河套灌区解放闸灌域节水对地下水及蒸发影响研究

刘中一，霍再林，陈 航(中国农业大学水利与土木工程学院，北京 100083)

0 引 言

内蒙古河套灌区是我国重要的粮油生产基地，黄河引水是其主要灌溉水源，多年平均灌溉引水量约为50亿m3[1]。按照黄河水利委员会及内蒙古自治区批准的分水方案，灌区的未来引黄水量应逐渐减少为40亿m3。因此，灌区节水势在必行，灌区水均衡过程必然受其影响[2,3]。近年来，有关学者针对灌区节水对水平衡的影响展开了大量的田间及灌区尺度的研究，包括Perter等[4]对节水灌溉技术与盐渍化防治措施的研究，徐旭[2]、屈忠义[5]等节水措施对灌区地下水动态的影响研究，郝远远[3]多种节水情景化条件下河套灌区土壤水盐运移、作物生长和水分生产率的响应规律研究，Khan等[6]对流域实施节水灌溉的净经济收益进行的分析研究，姜瑶[7]对灌区不同节水情境下的农业水文过程及其对水平衡的影响研究，江燕等[8]对河套永联实验区节水后田间水均衡变化研究。现有研究主要针对灌区节水改造对水平衡要素的影响开展了深入的研究，有助于制定更加合理的用水节水措施。然而，对于地下水浅埋条件的河套灌区，灌区水转化频繁，灌区节水对水平衡的影响更为复杂。本研究基于解放闸灌域2006-2013年实际土壤水、地下水埋深及渠道引水资料，定量研究作物生育期内地下水埋深、区域耗水变化及水均衡过程特征。研究对于明确节水条件下的灌区水循环过程，制定更加合理的节水灌溉制度，实现灌区可持续发展具有指导意义。

1 研究区简介

解放闸灌域位于河套灌区西部，总土地面积约为2 157 km2，其中约66%为耕地。灌域内地形较为平缓，海拔高程为1 032～1 046 m。灌域内共有3条干渠，16条分干渠。灌域年平均降雨量155 mm，其中 70%左右的降雨集中于 7-9 月。灌域内布设55个地下水位监测点，每隔五日监测一次地下水埋深数据，并将其中22个地下水位监测点同时作为土壤含水率监测点(图1)。在本研究中，根据灌域内三条主干渠(乌拉河、杨家河、黄济)以及清惠分干渠的分布及其控制引水渠道，将解放闸灌域划分为四个分灌域，分别基于水量平衡对作物生育期内的灌域进行水均衡过程分析。各灌域基本信息如表1所示。

图1 解放闸灌域渠系、排水沟、地下水位监测点及土壤水分监测点Fig.1 The canals、drains、groundwater monitoring site and soil moisture monitoring site in Jiefangzha sub-district

表1 解放闸各分灌域基本信息Tab.1 The basic information of the district in Jiefangzha sub-district

2 材料与方法

2.1 水文气象数据收集与处理

(1)土壤含水率及地下水埋深。在每次灌水前利用取土烘干法对22个土壤水分监测点0～0.1，0.1～0.2，0.2～0.4，0.4～0.7，0.7～1 m土层分别取土样进行含水率测定。地下水埋深资料由河套管理局每隔5日进行一次监测。

(2)灌溉资料、降雨资料及排水资料。灌域内各渠道每次引水量资料均由河套管理局监测提供，降雨数据来自中国气象数据网杭锦后旗站。根据1990-2009年排水量监测数据，灌域内全年排水量占引水量的7.5%。根据这一比例系数，本研究计算了灌域内各分灌域各年总排水量以及作物生育期内的排水量。具体计算过程可表示为：

Dt=7.5%It

(1)

(2)

(3)

(4)

D=kDt

(5)

式中：I′为全年引水总量，m3；It为单位面积全年引水总量，mm；A为分灌域面积，m2；Dt为总排水量，mm；Is为作物生育期内引水总量，m3；I为对应Is的单位面积引水量，mm；k为生育期内引水量占全年引水总量的比例；D为生育期内排水量，mm。

2.2 蒸散发计算

本研究中各分灌域作物生育期内的蒸散发计算过程可由方程公式(6)～(9)表示。计算中，考虑了非饱和带土壤储水量的变化以及饱和带地下水的储水量变化。由于该研究区降雨量较少且地形较为平缓，故在本研究中不考虑地面径流。

I+P-ET-D=ΔS

(6)

ΔS=ΔSg+ΔSs

(7)

ΔSg=μΔh1 000

(8)

ΔSs=θtht-θ0h0

(9)

式中：I、D的含义同方程(3)、(5)中的含义；P为降雨，mm；ET为蒸散发，mm；ΔS为总的储水量变化mm；ΔSg为地下水储水量变化；ΔSs为非饱和带土壤水储量变化，mm；μ为给水度，这里取0.07[9]；Δh为地下水埋深变化，m；θt及θ0分别为秋浇前及第一次灌水前地下水水位以上土体的加权土壤含水率，cm3/cm3。由于监测含水率只到1 m，地下水埋深大于1 m土层含水率取为与0.7～1 m相同值计算，ht与h0为对应θt与θ0的地下水埋深，m。

2.3 地下水对蒸散发的贡献量

由于该地区地下水埋深较浅，土壤水和地下水间的交换非常强烈。本研究利用土壤水量平衡方程计算了作物生育阶段内距地表1m深土体地下水对蒸散发的贡献，计算过程可由方程(10)、(11)表示。

ΔW=Wt-W0=H(θt-θ0) 1 000

(10)

P+Iη+ETg-ET=ΔW

(11)

式中：ΔW为距地表1 m深土体作物生育阶段内土壤储水量变化，mm；Wt及W0分别为秋浇前及第一次灌水前1 m土体储水量，mm，H=1 m；η为渠系水利用系数，根据屈忠义等未公开调查报告，η=0.49；其他参数含义同蒸散发计算中各参数含义。

3 结果与分析

3.1 地下水埋深变化

作为地下水浅埋农业灌区，作物生育阶段内地下水埋深的变化直接反映了节水措施对水平衡因素的影响。本研究分别计算了2006-2013年作物生育期内各地下水位监测点埋深趋势线斜率，并将各点斜率值进行了空间插值(图2)。根据图2所示，约有80%左右的地区地下水埋深呈增大趋势，大部分地区地下水埋深增幅在0～1 m。节水措施的施行，导致对地下水的消耗增大，地下水位下降。此外，黄济分灌域及清惠分灌域部分地区地下水埋深增幅相较其他地区偏大，分析认为除受节水措施的影响外，也与少量的井灌区域分布有关。2013年作物生育期平均地下水埋深要比2006年埋深增大了0.05 m，最大增大值达到3.47 m。

图2 2006-2013年作物生育期内地下水埋深趋势变化斜率空间分布Fig.2 The spatial distribution of the groundwater depth change trend slope during the crop growth period in 2006-2013

3.2 灌域水量平衡

根据2006-2013年数据资料，按照式(6)～(9)对作物生育期内各分灌域的各项水平衡项进行了计算，计算结果如表2所示。作物生育阶段内解放闸灌域8年平均蒸散发为667 mm， 但由于灌溉量、作物种植结构、作物类型、土壤类型等因素影响，各分灌域蒸散发略有差别，乌拉河灌域8年平均蒸散发量为718 mm， 杨家河、黄济、清惠分灌域则分别为629、631、691 mm。这一结算结果与Miao等计算结果基本一致[10]。但是各分灌域各年际蒸散发量变化并无明显规律。作为水分输出项，蒸散发占总输出的94%。对解放闸灌域，作为水量输入项，降雨和灌溉是蒸散发的主要来源项，8年各分灌域，乌拉河、杨家河、黄济及清惠平均(I+P)/ET分别为0.93、0.95、0.99、0.94。根据表2计算结果，2006-2013年解放闸灌域作物生育阶段降雨和灌溉约占蒸散发的95%。灌域内地下水及土壤水储量也均处于减小状态。解放闸灌域8年平均土壤水储量减少了31 mm，地下水储量减少了22 mm。计算结果说明，灌溉及降雨量并不足以满足作物的蒸散发消耗，在作物生长发育过程中还消耗了部分土壤水及地下水。

表2 2006-2013解放闸各分灌域水均衡项Tab.2 The water balance parameters of the district in Jiefangzha sub-district during 2006-2013

解放闸各分灌域2006-2013年作物生育期内水量输入如图3所示，灌域8年平均水分输入量为626 mm。除08年灌水量略大，各区域其他年份的水量输入均呈现下降趋势。如清惠灌域2006年生育期内降雨和灌溉总量为668 mm，2013年则为617 mm。解放闸灌域2006年作物生育期内平均水量输入为639 mm，而2013年则为624 mm。作为蒸散发的主要来源项，一定范围内水分输入量的减少会明显导致蒸散发减少(图4)。为满足作物生育期内作物及土壤的蒸散发需求，必然要消耗一部分的浅层地下水。

图3 解放闸各分灌域2006-2013年水量输入变化Fig.3 The change of water input during 2006-2013

图4 2006-2013蒸散发随灌溉与降雨变化趋势Fig.4 Evapotranspiration variability trend as the change of irrigation and rainfacl during 2006-2013

3.3 地下水对蒸散发贡献

研究对解放闸内各分灌域2006-2013年作物生育期内地下水对蒸散发的贡献量进行了计算，结果见表3。结果表明，2006-2013年作物生育期内各分灌域地下水对蒸散的平均贡献量相差不大，乌拉河、杨家河、黄济渠、清惠渠分灌域分别为255、230、206、251 mm,但是由于各灌域每年具体灌水量、作物种植结构及土壤质地等差别，使得各灌域地下水对蒸散发的贡献量波动范围差别较大，乌拉河分灌域为145～411 mm,杨家河分灌域为158～298 mm，黄济渠及清惠渠分灌域则分别为150～285 mm及147～406 mm。此外，对比2006-2013年水量输入变化(图3)及地下水对蒸散发的贡献率变化(图5)，在水分输入量呈下降趋势的同时，地下水对耗水的贡献率呈增大趋势这也进一步验证在水量输入不足以支持蒸散的需求时，消耗了部分地下水。此外，大量的渠系水运移过程中渗漏补给地下水，蒸散发消耗地下水时使得这部分水分被再次消耗利用，根据计算，解放闸灌域作物生育期内8年平均地下水对蒸散发的贡献率为34%。

表3 解放闸各分灌域2006-2013地下水对蒸散发贡献量Tab.3 The groundwater contribution to evapotranspiration during 2006-2013 in the district of Jiefangzha

图5 2006-2013解放闸地下水对耗水贡献率变化 Fig.5 The ratio change of groundwater to evapotranspiration in Jiefangzha during 2006-2013

4 结 论

(1)受节水措施的影响，2006-2013年的地下水埋深呈一定幅度的增大趋势，约有80%的地区地下水埋深呈增大趋势，这一趋势在少部分有井灌的区域尤为明显。

(2)作为水均衡的主要输出项，解放闸灌域8年作物生育期内平均蒸散发为667 mm，大部分在500～800 mm波动。

(3)解放闸灌域2006年至2013年阶段水分输入项呈减少趋势，而作为蒸散发的主要来源项水分输入量的减少导致对蒸散发的贡献减少。为满足耗水需求，有一部分的地下水被消耗掉，地下水对蒸散发的贡献量在一定范围内呈现增大趋势，逐渐增大的地下水埋深也说明了这一点。

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