2003—2019年大连主要灌区地下水埋深变化及主因分析

梁中华

(辽宁省大连水文局，辽宁 大连 116023)

水资源主要由地表水资源和地下水资源组成，由于开采难度较低、且分布范围较大，地下水对于区域水资源供需平衡影响较大[1]。我国水资源时空分布不均特点影响农业灌溉生产。近些年来，大连地区水资源短缺问题已经逐步成为制约区域社会经济发展的一个重要因素[2]。大连地区水资源尤其是农业补给主要来源于区域的几个大型灌区，各灌区水资源量补给占区域农灌总水资量的比例高达75%[3]。当前，对于大连地区灌区地下水埋深变化影响研究取得一定研究成果[4- 10]，各研究成果均表明大连地区主要灌区地下水埋深变化特征较为明显，但对于其地下水埋深变化成因探讨还较少，为此本文根据大连地区3个主要灌区2003—2019年地下水监测数据对灌区地下水埋深变化特征进行分析，并采用敏感度[11]和贡献率分析方法[12]对影响主因进行分析，研究成果对于大连地区灌区节水改造规划具有重要的参考意义。

1 灌区概况及分析方法

1.1 灌区概况

本文主要以大连地区的庄河、东风、红旗3个主要灌区作为研究区域，其中庄河和东风2个灌区，分别位于庄河市和瓦房店市境内。灌区建设于1958—1975年，总土地面积2987km2，耕地面积8.225万hm2。灌区设计灌溉总面积4.936万hm2，有效灌溉面积3.258万hm2。灌区主要供水水源为各大中型水库，现有4座大(Ⅱ)型水库、3座中型水库、13座小(Ⅰ)型水库、25座小(Ⅱ)型水库、19座塘坝。总集水面积2148.5km2，总库容7.96亿m3，兴利库容4.57亿m3，年调节水量4.89亿m3。灌区渠道包括34条干渠、长度388.45km，437条支渠、总长度636.39km，1785座拦河闸、坝、渡槽等渠系建筑物。红旗灌区工程于1973年10月建成。灌区南北长20km，横跨吊桥河和余粮河2个流域，有5个乡镇受益。灌区包括渠道自流、沿河补水和库区提水3部分。自流灌区包括1条总干渠、2条干渠。设计灌溉面积2900万km2，养鱼水面300万km2。

1.2 研究方法

本文主要采用距平方式，根据大连地区3个主要灌区2003—2019年地下水监测数据对灌区地下水埋深变化波动特征进行分析，在变化特征分析的基础上采用敏感度及相对贡献率方法对其变化的主因进行探讨。地下水埋深变化影响敏感度主要通过建立地下水埋深和其变化影响因素之间的关联度进行计算，其计算方程为：

(1)

Y=b0+b1Q+b2P+b3G+b4ET+b5K

(2)

式中，Y—标准化处理后的地下水埋深；Q—标准化处理后的的灌区年径流量;P—标准化处理后的的灌区年降水量；G—标准化处理后的农业灌溉水量；ET—标准化处理后的的灌区年蒸发量；K—标准化处理后地下水开采量。在各影响因子标准化处理成无量纲值后对其相对贡献率进行计算，方程为：

(3)

式中，η—地下水埋深影响因子贡献率相对值，%。

2 大连地区主要灌区地下水埋深变化特征

2.1 年内各灌区地下水埋深变化特征

根据大连地区3个主要灌区2003—2019年地下水监测数据对各灌区年内地下水埋深距平值进行统计，统计结果见表1。

表1 大连地区3个主要灌区地下水埋深年内距平统计值 单位：m

由大连地区3个主要灌区地下水埋深年内距平统计值可看出，各灌区地下水埋深均在3月距平最低，处于最低值，从3月开始各灌区地下水埋深距平值增加，地下水埋深逐步递增；从7月开始到第二年的2月大连地区3个主要灌区地下水埋深逐步下降，地下水埋深距平值降低；5—10月各灌区由于农业灌溉用水需求，其地下水埋深高于区域多年地下水埋深的均值。通过统计分析大连地区3个主要灌区2003—2019年地下水监测数据可知，东风灌区地下水埋深递减速率要高于其他2个灌区，年地下水埋深下降的幅度为0.17m/a，庄河灌区和红旗灌区的地下水埋深下降幅度分别为0.15和0.084m/a，红旗灌区地下水埋深下降幅度最为缓慢。东风灌区由于区域植被覆盖度较大且位于碧流河下游补给量相对较少，因此地下水埋深变幅最大，而其余2个灌区由于位于流域上游地下水补给量均要高于东风灌区，因此地下水埋深变幅相对缓慢。

2.2 农作物不同生长时期各灌区地下水埋深变化特征

考虑灌区主要为农业灌溉，因此对区域农作物不同生长季节的地下水埋深变化特征进行分析，各灌区不同农作物生长时期的地下水埋深距平统计值见表2。

表2 大连地区3个主要灌区农作物不同生长时期地下水埋深距平统计值 单位：m

大连地区农作物生长季主要集中在5—10月，其他月份为农作物非生长季节，从各灌区农作物不同生长季节的地下水埋深距平值可看出，生长季各灌区地下水埋深距平值相对较高，而非生长季节由于农灌水量减少，其地下水埋深值增加，从而降低了其地下水埋深距平值。从各灌区不同生长季地下水埋深变化可看出，红旗灌区在农作物生长季及非生长季地下水埋深距平值变幅较小，表明该灌区农灌水量并不完全依靠区域地下水灌溉，东风灌区不同时期地下水埋深距平值要高于其他2个灌区，这主要是因为东风灌区农灌水主要依靠区域地下水所致。

3 大连地区主要灌区地下水埋深变化原因分析

3.1 影响敏感度分析

结合前面所述的地下水埋深影响因子敏感度计算方法，对东风灌区、庄河灌区及红旗灌区地下水埋深影响因子的敏感度进行计算，结果见表3。

表3 大连地区3个主要灌区地下水埋深变化影响因子敏感度分析结果

从各因子敏感度分析可看出，对于3个灌区而言，年蒸发量对各灌区地下水埋深影响敏感度最高，且明显高于其他几个影响因子，其次为地下水开采量，年径流量和农业灌溉水量对各灌区地下水埋深影响为负值，敏感度较低。大连地区蒸发量和区域气候紧密相关，区域多年蒸发量超过1600mm，而年降水量多年均值低于1000mm，从水量平衡角度出发，相比于降水条件蒸发对于大连地区3个灌区地下水埋深影响最大。

3.2 主因贡献率相对值分析

根据区域地下水埋深变化6个影响因子，对大连地区3个主要灌区的地下水影响因子的贡献率相对值进行分析，结果见表4。

表4 大连地区3个主要灌区地下水埋深变化影响因子贡献率相对值分析结果 单位：%

从各灌区地下水埋深变化影响因子贡献率相对值分析结果可看出，东风灌区农业灌溉水量对于其地下水埋深变化贡献率最高为32.33%，其次为地下水开采量，庄河灌区地下水开采量对其地下水埋深影响贡献率最大为35.06%，年降水贡献率最低为5.72%。红旗灌区地下水开采量对其地下水埋深影响贡献率最大为41.07%，其次为农业灌溉水量为28.31%。总体而言各灌区地下水埋深受降水影响的贡献率均低于10%，受降水影响度较低。

3.3 灌区渠井用水比例分析

为对各灌区地下水用水效率进行分析，结合各渠井2003—2019年数据对各灌区地下水渠井用水比例进行分析，结果见表5。

表5 大连地区3个主要灌区地下水渠井用水比例分析结果 单位：%

从各年份3个灌区地下水地下水渠井用水比例分析结果可看出，庄河灌区和红旗灌区用水比例转折点在2005年，用水比例呈现较为显著递减，通过调查分析这主要是因为庄河灌区和红旗灌区从2005年开始加大了地下水取水量进行农业灌溉，虽然一些节水措施在灌区取水得到应用后，其渠井用水比例有所增加，但总体还是小于2005年。东风灌区从2011年以后其渠井用水比例逐年递增，这主要是因为东风灌区近些年来加大了灌区节水综合改造，提高了取水效率。

4 主要结论

(1)东风灌区地下水埋深递减速率要高于其他2个灌区，其年地下水埋深下降的幅度为0.17m/a，庄河灌区和红旗灌区的地下水埋深下降幅度分别为0.15和0.084m/a，红旗灌区地下水埋深下降幅度最为缓慢。

(2)对于东风、庄河、红旗灌区而言，年蒸发量对于各灌区地下水埋深影响敏感度最高，且明显高于其他几个影响因子，其次为地下水开采量，年径流量和农业灌溉水量对各灌区地下水埋深影响为负值，敏感度较低。

(3)庄河灌区和红旗灌区用水比例转折点在2005年，用水比例呈现较为显著递减，其主要是因为庄河灌区和红旗灌区从2005年开始加大了地下水取水量进行农业灌溉。