考虑季节性冻融的井渠结合灌区地下水位动态模拟及预测

伍靖伟，杨 洋，朱 焱※，余乐时，杨文元，杨金忠



考虑季节性冻融的井渠结合灌区地下水位动态模拟及预测

伍靖伟1，杨 洋1，朱 焱1※，余乐时2，杨文元3，杨金忠1

（1. 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072；2. 福建省三明市尤溪县政府办公室，三明 365100； 3. 中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，成都 610072）

该文以季节性冻融灌区内蒙古河套灌区为研究对象，建立灌区冻融期地下水补排模型，与三维地下水数值模型相结合，构建适用于季节性冻融灌区的生育期-冻融期全周年地下水动态模拟模型。采用河套灌区2006—2013年灌区实测地下水埋深对模型进行了率定和验证，并针对河套灌区不同地下水矿化度可开采区（分别为2.0、2.5及3.0g/L）、不同渠井结合比设置了18种井渠结合节水情景，对其地下水动态进行了预测。结果表明，该文构建的冻融期模型能准确反映其地下水动态过程；井渠结合后地下水埋深变化与井渠结合区地下水开采利用的矿化度上限和渠井结合比有关，井渠结合区地下水矿化度上限越大，渠井结合比越小，地下水埋深增加越多；实施井渠结合后，灌区生育期平均地下水埋深增加0.103~0.445 m，秋浇期增加0.076~0.243 m，冻融期增加0.096~0.216 m；从空间上看，全灌区年均地下水埋深增加0.096~0.316 m，井渠结合区增加0.346~0.635 m，非井渠结合区变化较少，一般不足7 cm。该文为季节性冻融灌区开展大规模井渠结合灌溉提供参考。

冻; 融; 地下水；灌区；井渠结合；节水

0 引 言

中国北方干旱半干旱季节性冻融灌区多风少雨、气候干燥、冬季土壤冻结、地质条件复杂，生态环境十分脆弱，在长期的引水灌溉过程中，形成了稳定的水资源动态平衡。随着中国工业的发展和水资源的日益短缺，北方干旱半干旱灌区开展节水灌溉和多水源联合利用势在必行。河套灌区是黄河流域最大的灌区，多年平均引黄灌溉水量52亿m3[1]。在国家明确提出实行最严格的水资源管理制度的形势下，水资源开发利用受到刚性约束，灌区农业节水也面临更大挑战。井渠结合是联合运用地表水与地下水的灌溉模式，可以提高水资源利用效率，减少潜水无效蒸发，抑制土壤返盐，是缓解灌区水资源短缺和控制土壤盐碱化的有效途径[2-6]。但大规模井渠结合将对灌区的土壤水分动态、地下水的补排关系产生重要影响，甚至导致地下水调蓄能力衰减，地下水环境恶化等[7-10]。因此，研究井渠结合后地下水的动态变化，对维持灌区生态平衡具有重要意义[11-15]。

目前关于井渠结合地下水动态已有大量研究，如陆阳等[16]监测并分析了井渠结合灌溉条件下的地下水位；裴承忠等[17]研究了井渠结合试验后的地下水位及水质变化；吴红燕等[18]利用Modflow对井渠结合区的地表水、地下水联合调度进行模拟，得到使地下水位控制在临界深度的开发规模；周维博等[19]利用多元非线性相关分析法建立了灌区地下水动态预测的数学模型，对井渠结合后地下水动态进行了预测。但目前多数研究均不考虑冻融过程的影响。由于北方冬季气温较低，土壤冻结，在温度梯度作用下，地下水发生垂向运动补给土壤水，而在春季气温上升，冻结土壤开始逐步融化，并在融通土壤冻结层时补给地下水，冻融过程与地下水动态存在密不可分的关系[20-21]。因此，对于季节性冻融灌区大规模井渠结合后地下水动态的预测分析，有必要考虑冻融交替的影响。

本文以季节性冻融灌区内蒙古河套灌区为研究对象，根据冻融期地下水变化与温度之间的关系，建立冻融期地下水补排的预报模型，并与三维地下水数值模型Modflow进行耦合，构建了适用于灌区生育期-冻融期全周年预报模型，采用河套灌区19个灌溉控制区地下水监测结果对模型进行了率定和验证，并针对3种地下水可开采矿化度分别设置了6种不同的渠井结合比，共18种节水情景，分别预测了18种节水情景下地下水在时间和空间上的动态变化过程。

1 研究区概况

灌区共分为乌兰布和、解放闸、永济、义长、乌拉特5个灌域。本文进一步将灌区分为19个灌溉控制区，灌区地理位置及灌溉控制分区如图1所示。

图1 河套灌区地理位置及灌溉控制分区

2 生育期-冻融期全周年地下水预报模型

2.1 冻融期地下水补排模型

冻融期地下水的运移机理十分复杂，它不再取决于降水、灌溉、蒸发及地下水开采等源汇项，而是土壤内部多种驱动力综合作用的结果[22-25]。研究表明，冻融期地下水动态的主要影响因素是土壤温度[26-28]。河套灌区11月中旬至次年3月初一般为土壤封冻期，随着温度降低，土壤自表层开始逐渐向下冻结，冻结速度随冻结深度增加而减小，直至3月初，冻结速度趋近于0，冻结深度达到最大。由于冻结区土壤水势降低，在此期间地下水不断向上补给土壤水，地下水埋深持续增加。3月上旬，气温回升，地表温度由负转正，进入融冻期，冻结土壤从表层开始融化；3月中旬左右，下层冻土也开始消融，融化水重新补给地下水，地下水埋深减小；至4月中旬，上下两层土壤融化锋面相交，土壤完全融冻。

土壤封冻与融冻的直接影响因素是土壤温度，土壤温度受外界气温影响而变化[29-31]，具有以年为周期波动的特点，波动程度随土壤深度增加而衰减，即越靠近地表，外界气温对土壤温度的影响越明显。土壤温度的变化相对于气温的变化存在滞后现象，且滞后时间随着土壤深度的增加而增大[32]。

分析河套灌区多年冻融期气温与地下水埋深数据，发现两者都存在明显周期性，分别用周期函数拟合气温-时间曲线和地下水埋深-时间曲线如式（1）、式（2）所示。

由式（1）、式（2）可求得埋深对气温的导数，如上所述，某天的地下水埋深与天前的气温相关，因此求导过程中，需使用天前的气温数据。考虑到各天气温在局部时段内相对波动明显，为便于模型求导，将实测气温曲线进行平滑，作为冻融期模型的计算数据。在某一时段埋深对气温导数已知的情况下，可求得该时段的地下水埋深变化值，计算公式如下

将计算所得的某时段的埋深变化值乘以该区域的给水度，得到该区域在该时段内的地下水补排变化量，地下水补排变化量与气温的关系如式（6）所示。

对不同灌溉控制区的气温和地下水埋深分别进行参数拟合，气温数据使用临河气象站和乌拉特中旗气象站2000—2013年日平均气温值，其中乌兰布和灌域、解放闸灌域和永济灌域内的灌溉控制区气温值使用临河气象站数据，义长灌域、乌拉特灌域内的灌溉控制区气温值使用乌拉特中旗气象站数据，设定冻融期从12月1日开始，至来年4月30日结束；地下水埋深数据使用2000—2013年各个灌溉控制区内观测井实测值的平均值（5 d测定1次）。

各个灌溉控制区的气温向量和埋深向量及模型计算埋深与冻融期实测埋深均方根误差（root mean squre error，RMSE）值如表1所示。2个气象站数据拟合的气温向量振幅仅相差1℃，说明整个灌区冻融期气温的空间差异不大；埋深向量振幅反映了该灌溉控制区地下水埋深的多年平均波动程度，振幅越大，表示该区域地下水埋深波动越剧烈。计算结果表明，不同灌溉控制区气温对地下水埋深影响的滞后时间不同，河套灌区气温对地下水埋深影响的滞后时间为36~57 d，平均为48 d。全灌区冻融期多年平均地下水埋深与48 d前的气温关系如图2所示，两者吻合良好。进一步比较该模型计算的地下水埋深与实测地下水埋深，计算所得均方根误差RMSE如表1所示，全灌区地下水埋深RMSE为0.077 m，各个灌域地下水埋深RMSE不超过0.16 m，大部分灌溉控制区地下水埋深RMSE不超过0.2 m，说明用该地下水补排模型预测冻融期地下水补排水量合理可行。

表1 各灌溉控制区气温向量和埋深向量及RMSE值

2.2 地下水动态三维数值模型及与冻融期地下水补排模型耦合

本文研究的地下水动态采用三维数值模型Modflow进行模拟，非冻融期地下水动态的主要影响因素有降雨、灌溉、蒸发、排水等，可以根据实测资料分别计算这些源汇项并输入用Modflow建立的数值模型。而冻融期间，地下水与土壤水分迁移与非冻融期变化机理不同，上述源汇项不再是主要影响因素，不能用常规手段进行模拟，因此本文在冻融期不再单独考虑这些源汇项，而是将地下水三维数值模型与冻融期地下水补排模型进行耦合。

冻融期间，通过获取临河气象站和乌拉特中旗气象站日气温数据，由冻融期地下水补排模型计算地下水的上边界通量，该值的计算如式（6）所示。Modflow把整个模拟时段进行离散，分成若干个小时段，每个小时段为一个应力期。该地下水数值模型以月为应力期，将相应月份中每天的地下水上边界通量求和，输入数值模型，作为当月所有源汇项的综合值。

图2 全灌区冻融期地下水埋深与48 d前的气温对比

2.3 生育期-冻融期全周年地下水模型率定与验证

本文使用2006—2010年河套灌区内203眼观测井的地下水埋深观测数据进行参数率定，使用2011—2013年的地下水埋深观测数据进行验证，以月为应力期，率定期共60个应力期，验证期共36个应力期。

2.3.1 地下水动态过程对比

图3为全灌区率定期和验证期地下水埋深模拟值与实测值对比，地下水埋深变化趋势基本一致，都呈现年内两升两降的变化特征，模拟结果较好地反映了全灌区及各灌溉控制区的地下水变化特征。

引入平均绝对误差和相对均方根误差作为模型率定和验证合理性的评价指标，计算公式如下：

率定期全灌区地下水埋深全年、冻融期及非冻融期的MAE分别为0.123、0.117及0.132 m，RRMSE为9.64%、9.13%及14.23%，验证期全灌区地下水埋深全年、冻融期及非冻融期的MAE分别为0.198、0.216及0.177 m，RRMSE为13.36%、14.00%及12.97%；不同灌溉控制区之间模拟效果有所差别，各个灌溉控制区全年、冻融期及非冻融期的MAE范围为0.117~2.238、0.117~2.095及0.118~2.407 m，RRMSE范围为7.82%~68.34%、7.61%~65.58%及11.42%~124.16%。事实上，大部分灌溉控制区的模拟结果均与全灌区平均水平比较接近，只有灌区南部的部分灌溉控制区的模拟结果与实际值偏差较大，其中，南边渠、北边渠、南三支渠的模拟结果最差，MAE接近甚至超过0.5 m，RRMSE接近甚至超过60%。这部分灌溉控制区模拟误差较大有两方面原因：1）灌区南部灌溉控制区面积普遍较小，观测井位不足，其中，华惠渠无观测井，南一支和北边渠均只有1眼观测井，大滩渠、南边渠及南三支渠观测井数均不超过4眼，个别井位模拟结果较差会对整体产生影响，使整个灌溉控制区模拟值与实测值偏差较大；2）该部分灌溉控制区距离总干渠较近，部分区域工业区集中，用水条件复杂，导致输入的源汇项与实际有所偏差。整体来看，率定期的模拟结果优于验证期，全灌区及大部分灌溉控制区的模拟值与实测值仍然比较接近。

图3 率定期和验证期全灌区地下水埋深模拟值和实测值对比

2.3.2 地下水均衡分析

河套灌区率定期和验证期各项水量的年均衡计算结果如表3所示。河套灌区每年地下水的总补给量和总排泄量基本相等，储量变化很小。最大的补给来源为灌溉入渗补给和降雨入渗补给，率定期对地下水的补给量为14.133×108m3/a，验证期对地下水的补给量为13.417×108m3/a。潜水蒸发是最大的消耗项，率定期潜水蒸发量为16.132×108m3/a，验证期为15.421×108m3/a。随着灌区节水改造的实施，灌区总灌溉引水量减少，入渗补给地下水量变少，地下水位降低，潜水蒸发也相应减少，加之2012年气候干旱，黄河引水量较少，因此验证期的年均入渗补给量和潜水蒸发量都比率定期少，与实际情况相符。黄河测渗也是地下水的一项重要补给来源，率定期向地下水补给2.063×108m3/a，验证期为2.654×108m3/a。乌梁素海可以补给或排泄地下水，总体交换量较小。

表2 模型率定及验证效果指标

表3 率定期和验证期水均衡项年均值

注：表中“-”表示流出项。Note：“-”is outflow item.

2.3.3 模型参数

在地下水数值模型中，主要参数有给水度、潜水蒸发系数、降雨补给系数、综合入渗补给系数。其中，潜水蒸发系数和降雨补给系数作为已知项输入，潜水蒸发系数采用沙壕渠试验结果[33]，降雨补给系数参考永济灌域的地下水模拟结果取为0.1[34]，综合入渗补给系数是渠系渗漏系数和田间入渗补给系数的综合值，通过参数率定得到。灌区第一弱透水层的给水度在0.02~0.04之间，各分区差别不大。全区综合入渗补给系数生育期为0.293，秋浇期为0.353，全年平均为0.310。各灌溉控制区的综合入渗补给系数稍有差别，灌区南部黄河沿岸区域由于土质偏沙及总干渠渗漏影响，综合补给系数偏大。另外，由于5月份冻土融化对地下水补充，也适当增大了该月的入渗系数。各灌溉控制区给水度及综合入渗补给系数的率定结果如表4所示。

表4 各灌溉控制区给水度及综合入渗补给系数率定结果

3 井渠结合节水条件下地下水动态预测及节水潜力分析

3.1 节水情景假设

根据前期研究成果，分别将地下水矿化度上限为2、2.5、3.0 g/L的区域作为可开采区[35]，井渠结合区面积分别为34.08×104hm2、41.49×104hm2、57.70×104hm2，在其中布置井渠结合区，渠井结合比参考王璐瑶等计算结果的推荐值2.3~3.4[36]，分别取为2.3、2.5、2.8、3.0、3.2和3.4，共6种渠井结合比，总共设置18种井渠结合节水情景。以2006—2010年灌溉条件作为灌溉现状，预测期为5 a。采用率定的模型参数进行地下水动态计算，预测期冻融期温度使用2006—2010年临河气象站和乌拉特中旗气象站数据。

3.2 井渠结合实施后不同区域单位面积补给量计算

井渠结合实施后，将河套灌区分为井渠结合区和非井渠结合区，井渠结合区又分为井渠结合井灌区和井渠结合渠灌区。将井渠结合井灌区和井渠结合渠灌区的单位面积补给量按渠井结合比进行加权平均，作为井渠结合区的上边界通量。各补给量计算公式如下：

式中1,1为井灌区生育期单位灌溉控制面积上的地下水补给量，mm；1为井灌区生育期的净灌溉定额，生育期抽取地下水进行灌溉，根据河套灌区多年用水情况和灌区土地利用情况，灌溉定额取现状条件下全灌区净灌溉定额的平均值，取值为2 939 m3/hm2；1为井灌区灌溉水利用系数，由于井灌通过毛渠直接输水到田间，因此1取井灌的田间水利用系数，取值为0.89；为井灌区内灌溉面积与灌溉控制面积的比值，因为井灌区的土地利用条件较好，该值较全区灌溉面积与灌溉控制面积的比值稍大，取值为0.7；1为井灌区生育期的田间入渗系数，取值为0.11；q为单位灌溉控制面积上的降雨量，mm；α为降雨入渗补给系数，取值为0.1[34]；1,2为井灌区秋浇期单位灌溉控制面积上的地下水补给量，mm；2为井灌区秋浇期的净灌溉定额，秋浇期引黄河水灌溉，根据灌溉资料推求，灌溉定额取为1 799 m3/hm2；2为各干渠的灌溉水利用系数，平均为0.432；为秋浇频率，井灌区采用两年一秋浇，故为1/2；2,i为综合入渗补给系数，该值取率定结果；2,i为渠灌区单位灌溉控制面积上的地下水补给量，mm；3为渠灌区单位灌溉控制面积上的毛灌溉定额，mm；3,i为井渠结合综合区单位灌溉控制面积上的地下水补给量，mm；为渠井结合比，分别取为2.3，2.5，2.8，3.0，3.2，3.4；=1,2分别表示生育期和秋浇期；各系数取值参考前期研究成果[37]。

3.3 井渠结合地下水动态预测

现状条件及18种节水情景下全灌区不同时期地下水埋深见表5，全灌区生育期平均地下水埋深为1.866~2.208 m，较井渠结合前增加0.103~0.445 m；尽管秋浇期仍采用引黄水灌溉，但受生育期地下水埋深增加影响，秋浇期的地下水埋深也有所增加，但幅度较小，秋浇期平均地下水埋深为1.261~1.428 m，较井渠结合前增加0.076~0.243 m；冻融期平均地下水埋深为2.174~2.294 m，较井渠结合前增加0.096~0.216 m。

表5 井渠结合后全灌区不同时期地下水埋深

不同地下水矿化度开采限制条件下，全灌区、井渠结合区和非井渠结合区的地下水埋深如图4所示。实施井渠结合后，灌区内各个区域的地下水埋深较现状条件均有所增加。18种节水情景下，全灌区年均地下水埋深为1.894~2.114 m，较井渠结合前增加0.096~0.316 m；井渠结合区年均地下水埋深为2.325~2.557 m，较井渠结合前增加0.346~0.635 m；非井渠结合区地下水埋深为1.686~1.746 m，较井渠结合前变化较少，一般不足7 cm。

由图4可知，全灌区和井渠结合区的地下水埋深与渠井结合比存在强相关关系，地下水埋深均随着渠井结合比增大而线性减小，计算得决定系数2均在0.98以上。非井渠结合区的地下水受渠井结合比的影响很小，由图4c可见非井渠结合区地下水埋深趋势线斜率很小，不同渠井结合比条件下非井渠结合区的地下水埋深相差仅为1~2 cm。

全灌区地下水埋深还受到地下水开采的矿化度上限的影响（见图4a），地下水开采的矿化度上限越大，地下水埋深越大。事实上，是因为二者决定了井渠结合区中井灌区的面积，在井灌区净灌溉定额相同的情况下，决定了地下水的净开采量，地下水开采越多，地下水埋深增加也越多。井渠结合区的地下水埋深则主要受渠井结合比影响，地下水开采的矿化度上限的影响较小（见图4b），3种矿化度开采条件下，拟合的井渠结合区地下水埋深趋势线十分接近，变化率相差也不大。这是因为，在地下水开采矿化度上限相同即井渠结合区面积一定的情况下，渠井结合比决定了单位面积上的源汇项，渠井结合比越小，井灌区面积越大，开采的地下水越多，地下水埋深增加得也越多，而整个井渠结合区面积变化时，只要渠井结合比不变，井渠结合区内相应灌溉控制区单位面积上的源汇项是相同的，可以理解为地下水的开采强度相同，因此井渠结合区的地下水埋深差别不大。不同地下水开采矿化度上限对非井渠结合区地下水埋深影响稍有差异（见图4c），但差别不明显，一般不足5 cm。

图4 井渠结合后不同区域地下水埋深

3.4 井渠结合节水条件下不同地下水埋深面积统计

18种节水情景下不同地下水埋深范围的面积如表6所示。由表6可知，井渠结合后大部分区域地下水埋深小于2 m，埋深在2.5 m以上的区域占全灌区的4.7%~22.8%，地下水开采的矿化度上限越大，渠井结合比越小，地下水埋深越大。

3.5 井渠结合节水条件下水均衡及节水潜力分析

不同节水情景下水均衡项结果如表7所示，河套灌区总补给量为21.197×108m3/a~23.625×108m3/a，总排泄量为22.608×108m3/a~24.832×108m3/a，基本保持平衡。入渗补给和潜水蒸发仍然是最主要的地下水补给和排泄途径，入渗补给量为9.013×108m3/a~11.890×108m3/a，较井渠结合前减少2.243×108m3/a~5.120×108m3/a；潜水蒸发量为11.954×108m3/a~14.260×108m3/a，较井渠结合前减少1.872×108m3/a~4.178×108m3/a。地下水开采利用的矿化度上限越大，渠井结合比越小，入渗补给和潜水蒸发越少。

井渠结合后灌区地下水位降低，导致黄河测渗量增加，该值为0.061×108m3/a~0.091×108m3/a，较井渠结合前增加3.1%~4.4%，由此可见在规划的开发利用地下水条件下，井渠结合并未引起黄河测渗量大幅度增加。

本文以井渠结合实施后减少的引黄水量作为节水潜力，该值的计算如式（13）所示。

表6 井渠结合后不同地下水埋深面积

注：为地下水埋深。Note:is water table depth.

表7 不同节水情景水均衡项年均值及节水潜力

4 结 论

本文建立了冻融期地下水补排模型，并与三维地下水数值模型相结合，预测了3种地下水矿化度开采上限、6种渠井结合比共计18种井渠结合节水情景下的河套灌区地下水动态变化，为井渠结合在灌区内的实际应用提供参考。

1）冻融期地下水补排模型与三维地下水数值模型相结合，能够较好地反映全灌区和各灌溉控制区的地下水动态，该方法适用于季节性冻融灌区的生育期-冻融期全周年地下水动态预测。

2）实施井渠结合后，时间上，灌区生育期平均地下水埋深增加0.103~0.445 m，秋浇期平均地下水埋深增加0.076~0.243 m，冻融期平均地下水埋深增加0.096~0.216 m；空间上，全灌区年均地下水埋深增加0.096~0.316 m，井渠结合区年均地下水埋深增加0.346~0.635 m，非井渠结合区地下水埋深较井渠结合前变化较少，一般不足7 cm。井渠结合区地下水开采矿化度越大，渠井结合比越小，地下水埋深增加越多。

3）18种节水情景下，灌区潜水蒸发量较井渠结合前减少1.872×108m3/a~4.178×108m3/a，是最主要的节水来源；入渗补给量较井渠结合前减少2.243×108m3/a ~5.120×108m3/a，仍然是最主要的地下水补给途径；黄河测渗量增加0.061×108m3/a~0.091×108m3/a，较井渠结合前增加3.1%~4.4%，井渠结合并未引起黄河测渗量大幅度增加；引黄水量减少3.765×108m3/a~8.401×108m3/a，节水效果显著。

井渠结合区中井灌区与渠灌区的分布方式，及井灌区内抽水井的布局对地下水埋深均有影响。本文没有具体布置井灌区与渠灌区，而是将整个井渠结合区内的井灌区与渠灌区按渠井结合比进行加权平均，视为一种综合分布的情况，井灌区内的抽水井抽水也概化为平面上的平均抽水。这样的简化会造成一定误差，计算结果偏安全，未来研究还需要根据各方面信息进一步精细化，确定合适的井渠结合方案以用于实际生产。

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Simulation and prediction of groundwater considering seasonal freezing-thawing in irrigation area with conjunctive use of groundwater and surface water

Wu Jingwei1, Yang Yang1, Zhu Yan1※, Yu Leshi2, Yang Wenyuan3, Yang Jinzhong1

(1.,,430072,; 2.,365100,; 3.,610072,)

The conjunctive use of groundwater and surface water is a promising measurement to alleviate the water resources shortage in Hetao irrigation district. It can not only decrease the amount of water diversion from the Yellow River but also prevent the deterioration of soil salinization by decreasing the groundwater table and evaporation. However, it might have adverse effects on ecological environment if over-exploitation happens. Therefore, it is necessary to evaluate the impacts to groundwater after conjunctive use of groundwater and surface water. In this paper, we selected Hetao irrigation district as the study area to estimate the temporal and spatial groundwater dynamics under conjunctive use of groundwater and surface water. The freezing and thawing period in Hetao irrigation district lasts for nearly half a year, during which the mechanism of groundwater dynamics is quite different from that of unfreezing period, with multiple complex impact factors. Studies showed that temperature was the most important factor that drives the groundwater table change during the freezing and thawing period. There were good correlations between water table depth and air temperature. The water table depth of Hetao irrigation district in freezing-thawing period was related to the air temperature before 48 days. Trigonometric function was used to fit the change of temperature and depth. A sub-model was developed to calculate the source term of groundwater system in freezing and thawing period by establishing the relationship between groundwater recharge/discharge flux and air temperature. The sub-model in the freezing-thawing period was integrated with the three-dimensional groundwater model Modflow for the whole year simulation. Model parameters were calibrated with datasets from 2006 to 2010 and were validated with datasets from 2011 to 2013. Comparisons between simulated and observed water table depth showed that the coupling numerical model was able to predict change of groundwater table reasonably well. Then, the numerical model was applied to estimate the impacts of conjunctive use of groundwater and surface water under 18 water saving scenarios with 3 different upper limit of groundwater salinity (2.0, 2.5, 3.0 g/L) and 6 different conjunctive ratios. The simulating results indicated that both the upper limit of groundwater salinity and conjunctive ratio had great impact on groundwater table, since they determined the amount of groundwater withdrawal. Higher groundwater salinity upper limit and smaller conjunctive ratio resulted in lower groundwater table. From the results of 18 water saving scenarios simulation, we concluded that after implying the conjunctive use measurements, the annual average groundwater table increased relatively by 0.103 m to 0.445 m in summer irrigation period, 0.076 m to 0.243 m in autumn irrigation period, and 0.096 m to 0.216 m in freezing and thawing period. The value of groundwater table decline ranged from 0.346 m to 0.635 m in the conjunctive use of groundwater and surface water irrigation district, less than 0.07 m in surface water irrigation district, and 0.096 m to 0.316 m in the whole district on average. The total recharge and discharge volume of groundwater were basically balanced after conjunctive use of groundwater and surface water. The phreatic water evaporation and water diverted from Yellow River could be respectively reduced by 2.243×108m3/a- 5.120×108m3/a and 3.765×108m3/a-8.401×108m3/a. The less phreatic water evaporation was the key point of saving water by the conjunctive use of groundwater and surface water. It decreased useless evaporation and increased water use efficiency so that water resources for agricultural irrigation can be decreased. The river leakage increased by 3.1%-4.4% than before. Thus, the conjunctive use of groundwater and surface water does not result in an unacceptable increase in the amount of river leakage. The research provides important information for conjunctive use of groundwater and surface water in similar seasonal freezing-thawing irrigation district.

freezing; thawing; groundwater; irrigation district; conjunctive use of groundwater and surface water; water-saving

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.18.021

S273.4

A

1002-6819(2018)-18-0168-11

2018-03-06

2018-08-10

国家重点研发计划（2017YFC0403304）；国家自然科学基金（51779178、51479143）

伍靖伟，教授，博士，主要从事土壤水地下水资源与环境和3S技术应用方面的研究。Email：jingwei.wu@whu.edu.cn

朱 焱，副教授，博士，主要从事饱和-非饱和水氮运移转化方面的研究。Email：zyan0701@163.com

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