法相互校核。

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[11]于振文.作物栽培學(xué)各論:北方本[M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社,2003.

(責(zé)任編輯：?jiǎn)檀淦?

Ecological Groundwater Level of Zhongmou County

CHEN Nanxiang, YANG Jie, QU Jihong

(North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

Groundwater level is one of the factors affecting ecological system. In the paper, we adopted the dynamic data correlation analysis method to calculate the lower limit of ecological groundwater level by using Zhongmou County′s datum of groundwater levels, evaporation, soil, land use and so on. The rising height of capillary water of different soil texture in experiment was calculated. The upper limit of ecological groundwater levels was calculated through summarizing the values of the thickness of vegetation′s root zone and the lower limit of ecological groundwater. Finally, the lower limit of the ecological groundwater obtained in the research area was 4.00～13.00 m, and the upper limit was 1.30～4.50 m, the groundwater levels were regulated and controlled according to the upper and lower limits of ecological groundwater, which could prevent soil drying and vegetation degenerating, could keep regular growth of vegetation, and could avoid soil salinization. The spatial distribution of the lower and upper limits of ecological groundwater levels obtained in the study could provide a basis for the management and control of local groundwater.

ecological groundwater level; threshold value; dynamic data correlation analysis method; Zhongmou County

2015-12-09

水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目資助(201401041)；河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(14A170006)。

陳南祥(1958—)，男，江蘇張家港人，教授，博導(dǎo)，博士，主要從事水文地質(zhì)方面的研究。E-mail:chennanxiang@ncwu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1002-5634.2016.01.016

TV213.4;P641.8

A

1002-5634(2016)01-0084-05