引黄灌区水文变化规律分析——以德州市平原县为例

由树春，迮晓娜

（1.烟台市水文中心，山东 烟台 264000；2.龙口市水库管理中心，山东 烟台 265700）

近年来有关农业灌溉与区域水资源适应性的研究较多，国内学者的研究着重于西北、华北地区，缺乏对东部地区的综合研究。本文以山东省德州市平原县为研究区，该县为国家大型粮棉生产基地、京津蔬菜园，做好该地区的农业灌溉工作对于整个华北地区的农作物产品供给具有重要意义。通过大量文献资料分析平原县水文变化规律，利用ArcGIS 做地下水位空间变异分析，针对地下水位的空间分布情况选用合理的灌溉方式，对该县降雨蒸发资料进行分析，比较蒸降差与地下水位的关联性。结合蒸降差与地下水位关系分析预测该地区地下水位动态变化以及水量排补均衡状况。积极推广实施井渠双灌工程，做到合理、科学用水，实现节水减耗增效和农业增收。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

平原县位于山东省西北部、德州市中部，地跨东经116°10′35″至116°41′，北纬36°57′40″至37°23′16″，土地总面积1047km2，县区内主要水网包括马颊河、德惠新河、洪沟河、平武河、引黄干渠等。涵盖180 个农村社区，46 万人，85 万亩耕地。平原县处于暖温带，受季风影响，属大陆性半湿润季风气候；春旱少雨多风，夏热雨量集中，秋雨少而易旱，冬寒少雪晴燥，四季特征分明；该县多年平均气温12.7℃，多年平均无霜期是190 天。

1.2 数据来源与研究方法

根据德州市水利局及平原县水务局对该县水文变化的常年监测数据进行筛选。地下水位资料选取平原县内13 处典型测井，所选测井的地理位置和所处水网覆盖了平原县区的所有范围，具有较强的代表性。

1.3 数据分析与处理

利用SPSS17.0 统计分析软件对数据进行统计分析，结合空间变异理论，利用ArcGIS10.0 中的统计模块（GeostatisticalAnalyst）对数据进行空间克里格插值（OrdinaryKriging）分析，追踪其地下水位等值线分布，构建其地下水位的空间变异分布图。普通克里格法的公式可表示为：

式中，Z*(x0)为估计值；Z(xi)为第i 个样本的观测值；λi为权重值；为保证插值结果的无偏性，权重之和为1。

2 结果与分析

2.1 近十年水位走势分析

对2000—2009 年每年的13 处测井水位求平均值，得到该年全县的平均水位。并根据10 年的平均水位做趋势分析，了解近十年的平均水位走势，如图1 所示。

图1 平均水位变化趋势图

由图1 可看出在2002 年平原县水位达到了最低值18.17m，在2004 年水位达到了最高值19.29m；其余年份水位围绕着十年的平均水位18.68m 上下波动，处于一个动态平衡过程。年际水位大幅度变化归因于该年的降雨、蒸发等因素，这一推测在平原县降雨蒸发分析中得以验证。

2.2 典型年份地下水位空间变异分析

选取2002 年（最低值）、2004 年（最高值）、2007 年（最接近平均值）各测井的水位利用ArcGIS做克里格内插分析，研究其水位变化特点。

由图2 可看出，研究区地下水位在年际间差异较大。在图2（a）中可见2002 年大部分区域处于低水位状态，大区域面积的水位在18.50～19.38m 之间，可推测其该年降水总量偏低。另外，在王凤楼镇仇安石村24A 号测井附近出现了水位最低值，仅为14.72m，而出现在王打卦乡大辛村31 号测井附近的最高水位为21.11m。

图2 平原县典型年份地下水位等值线图

由图2（b）可见平原县在2004 年平均水位及高水位覆盖面积较广，大区域水位在19m 以上，推测是由于该年降水总量较高造成的。最高水位点出现在王打卦乡大辛村31 号测井附近为23.95m，最低水位出现在恩城镇赵庄村的141 号测井处为15.24m，但低水位区域覆盖面积极小，推测尽管2004 年总降水量较丰富，但在该测井附近工农业用水量较大。

在图2（c）中，研究区水位在区域分布上各级水位分布较均衡。2007 年平均水位是18.65m，与平原县10 年的平均水位相接近。该年最低水位仍旧出现在恩城镇边界处的141 号测井处，可推测自2002年后，恩城镇赵庄村141 号测井附近可能由于农业灌溉或是其他工农业生产存在地下水不合理开采的情况，使得该测井附近地下水位持续偏低，因此断定该地区已经不适合采用井灌的方式。最高水位点依然在王打卦乡大辛村31 号测井附近，为22.86m。利用ArcGIS 中的距离测算功能得到两地距离为4810m 而两地年均水位差为6.41m，可在大辛村继续打井灌溉，或在两地间修建输水渠道对恩城镇赵庄村进行渠灌。

2.3 研究区年际地下水位变化分析

对选取的13 处测井地下水位数据进行研究，运用SPSS 对其在2000—2009 年间的地下水位进行统计分析，得到各测井地下水位特征参数，如表1 所示。

表1 2000—2009 年研究区地下水位特征参数表

分析表1 数据，13 处测井的地下水位存在明显差异性；10 年中每处测井的变幅差异较大，最高变幅是赵庄村，变化范围为6.49m；最低变幅是小李寨村，仅为1.56m。偏度表示概率分布密度曲线相对于均值不对称程度的特征指数。此标准正态分布偏度为0，偏度值表明地下水位无规律的分布在平均值的两侧，各处水位的不对称分布主要与降雨、蒸发、灌溉等因素有关。标准差体现了地下水位的离散程度，由表中数据可见隋庄村、唐楼村、尹屯村附近地下水位波动较小，仇安石村、大辛村、赵庄村等地地下水位波动较大，地下水位的波动与各处测井的地理位置和灌溉方式有一定关系。根据上述分析，对于水位较高且波动较小的地区可在农业灌溉期间采用井灌方式；针对水位较低的赵庄村、仇安石村等地区应采用渠灌方式，并对当地不合理的用水方式加以整治。

2.4 研究区年内地下水位时间变异分析

为了研究地下水位在各个季节之间的差异，进行地下水年内变化特点分析，特别是研究在农业灌溉用水季节，应用何种灌溉方式，以达到最优的地下水利用模式。在研究中发现该县地下水位变化受季节性变化影响较大，水位变化原因如下：1 月份研究区属于冬季冰封期，降水少，地下水位主要受蒸发、工业以及生活用水的影响；2 月中下旬开始天气回暖、冰雪融化、河流解冻、地表水补给地下水，造成地下水位略微升高；从3 月下旬开始农作物需水量加大，而此阶段降雨量少，灌溉水主要来源于地下水，从而导致地下水位持续下降；冬小麦收割后迎来大豆、蔬菜等作物的种植使得地下水位显著降低；直到7 月份进入雨季，地下水位具有回升趋势，但由于该地区此时段为酷暑季节，加速蒸发，使得地下水位不能得到快速的补给，此时段的农业灌溉方式转变为河流灌溉与降雨灌溉，同时大量的地表水入渗补给地下水，使得地下水位继续回升；11 月份北方降雨基本结束，此时段影响地下水位的主要因素为蒸发量，导致地下水位从11 月到次年2 月份的缓慢下降。

2.5 平原县降雨蒸发分析

水位变化的原因是地下水系统对内外作用力的一种响应，地下水均衡的主要影响因素包括：降雨量、蒸发量、地表水渗透补给量、其他含水层的渗透补给量、地下水溢出量等。降水的持续效应对观测井的水位、流量等也有一定的影响，水位变化是多种影响因素综合作用的结果。在这些影响因素中降水与蒸发对水位动态的影响最为显著。

降雨蒸发资料选取笃马河平原站水文观测站的数据，如表2 所示。

表2 平原县降雨蒸发数据统计表

蒸降差指某一地区在一定时间内，蒸发量与降水量的差值。研究蒸降差的时空分异，在地理环境上，对探讨气候环境变化条件下的水资源循环具有重要意义；在农业生产上，蒸降差是制定农作物灌溉计划的重要依据。分析蒸降差与地下水位间的关联性，可为水资源的高效利用提供参考依据。

由表2 可以看出蒸降差在研究年际内变化显著。蒸降差越大说明该年份的水资源消耗越大，地下水位随之降低；反之亦然。可见在2002 年蒸降差最大时产生了10 年内的最低水位，这一现象符合上述规律；在2003 年蒸降差达到最小，但并没有产生10年内的最高水位，说明该年地下水动态均衡受其他因素的影响，如地下水溢出、人工开采地下水等；在2004 年由于降雨量较丰沛，虽然蒸降差较大但仍然产生了10 年内最高水位，说明该年地下水位均衡受到持续降雨的影响或地表径流入渗的补给。以上分析说明研究区内蒸降差与地下水位的关联性较强，但不能完全控制地下水位的高低，其他因素如地表径流入渗、地下水开采、相邻流域排补量均对地下水位存在一定的影响。

3 结论

结合GIS 技术与统计学原理，对平原县10 年地下水位进行空间变异分析与年内的时间变异分析，针对地下水位的时空变化提出在某一时期、某一区域到底该应用何种灌溉方式。本文的主要研究成果如下：

（1）根据研究区近十年地下水位走势分析，地下水位围绕十年水位均值18.66m 上下波动，呈现出动态平衡的状态。（2）在对研究区典型年份的地下水位插值分析中得到，年内水位空间变异性较强，针对恩城镇赵庄村等低水位区域，农业灌溉应渠灌方式取代井灌方式,针对王打卦乡大辛村等高水位区域可在其附近采用井灌方式，以防止土地次生盐碱化。（3）根据2000—2009 年研究区地下水位特征参数，各处测井的水位差异较大，变幅差异较大，地下水位无规律的分布在平均值的两侧，水位波动较大。（4）由年内地下水位时间变异分析，研究区地下水位变化受季节性影响较大，应针对不同季节选取合理的灌溉方式，合理配置地下水。（5）研究降雨蒸发量时，发现蒸降差与该地区地下水位变化的关联性较强，但不能完全控制地下水位的变化。

分析地下水位应从多因素入手，积极开展井渠双灌工程，对不合理的灌溉模式及地下水使用方式予以纠正和改善，为农业灌溉方面提出理论依据，给予灌溉管理人员和农民指导性意见，从而实现合理、科学用水，节水减耗增效和农业增收