内蒙古河套灌区地下水位埋深分布规律及其影响因素分析

2017-03-22苏阅文冯绍元

中国农村水利水电 2017年7期

苏阅文，冯绍元，王娟，徐英

(扬州大学水利与能源动力工程学院，江苏扬州 225009)

0 引言

内蒙古河套灌区位于我国西北内陆，自产地表水资源很少，主要是依靠引黄河水。近年来，随着水资源短缺问题的加剧以及我国大型灌区节水改造工程的实施，河套灌区的允许引黄水量从52 亿m3逐步缩减为40 亿m3，由于河套灌区浅层地下水的补给主要来源于引黄灌溉的入渗，因此分析研究灌区地下水位的时空变化规律及其影响因素具有重要意义，可为当地地下水开发利用和水环境保护提供科学依据。

目前，国内学者对我国北方平原灌区地下水已经开展了诸多研究。在地下水水位与水质的变化规律方面的研究，道仁等对新疆玉龙喀什河流域地下水位进行了半方差函数分析并运用克里格法对其地下水位埋深进行空间插值成图，认为玉龙喀什河流域地下水位埋深在时间和空间上均存在变异性[1]。杜军等对河套灌区年内地下水埋深与矿化度进行了时空变化分析，并进一步分析了两者之间的变化关系，得出浅层地下水埋深与矿化度之间线性关系不明显，但在特定地区地下水埋深能够定性地反映出矿化度的分布规律[2]。Yong Xiao等基于ArcGIS地统计模块和半变异函数模型分析了北京地区山前平原地下水位的时空变异，得出其与水文地质单元和土地利用密切相关[3]。

许多学者从气象因素和人为因素两方面研究了引起灌区地下水位变化的影响因素。魏晓妹等通过水量均衡分析，认为降水、灌溉、开采是黄土原灌区地下水动态的主要影响因素[4]。李和平等研究了新疆尉犁县生态园区地下水动态变化，认为孔雀河对地下水的影响范围一般为50～100 m内的河滩地，而100 m以外的其他土地的地下水位则受灌溉渗漏水的影响[5]。许月卿等认为降水和地表径流的减少以及地下水的严重超采是引起河北平原地下水位下降的主要原因[6]。胡春胜等认为导致太行山前平原地下水超采、地下水位下降的主要是由气候干旱化、地表水径流与地下水侧渗补给下降和高耗水型作物比重过大造成的[7]。M. Shamsudduha等认为在恒河雅鲁藏布江梅克纳河三角洲的浅层地下水水位具有很强的季节性变化特征，这与该区典型的季风降水相关[8]。

地下水位的预测与模拟方法研究方面，赵宏亮等通过建立滦河冲洪积扇不同连续时段内的平均降雨量累计值与地下水水位变幅的相关图模型，对其浅层地下水埋深进行了预测[9]。赵静等利用灰色关联度理论分析地下水变化的主要影响因素为降水、灌溉和开采，并在此基础上建立GM(1，1)模拟地下水动态演变规律[10]。赵新宇等采用主成分分析法确定了青铜峡银北灌区地下水位变化的主要影响因素是引水量、退水量和降水量，并用变速率的VLBP神经网络实现了对灌区地下水位变化的模拟[11]。Vijai Singhal等基于MODFLOW-2000，运用地下水模拟系统GMS和GIS数据库对印度拉贾斯坦地区的巴利建立了地下水动态模型，研究其地下水变化过程及其影响因素[12]。

目前，对河套灌区地下水位埋深的研究主要集中在：地下水位埋深时空变异规律[13-14]，节水改造后地下水位变化的预测及水环境的影响分析[15-18]，地下水临界深度的确立[19,20]以及地下水位埋深对土壤水、盐和作物生长的影响[21,22]等方面。本文主要根据内蒙古河套灌区220个观测井1980-2013年地下水位观测资料，运用ArcGIS10.2的克里格(Kriging)插值等方法，研究河套灌区地下水位埋深随时间的变化规律和平面分布特征，运用灰色关联度分析法探讨引起地下水位变化的主要影响因素，以期为当地地下水资源的合理开发利用与科学管理提供科学依据。

1 研究区概况及研究方法

1.1 研究区概况

内蒙古河套灌区位于内蒙古自治区西部的巴彦淖尔市，地理坐标东经106°20′-109°19′，北纬40°19′-41°18′，包括内蒙古巴彦淖尔市的磴口县、杭锦后旗、临河区、五原县和乌拉特前旗。灌区东西长约250 km、南北宽约50 km，设计灌溉面积达73.3 万hm2，现灌溉面积为57.4 万hm2。河套灌区以三盛公拦河枢纽控制引水，由180 km的总干渠供水、220 km的总排干沟排水，以乌梁素海作为灌区的排水承泄区，通过13条干渠、10条干沟控制整个灌区的灌溉排水，形成一个带状有灌有排的一首制灌区。按行政区划分为一干管理局、解放闸、永济、义长、乌拉特 5个灌域。

河套灌区属于中温带大陆性气候，降雨少而蒸发强烈。全年平均气温为3.7～7.6 ℃，年平均降雨量100～300 mm，多年平均蒸发量在2 100～2 300 mm之间，年平均风速为2.5～3.3m/s，年平均无霜期160～180 d。每年的11月中下旬土壤开始冻结，冻土层厚度约1.0～1.3 m，直到5月中旬冻层才全部融通，土壤冻结期历时长达180 d。河套灌区海拔1 007～1 050 m，坡度0.125‰～0.200‰，总的地势自西南向东北微倾，地势平坦开阔，局部有一定的起伏，形成岗丘和洼地。

1.2 研究方法

(1)ArcGIS10.2与克里格(kriging)插值法。ArcGIS10.2是美国环境系统研究所(Environment System Research Institute, ESRI)推出的新一代GIS软件。该软件提供了多种空间分析工具，具有强大的空间插值和空间分析能力[23]。其中，克里格法(kriging)是地统计学的主要方法之一，从统计意义上说，它从相关性及变异性出发，在有限区域内对区域化变量的取值进行无偏、最优估计得一种方法；从插值角度讲，它是对空间内的数据求线性最优、无偏内插估计的一种方法[24]。

本文基于河套灌区220个观测井1980-2013年地下水位观测资料(图1)，运用ArcGIS10.2软件，对丰水年(1992年)、平水年(1998年)和枯水年(2013年)灌区年平均地下水位高程及其相应的地下水位埋深进行克里格(kriging)插值，并绘制灌区地下水位等值线图，从而分析河套灌区地下水位的平面分布特征。

图1 河套灌区220个观测井分布图Fig.1 Distribution of 220 observation wells in Hetao Irrigation District

(2)灰色关联度分析。作为灰色系统理论重要组成部分的灰色关联度分析，它是基于系统各因素时间序列曲线间差异程度衡量其关联度大小的方法[25-27]。

设系统行为数列：

xi=[xi(1),xi(2),…,xi(n)],i=0,1,2,…,m

式中：当i=0时，xi为参考数列；当i≠0时，xi为指标数列。

①均值化法进行无量纲的数据变化，得到新数列：

(1)

②参考数列与指标数列求差数列。记:

Δ0,i(k)=|y0(k)-yi(k)|

i=1,2,…,m;k=1,2,…,n

(2)

③两级最大差和最小差。

(3)

④r0,i(k)为xi对于x0在k时刻的关联系数：

(4)

式中：ρ为分辨系数，且ρ∈[0,1],一般取ρ=0.5。

⑤r(x0,xi)为xi对于x0的关联度。称：

(5)

2 结果与分析

2.1 代表年的选取

根据河套灌区1960-2014年磴口县、杭锦后旗、临河区、五原县和乌拉特前旗5个测站实测降雨资料，用算术平均法求得河套灌区年平均降雨量，绘制降雨量P-Ⅲ频率曲线，按实测降雨量接近于设计降雨量的原则选择代表年：丰水年、平水年和枯水年，从而对河套灌区不同降水频率条件下地下水埋深进行时空分布规律分析。降雨经验频率曲线图如图2所示，不同水平年的选取如表1所示。

表1 代表年的选取

图2 河套灌区降雨经验频率曲线图Fig.2 The map of rainfall empirical frequency curve in Hetao Irrigation District

2.2 地下水位平面分布特征

本文选取丰水年(1992年)、平水年(1998年)和枯水年(2013年)，运用ArcGIS10.2软件，通过克里格(Kriging)插值法，绘制不同水文年河套灌区地下水位等值线图，见图3。

图3 河套灌区不同水文年地下水位等值线图Fig.3 Maps of groundwater level Contour in different years in Hetao Irrigation District

从图3中可以看出：

(1)丰水年河套灌区地下水位埋深较小，变化幅度也较小，在0.6～2.3 m范围内。平水年地下水位埋深逐渐增大，变化幅度也增大，为0.7～2.5 m。枯水年灌区地下水位埋深达到最大值，变化幅度最大，为0.9～11.0 m。主要是由于丰水年降雨大，降雨入渗补给地下水较多，灌区1992年引水量为49.81 亿m3，所以灌区地下水位较高，相应地下水位埋深较小。而枯水年降雨量少，气候干旱，降雨入渗补给量较小，而地下水通过潜水蒸发和开采等形式排泄与消耗，同时灌区2013年引水量减少，为47.60 亿m3，所以灌区地下水位埋深较大。

(2)总体上，河套灌区中部地区地下水位埋深较浅，主要是因为灌域地下水开采量较小。地下水位埋深较大的区域主要集中于临河、杭锦后旗和五原城镇地区，城镇生活用水、公共设施用水等基本取用地下水，地下水耗水量较大，导致地下水位埋深较大。

(3)河套灌区潜水由西南向东北流动，与地势起伏相一致。

(4)位于河套灌区西南地区的一干灌域地下水流速较大，而位于中部和东部地区的其他四个灌域地下水流速较小。

(5)乌拉特灌域东北区域出现地下水漏斗现象。

2.3 地下水位埋深年内变化

根据河套灌区1980-2013年220个观测井的地下水位动态观测资料，选取具有长系列地下水位观测资料的43号井作为解放闸灌域的代表站，2013年为代表年，进行地下水埋深的年内变化分析，如图4所示。

图4 2013年解放闸灌域(43号井)地下水位埋深年内变化图Fig.4 The change of groundwater depth in 2013 in jiefangzha irrigation area

从图4可以看出，年内地下水位变化大致可分为5个阶段：

融冻阶段(3-4月)：3、4月份无降水和灌溉入渗补给，在前期冻结影响下为全年最低水位期。3月后，气温回升，土壤开始解冻，冻层以下融冻水回补地下水使得水位回升，冻层融通前，水位上升缓慢，相应的水位埋深逐渐变小。

夏灌阶段(5-7月)：5月上(中)旬夏灌开始，第一次水量大，水位上升也较多。与此同时，蒸散发作用增加，水位有所下降。总体表现为水位上升，地下水位埋深继续减小。

秋灌阶段(7-9月)：秋灌期水位变幅受降水和秋灌水共同影响，同时在蒸发和作物蒸腾作用下，水位有所下降，一般降至非冻结期的最低水位，相应的水位埋深达到最大。

秋浇阶段(9-11月)：秋浇主要是为了压盐和保墒，灌水量大，一般占全年总灌溉用水量的1/3 ，灌溉时间短，约为40 d左右，因此这一阶段地下水位急剧上升，秋浇结束后出现全年最高水位，某些地区地下水位接近地表，甚至出现漫灌现象。

封冻阶段(12-1月)：随着冻层的逐渐加厚，地下水位埋深随之增加，由于气温低，土壤蒸发降至最小限度，至3月份出现全年最大水位埋深。

因此，河套灌区地下水位变化受降水、蒸发、冻融等气象因素和灌溉作用的影响，表现为季节性变化。

2.4 地下水位埋深年际变化

仍然选取具有长系列地下水位观测资料的43号井作为解放闸灌域的代表站，进行地下水位埋深的年际变化分析，如图5所示。

由图5可见，河套灌区地下水位埋深的年际变化有以下特点：

图5 解放闸灌域地下水埋深年际变化图Fig.5 The annual change of groundwater depth in jiefagnzha irrigation area

(1)尽管地下水位埋深多年月平均值变化较大，若将其进行线性拟合(如图5所示)，其多年月平均地下水位埋深随着时间的变化率非常小，亦即年平均地下水位埋深基本不变，地下水资源量基本保持均衡状态。通过进一步分析计算：解放闸灌域的多年平均地下水位埋深变化较小，为1.50 m。最大月地下水位埋深为2.47 m，最小为0.42 m。

(2)年际变化总体特征，受引黄灌溉水影响表现为周期性变化。

2.5 地下水位影响因素

引起河套灌区地下水位埋深变化的主要影响因素有：降雨量、蒸发量和引黄水量。本文以解放闸灌域为代表区域，采用灰色关联度分析法对研究区2013年月平均地下水位变化影响因素进行分析，计算过程见表2～表4。

表2 地下水位埋深及主要影响因素观测资料

表3 均值化法无量纲数据变化结果

表4 关联系数及关联度计算表

由表2～表4可以看出：2013年月平均地下水位变化各影响因素的灰色关联度分别为：降雨量 0.679 7，蒸发量 0.809 4，引黄水量 0.703 2，因此研究区地下水位埋深的主要驱动因子由大到小的排列顺序为：蒸发量、引黄水量、降雨量，其中蒸发量对于地下水位变化的影响最大。

同时，本文仍采用上述灰色关联度分析法对研究区1985-2013年年平均地下水位变化影响因素进行分析，其结果见表5所示。

由表5可以看出：1985-2013年，多年平均地下水位变化影响因子由大到小排列顺序为：蒸发量(0.805 1)>引黄水量(0.706 6)>降雨量(0.670 8)。对比表2-表4和表5可以看出，研究区地下水位年际变化与典型年内变化的影响因素具有一致性，即地下水位的主要影响因素中蒸发量占主导作用，而降雨量对地下水位埋深变化的影响最小，表明降雨入渗补给地下水量较少。

表5 1985-2013年解放闸灌域地下水位影响因素灰色关联分析计算表

此外，河套灌区位于我国西北内陆，降水少而蒸发能力强，各地年蒸发量普遍大于年降水量，因此蒸发量的关联度大于降水量，蒸发量的大小对地下水位的埋深影响较大。河套灌区一般从4月开始引黄河水灌溉，到封冻季节12月无需灌溉引水，所以引黄水量集中在4-11月，相较于灌区全年都存在的蒸发量，引黄水量对地下水埋深的影响次于蒸发量。

3 结语

(1)河套灌区地下水位变化受降水、蒸发、冻融等气象因素和灌溉、开采等人为因素的影响，年内地下水位埋深表现为季节性变化，年际则表现为周期性变化。

(2)利用ArcGIS10.2的克里格(kriging)插值法绘制河套灌区不同水平年地下水位等值线图，可以看出：河套灌区地下水位自西向东呈现递减趋势，一干灌域地下水流速较大，而中部地区和东部地区地下水流速较小。乌拉特灌域局部地区出现地下水过度开采形成地下水漏斗现象。

(3)应用灰色关联度分析法探讨引起河套灌区解放闸灌域地下水位埋深变化的主要影响因素，各影响因素的灰色关联度分别为：降雨量 0.67，蒸发量 0.80，引黄水量 0.70，即主要驱动因子排序为：蒸发量>引黄水量>降雨量。

(4)由于缺乏地下水开采量的资料，对于地下水位变化的影响因素忽略了人为因素—地下水开采，只对降雨量、蒸发量和引黄水量3个因素进行了计算分析，需要进一步的探讨。

□

[1] 道仁, 苏里坦. 玉龙喀什河流域地下水的时空变异规律[J]. 地下水, 2008,30(6):9-13.

[2] 杜军, 杨培岭, 李云开, 等. 河套灌区年内地下水埋深与矿化度的时空变化[J]. 农业工程学报, 2010,26(7):26-31.

[3] Yong Xiao, Xiaomin Gu, Shiyang Yin, et al. Geostatistical interpolation model selection based on ArcGIS and spatio-temporal variability analysis of groundwater level in piedmont plains, northwest China[J]. SpringerPlus, 2016,5(1):1-15.

[4] 魏晓妹, 刘俊民, 王立坚. 黄土原灌区地下水动态机理的试验研究[J]. 干旱地区农业研究, 1999,17(1):100-105.

[5] 李和平, 郭英杰, 胡顺军, 等. 尉犁县生态园区地下水位年变化规律及其影响因素分析[J]. 干旱区地理, 2005,28(5):592-596.

[6] 许月卿, 蔡运龙. 基于GIS的河北平原地下水位时空变化动态分析[J]. 北京大学学报, 2005,41(2):265-272.

[7] 胡春胜, 张喜英, 程一松. 太行山前平原地下水动态及超采原因分析[J]. 农业系统, 2002,18(2):89-95.

[8] M Shamsudduha, R E Chandler, R G Taylor, et al. Recent trends in groundwater levels in a highly seasonal hydrological system: the Ganges-Brahmaputra-Meghna Delta[J]. Hydrology and Earth System Sciences, 2009,13(12):2 373-2 385.

[9] 赵宏亮, 么艳超, 李志军. 基于相关分析法的滦河冲洪积扇浅层地下水埋深预测研究[J]. 海河水利, 2014,(1):37-41.

[10] 赵静, 蔡明科, 魏晓妹, 等. 宝鸡峡灌区地下水动态规律分析及预测[J]. 地下水, 2009,31(141):5-7.

[11] 赵新宇, 费良军, 刘从柱. 青铜峡银北灌区地下水位变化规律分析与模拟[J]. 干旱地区农业研究, 2007,25(2):120-123.

[12] Vijai Singhal, Rohit Goyal. Groundwater model to predict the impact due to textile units at Pali[J]. Arabian Journal of Geosciences, 2014,7(12):5 185-5 192.

[13] 付美英，赵宇辉. 2010年河套灌区地下水动态浅析[J]. 内蒙古水利, 2011,(3):56-57.

[14] 王卫光, 薛绪掌, 耿伟. 河套灌区地下水位的空间变异性及其克里金估值[J]. 灌溉排水学报, 2007,26(1):18-21.

[15] 屈忠义, 陈亚新, 史海滨, 等. 内蒙古河套灌区节水灌溉工程实施后地下水变化的BP模型预测[J]. 农业工程学报, 2003,19(1):59-62.

[16] 陈亚新, 屈忠义, 史海滨, 等. 大型灌区节水改造后地下水动态的有限元法预测——以黄河河套平原内一个试验区为例[J]. 中国农村水利水电, 2005,(2):10-12.

[17] 王亚东, 孙庆, 杨柱柱. 河套灌区节水改造工程实施前后区域地下水位变化的分析[J]. 内蒙古水利, 2000,(3):10-12.

[18] 马金慧, 杨树青, 张武军, 等. 河套灌区节水改造对地下水环境的影响[J]. 人民黄河, 2011,33(1):68-69.

[19] 赵锁志, 刘丽萍, 王喜宽, 等. 河套灌区地下水临界深度的确定及其意义探讨[J]. 岩矿测试, 2008,27(2):108-112.

[20] 闫金良, 张金燕, 张敏. 内蒙古河套灌区适宜地下水水位研究进展[J]. 内蒙古水利,2015,(1):10-11.

[21] 孔繁瑞, 屈忠义, 刘雅君, 等. 不同地下水埋深对土壤水、盐及作物生长影响的试验研究[J]. 中国农村水利水电, 2009,(5):44-48.

[22] 高鸿永, 伍靖伟, 段小亮, 等. 地下水位对河套灌区生态环境的影响[J]. 干旱区资源与环境, 2008,22(4):134-137.

[23] 刘鑫, 魏占民, 刘虎, 等. 基于GIS的区域性地下水时空分布规律研究[C]∥ 农业水土资源利用与保护, 2010.

[24] 苏姝, 林爱文, 刘庆华. 普通Kriging法在空间内插中的应用[J]. 江南大学学报(自然科学版), 2004,3(1):18-21.