涇惠渠灌區(qū)農(nóng)用水源演變趨勢

張盼盼

(1.陜西省土地工程建設(shè)集團有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075； 2.陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075； 3.自然資源部 退化及未利用土地整治工程重點實驗室，陜西 西安 710075)

涇惠渠灌區(qū)(以下簡稱灌區(qū))位于陜西省關(guān)中平原中部，包含富平、閻良、臨潼、高陵、涇陽、三原6個縣(區(qū))，北接渭北黃土臺塬，南有渭河、西有涇河、東有石川河，土地面積1 180 km2，地勢西北高、東南低。灌區(qū)以高耗水性作物冬小麥和夏玉米生產(chǎn)為主，素有關(guān)中“白菜心”之稱，是陜西省重要的糧食生產(chǎn)基地之一，以占全省2.4%的耕地，生產(chǎn)出占全省5.8%的糧食[1]。灌區(qū)水資源主要來源于降水、地表徑流和地下水，地表水80%以上用于農(nóng)業(yè)灌溉。由于灌區(qū)處于干旱半干旱區(qū)，地下水使用量也很大[2]。灌區(qū)降水不均，汛期用水程度低，地下水開采嚴(yán)重，進一步加劇了用水矛盾和生態(tài)環(huán)境問題。對灌區(qū)降水、地表水、地下水進行演變趨勢分析，對有效利用農(nóng)業(yè)自然資源，改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，推動現(xiàn)代農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。

1 資料來源與分析方法

1.1 資料來源

灌區(qū)1953—2013年降水量、徑流量，1977—2013年地下水開采情況的監(jiān)測數(shù)據(jù)，均來源于涇惠渠灌區(qū)管理局。

1.2 分析方法

分析降水量、徑流量、地下水在年際及主要作物生長期(每年10月至次年5月為灌區(qū)冬小麥生長期，6—9月為夏玉米生長期)的變化趨勢。采用斯波曼(Spearman)秩次相關(guān)檢驗法、R/S分析法分析灌區(qū)1953—2013年的年際及主要作物生長期內(nèi)降水量及徑流量的變化趨勢[3-4]。

1.2.1 相關(guān)檢驗 在水文計算過程中，分析xt序列、t時序的相關(guān)關(guān)系，運算時xt用其秩次Rt(即把序列xt從大到小排列xt所對應(yīng)的序號)代表，t仍為時序(t=1,2,…,n)，秩次相關(guān)系數(shù):

式中，n為序列長度；dt=Rt-t。顯見秩次Rt與時序t相近時d小，r越接近1，趨勢越顯著[4]。

相關(guān)系數(shù)r是否異于零，可采用t檢驗法檢驗。統(tǒng)計量:

服從自由度為(n-2)的t分布。

原假設(shè)無趨勢。給定a，在t分布表中查出臨界值Ta/2。若|T|>Ta/2，則拒絕原假設(shè)，即序列趨勢顯著；相反|T|

1.2.2 R/S分析 該分析法是一種時間序列統(tǒng)計方法，建立Hurst指數(shù)定量估計水文變量的變化趨勢[5]。基本原理：

時間序列{ξ(t)},t=1,2,…,n。對于任意正整數(shù)τ≥1，定義均值序列：

X(t)表示累積離差：

極差R：

標(biāo)準(zhǔn)差S：

式中，{ξ(t)}，t=1,2,…,n,是相互獨立、方差有限的隨機序列，即布朗運動。赫斯特和費勒證明：

式中，H=1/2。對于{ξ(t)}，t=1,2,…,n,不是相互獨立的分?jǐn)?shù)布朗運動，可以證明：

R(τ)/S(τ)=(cτ)H

式中，c為常數(shù)。H為赫斯特指數(shù)，當(dāng)0≤H<1/2，表明未來變化趨勢與過去相反，H越接近0，反持續(xù)性則越強；H越接近1，表明時間序列的持續(xù)性越強；H>1/2，表明未來變化趨勢與過去大致相同[6]。

2 結(jié)果與分析

2.1 年際及主要作物生長期的降水量變化

從圖1看出，灌區(qū)1953—2013年的年際降水量豐枯變化明顯，降水量隨年份增加呈下降趨勢，平均降水量為506.52 mm。每年10月至次年5月的冬小麥生長期，平均降雨量為201.74 mm，呈下降趨勢。每年6—9月的夏玉米生長期，平均降雨量為299.05 mm，整體呈下降趨勢，但不明顯。

2.2 年際及主要作物生長期的徑流量變化

從圖2看出，灌區(qū)1953—2013年的年際徑流量變化劇烈，徑流量隨年份增加呈下降趨勢，平均年徑流量為17.7億m3。10月至次年5月的徑流量呈下降趨勢，平均徑流量為7.74 m3。6—9月的徑流量呈下降趨勢，平均徑流量為9.96 m3。

2.3 地下水埋深及開采量變化

灌區(qū)地下水類型主要為潛水及承壓水[7]，主要通過降水、徑流補給。從圖3看出，灌區(qū)1977—2013年地下水每年開采量在1.5億m3左右[8]，地下水位埋深呈上升趨勢，可能是人類活動、自然因素等[9]多方面原因?qū)е隆?jù)資料顯示，2003年平均埋深達15 m，局部達50 m，引發(fā)一系列環(huán)境地質(zhì)問題；近些年，水位有所回升，但普遍較深，多方面因素不斷影響灌區(qū)地下水演變過程[10]。

2.4 灌區(qū)降水徑流演變趨勢

從表1看出，降水量在年際和冬小麥生長期呈下降趨勢，在冬小麥生長期趨勢顯著且持續(xù)性強，在夏玉米生長期下降不顯著且持續(xù)性一般；徑流量在年際和冬小麥生長期呈下降趨勢，趨勢均顯著，在冬小麥生長期持續(xù)性強，夏玉米生長期趨勢一般且持續(xù)性強。

圖21 1953—2013年年際(左)、10月至次年5月(中)、6—9月的降水量(右)

圖22 1953—2013年年際(左)、10月至次年5月(中)、6—9月的徑流量(右)

表1 灌區(qū)1953—2013年降水量及徑流量的趨勢檢驗結(jié)果

3 小結(jié)

對涇惠渠灌區(qū)1953—2013年的年際及主要作物生長期內(nèi)的降水量、徑流量，1977—2013年地下水開采情況的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析表明，降水量、徑流量均呈下降趨勢，未來變化趨勢與過去大致相同；冬小麥生長期降水量、徑流量顯著下降，未來變化趨勢與過去大致相同，且持續(xù)性較強；夏玉米生長期降水量變化不顯著、徑流量呈下降趨勢，且未來的變化趨勢均與過去大致相同。地下水位埋深呈加大趨勢，近年水位有所回升，但普遍較深。