内蒙古河套灌区某灌域地下水埋深时空变化特征研究

李昕阳，赵 晶，李洪涛

(1.华北水利水电大学 水利学院，河南 郑州 450046；2.新乡市水利科技推广中心，河南 新乡 453000)

地下水是世界上最主要的可用淡水资源，在各国的供水量中所占比例较大。区域地下水的动态变化反映当地地下水资源的相关信息[1]，分析研究地下水动态要素变化有助于了解地下水资源的演变过程。关于地下水埋深的时空变化特征，20世纪70年代已引起国外学者的广泛关注[2]，近年来随着信息技术的飞速发展，地下水动态要素的时空变化特征研究方法不断更新发展，出现如统计分析方法、时序分析法、分型方法、频谱分析法、地质统计学法、数值模拟[3- 4]、随机模拟方法以及近年的各种插值法等[5- 7]研究方法。

孙月等[8]、王小克等[9]采用基于GIS技术的反距离加权平均空间插值方法分析石羊河流域、敦煌盆地东湖地下水埋深空间变化分析，许月卿等[10]利用GIS 技术和克里金插值法分析河北平原近25年的地下水动态变化。李新波等[11]利用SPSS10.0软件统计地下水埋深，选用球状和指数模型分析地下水埋深时空变异特征。席海洋等[12]结合地质统计学方法分析额济纳盆地地下位变化。关于地下水埋深变化的归因分析，鲍艳等[13]利用模拟检验方法分析了西北干旱地区地下水埋深下降受区域气候变影响。桂云鹏等[14]认为大黑河平原区地下水位变化主要受降水入渗补给、地下水开采以及潜在蒸发的影响，三者贡献率之和超过90%。万思成等[15]认为地下水埋深变化与降水量和地下水资源超采量密切相关，王默涵等[16]认为区域高程、土地利用类型与植被种类、地下水资源取用水对地下水埋深影响程度较大。不同区域地下水埋深变化的影响因素各异，河套灌区近30年地下水埋深整体呈增加趋势，地下水埋深的影响因素有待于进一步深入研究。

河套灌区位于内蒙古自治区西部的巴彦淖尔市，是我国最大灌区之一，也是我国重要的商品粮、油生产基地。乌兰布和灌域作为河套灌区五大灌域之一，承担着灌域内部分耕地的灌排任务。灌域地下水埋深影响作物根系土壤水分和盐分运移，进而影响作物生长发育。近年来引黄水量减少，灌域水资源与经济社会发展的自然结构不协调，灌域内地下水出现了分布不均匀、开采严重等一系列的问题。乌兰布和灌域地下水埋深时空变化特征与归因亟需进一步深入分析。本文基于乌兰布和灌域18 眼观测井1990—2018年逐月地下水埋深观测资料，采用Mann-Kendal 趋势检验法，并借助 Arc Gis10.2等软件，研究灌域地下水埋深时空演变规律，采用相关分析法分析引黄水量、降雨量与蒸发量变化对地下水埋深的影响，可为灌域地下水开发利用与管理提供基础支撑。

1 研究方法与数据来源

1.1 Manner-Kendall(M-K)趋势分析法

假设时间序列X有n个样本容量(x1，…，xn)，对于所有时间样本1

(1)

式中，xj—时间序列X的第j个数据值；n—数据样本的长度；sgn—符号函数。

1.2 相关分析法

针对于两种不同事物X与Y，假设它们的样本值分别为Xi与Yi(i=1，2，…，n)，则二者之间的相关系数计算公式为：

(2)

式中，RXY—X与Y两种事物之间的相关系数，它表示了两种事物之间的相关程度。RXY的绝对值越大，表示X与Y两种事物之间的相关性越强。因此RXY的绝对值越接近1，相关呈度就越强；RXY越接近 0，反之相关度就越弱。

1.3 Penman-Monteith公式

采用Penman-Monteith公式[17]计算潜在蒸散量：

(3)

式中，ET0—潜在蒸散量，mm/d；Rn—作物表面净辐射量，MJ/(m2·d)；G—土壤热通量，MJ/(m2·d)；Δ—饱和水气压与气温关系曲线的斜率，kPa/℃；γ—湿度计常数，kPa/℃；Tmean—空气平均气温，℃；U2—在地面以上2m高处的风速，m/s；es—空气饱和水气压，kPa；ea—实际饱和水气压，kPa。

1.4 数据来源

本文选用18眼地下水观测井，信息和所处位置分布如图1所示。18眼地下水观测井均处于磴口县境内，海拔高度介于1030～2046m之间，地势走向呈东南高、西北低。地下水数据来源内蒙古河套灌区管理局。气象数据为乌兰布和灌域内磴口县气象站点的逐日气温、平均相对湿度、平均风速、日照时数气象资料(1990年1月1日—2018年12月31日)，数据来源于国家气象信息中心。

图1 研究区地下水观测井位置分布图

2 结果与分析

2.1 时间变化特征

乌兰布和灌域1990—2018年地下水埋深变化如图2所示，年地下水埋深序列的统计值Z为0.86，表明近30年来乌兰布和灌域地下水埋深呈增加趋势，线性趋势率为0.076m/10a。1990—1995年间地下水埋深呈减少趋势，平均每年减少0.05m。1996—2005年呈持续增长趋势，平均每年增加0.09m。2008—2018年呈波动式变化。乌兰布和灌域多年平均地下水埋深1.79m，最大埋深为2.01m(2005年)，最小年均埋深为1.50m(1995年)。

内蒙古河套灌区地下水埋深变化呈现出明显的季节性和周期性。季节性是由于河套灌区地下水受到气温、降雨、蒸发等气象条件的影响；周期性是由于河套灌区每年从黄河引水灌溉，影响地下水埋深变化。由图3中可以看出，河套灌区地下水理深变化呈W型，在2、3、9月份，地下水埋深会下降到低谷；在5、6、11月份，地下水埋深会上升到峰值。河套灌区地下水埋深年内变化可分为以下5个阶段: ①融冻阶段，时间从3月中旬到5月中旬。随气温回升，土壤开始解冻，融冻水逐渐回补地下水，地下水位开始回升。②夏灌阶段，时间从5月中旬到7月中旬。因引黄水量大，渠道渗漏水量增多补给地下水，另一方农田灌溉水入渗到土壤层到达潜水位，造成地下水水位升幅较大。③秋灌阶段，时间从7月中旬到9月中旬，降雨主要集中在这个阶段，灌溉引黄水量增大，地下水埋深受到降雨和秋灌的双重影响呈减少趋势。④秋浇阶段，时间从9月下旬到11月中旬，为压盐和蓄墒，河套灌区秋浇阶段也会引用大量黄河水。大量的水在短时间漫灌到田间造成地下水埋深迅速增加，达到了全年最高水位。⑤封冻阶段，时间从11月中旬到3月中旬，土壤开始逐步冻结，地下水埋深随着冰冻层的逐渐加厚而逐渐减少。土壤蒸发由于气温降低而降至最小量，多种因素综合作用使3月份出现全年最低水位。

图2 地下水埋深年际变化

图3 多年平均地下水埋深年内变化

2.2 空间变化特征

本文绘制研究区多年平均地下水埋深等值线图如图4(a)所示。利用MK趋势检验法计算了灌域内各观测井点多地下水埋深序列的统计值Z，其等值线图如图4(b)所示。地下水埋深变化呈从东南向西北先增后减趋势。大致以那林套海农场—太阳庙农场为分界处，呈现东西低中部高的分布规律，中部那林套海农场(巴5- 1)地区为水位埋深高值区，多年平均地下水埋深等值线均介于2.3～3.3m之间；以隆盛合镇(巴6- 2、巴8- 1)、渡口镇(巴13- 1、巴24- 1)地区为埋深低值中心向周围扩散为埋深低值区，此区域地下水埋深值较低，多年平均地下水埋深等值线均在1.1～1.7m之间。多年平均地下水埋深值在东部地区分布较为复杂，等值线较为密集且变化较大；而西部地区则相反，多年平均地下水埋深等值线稀疏，即地下水埋深在空间分布上变化并不明显。

地下水埋深值的变化趋势呈由东向西逐渐递增趋势。大致以中部那林套海农场(巴5- 1)地区以北、北部隆盛合镇(巴8- 1)地区以南为分界线，将灌域分为三部分。第一分区以巴音毛道农场(巴4- 1)为中心，地下水埋深MK统计值Z向四周扩散增加，该分区地下水埋深MK统计Z值均为负值，绝对值介于2.3～4.9之间，绝大部分通过α=0.001显著性性水平检验，该区地下水埋深下降趋势明显；从中部那林套海农场(巴5- 1)地区至巴彦套海农场(巴11)地区为第二分区，该分区Z值等值线在- 1.5～-0.7之间，大部分通过了α=0.1显著性水平检验，该区地下水埋深下降趋势较明显；第三分区Z值等值线在-0.5～0. 3之间，部分地区地下水埋深呈增加趋势。

图4 多年均地下水埋深与 MK 变化趋势空间分布

2.3 影响因素分析

本文基于灌区气象数据应用Penman-Monteith公式计算了磴口站的ET0，如图5(c)所示，ET0整体呈先升后降趋势，与地下水量埋深呈弱相关，见表1。引黄水量整体呈下降趋势与地下水量埋深呈中等负相关，如图5(a)所示。降雨量整体呈上升趋势与地下水量埋深不相关，如图5(b)所示。地下水开采量呈上升趋势与地下水量埋深呈弱相关，如图5(d)所示。

图5 地下水埋深与引黄水量、降雨量、潜在蒸散发量与地下水开采量的变化趋势

地下水埋深与引黄水量、降雨量、潜在蒸散发量与地下水开采量的相关系数见表1，地下水埋深与引黄水量相关系数最大，为-0.380，其次是与潜在蒸散发量的相关系数，为0.265，第三为地下水开采量与潜在蒸散发量的相关系数，为0.229。这主要是由于内蒙古河套地区地处我国干旱的西北高原，降雨量少、蒸发量大，当地水资源匮乏，其生产生活用水主要依赖于过境黄河水。属于没有引水灌溉便没有农业的地区，故引黄水量对地下水埋深影响明显，相关系数大。河套地区的水分输出中蒸散发占80%左右[18]，故潜在蒸散发对地下水埋深影响较明显，相关系数较大。地下水开发利用直接引起地下水埋深变化，但乌兰布和灌域地下水开采量小，对地下水埋深影响不大。而当地的降雨稀少，对地下水补给量很小，降雨变化对地下水埋深影响很小。

表1 地下水埋深与引黄水量、降雨量、潜在蒸散发量与地下水开采量的相关系数

3 结语

(1)乌兰布和灌域内地下水埋深分布由东南向西北呈先增后减趋势，大致以那林套海农场—太阳庙农场为分界处，呈现东西低中部高的分布规律。以隆盛合镇(巴6- 2、巴8- 1)、渡口镇(巴13- 1、巴24- 1)地区为埋深低值中心向周围扩散为埋深低值区。西部地区多年平均地下水埋深等值线稀疏。地下水埋深值的变化趋势呈由东向西逐渐递增趋势。

(2)近30年来乌兰布和灌域地下水埋深呈上升趋势，线性趋势率为0.076m/10a。年内周期性与季节性变化明显，地下水理深变化呈W型，在2、 3、9月地下水埋深会下降到低谷；春灌、秋浇等典型月份5、6、11月份，地下水埋深会上升到峰值。融冻阶段地下水位回升，夏灌阶段地下水水位升幅较大，秋灌阶段地下水埋深受到降雨和秋灌的双重影响呈减少趋势，秋浇阶段大量的水在短时间漫灌到田间造成地下水埋深迅速增加，达到了全年最高水位，封冻阶段出现全年最低水位。

(3)引黄水量整体呈下降趋势，与地下水量埋深呈中等负相关，相关系数为-0.380，ET0整体呈先升后降趋势，与地下水量埋深呈弱相关，相关系数为0.265，地下水开采量呈上升趋势，与地下水量埋深呈弱相关，相关系数为0.229，降雨量整体呈上升趋势，与地下水量埋深不相关。