景泰川灌区地下水埋深变化与影响因素分析

宋增芳，程玉菲，王军德

(甘肃省水利科学研究院，甘肃 兰州 730000)

景泰川灌区自建成以来，由于每年从黄河大量提水灌溉，加之当地特殊的水文地质条件，灌区排水不畅，使得灌区局部地域地下水位呈明显上升态势，兰炼农场所在草窝滩等地出现了严重的土壤次生盐碱化，水环境恶化的态势非常明显，农田有效灌溉面积减少，严重地影响了灌区社会经济的发展[1- 4]；与此同时，由于灌溉回归水的大量增加，且全部泄入黄河，一定程度上污染了黄河水水质，给下游的用水户造成了不利影响。水环境问题已成为景泰川灌区社会经济可持续发展的主要瓶颈。本研究主要从时空变化特征及影响因素方面对景泰川灌区地下水观测数据展开分析，成果可探讨灌区不同区域适宜的地下水位，从而为减少灌溉定额、降低黄河提水量、控制地下水位升高提供科学理论依据。

1 研究区概况

景泰川灌区位于河西走廊东端，白银市景泰县及武威市古浪县境内。研究区DEM图(Digital Elevation Mode数字高程模型地图)如图1所示。灌区总面积1496km2，有效灌溉面积97.67万亩[5- 6]。灌区气候条件干燥，多年平均气温为8.3℃，降水量稀少，降水量年变幅在104.5～298.4mm之间，多年平均降水量184.8mm，多年平均蒸发量高达2289.9mm。灌区地势呈西南东北走向，地形下坡连片平坦，坡度约1/100，上部坡度约1/30。灌区地下水以潜水含水层为主，含水层基岩以砂质粘土、粘质砂土为主，地下水补给条件差，补给量小，径流条件差，广大地区水位埋藏较深，不易开采地下水[7- 9]。

图1 研究区DEM图

2 数据来源与研究方法

研究区地下水位观测井见表1，如图2所示。总计14口观测井，其中长序列观测井8口，分别为一期总二支、红柳泉、余家窑、一期西六支、石城村、南滩八队、城关一队和宋梁一队；另外6口观测井观测时间从1980年至2000年前后，分别为兰炼农场、马庄、喜集水车站、条山农场、兴泉车站、条山七支渠。观测数据来自于甘肃省水文水资源局，研究采用Mann-Kendall趋势分析法分析了长序列8口观测井的地下水埋深年际变化特征[10- 17]，根据灌区14口观测井多年地下水埋深月数据，分析了地下水埋深年内月变化特征，采用Arcgis软件及Kriging空间插值法对灌区14口观测井地下水埋深空间变化进行了分析[18- 27]。

表1 地下水位监测井一览表

图2 研究区地下水监测井位置图

3 灌区地下水埋深的时空动态演化特征

3.1 地下水埋深时间变化特征

研究选取灌区8口观测井(一期总二支、红柳泉、余家窑、一期西六支、石城村、南滩八队、城关一队、宋梁一队)1998—2011年观测数据进行地下水埋深年际变化分析，见表2，如图3—4所示。

表2 观测井年地下水埋深Mann-Kendall检验系数统计表

图3 地下水埋深小于5m的年际变化

图4 地下水埋深大于5m的年际变化

通过分析可知，灌区8口观测井，其中红柳泉、城关一队、一期总二支、余家窑4口井地下水埋深小于5m；南滩八队、宋梁一队、一期西六支、石城村4口观测井地下水埋深大于5m。

红柳泉、城关一队、一期总二支、南滩八队、一期西六支、石城村6口观测井年地下水埋深的检验系数均小于0，表明这6口观测井年地下水埋深变化趋势为下降趋势，余家窑和宋梁一队2口观测井的年地下水埋深检验系数均大于0，表明这2口观测井年地下水埋深变化趋势为上升趋势。而城关一队、余家窑和南滩八队3口观测井年地下水埋深检验系数的绝对值均小于临界检验值±1.96[28- 30]，说明变化不显著，其他5口观测井检验系数的绝对值均大于临界检验值，变化显著。

根据灌区14口观测井多年地下水埋深年内月平均值可看出，景泰川灌区年内地下水埋深呈季节性和周期性明显变化。季节性变化的原因是地下水受到灌区的降雨、蒸发、气温等气象因素的影响；周期性变化是地下水受灌区每年从黄河引水进行灌溉的影响。如图5所示，景泰川灌区的地下水埋深变化呈W型，6、8、9三个月地下水埋深值上升到峰值，说明该区域此时农作物生长处于最旺盛阶段，且生长季节对地下水消耗的程度较高；11、12两个月地下水埋深下降到低谷，这主要是与该区域12月前后冬灌刚刚结束，地下水停止开采，且气温较低，作物在此季节停止生长，地下水位在受到各种补给作用而回升；地下水埋深变化从16.89～17.25m，呈现双峰型变化趋势，1—5月基本稳定，5—7月和7—9月出现2次先增后减，并且从9月开始地下水埋深值逐渐减小，到12月达到最小值。

图5 多年平均地下水埋深年内变化

3.2 地下水埋深空间变化特征

基于灌区地下水观测数据，选择1980—1990年、1990—2000年、2000—2011年这3个时段的均值作为分析地下水位的空间变化特征，这3个时段分别代表1980s、1990s和2000s。分别将3个时段各地下水埋深均值数据在ArcGIS软件中利用Spatial Analyst空间分析模块进行Kriging空间插值，3期的空间插值结果如图6所示。

由图6可知，1980s景泰川灌区地下水位埋深自南向西北方向呈现递减的趋势，且在景泰川灌区南部兴泉车站井周围出现一个明显的降落漏斗，即图上最下面区域，该区地下水位埋深相对较大，且该区域地下水位最大埋深大于45m。地下水位埋深在0～5m的区域在兰炼农场、余家窑和红柳泉井一带；地下水位埋深在5～10m的区域，主要分布在兰炼农场井至一期西六支井之间的区域以及兰炼农场井至一期总二支井之间的区域；地下水位埋深在10～15m的区域主要分布在灌区北部的一期总二支井北部的区域及条山农场北部的区域；地下水位埋深在从20～45m的区域主要分布在条山农场以南至兴泉车站的灌区，地下水位埋深由北向南逐渐增大。

1990s景泰川灌区地下水位埋深与1980s的空间分布相差不大，主要是灌区中东北部地下水位埋深呈现明显的变化，灌区中西南部地下水位埋深基本上无明显的变化。其中1990s地下水位埋深在0～5m的区域相较1980s面积以兰炼农场井为中心向四周有所增加；地下水位埋深在5～10m的区域相较1980s向东北部扩展，面积呈现明显的增加变化；地下水位埋深在10～15m的区域相较1980s在灌区东北部面积有所减小，即这些区域受引水工程影响，地下水位呈现上升趋势。

图6 3期灌区地下水埋深空间变化图

2000s景泰川灌区地下水位埋深相较1980s和1990s的地下水位埋深变化十分显著。2000s景泰川灌区地下水位埋深在0～5m的区域面积有所减小，包括红柳泉东北部、余家窑东北部、兰炼农场东部和一期总二支井南部的区域；2000s地下水位埋深在5～10m的区域包括1990s地下水位埋深在5～10m的大部分区域和10～15m的灌区北部的大部分区域；2000s一期西六支南部的地下水位埋深相较1990s也呈现明显的减小变化，这说明通过景泰川灌区的引水工程，已使得该区地下水位埋深呈现明显的减小变化。

4 影响因素分析

研究选择灌区一期西六支观测井地下水埋深数据，基于灌区景泰县气象数据，采用Penman-Monteith[31]公式计算了ET0，如图7所示，ET0整体呈上升趋势，相关系数判断标准[32]见表3，与地下水量埋深呈高度负相关，见表4。引黄水量整体呈上升趋势与地下水量埋深呈中度负相关，如图8所示。降雨量整体呈上升趋势与地下水量埋深呈低度负相关，如图9所示。

图7 潜在蒸散发量与地下水埋深

图8 引黄水量与地下水埋深

图9 降雨量与地下水埋深

地下水埋深与引黄水量、降雨量、潜在蒸散发量的相关系数见表4，地下水埋深与潜在蒸散发量相关系数最大，为-0.820，其次是与引黄水量的相关系数，为-0.612，与降雨量的相关系数最低为-0.129。造成这种现象的原因主要是景泰川灌区地处我国西北半干旱气候区，降雨少、蒸发大，水资源匮乏，生产、生活用水主要依赖引入的黄河水。灌区的水分输出中蒸散发量占比较高，故潜在蒸散发对地下水埋深影响最明显，相关系数大；灌区农业依赖引水灌溉，所以，引黄水量对地下水埋深影响较明显，相关系数较大；灌区的降雨稀少，对地下水补给很小，故降雨变化对地下水埋深影响很小[33]。

表3 相关系数判断标准

表4 地下水埋深与引黄水量、降雨量、潜在蒸散发量的相关系数

5 结论

通过分析可知，灌区引黄水量在上升、地下水埋深整体在下降，这些变化均会加剧灌区土壤次生盐渍化。因此，建议灌区下一步必须加强管理，采取有效的措施，如调整灌溉定额、改变种植结构、采用节水灌溉等方式降低或控制地下水位，从而改善灌区土壤次生盐碱化等环境问题。另外，在进行影响因素分析时，研究仅选择以一期西六支观测井为例，下一步建议可选择以宋梁一队、南滩八队等观测井为例，作对比分析，使结论依据更充实、可靠。