某灌區地下水變化規律研究

邵麗盼·卡爾江

(新疆維吾爾自治區水利廳灌溉排水發展中心，新疆 烏魯木齊 830000)

新疆位于我國內陸，屬干旱缺水地區，因此提倡更靈活的水資源分配政策十分重要，本文以新疆某灌區為研究區分析地下水位的時空變化及其影響因素，建立適用于研究區的地下水平衡模型。

1 研究區概況

老大河灌區是阿克蘇河流域的一級大型灌區，某灌區位于新疆阿克蘇，屬于老大河灌區阿瓦提縣分灌區，是阿克蘇流域的一級大型灌區，灌溉總面積設計灌溉面積3.6萬 hm2，設計引水能力30 m3/s，全年供水1.4億 m3[1-5]。

2 數據來源

水利部門對灌區進行了地下水調查。目前已對80個觀察井進行監控，每5天手動觀測一次。除2002年和2010年外，其他數據均為2000年至今。水質監測是指對鉀離子、氮離子、碳離子、錳離子、碳離子、硫離子、氧離子和總溶解固體濃度的觀測。在2005年至2018年期間，每兩個月對26個觀測井收集的地下水樣本數據進行采集。

3 地下水平衡模型

研究區的地下水平衡方程如下[10-12]：

ΔhSyA=(Cr+Ir+Pr+Mr+Rr)-(Eg+We+Dg)

(1)

式中：Δh為單位時間內地下水位深度的變化，LT-1；Sy為比產量(無量綱)；A為研究區面積；Cr為渠道滲水的補給量；Ir為滲漏引起的田間灌溉補給量；Pr為降雨補給量；Mr為來自凍土層的融化水補給量；Rr為往返灌區的橫向流量；Eg為地下水蒸發量；We為地下水側向流入量；Dg為通過排水溝的排放量。

渠道滲水補給量Cr為：

Cr=bQcd

(2)

式中：b為滲透率；Qcd流入渠道的總灌溉水量。

降雨提供的水量補給率為：

Pr=dPA

(3)

式中：d為水量交換系數；P為5 mm以上降雨事件的降水量(假定小降水量事件不會導致滲漏)

田間灌溉水滲漏產生的補給量Ir為：

(4)

式中：a為水量輸送比，ci代表在灌溉i期間滲入地下水的灌溉水比例，i=1代表作物生長季節，i=2代表秋季灌溉時期。融水的補給主要發生在4月。

Eg值采用0.5 m、1.0 m、1.5m、1.8 m、2.1 m、2.5 m、3.0 m七個地下水深度進行估算，其計算公式如下：

(5)

式中：j=1為沙質壤土；j=2為粉質粘土；m=1代表耕作土壤；m=2代表裸耕或非耕作土壤；Cmj為地下水蒸發因子，具體取決于地下水位、土壤類型和植被；Ew為水分蒸發率，根據20 cm蒸發皿估計；xj為土壤類型為j的面積所占百分比，即蒸發面積，不包括居住用地、道路、渠道和排水溝的面積。Cmj采用下式計算：

(6)

式中：H為地下水深度；emj、fmj、gmj、hmj為與土壤類型和用途有關的經驗參數，其取決于植被生長時期。土壤調查數據表明，研究區66%～68%的地區為壤土，而32%～34%的地區為粉質粘土。

本文采用2011-2013年非凍結期(4-10月)數據進行模型校準，采用2014-2016年的數據集進行驗證。并采用納什效率系數和標準偏差評估模型預報的準確性。

4 結果分析

4.1 地下水動態變化分析

圖1給出了2011-2014年研究區月平均地下水位隨降水和灌溉水量的變化。圖2給出了2000-2018年期間五天滑動平均地下水位變化，可以看出：從3月下旬-5月底的第一個時期P1為內河解凍期。土壤在該時期開始時為凍結狀態，地下水處于最低水位。直到五月初，土壤解凍后，其含水層正被上層土壤層流出的融水補給。此外，由于第一次灌溉是在4月底或5月初進行，含水層隨后也受到滲流和滲透水的補充。在此期間，水面蒸發和植物根系的吸水量較小，地下水在此期間結束時達到峰值。地下水位深度從1.8～2.9 m上升到0.5～2.0 m，其平均水深從2.1 m上升到0.9 m。在第二個時期P2，即5月到9月，對應于作物的生長季，該時期水面蒸發量較大，導致毛細管高度上升，地下水通過蒸發和作物根系吸收排出。由于流出量超過流入量(灌溉和降雨導致的補給量)，因此地下水出現了下降。地下水平均埋深從0.9 m增加到1.5 m。第三個時期P3是從10月初-11月初，該時期為所有農作物收貨期，該時期采用秋季洪水灌溉以瀝濾鹽分，通過土壤上層發生的凍結-融化過程改善土壤結構，并為隨后的春季作物生長提供適當的土壤水分。用于秋季灌溉的水量占總灌溉量的30%～35%，因此產生了大量的滲漏，該時期蒸發量較低。地下水迅速上升到今年的最高水平。在大多數地區，由于渠道系統的滲漏和灌溉田地的滲漏，其深度接近地表時小于0.8 m。在此期間，地下水位從平均深度1.5～0.5 m開始上升。第四個時期P4即11月初至3月中旬，相當于土壤凍結期。隨著溫度的降低，凍結層的厚度逐漸增加，地下水水深減少，地下水位平均深度從0.5 m降至2.1 m。在土壤中的相關實驗研究觀測表明，地下水的減少速率與凍結層的增加速率有關。2005年6月和2016年 9月的地下水空間分布結果表明：無論是年還是月，空間結構都表現出相似性。地下水流動模式顯示出從南到北的主要流動方向，分別幾乎垂直于和沿著南部和北部的主排水溝。地下水的水力梯度約為0.02%～0.03%，與地表的平均坡度大致相同。

圖1 2011-2014年研究區地下水位隨月降雨量和灌溉水深的變化

圖2 2000-2018年不同時期研究區5天平均地下水位的變化

2000-2018年年平均地下水深變化見圖3?？梢钥闯觯耗昶骄叵滤霈F了波動變化，沒有顯示出減少或增加的趨勢。2014年以后，其略有下降的趨勢，這可能與降水和灌溉的總投入減少有關，可能是由于灌溉水分配減少導致的。灌溉水和降水量與地下水的相關性分析表明：年平均地下水深隨灌溉水和降水的年總量呈線性變化，其決定系數R2為0.62，表明地下水的部分變化是由灌溉和降水(主要是灌溉)的變化造成的。說明灌溉水是地下水補給的主要來源。

圖3 2000-2018年期間年平均地下水位隨年降雨量及灌水量的變化

4.2 模型校準和驗證

采用地下水平衡模型計算了2011-2013年期間月平均地下水深度，其于觀測值一致性較好。其線性回歸產生了接近1.0的回歸斜率，確定系數較高，R2為0.89，表明本文建立的地下水平衡模型在校準期的模擬經度較高。本文采用2014-2016年非凍結期的月地下水數據對模型的驗證。其平均的RE、NSE和SEE值分別為8.6%、0.92和0.12 m，略低于觀測值。觀測值與模擬值的線性回歸也產生了接近1.0的斜率，并且確定系數高，R2=0.85。實測地下水位深度和模擬地下水位深度之間的總體一致性表明，校準參數得到了充分估計，該模型可用作進一步探索研究區地下水管理問題的工具。

5 結語

灌區地下水位的時空變化表現出明顯的季節性變化；在灌溉期間，地下水主要受灌溉水補給和地下水蒸發(由于毛細上升，植被根系吸收水分直接蒸發)的影響。蒸發是地下水在冰凍期降低的主要原因。在非凍結期，渠道滲漏和田間滲漏分別占地下水總補給量的51%和46%，占年地下水總補給量的48%和44%。地下水蒸發量占年總排放量的82%。過度的灌溉用水導致地下水位升高，在作物生長季節平均深度為1～1.45 m。