盐碱化灌区不同地类的地下水盐动态分析

周美玲

(江西省水投江河信息技术有限公司，江西 南昌 330029)

1 研究背景

对于干旱与半干旱地区而言，地下水一种独特的水资源，它具有维持社会经济发展和农业生产的重要作用。但农业生产中过量的灌溉会引起地下水位的抬高，加之干旱的气候条件，土壤水分和地下潜水蒸发强烈，会造成土壤盐分逐渐累积和地下水矿化度升高，产生土壤次生盐碱化的危害，严重威胁干旱和半干旱地区的农业生产[1-2]。过高的地下水位是造成干旱和半干旱地区产生土壤次生盐碱化的主要原因，同时控制地下水位也是防止土壤次生盐碱化的关键[3]。为了解决干旱和半干旱地区土壤次生盐碱化的问题，国内外研究者进行了大量有关地下水盐动态规律及调控地下水位的研究[4-6]。于国强等运用双因子方差分析方法研究了洛惠渠灌区地下水盐动态规律，研究表明地下水电导率变化与地下水位变化有很大关系，表现出较强的区域特征，有效降低灌区地下水位是控制土壤盐碱化的重要措施[7]。徐存东等利用甘肃景电灌区15年地下水位和水质监测资料分析了干旱灌区扬水灌溉对水文地质单元地下水盐演化的影响，研究表明封闭型水文地质单元的地下水矿化度呈逐年上升的趋势，是灌区内土壤产生盐碱化形成的主要原因[8]。肖让等对新疆皮墨垦区224团地区地下水埋深及地下水矿化度进行连续监测，研究地下水盐动态变化规律和水化学特征，研究表明研究区地下水埋深及矿化度均存在时空变化，地下水化学类型也具有明显地时空分布特征[9]。位于黄河流域上游的内蒙古河套灌区，由于气候干旱少雨、蒸发强烈，地下水位埋深较浅，土壤母质含盐量较高，是一个典型的盐碱化灌区，该灌区主要引黄河水灌溉[10]。近年来，随着黄河流域水资源短缺问题的加剧，河套灌区的允许引黄水量由过去的52亿 m3下降到40亿 m3左右，引黄水量的不断减少，将导致灌区地下水盐动态将发生改变，原有的水盐平衡将打破，而新的水盐平衡尚不明晰[11]。目前，关于河套灌区地下水盐动态的研究主要集中地下水埋深的时空变异规律[12-13]，地下水矿化度的时空变异特征[14-15]，节水改造后地下水位变化对地下水环境的影响[16-17]，地下水位变化对土壤水盐及作物生长的影响[18-19]等方面。而关于河套灌区不同地类的地下水盐动态变化的研究较少。本研究在内蒙古河套灌区选择一典型监测区，通过对2013-2018年典型监测区的地下水位及矿化度资料的分析，研究典型监测区不同地类地下水位及矿化度的年内年际动态变化规律，研究结果可为河套灌区水资源管理和有效利用提供科学依据。

2 材料与方法

河套灌区位于内蒙古自治区西部的巴彦淖尔市，是黄河中上游的大型灌区。河套灌区地处内蒙古河套平原，北抵阴山山脉、南临黄河、东与包头市相邻、西与乌兰布和沙漠相接。地理坐标在东经106°20′～109°19′，北纬40°19′～41°18′之间。河套灌区降水量稀少，年降水量为130～220 mm，蒸发强烈，年蒸发量为1 900～2 500 mm，日照温差大，日照时间长，年平均气温为5.6℃～7.8℃，全年日照时间为3 100～3 300 h，属于典型的温带大陆干旱半干旱气候。河套灌区是全国乃至亚洲最大的一首制大型自流灌区，是我国规模最大的三大灌区之一，也是国家重要的商品粮生产基地，农业是该灌区经济的重要支柱产业。河套灌区东西长250 km，南北宽达50 km，灌区总土地面积为1 794万亩，灌区控制面积1 600万亩，设计灌溉面积为1 100万亩，现有灌溉面积861万亩。河套灌区由乌兰布和灌域、解放闸灌域、永济灌域、义长灌域和乌拉特灌域5个灌域组成。当地水利管理部门在5个灌域共布置了225眼地下水观测井(图1-a所示)，用于长时期监测河套灌区的地下水位和地下水矿化度。

在河套灌区选择一典型监测区，该典型监测区位于河套灌区中游的解放闸东南部，为乌兰分干渠控制区域，控制面积为166.68 km2，在该典型监测区布置有85#、124#、128#、134#和136#地下水监测井(图1-b所示)，其中85#布置在村庄，124#、134#布置在荒地，128#、136#布置在耕地，监测井基本反映了研究区不同景观单元的构成。收集2013-2018年期间5眼地下水监测井地下水位资料，其中地下水位由解放闸灌域工作人员每隔5天观测1次，采用钢尺水位计测定地下水埋深，再换算得到地下水位标高。监测井地下水电导率EC(mS/cm)采用便携式电导率仪测定，再根据相关公式(T=0.64EC)转换成地下水矿化度T(g/L)[20]，地下水矿化度2个月测定1次，由于地下水矿化度资料的不完整，其中只收集到了2013-2018年期间128#和134#的地下水矿化度资料。利用Microsoft Excel 2010软件对地下水位及矿化度动态变化进行作图，利用SPSS 19.0统计软件对地下水监测数据进行统计分析。

3 结果与分析

3.1 地下水位年内动态分析

对2018年各地下水监测井的地下水位数据进行经典统计分析，分析结果如表1所示。变异系数(Cv)可以反映试验数据的离散程度，一般认为Cv<0.1属于弱变异，0.1≤Cv≤1.0 属于中等变异，Cv>1.0属于强变异。由表1分析得出，各监测井地下水位的变异系数均小于0.1，各监测井的地下水位均呈弱变异性，偏度系数和峰度系数均在±1左右，各监测井地下水位数据基本满足正态分布，地下水位监测数据可靠。

(a) 河套灌区 (b) 典型监测区

2018年各监测井地下水位年内动态变化如图2所示。由图2可以看出，各监测井地下水位年内变化规律基本类似，1-3月初各监测井地下水位呈下降趋势，此时为研究区的封冻期，外界温度较低，土壤从表层逐渐往下层进行冻结，冻土层厚度为1.0～1.5 m，因此地下水位逐渐下降；3-5月初各监测井地下水位呈逐渐上升趋势，此时为研究区的融通期，这主要是3月份开始外界温度逐渐升高，土壤开始融通，至4月下旬土壤完全融通，地下水位逐渐升高；5-9月底为研究区的作物生育期，此时地下水位变化比较明显，5月初为研究区的春灌时期，研究区进行第1次灌溉，农田灌溉水量达180 mm左右，在5月中下旬各监测井地下水位上升到较大值，研究区作物在生育期一般灌溉3-4次，在作物灌溉前后，各监测井地下水位变化明显，8月上旬为研究区作物最后一次灌溉，在土壤蒸发和作物耗水的双重作用下，各监测井地下水位逐渐下降，至9月底地下水位降到一年的最低值，此时为秋浇前期；10-11月上旬为研究区秋浇期，秋浇历时40 d左右，秋浇是一年中灌水量最大的时期，秋浇灌水量达200 mm左右，秋浇的主要作用是淋洗研究区耕地的土壤盐分，为下一年度作物生长提供有利的条件，此时各监测井地下水位逐渐上升，在11月上旬地下水位达到一年最大值；11月中旬-翌年3月为研究区的封冻期，各监测井地下水位逐渐下降。研究区不同景观单元的监测井地下水位之间略有差别，85#布置在村庄，由于村庄离耕地较远，耕地进行灌溉后，对村庄地下水位的影响较慢，同时影响也相对较弱一点， 85#地下水位与其他监测井地下水位相比变化不是非常显著。荒地与耕地相邻，荒地地势略低于耕地，荒地地下水位受耕地灌溉的影响比较明显，耕地地下水通过“旱排”作用会流向荒地，荒地124#、134#的地下水位变化与耕地128#、136#地下水位变化规律基本类似。综上所述，河套灌区地下水位受灌溉、蒸发、作物耗水、地形地貌、冻融等因素的影响，表现出年内季节性变化，地下水位年内动态变化大致呈现“两峰两谷”的现象，即春灌和秋浇后地下水位处于峰值，融通前和秋浇前地下水位处于低谷。

3.2 地下水位年际动态分析

根据收集到的2013-2018年各监测井地下水位资料，分析研究区地下水位年际变化规律。图3为各监测井6年的地下水位年际变化图。由图3可以看出，除荒地布置的134#外，其余地下水监测井地下水位在年际之间变化较小，尽管各监测井地下水位在多年不同月份变化较大，但基本能够维持稳定变化的状态；2018年年末与2013年年初各监测井的地下水位基本一致，各年平均地下水位基本不变，研究区地下水资源量基本能够保持均衡状态。134#地下水位在6年期间地下水位呈现下降的趋势，可能与134#所在区域的农田进行了节水改造有关或者耕地种植的面积减小，引水量减小，致使地下水位有逐渐下降的趋势。总体上，各监测井地下水位受引黄灌溉的影响，地下水位年际间呈现周期性变化。

表1 2018年地下水位监测数据经典统计参数表

图2 地下水位年内动态变化

图3 地下水位年际动态变化

3.3 地下水矿化度年内动态分析

2018年128#和134#地下水矿化度的年内动态变化如图4所示。由图4可以看出，地下水矿化度2个月监测1次，地下水矿化度数据相对较少，但地下水矿化度大体上呈现一定的规律，即地下水矿化度年内呈现降低的趋势，这主要是受到不同时期灌溉的影响，耕地作物灌溉后能够影响耕地和荒地的地下水矿化度。1-3月份为封冻期，封冻期土壤自表层往下层冻结，土壤蒸发逐渐减弱，地下水矿化度具有增大的趋势；3月中下旬土壤开始融通，地下水位逐渐升高，在潜水蒸发作用下，地下水向土壤中运移，土壤盐分逐渐增加，同时地下水矿化度呈现逐渐减小的趋势；4-8月为研究区作物生育期，灌溉季节地下水矿化度在灌溉前后变化明显；9月份一直未进行灌溉，地下水位逐渐下降，地下水矿化度具有逐渐增加的趋势；10-11月份为研究区的秋浇期，秋浇期由于灌水量较大，地下水位迅速上升，在大水淋洗灌溉的作用下，地下水矿化度逐渐下降。不同景观单元的地下水矿化度略有差别，耕地128#地下水矿化度较低，平均地下水矿化度为0.94 g/L，耕地地下水矿化度变化相对较小，荒地134#地下水矿化度较高，平均地下水矿化度为4.54 g/L，荒地地下水矿化度变化较显著。因此，研究区地下水矿化度在年内表现出季节性变化，地下水矿化度受灌溉的影响较大，灌溉后地下水矿化度具有逐渐减小的趋势。

图4 地下水矿化度年内动态变化

图5 地下水矿化度年际动态变化

3.4 地下水矿化度年际动态分析

根据收集到的2013-2018年期间128#和134#地下水矿化度资料，分析研究区地下水矿化度年际动态变化规律。图5为128#和134#监测井6年地下水矿化度年际变化图。由图5可以看出，耕地128#地下水矿化度在年际间保持相对平稳的状态，荒地134#地下水矿化度在年际间具有增加的趋势，并且荒地地下水矿化度在多年不同月份变化较大，这主要受耕地灌溉的影响，耕地地下水流向荒地，同时耕地地下水中的盐分也随着地下水流向荒地，致使荒地地下水矿化度升高。耕地128#地下水矿化度6年期间的平均值为0.85 g/L，可知128#地下水为淡水，研究区长时期的引黄灌溉，耕地地下水维持为淡水状态；荒地134#地下水矿化度6 a期间的平均值为4.30 g/L，可知134#地下水为咸水，随着耕地持续的引黄灌溉，由于荒地未进行灌溉，耕地的地下水流向荒地，致使荒地地下水矿化度呈现逐渐升高的趋势，这也说明了耕地淋洗的盐分迁移至荒地，荒地成为耕地的排水排盐区域，荒地具有维持河套灌区盐分动态平衡的作用。

4 结语

河套灌区地下水位受灌溉、降雨、蒸发、作物耗水、地形地貌、冻融等多种因素的影响，耕地和荒地年内表现出季节性变化，但年际间变化不明显，这主要是因为河套灌区引黄水量在不同年份差异较小，河套灌区地下水位年际间变化不大。但荒地地下水矿化度年内和年际间变化明显，荒地地下水矿化度年际间呈现出增大的趋势，而耕地地下水矿化度年际间变化较小，这也说明了由引黄灌溉后耕地地下水矿化度并没有明显增加，而荒地地下水矿化度持续增加，由引黄灌溉带来的盐分主要累积在荒地中。在耕地灌溉时通过“旱排”作用地下水携带着盐分流向荒地中，使荒地地下水矿化度逐渐增大，进而盐分逐渐累积在荒地中，荒地是耕地的排水排盐区域，耕地多余的水分和盐分最终排泄至荒地，荒地是河套灌区一种特殊的土地类型。目前河套灌区现有耕地面积5.74×105hm2，荒地面积2.09×105hm2，且荒地零星状分布于耕地间隙，这些广泛分布的荒地扮演着“旱排”的角色, 调节着河套灌区盐分平衡的作用[21]。前人对河套灌区地下水位和地下水矿化度的研究更多的是考虑耕地或全灌区年内及年际的变化[22-23]，本研究从河套灌区不同景观单元角度出发，重点分析了耕地与荒地地下水位及矿化度的年内及年际变化规律，并比较分析了两者土地类型地下水位及地下水矿化度的异同和相互联系，阐明了“旱排”是导致荒地地下水矿化度逐渐增加的原因。

本研究对2013-2018年河套灌区典型监测区的地下水位、地下水矿化度资料进行年内、年际动态变化分析，研究河套灌区典型监测区地下水盐动态变化规律，得到的主要结论如下：

(1)河套灌区地下水位受灌溉、蒸发、作物耗水、地形地貌、冻融等多种因素的影响，表现出年内季节性变化，地下水位年内动态变化大致呈现“两峰两谷”的现象，即春灌和秋浇后地下水位处于峰值，融通前和秋浇前地下水位处于低值。地下水位年际呈现周期性变化，地下水位多年能够保持平稳，研究区地下水资源量基本能够保持均衡状态。

(2)河套灌区地下水矿化度在年内表现出季节性变化，地下水矿化度受灌溉的影响较大，灌溉后地下水矿化度具有逐渐减小的趋势。耕地地下水矿化度年际变化较小，保持相对平稳的状态，耕地灌溉淋洗的盐分随地下水迁移至荒地，荒地地下水矿化度年际具有增加的趋势，荒地为耕地的排水排盐区域，荒地具有维持河套灌区盐分动态平衡的作用。