鹽堿化灌區(qū)不同地類的地下水鹽動態(tài)分析

周美玲

(江西省水投江河信息技術(shù)有限公司，江西 南昌 330029)

1 研究背景

對于干旱與半干旱地區(qū)而言，地下水一種獨(dú)特的水資源，它具有維持社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要作用。但農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中過量的灌溉會引起地下水位的抬高，加之干旱的氣候條件，土壤水分和地下潛水蒸發(fā)強(qiáng)烈，會造成土壤鹽分逐漸累積和地下水礦化度升高，產(chǎn)生土壤次生鹽堿化的危害，嚴(yán)重威脅干旱和半干旱地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[1-2]。過高的地下水位是造成干旱和半干旱地區(qū)產(chǎn)生土壤次生鹽堿化的主要原因，同時(shí)控制地下水位也是防止土壤次生鹽堿化的關(guān)鍵[3]。為了解決干旱和半干旱地區(qū)土壤次生鹽堿化的問題，國內(nèi)外研究者進(jìn)行了大量有關(guān)地下水鹽動態(tài)規(guī)律及調(diào)控地下水位的研究[4-6]。于國強(qiáng)等運(yùn)用雙因子方差分析方法研究了洛惠渠灌區(qū)地下水鹽動態(tài)規(guī)律，研究表明地下水電導(dǎo)率變化與地下水位變化有很大關(guān)系，表現(xiàn)出較強(qiáng)的區(qū)域特征，有效降低灌區(qū)地下水位是控制土壤鹽堿化的重要措施[7]。徐存東等利用甘肅景電灌區(qū)15年地下水位和水質(zhì)監(jiān)測資料分析了干旱灌區(qū)揚(yáng)水灌溉對水文地質(zhì)單元地下水鹽演化的影響，研究表明封閉型水文地質(zhì)單元的地下水礦化度呈逐年上升的趨勢，是灌區(qū)內(nèi)土壤產(chǎn)生鹽堿化形成的主要原因[8]。肖讓等對新疆皮墨墾區(qū)224團(tuán)地區(qū)地下水埋深及地下水礦化度進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，研究地下水鹽動態(tài)變化規(guī)律和水化學(xué)特征，研究表明研究區(qū)地下水埋深及礦化度均存在時(shí)空變化，地下水化學(xué)類型也具有明顯地時(shí)空分布特征[9]。位于黃河流域上游的內(nèi)蒙古河套灌區(qū)，由于氣候干旱少雨、蒸發(fā)強(qiáng)烈，地下水位埋深較淺，土壤母質(zhì)含鹽量較高，是一個(gè)典型的鹽堿化灌區(qū)，該灌區(qū)主要引黃河水灌溉[10]。近年來，隨著黃河流域水資源短缺問題的加劇，河套灌區(qū)的允許引黃水量由過去的52億 m3下降到40億 m3左右，引黃水量的不斷減少，將導(dǎo)致灌區(qū)地下水鹽動態(tài)將發(fā)生改變，原有的水鹽平衡將打破，而新的水鹽平衡尚不明晰[11]。目前，關(guān)于河套灌區(qū)地下水鹽動態(tài)的研究主要集中地下水埋深的時(shí)空變異規(guī)律[12-13]，地下水礦化度的時(shí)空變異特征[14-15]，節(jié)水改造后地下水位變化對地下水環(huán)境的影響[16-17]，地下水位變化對土壤水鹽及作物生長的影響[18-19]等方面。而關(guān)于河套灌區(qū)不同地類的地下水鹽動態(tài)變化的研究較少。本研究在內(nèi)蒙古河套灌區(qū)選擇一典型監(jiān)測區(qū)，通過對2013-2018年典型監(jiān)測區(qū)的地下水位及礦化度資料的分析，研究典型監(jiān)測區(qū)不同地類地下水位及礦化度的年內(nèi)年際動態(tài)變化規(guī)律，研究結(jié)果可為河套灌區(qū)水資源管理和有效利用提供科學(xué)依據(jù)。

2 材料與方法

河套灌區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)西部的巴彥淖爾市，是黃河中上游的大型灌區(qū)。河套灌區(qū)地處內(nèi)蒙古河套平原，北抵陰山山脈、南臨黃河、東與包頭市相鄰、西與烏蘭布和沙漠相接。地理坐標(biāo)在東經(jīng)106°20′～109°19′，北緯40°19′～41°18′之間。河套灌區(qū)降水量稀少，年降水量為130～220 mm，蒸發(fā)強(qiáng)烈，年蒸發(fā)量為1 900～2 500 mm，日照溫差大，日照時(shí)間長，年平均氣溫為5.6℃～7.8℃，全年日照時(shí)間為3 100～3 300 h，屬于典型的溫帶大陸干旱半干旱氣候。河套灌區(qū)是全國乃至亞洲最大的一首制大型自流灌區(qū)，是我國規(guī)模最大的三大灌區(qū)之一，也是國家重要的商品糧生產(chǎn)基地，農(nóng)業(yè)是該灌區(qū)經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)。河套灌區(qū)東西長250 km，南北寬達(dá)50 km，灌區(qū)總土地面積為1 794萬畝，灌區(qū)控制面積1 600萬畝，設(shè)計(jì)灌溉面積為1 100萬畝，現(xiàn)有灌溉面積861萬畝。河套灌區(qū)由烏蘭布和灌域、解放閘灌域、永濟(jì)灌域、義長灌域和烏拉特灌域5個(gè)灌域組成。當(dāng)?shù)厮芾聿块T在5個(gè)灌域共布置了225眼地下水觀測井(圖1-a所示)，用于長時(shí)期監(jiān)測河套灌區(qū)的地下水位和地下水礦化度。

在河套灌區(qū)選擇一典型監(jiān)測區(qū)，該典型監(jiān)測區(qū)位于河套灌區(qū)中游的解放閘東南部，為烏蘭分干渠控制區(qū)域，控制面積為166.68 km2，在該典型監(jiān)測區(qū)布置有85#、124#、128#、134#和136#地下水監(jiān)測井(圖1-b所示)，其中85#布置在村莊，124#、134#布置在荒地，128#、136#布置在耕地，監(jiān)測井基本反映了研究區(qū)不同景觀單元的構(gòu)成。收集2013-2018年期間5眼地下水監(jiān)測井地下水位資料，其中地下水位由解放閘灌域工作人員每隔5天觀測1次，采用鋼尺水位計(jì)測定地下水埋深，再換算得到地下水位標(biāo)高。監(jiān)測井地下水電導(dǎo)率EC(mS/cm)采用便攜式電導(dǎo)率儀測定，再根據(jù)相關(guān)公式(T=0.64EC)轉(zhuǎn)換成地下水礦化度T(g/L)[20]，地下水礦化度2個(gè)月測定1次，由于地下水礦化度資料的不完整，其中只收集到了2013-2018年期間128#和134#的地下水礦化度資料。利用Microsoft Excel 2010軟件對地下水位及礦化度動態(tài)變化進(jìn)行作圖，利用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件對地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 地下水位年內(nèi)動態(tài)分析

對2018年各地下水監(jiān)測井的地下水位數(shù)據(jù)進(jìn)行經(jīng)典統(tǒng)計(jì)分析，分析結(jié)果如表1所示。變異系數(shù)(Cv)可以反映試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散程度，一般認(rèn)為Cv<0.1屬于弱變異，0.1≤Cv≤1.0 屬于中等變異，Cv>1.0屬于強(qiáng)變異。由表1分析得出，各監(jiān)測井地下水位的變異系數(shù)均小于0.1，各監(jiān)測井的地下水位均呈弱變異性，偏度系數(shù)和峰度系數(shù)均在±1左右，各監(jiān)測井地下水位數(shù)據(jù)基本滿足正態(tài)分布，地下水位監(jiān)測數(shù)據(jù)可靠。

(a) 河套灌區(qū) (b) 典型監(jiān)測區(qū)

2018年各監(jiān)測井地下水位年內(nèi)動態(tài)變化如圖2所示。由圖2可以看出，各監(jiān)測井地下水位年內(nèi)變化規(guī)律基本類似，1-3月初各監(jiān)測井地下水位呈下降趨勢，此時(shí)為研究區(qū)的封凍期，外界溫度較低，土壤從表層逐漸往下層進(jìn)行凍結(jié)，凍土層厚度為1.0～1.5 m，因此地下水位逐漸下降；3-5月初各監(jiān)測井地下水位呈逐漸上升趨勢，此時(shí)為研究區(qū)的融通期，這主要是3月份開始外界溫度逐漸升高，土壤開始融通，至4月下旬土壤完全融通，地下水位逐漸升高；5-9月底為研究區(qū)的作物生育期，此時(shí)地下水位變化比較明顯，5月初為研究區(qū)的春灌時(shí)期，研究區(qū)進(jìn)行第1次灌溉，農(nóng)田灌溉水量達(dá)180 mm左右，在5月中下旬各監(jiān)測井地下水位上升到較大值，研究區(qū)作物在生育期一般灌溉3-4次，在作物灌溉前后，各監(jiān)測井地下水位變化明顯，8月上旬為研究區(qū)作物最后一次灌溉，在土壤蒸發(fā)和作物耗水的雙重作用下，各監(jiān)測井地下水位逐漸下降，至9月底地下水位降到一年的最低值，此時(shí)為秋澆前期；10-11月上旬為研究區(qū)秋澆期，秋澆歷時(shí)40 d左右，秋澆是一年中灌水量最大的時(shí)期，秋澆灌水量達(dá)200 mm左右，秋澆的主要作用是淋洗研究區(qū)耕地的土壤鹽分，為下一年度作物生長提供有利的條件，此時(shí)各監(jiān)測井地下水位逐漸上升，在11月上旬地下水位達(dá)到一年最大值；11月中旬-翌年3月為研究區(qū)的封凍期，各監(jiān)測井地下水位逐漸下降。研究區(qū)不同景觀單元的監(jiān)測井地下水位之間略有差別，85#布置在村莊，由于村莊離耕地較遠(yuǎn)，耕地進(jìn)行灌溉后，對村莊地下水位的影響較慢，同時(shí)影響也相對較弱一點(diǎn)， 85#地下水位與其他監(jiān)測井地下水位相比變化不是非常顯著。荒地與耕地相鄰，荒地地勢略低于耕地，荒地地下水位受耕地灌溉的影響比較明顯，耕地地下水通過“旱排”作用會流向荒地，荒地124#、134#的地下水位變化與耕地128#、136#地下水位變化規(guī)律基本類似。綜上所述，河套灌區(qū)地下水位受灌溉、蒸發(fā)、作物耗水、地形地貌、凍融等因素的影響，表現(xiàn)出年內(nèi)季節(jié)性變化，地下水位年內(nèi)動態(tài)變化大致呈現(xiàn)“兩峰兩谷”的現(xiàn)象，即春灌和秋澆后地下水位處于峰值，融通前和秋澆前地下水位處于低谷。

3.2 地下水位年際動態(tài)分析

根據(jù)收集到的2013-2018年各監(jiān)測井地下水位資料，分析研究區(qū)地下水位年際變化規(guī)律。圖3為各監(jiān)測井6年的地下水位年際變化圖。由圖3可以看出，除荒地布置的134#外，其余地下水監(jiān)測井地下水位在年際之間變化較小，盡管各監(jiān)測井地下水位在多年不同月份變化較大，但基本能夠維持穩(wěn)定變化的狀態(tài)；2018年年末與2013年年初各監(jiān)測井的地下水位基本一致，各年平均地下水位基本不變，研究區(qū)地下水資源量基本能夠保持均衡狀態(tài)。134#地下水位在6年期間地下水位呈現(xiàn)下降的趨勢，可能與134#所在區(qū)域的農(nóng)田進(jìn)行了節(jié)水改造有關(guān)或者耕地種植的面積減小，引水量減小，致使地下水位有逐漸下降的趨勢。總體上，各監(jiān)測井地下水位受引黃灌溉的影響，地下水位年際間呈現(xiàn)周期性變化。

表1 2018年地下水位監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)典統(tǒng)計(jì)參數(shù)表

圖2 地下水位年內(nèi)動態(tài)變化

圖3 地下水位年際動態(tài)變化

3.3 地下水礦化度年內(nèi)動態(tài)分析

2018年128#和134#地下水礦化度的年內(nèi)動態(tài)變化如圖4所示。由圖4可以看出，地下水礦化度2個(gè)月監(jiān)測1次，地下水礦化度數(shù)據(jù)相對較少，但地下水礦化度大體上呈現(xiàn)一定的規(guī)律，即地下水礦化度年內(nèi)呈現(xiàn)降低的趨勢，這主要是受到不同時(shí)期灌溉的影響，耕地作物灌溉后能夠影響耕地和荒地的地下水礦化度。1-3月份為封凍期，封凍期土壤自表層往下層凍結(jié)，土壤蒸發(fā)逐漸減弱，地下水礦化度具有增大的趨勢；3月中下旬土壤開始融通，地下水位逐漸升高，在潛水蒸發(fā)作用下，地下水向土壤中運(yùn)移，土壤鹽分逐漸增加，同時(shí)地下水礦化度呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢；4-8月為研究區(qū)作物生育期，灌溉季節(jié)地下水礦化度在灌溉前后變化明顯；9月份一直未進(jìn)行灌溉，地下水位逐漸下降，地下水礦化度具有逐漸增加的趨勢；10-11月份為研究區(qū)的秋澆期，秋澆期由于灌水量較大，地下水位迅速上升，在大水淋洗灌溉的作用下，地下水礦化度逐漸下降。不同景觀單元的地下水礦化度略有差別，耕地128#地下水礦化度較低，平均地下水礦化度為0.94 g/L，耕地地下水礦化度變化相對較小，荒地134#地下水礦化度較高，平均地下水礦化度為4.54 g/L，荒地地下水礦化度變化較顯著。因此，研究區(qū)地下水礦化度在年內(nèi)表現(xiàn)出季節(jié)性變化，地下水礦化度受灌溉的影響較大，灌溉后地下水礦化度具有逐漸減小的趨勢。

圖4 地下水礦化度年內(nèi)動態(tài)變化

圖5 地下水礦化度年際動態(tài)變化

3.4 地下水礦化度年際動態(tài)分析

根據(jù)收集到的2013-2018年期間128#和134#地下水礦化度資料，分析研究區(qū)地下水礦化度年際動態(tài)變化規(guī)律。圖5為128#和134#監(jiān)測井6年地下水礦化度年際變化圖。由圖5可以看出，耕地128#地下水礦化度在年際間保持相對平穩(wěn)的狀態(tài)，荒地134#地下水礦化度在年際間具有增加的趨勢，并且荒地地下水礦化度在多年不同月份變化較大，這主要受耕地灌溉的影響，耕地地下水流向荒地，同時(shí)耕地地下水中的鹽分也隨著地下水流向荒地，致使荒地地下水礦化度升高。耕地128#地下水礦化度6年期間的平均值為0.85 g/L，可知128#地下水為淡水，研究區(qū)長時(shí)期的引黃灌溉，耕地地下水維持為淡水狀態(tài)；荒地134#地下水礦化度6 a期間的平均值為4.30 g/L，可知134#地下水為咸水，隨著耕地持續(xù)的引黃灌溉，由于荒地未進(jìn)行灌溉，耕地的地下水流向荒地，致使荒地地下水礦化度呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢，這也說明了耕地淋洗的鹽分遷移至荒地，荒地成為耕地的排水排鹽區(qū)域，荒地具有維持河套灌區(qū)鹽分動態(tài)平衡的作用。

4 結(jié)語

河套灌區(qū)地下水位受灌溉、降雨、蒸發(fā)、作物耗水、地形地貌、凍融等多種因素的影響，耕地和荒地年內(nèi)表現(xiàn)出季節(jié)性變化，但年際間變化不明顯，這主要是因?yàn)楹犹坠鄥^(qū)引黃水量在不同年份差異較小，河套灌區(qū)地下水位年際間變化不大。但荒地地下水礦化度年內(nèi)和年際間變化明顯，荒地地下水礦化度年際間呈現(xiàn)出增大的趨勢，而耕地地下水礦化度年際間變化較小，這也說明了由引黃灌溉后耕地地下水礦化度并沒有明顯增加，而荒地地下水礦化度持續(xù)增加，由引黃灌溉帶來的鹽分主要累積在荒地中。在耕地灌溉時(shí)通過“旱排”作用地下水?dāng)y帶著鹽分流向荒地中，使荒地地下水礦化度逐漸增大，進(jìn)而鹽分逐漸累積在荒地中，荒地是耕地的排水排鹽區(qū)域，耕地多余的水分和鹽分最終排泄至荒地，荒地是河套灌區(qū)一種特殊的土地類型。目前河套灌區(qū)現(xiàn)有耕地面積5.74×105hm2，荒地面積2.09×105hm2，且荒地零星狀分布于耕地間隙，這些廣泛分布的荒地扮演著“旱排”的角色, 調(diào)節(jié)著河套灌區(qū)鹽分平衡的作用[21]。前人對河套灌區(qū)地下水位和地下水礦化度的研究更多的是考慮耕地或全灌區(qū)年內(nèi)及年際的變化[22-23]，本研究從河套灌區(qū)不同景觀單元角度出發(fā)，重點(diǎn)分析了耕地與荒地地下水位及礦化度的年內(nèi)及年際變化規(guī)律，并比較分析了兩者土地類型地下水位及地下水礦化度的異同和相互聯(lián)系，闡明了“旱排”是導(dǎo)致荒地地下水礦化度逐漸增加的原因。

本研究對2013-2018年河套灌區(qū)典型監(jiān)測區(qū)的地下水位、地下水礦化度資料進(jìn)行年內(nèi)、年際動態(tài)變化分析，研究河套灌區(qū)典型監(jiān)測區(qū)地下水鹽動態(tài)變化規(guī)律，得到的主要結(jié)論如下：

(1)河套灌區(qū)地下水位受灌溉、蒸發(fā)、作物耗水、地形地貌、凍融等多種因素的影響，表現(xiàn)出年內(nèi)季節(jié)性變化，地下水位年內(nèi)動態(tài)變化大致呈現(xiàn)“兩峰兩谷”的現(xiàn)象，即春灌和秋澆后地下水位處于峰值，融通前和秋澆前地下水位處于低值。地下水位年際呈現(xiàn)周期性變化，地下水位多年能夠保持平穩(wěn)，研究區(qū)地下水資源量基本能夠保持均衡狀態(tài)。

(2)河套灌區(qū)地下水礦化度在年內(nèi)表現(xiàn)出季節(jié)性變化，地下水礦化度受灌溉的影響較大，灌溉后地下水礦化度具有逐漸減小的趨勢。耕地地下水礦化度年際變化較小，保持相對平穩(wěn)的狀態(tài)，耕地灌溉淋洗的鹽分隨地下水遷移至荒地，荒地地下水礦化度年際具有增加的趨勢，荒地為耕地的排水排鹽區(qū)域，荒地具有維持河套灌區(qū)鹽分動態(tài)平衡的作用。