某灌区地下水变化规律研究

邵丽盼·卡尔江

(新疆维吾尔自治区水利厅灌溉排水发展中心，新疆 乌鲁木齐 830000)

新疆位于我国内陆，属干旱缺水地区，因此提倡更灵活的水资源分配政策十分重要，本文以新疆某灌区为研究区分析地下水位的时空变化及其影响因素，建立适用于研究区的地下水平衡模型。

1 研究区概况

老大河灌区是阿克苏河流域的一级大型灌区，某灌区位于新疆阿克苏，属于老大河灌区阿瓦提县分灌区，是阿克苏流域的一级大型灌区，灌溉总面积设计灌溉面积3.6万 hm2，设计引水能力30 m3/s，全年供水1.4亿 m3[1-5]。

2 数据来源

水利部门对灌区进行了地下水调查。目前已对80个观察井进行监控，每5天手动观测一次。除2002年和2010年外，其他数据均为2000年至今。水质监测是指对钾离子、氮离子、碳离子、锰离子、碳离子、硫离子、氧离子和总溶解固体浓度的观测。在2005年至2018年期间，每两个月对26个观测井收集的地下水样本数据进行采集。

3 地下水平衡模型

研究区的地下水平衡方程如下[10-12]：

ΔhSyA=(Cr+Ir+Pr+Mr+Rr)-(Eg+We+Dg)

(1)

式中：Δh为单位时间内地下水位深度的变化，LT-1；Sy为比产量(无量纲)；A为研究区面积；Cr为渠道渗水的补给量；Ir为渗漏引起的田间灌溉补给量；Pr为降雨补给量；Mr为来自冻土层的融化水补给量；Rr为往返灌区的横向流量；Eg为地下水蒸发量；We为地下水侧向流入量；Dg为通过排水沟的排放量。

渠道渗水补给量Cr为：

Cr=bQcd

(2)

式中：b为渗透率；Qcd流入渠道的总灌溉水量。

降雨提供的水量补给率为：

Pr=dPA

(3)

式中：d为水量交换系数；P为5 mm以上降雨事件的降水量(假定小降水量事件不会导致渗漏)

田间灌溉水渗漏产生的补给量Ir为：

(4)

式中：a为水量输送比，ci代表在灌溉i期间渗入地下水的灌溉水比例，i=1代表作物生长季节，i=2代表秋季灌溉时期。融水的补给主要发生在4月。

Eg值采用0.5 m、1.0 m、1.5m、1.8 m、2.1 m、2.5 m、3.0 m七个地下水深度进行估算，其计算公式如下：

(5)

式中：j=1为沙质壤土；j=2为粉质粘土；m=1代表耕作土壤；m=2代表裸耕或非耕作土壤；Cmj为地下水蒸发因子，具体取决于地下水位、土壤类型和植被；Ew为水分蒸发率，根据20 cm蒸发皿估计；xj为土壤类型为j的面积所占百分比，即蒸发面积，不包括居住用地、道路、渠道和排水沟的面积。Cmj采用下式计算：

(6)

式中：H为地下水深度；emj、fmj、gmj、hmj为与土壤类型和用途有关的经验参数，其取决于植被生长时期。土壤调查数据表明，研究区66%～68%的地区为壤土，而32%～34%的地区为粉质粘土。

本文采用2011-2013年非冻结期(4-10月)数据进行模型校准，采用2014-2016年的数据集进行验证。并采用纳什效率系数和标准偏差评估模型预报的准确性。

4 结果分析

4.1 地下水动态变化分析

图1给出了2011-2014年研究区月平均地下水位随降水和灌溉水量的变化。图2给出了2000-2018年期间五天滑动平均地下水位变化，可以看出：从3月下旬-5月底的第一个时期P1为内河解冻期。土壤在该时期开始时为冻结状态，地下水处于最低水位。直到五月初，土壤解冻后，其含水层正被上层土壤层流出的融水补给。此外，由于第一次灌溉是在4月底或5月初进行，含水层随后也受到渗流和渗透水的补充。在此期间，水面蒸发和植物根系的吸水量较小，地下水在此期间结束时达到峰值。地下水位深度从1.8～2.9 m上升到0.5～2.0 m，其平均水深从2.1 m上升到0.9 m。在第二个时期P2，即5月到9月，对应于作物的生长季，该时期水面蒸发量较大，导致毛细管高度上升，地下水通过蒸发和作物根系吸收排出。由于流出量超过流入量(灌溉和降雨导致的补给量)，因此地下水出现了下降。地下水平均埋深从0.9 m增加到1.5 m。第三个时期P3是从10月初-11月初，该时期为所有农作物收货期，该时期采用秋季洪水灌溉以沥滤盐分，通过土壤上层发生的冻结-融化过程改善土壤结构，并为随后的春季作物生长提供适当的土壤水分。用于秋季灌溉的水量占总灌溉量的30%～35%，因此产生了大量的渗漏，该时期蒸发量较低。地下水迅速上升到今年的最高水平。在大多数地区，由于渠道系统的渗漏和灌溉田地的渗漏，其深度接近地表时小于0.8 m。在此期间，地下水位从平均深度1.5～0.5 m开始上升。第四个时期P4即11月初至3月中旬，相当于土壤冻结期。随着温度的降低，冻结层的厚度逐渐增加，地下水水深减少，地下水位平均深度从0.5 m降至2.1 m。在土壤中的相关实验研究观测表明，地下水的减少速率与冻结层的增加速率有关。2005年6月和2016年 9月的地下水空间分布结果表明：无论是年还是月，空间结构都表现出相似性。地下水流动模式显示出从南到北的主要流动方向，分别几乎垂直于和沿着南部和北部的主排水沟。地下水的水力梯度约为0.02%～0.03%，与地表的平均坡度大致相同。

图1 2011-2014年研究区地下水位随月降雨量和灌溉水深的变化

图2 2000-2018年不同时期研究区5天平均地下水位的变化

2000-2018年年平均地下水深变化见图3。可以看出：年平均地下水出现了波动变化，没有显示出减少或增加的趋势。2014年以后，其略有下降的趋势，这可能与降水和灌溉的总投入减少有关，可能是由于灌溉水分配减少导致的。灌溉水和降水量与地下水的相关性分析表明：年平均地下水深随灌溉水和降水的年总量呈线性变化，其决定系数R2为0.62，表明地下水的部分变化是由灌溉和降水(主要是灌溉)的变化造成的。说明灌溉水是地下水补给的主要来源。

图3 2000-2018年期间年平均地下水位随年降雨量及灌水量的变化

4.2 模型校准和验证

采用地下水平衡模型计算了2011-2013年期间月平均地下水深度，其于观测值一致性较好。其线性回归产生了接近1.0的回归斜率，确定系数较高，R2为0.89，表明本文建立的地下水平衡模型在校准期的模拟经度较高。本文采用2014-2016年非冻结期的月地下水数据对模型的验证。其平均的RE、NSE和SEE值分别为8.6%、0.92和0.12 m，略低于观测值。观测值与模拟值的线性回归也产生了接近1.0的斜率，并且确定系数高，R2=0.85。实测地下水位深度和模拟地下水位深度之间的总体一致性表明，校准参数得到了充分估计，该模型可用作进一步探索研究区地下水管理问题的工具。

5 结语

灌区地下水位的时空变化表现出明显的季节性变化；在灌溉期间，地下水主要受灌溉水补给和地下水蒸发(由于毛细上升，植被根系吸收水分直接蒸发)的影响。蒸发是地下水在冰冻期降低的主要原因。在非冻结期，渠道渗漏和田间渗漏分别占地下水总补给量的51%和46%，占年地下水总补给量的48%和44%。地下水蒸发量占年总排放量的82%。过度的灌溉用水导致地下水位升高，在作物生长季节平均深度为1～1.45 m。