2003—2019年大連主要灌區地下水埋深變化及主因分析

梁中華

(遼寧省大連水文局，遼寧 大連 116023)

水資源主要由地表水資源和地下水資源組成，由于開采難度較低、且分布范圍較大，地下水對于區域水資源供需平衡影響較大[1]。我國水資源時空分布不均特點影響農業灌溉生產。近些年來，大連地區水資源短缺問題已經逐步成為制約區域社會經濟發展的一個重要因素[2]。大連地區水資源尤其是農業補給主要來源于區域的幾個大型灌區，各灌區水資源量補給占區域農灌總水資量的比例高達75%[3]。當前，對于大連地區灌區地下水埋深變化影響研究取得一定研究成果[4- 10]，各研究成果均表明大連地區主要灌區地下水埋深變化特征較為明顯，但對于其地下水埋深變化成因探討還較少，為此本文根據大連地區3個主要灌區2003—2019年地下水監測數據對灌區地下水埋深變化特征進行分析，并采用敏感度[11]和貢獻率分析方法[12]對影響主因進行分析，研究成果對于大連地區灌區節水改造規劃具有重要的參考意義。

1 灌區概況及分析方法

1.1 灌區概況

本文主要以大連地區的莊河、東風、紅旗3個主要灌區作為研究區域，其中莊河和東風2個灌區，分別位于莊河市和瓦房店市境內。灌區建設于1958—1975年，總土地面積2987km2，耕地面積8.225萬hm2。灌區設計灌溉總面積4.936萬hm2，有效灌溉面積3.258萬hm2。灌區主要供水水源為各大中型水庫，現有4座大(Ⅱ)型水庫、3座中型水庫、13座小(Ⅰ)型水庫、25座小(Ⅱ)型水庫、19座塘壩。總集水面積2148.5km2，總庫容7.96億m3，興利庫容4.57億m3，年調節水量4.89億m3。灌區渠道包括34條干渠、長度388.45km，437條支渠、總長度636.39km，1785座攔河閘、壩、渡槽等渠系建筑物。紅旗灌區工程于1973年10月建成。灌區南北長20km，橫跨吊橋河和余糧河2個流域，有5個鄉鎮受益。灌區包括渠道自流、沿河補水和庫區提水3部分。自流灌區包括1條總干渠、2條干渠。設計灌溉面積2900萬km2，養魚水面300萬km2。

1.2 研究方法

本文主要采用距平方式，根據大連地區3個主要灌區2003—2019年地下水監測數據對灌區地下水埋深變化波動特征進行分析，在變化特征分析的基礎上采用敏感度及相對貢獻率方法對其變化的主因進行探討。地下水埋深變化影響敏感度主要通過建立地下水埋深和其變化影響因素之間的關聯度進行計算，其計算方程為：

(1)

Y=b0+b1Q+b2P+b3G+b4ET+b5K

(2)

式中，Y—標準化處理后的地下水埋深；Q—標準化處理后的的灌區年徑流量;P—標準化處理后的的灌區年降水量；G—標準化處理后的農業灌溉水量；ET—標準化處理后的的灌區年蒸發量；K—標準化處理后地下水開采量。在各影響因子標準化處理成無量綱值后對其相對貢獻率進行計算，方程為：

(3)

式中，η—地下水埋深影響因子貢獻率相對值，%。

2 大連地區主要灌區地下水埋深變化特征

2.1 年內各灌區地下水埋深變化特征

根據大連地區3個主要灌區2003—2019年地下水監測數據對各灌區年內地下水埋深距平值進行統計，統計結果見表1。

表1 大連地區3個主要灌區地下水埋深年內距平統計值 單位：m

由大連地區3個主要灌區地下水埋深年內距平統計值可看出，各灌區地下水埋深均在3月距平最低，處于最低值，從3月開始各灌區地下水埋深距平值增加，地下水埋深逐步遞增；從7月開始到第二年的2月大連地區3個主要灌區地下水埋深逐步下降，地下水埋深距平值降低；5—10月各灌區由于農業灌溉用水需求，其地下水埋深高于區域多年地下水埋深的均值。通過統計分析大連地區3個主要灌區2003—2019年地下水監測數據可知，東風灌區地下水埋深遞減速率要高于其他2個灌區，年地下水埋深下降的幅度為0.17m/a，莊河灌區和紅旗灌區的地下水埋深下降幅度分別為0.15和0.084m/a，紅旗灌區地下水埋深下降幅度最為緩慢。東風灌區由于區域植被覆蓋度較大且位于碧流河下游補給量相對較少，因此地下水埋深變幅最大，而其余2個灌區由于位于流域上游地下水補給量均要高于東風灌區，因此地下水埋深變幅相對緩慢。

2.2 農作物不同生長時期各灌區地下水埋深變化特征

考慮灌區主要為農業灌溉，因此對區域農作物不同生長季節的地下水埋深變化特征進行分析，各灌區不同農作物生長時期的地下水埋深距平統計值見表2。

表2 大連地區3個主要灌區農作物不同生長時期地下水埋深距平統計值 單位：m

大連地區農作物生長季主要集中在5—10月，其他月份為農作物非生長季節，從各灌區農作物不同生長季節的地下水埋深距平值可看出，生長季各灌區地下水埋深距平值相對較高，而非生長季節由于農灌水量減少，其地下水埋深值增加，從而降低了其地下水埋深距平值。從各灌區不同生長季地下水埋深變化可看出，紅旗灌區在農作物生長季及非生長季地下水埋深距平值變幅較小，表明該灌區農灌水量并不完全依靠區域地下水灌溉，東風灌區不同時期地下水埋深距平值要高于其他2個灌區，這主要是因為東風灌區農灌水主要依靠區域地下水所致。

3 大連地區主要灌區地下水埋深變化原因分析

3.1 影響敏感度分析

結合前面所述的地下水埋深影響因子敏感度計算方法，對東風灌區、莊河灌區及紅旗灌區地下水埋深影響因子的敏感度進行計算，結果見表3。

表3 大連地區3個主要灌區地下水埋深變化影響因子敏感度分析結果

從各因子敏感度分析可看出，對于3個灌區而言，年蒸發量對各灌區地下水埋深影響敏感度最高，且明顯高于其他幾個影響因子，其次為地下水開采量，年徑流量和農業灌溉水量對各灌區地下水埋深影響為負值，敏感度較低。大連地區蒸發量和區域氣候緊密相關，區域多年蒸發量超過1600mm，而年降水量多年均值低于1000mm，從水量平衡角度出發，相比于降水條件蒸發對于大連地區3個灌區地下水埋深影響最大。

3.2 主因貢獻率相對值分析

根據區域地下水埋深變化6個影響因子，對大連地區3個主要灌區的地下水影響因子的貢獻率相對值進行分析，結果見表4。

表4 大連地區3個主要灌區地下水埋深變化影響因子貢獻率相對值分析結果 單位：%

從各灌區地下水埋深變化影響因子貢獻率相對值分析結果可看出，東風灌區農業灌溉水量對于其地下水埋深變化貢獻率最高為32.33%，其次為地下水開采量，莊河灌區地下水開采量對其地下水埋深影響貢獻率最大為35.06%，年降水貢獻率最低為5.72%。紅旗灌區地下水開采量對其地下水埋深影響貢獻率最大為41.07%，其次為農業灌溉水量為28.31%。總體而言各灌區地下水埋深受降水影響的貢獻率均低于10%，受降水影響度較低。

3.3 灌區渠井用水比例分析

為對各灌區地下水用水效率進行分析，結合各渠井2003—2019年數據對各灌區地下水渠井用水比例進行分析，結果見表5。

表5 大連地區3個主要灌區地下水渠井用水比例分析結果 單位：%

從各年份3個灌區地下水地下水渠井用水比例分析結果可看出，莊河灌區和紅旗灌區用水比例轉折點在2005年，用水比例呈現較為顯著遞減，通過調查分析這主要是因為莊河灌區和紅旗灌區從2005年開始加大了地下水取水量進行農業灌溉，雖然一些節水措施在灌區取水得到應用后，其渠井用水比例有所增加，但總體還是小于2005年。東風灌區從2011年以后其渠井用水比例逐年遞增，這主要是因為東風灌區近些年來加大了灌區節水綜合改造，提高了取水效率。

4 主要結論

(1)東風灌區地下水埋深遞減速率要高于其他2個灌區，其年地下水埋深下降的幅度為0.17m/a，莊河灌區和紅旗灌區的地下水埋深下降幅度分別為0.15和0.084m/a，紅旗灌區地下水埋深下降幅度最為緩慢。

(2)對于東風、莊河、紅旗灌區而言，年蒸發量對于各灌區地下水埋深影響敏感度最高，且明顯高于其他幾個影響因子，其次為地下水開采量，年徑流量和農業灌溉水量對各灌區地下水埋深影響為負值，敏感度較低。

(3)莊河灌區和紅旗灌區用水比例轉折點在2005年，用水比例呈現較為顯著遞減，其主要是因為莊河灌區和紅旗灌區從2005年開始加大了地下水取水量進行農業灌溉。