解放闸灌域地下水矿化度时空变异分析

李文君

(安徽理工大学 测绘学院，安徽 淮南 232001)

解放闸是典型的无灌溉无农业的灌域，引黄灌溉是该地区重要的水资源之一。随着近年来引黄水量的逐渐减少，灌域内土壤盐渍化的问题愈发突出。据研究土壤含盐量演变特征及主要影响因素发现：影响土壤盐渍化的因素有很多，例如地形高程、气候条件、日照时数、地下水埋深、地下水矿化度、植被覆盖度、排盐量、引水量、排水量、降雨量、蒸发量、开采强度等[1-5]。在众多影响因子中，地下水矿化度的影响不容忽视。孙占泉等[6]运用GIS和RS对德州市武城县进行土壤盐渍化变化规律研究，研究表明：虽然地下水矿化度对土壤盐渍化的形成作用有限，但也是一个不可忽视的影响因素。根据研究表明：地下水中不同的含盐量可分类为不同的地下水矿化度，研究地下水矿化度的分布区域、分布特征等可以为土壤盐渍化的治理提供参考。杜军[7]等通过地统计学方法中的球状模型、普通克里金插值方法、应用软件ArcGIS9.0和统计软件GS+,以内蒙古整个河套灌区为研究区域，分析2003年3月、7月、11月3个月的地下水位埋深和矿化度的时空分布规律。分析表明：浅层地下水埋深与矿化度之间呈相反关系。由此证明地下水矿化度与影响土壤盐渍化的其它因素也有相互作用。王水献等[8]以地统计学经典理论分析了开孔河流域不同时期和不同地貌单元地下水矿化度在时间和空间的变异特征,揭示其浅层地下水含盐量的时空变异律。刘中一等[9]根据2006—2013水文、气象及地下水资料，研究河套灌区解放闸灌域节水对地下水及蒸发的影响。研究表明：灌区节水引起的地下水位下降及地下水对耗水贡献的改变将改变农业产出及灌区生态环境。结合夏灌、秋灌、秋浇时期的引水量，分析2000—2013地下水矿化度的时空变异特征，并进一步探索地下水含盐量的分布特征，为治理土壤盐渍化提供参考。

1 研究区背景及研究方法

1.1 研究区背景

内蒙古解放闸灌域位于东经106°45′～107°27′，北纬40°54′～41°14′，地处河套灌区西部，紧邻永济和一干灌域，灌域总控制面积323.45万亩，其中，灌溉面积213.45万亩，非灌溉面积110.31万亩。灌域属于中温带高原，其地势平坦，平均海拔1 036 m；大陆性气候，气候干燥，1 a中平均降水138 mm，主要集中在7—9月，这段时期解放闸也正处于秋灌时期；蒸发量大，年平均蒸发量2 096 mm，是典型的无灌溉无农业地区。在此基础上，引黄灌溉就显得极为重要，灌域内有干渠3条，从西至东分别为乌拉河、杨家河和黄济渠，分干渠16条，排干两条(二排干和三排干)。虽然引黄灌溉面积占总灌溉面积的80%以上，但因为长时间的低效灌溉方式和落后的管理方法，使得灌域内土壤盐渍化逐渐严重。近年来，无论是随着灌域经济的迅速发展使得农作物灌溉用水需求增大，还是黄河中下游的缺水问题日益严重而导致黄委会分配给灌域的水量逐渐减少，都促使着灌域必须制定节水灌溉措施，实施高效节水方案。而此次利用解放闸灌域内外多个观测样点数据，研究2000—2013灌域地下水矿化度分布情况和变化趋势，探讨这些措施方案的实际效果，为下一步土壤盐渍化的治理提供一些参考。灌域具体位置及观测样点分布见图1。其中，每一个点数据代表该观测井1 a矿化度的平均值。特别观测井点37、38、64、65、76、90、102。其中，井点37在新渠分干渠附近，38在永跃八海子附近；64号井位于乔占年圪旦，65号位于杨家保圪旦；76号地处常庆村，周围无渠系分布；0、102号观测井分别位于王红圪旦和刘西林圪旦。90号观测井附近有西支渠、黄羊支渠；102号井点周围有脑包渠经过。

图1 解放闸灌域位置及观测样点分布

1.2 研究方法及原理

通过有限的已知值去推测补充点相邻的未知值，最终获得空间分布图，目前,在ArcGIS中的方法有克里金法(Kriging)、样条函数法(SPLINE)、反距离权重法(inverse distance weighted，IDW)等。研究选取IDW，因为此种方法在假设预测点的值受相邻或相近样本点的影响比较远控制点的影响更大，认为与待插点距离最近的若干个点对插点值的贡献最大，其贡献与距离成反比，其内插的精度由已知点到内插点的距离来确定。可表示为[10]

式中：Z为预测值；Zi为第i个样本值，i=1,…,n；Di为预测点与样本点之间的距离；P是预测值与样本值距离的幂，它显著影响内插的结果。影响的权重用点之间距离乘方的倒数表示。乘方为 1 意味着点之间数值变化率为恒定，该方法称为线性插值法。乘方为2或更高则意味着越靠近已知点，数值的变化率越大，远离已知点趋于平稳。

2 结果与分析

2.1 地下水矿化度年内变化

地下水的矿化度即单位体积下水中可溶性盐类的质量[11]。天然水按矿化度分类[11-12]：矿化度在0～1 g/L之间为优质淡水，可饮用；1～3 g/L定义为微咸水，可做灌溉用水，通过特殊手段脱盐后正常饮用；矿化度在3～10 g/L之间的天然水称为咸水，主要为海水，通过提纯后，水和盐均可被利用；矿化度在10～50 g/L的盐水及大于50 g/L的卤水虽然有其特定用途，但均不适合植被生长。故知道地下水的矿化度可了解到水的含盐程度。为研究灌域内地下水矿化度年内变化趋势，以2004年为例，选取不同位置的7个有代表性的观测井点(37、38、64、65、76、90、102)来研究其地下水矿化度变化趋势。1 a中对观测井采样时间分别为1月、3月、5月、7月、9月、10月、11月，得到变化趋势结果如图2所示。为讨论引黄水量对矿化度的影响，总结同年夏灌(4月、5月、6月)、秋灌(7月、8月、9月)、秋浇(10月、11月)各月份渠系引水量，见图3。

图2 2004年地下水矿化度变化

图3 2004年渠系引水量

图2中，观测井点76地处常庆村，周围无渠系分布，随着数次不同时间的观测，发现其地下水矿化度变化不明显，引黄灌溉对其影响不深，该井点地下水矿化度1 a中长时期处于1 g/L以下。90、102号观测井在黄济渠附近呈一南一北分布，1 a中处于南部的90号井除了在9月地下水矿化度突增至5 g/L外无较大的起伏变化，平均维持在1～3 g/L；102号井从5月开始至7月其地下水矿化度直线上升，由1 g/L升至10 g/L，随后直到9月矿化度又急速下降恢复到1～3 g/L的波动范围。两点均值均在2 g/L上下浮动，由此，两井点均处于微咸水区域。在咸水分布的地区，随着引水量的增加减少，其矿化度在3～10 g/L之间产生波动。64、65号井均在三排干附近，三排干在进行灌区排水或者地表渗水排水时，也随之排盐。两者均处于咸水分布区域。前者地下水矿化度在3～5 g/L内变化，均值4 g/L，后者地下水矿化度在5～11 g/L内变化，均值8 g/L。受引黄灌溉最深、最直接的是位于盐水区域的观测井，以37、38号井为例，两者的变化趋势基本与图3中渠系引水量呈正比。从1月到5月地下水矿化度几乎呈直线式上升，春季灌区处于积盐状态，随着夏灌的到来，灌区开始脱盐。10月，灌区引水量达到巅峰期，此时正值秋浇阶段，在11月秋浇完毕后，灌区停止继续引黄灌溉，灌区又开始进入冬季储盐状态。37、38号井的矿化度可以从1月的6 g/L整体上升到7月的18 g/L左右，甚至在10月，37号井地下水矿化度增高到30 g/L。由图3可知：灌区从4月份开始持续到11月份结束，引黄灌溉从未间断，5月、7月、11月是每年引水量的高峰期，而引水量的多少将直接影响到盐水分布区地下水矿化度的高低，由此在该区域普及更高效的灌溉方式，减少土壤盐的积累，是高效节水、改善土壤盐渍化的必由之路。

2.2 地下水矿化度年际变化

根据分布在不同地下水矿化度区域的观测井点，分析代表井点在2000—2013的年际变化情况(见图4)，再结合14 a的地下水矿化度趋势走向(见图5)，分析全解放闸灌域地下水矿化度的时空变化。

图4 2000—2013典型井点地下水矿化度变化

图5 2000—2013地下水矿化度总体变化趋势

图4中，除去37、38号观测井，其余观测井地下水矿化度常年保持在0～5 g/L范围内变动。37号观测井的地下水矿化度在2000—2003几乎呈直线式下降，在2004年陡然上升以后直到2013年其矿化度的浮动范围均在0～5 g/L以内。而38号观测井在2000—2013其取样所得的地下水矿化度值一直处于波动中，虽然在2011年之前，总体表现出下降趋势，但在之后又从13 g/L突增至25 g/L，达到13 a之最，这样高的矿化度显然不利于该地区植被尤其是农作物的健康生长。由此，解放闸灌域5 g/L以下矿化度分布地区基本保持在此范围上下变化。10 g/L以上高矿化度地区分两种情况：一是在2003年以前矿化度下降迅猛，2005年后维持在0～5 g/L的变动范围；二是在2000—2013共14 a间其矿化度一直处于变动中，有升有降，最高可达25 g/L，最低也是10 g/L。

由图5明显可见，研究区域的地下水矿化度在2002年前3 a经过短暂的微弱上升后，在2005年之后解放闸灌域地下水矿化度整体呈缓慢下降趋势，由5 g/L降至3.5 g/L，也是14 a间最小的矿化度。总体而言，研究区域地下水矿化度呈降低趋势，个别区域虽然矿化度较高，但2011年之后也在逐渐降低，说明在大力发展普及高效节水措施后，如确定合理的作物灌溉定额、改进灌溉系统、采取先进的节水技术、科学合理的调整作物种植结构等[13-14]一系列节水措施后土壤盐渍化的治理取得良好的成果。

2.3 地下水矿化度空间变化

首先整合基础资料，将观测井点号、经纬度转换、矿化度均值按不同年份添加到不同的excel表格中并保存为.xls格式；其次将解放闸灌域边界矢量图作为底图在ArcGIS中打开，再点击“添加数据”将之前的表格加载到软件中，经过指定X，Y坐标字段、坐标系转换将各个观测井点数据展点在底图上，最后利用ArcGIS中空间分析模块(Spatial Analyst)，选取插值分析工具反距离权重插值法对2000—2013的地下水矿化度进行插值分析，再根据天然水的分类标准，对矿化度值划分类别，得到各个年份的地下水矿化度空间分布图，结果如图6所示。根据此类图可以直观地得到各类矿化度的分布区域、分布特征。

图6中将地下水矿化度分为四类：一是小于等于1 g/L的淡水区域；二是2～3 g/L 的微咸水分布区；三是4～10 g/L的咸水区；其他统一为盐水区，解放闸灌域并无大于50 g/L的卤水分布。

图6 解放闸灌域历年地下水矿化度分布

从2000—2013的地下水矿化度分布图看出，灌域内常年处于积盐状态，很多年份淡水分布极少，分布面积最多的年份在2004年、2007年两年，分别占总面积的0.12%和0.08%，主要位于行政区杭锦后旗，在2013年其分布已经微乎其微；矿化度为2～3 g/L的微咸水占灌域面积由2000年的523.98 km2降到2005年的248.88 km2，占比从31.61%降至15.03%，至2013年回升到370.19 km2，占比增加了7.31%，主要分布在研究区域东部边缘部分，黄济渠横穿而下；地下水矿化度4～10 g/L在解放闸灌域分布最多，综合占比71.82%，乌拉河渠、二排干和三排干均位于其中，2000—2005其分布面积总体呈增加趋势，由占比61%上升至83.34%，2005年以后盐水面积逐渐减少，在2009年经过一个小的起伏后，其分布面积占比缓慢上升，至2013年为76.07%，面积为1 260.57 km2；大于10 g/L的矿化度在图6中只有2007年、2009年分布极少，其余年份2000—2002分布面积最大，占比最多，经过灌溉技术的发展以及管理方式的改进，2005—2009，灌区盐水分布急速减少，最低时期为2009年、2010年，平均占比0.55%。2011年后盐水面积增大，至2013年其面积占比达1.59%，高矿化度主要分布在灌域中部杨家河渠穿过该分布地区，为使植被尤其是农作物的健康生长，土壤盐渍化需要持之以恒地治理。综合分析，从2000年到2013年，解放闸灌域经过长期不间断地推进更高效的节水方法、更有效的节水方式、更精准的灌溉技术、更完善的灌溉管理机制等措施，使得该地区的地下水矿化度在1～5 g/L内浮动，分布小面积扩大；盐水分布地区的矿化度并未继续增长且分布面积有所减少。

3 结 论

1)从年内变化看，地下水矿化度在0～5 g/L之间受引黄水量增减的影响不大，在超过5 g/L，尤其在4月地下水矿化度超过10 g/L的观测井，受其影响力最大。从四月夏灌开始，直至11月秋浇结束，灌区持续引水量107 905万方，最高矿化度达到30 g/L，严重制约了作物的健康生长。

2)从年际变化趋势可得，5 g/L以下矿化度的地区长时间保持不变，5 g/L以上的区域有个别地方矿化度在2004年以后降低，20 g/L的观测井及其附近从2000年至2010年，虽然中间矿化度有上下浮动，但总体而言呈下降趋势，由2010年的13 g/L猛增至2011年的25 g/L，随后下降。解放闸灌域从2000年到2013年其地下水矿化度在2004年后总体呈下降趋势。

3)空间分布上从2000年到2013年，经过综合治理，解放闸灌域的地下水矿化度在原有基础上，小于1 g/L的淡水分布极其微小，在空间分布图上不可见。下降趋势：2～3 g/L的微咸水分布面积占比减少；4～10 g/L的咸水是唯一一个分布面积有所增加的矿化度范围；大于10 g/L的高矿化度地区分布面积占比下降，2013年的分布与2000年的分布相比，其面积减少趋势明显。