引黃灌區水文變化規律分析
——以德州市平原縣為例

由樹春，迮曉娜

（1.煙臺市水文中心，山東 煙臺 264000；2.龍口市水庫管理中心，山東 煙臺 265700）

近年來有關農業灌溉與區域水資源適應性的研究較多，國內學者的研究著重于西北、華北地區，缺乏對東部地區的綜合研究。本文以山東省德州市平原縣為研究區，該縣為國家大型糧棉生產基地、京津蔬菜園，做好該地區的農業灌溉工作對于整個華北地區的農作物產品供給具有重要意義。通過大量文獻資料分析平原縣水文變化規律，利用ArcGIS 做地下水位空間變異分析，針對地下水位的空間分布情況選用合理的灌溉方式，對該縣降雨蒸發資料進行分析，比較蒸降差與地下水位的關聯性。結合蒸降差與地下水位關系分析預測該地區地下水位動態變化以及水量排補均衡狀況。積極推廣實施井渠雙灌工程，做到合理、科學用水，實現節水減耗增效和農業增收。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

平原縣位于山東省西北部、德州市中部，地跨東經116°10′35″至116°41′，北緯36°57′40″至37°23′16″，土地總面積1047km2，縣區內主要水網包括馬頰河、德惠新河、洪溝河、平武河、引黃干渠等。涵蓋180 個農村社區，46 萬人，85 萬畝耕地。平原縣處于暖溫帶，受季風影響，屬大陸性半濕潤季風氣候；春旱少雨多風，夏熱雨量集中，秋雨少而易旱，冬寒少雪晴燥，四季特征分明；該縣多年平均氣溫12.7℃，多年平均無霜期是190 天。

1.2 數據來源與研究方法

根據德州市水利局及平原縣水務局對該縣水文變化的常年監測數據進行篩選。地下水位資料選取平原縣內13 處典型測井，所選測井的地理位置和所處水網覆蓋了平原縣區的所有范圍，具有較強的代表性。

1.3 數據分析與處理

利用SPSS17.0 統計分析軟件對數據進行統計分析，結合空間變異理論，利用ArcGIS10.0 中的統計模塊（GeostatisticalAnalyst）對數據進行空間克里格插值（OrdinaryKriging）分析，追蹤其地下水位等值線分布，構建其地下水位的空間變異分布圖。普通克里格法的公式可表示為：

式中，Z*(x0)為估計值；Z(xi)為第i 個樣本的觀測值；λi為權重值；為保證插值結果的無偏性，權重之和為1。

2 結果與分析

2.1 近十年水位走勢分析

對2000—2009 年每年的13 處測井水位求平均值，得到該年全縣的平均水位。并根據10 年的平均水位做趨勢分析，了解近十年的平均水位走勢，如圖1 所示。

圖1 平均水位變化趨勢圖

由圖1 可看出在2002 年平原縣水位達到了最低值18.17m，在2004 年水位達到了最高值19.29m；其余年份水位圍繞著十年的平均水位18.68m 上下波動，處于一個動態平衡過程。年際水位大幅度變化歸因于該年的降雨、蒸發等因素，這一推測在平原縣降雨蒸發分析中得以驗證。

2.2 典型年份地下水位空間變異分析

選取2002 年（最低值）、2004 年（最高值）、2007 年（最接近平均值）各測井的水位利用ArcGIS做克里格內插分析，研究其水位變化特點。

由圖2 可看出，研究區地下水位在年際間差異較大。在圖2（a）中可見2002 年大部分區域處于低水位狀態，大區域面積的水位在18.50～19.38m 之間，可推測其該年降水總量偏低。另外，在王鳳樓鎮仇安石村24A 號測井附近出現了水位最低值，僅為14.72m，而出現在王打卦鄉大辛村31 號測井附近的最高水位為21.11m。

圖2 平原縣典型年份地下水位等值線圖

由圖2（b）可見平原縣在2004 年平均水位及高水位覆蓋面積較廣，大區域水位在19m 以上，推測是由于該年降水總量較高造成的。最高水位點出現在王打卦鄉大辛村31 號測井附近為23.95m，最低水位出現在恩城鎮趙莊村的141 號測井處為15.24m，但低水位區域覆蓋面積極小，推測盡管2004 年總降水量較豐富，但在該測井附近工農業用水量較大。

在圖2（c）中，研究區水位在區域分布上各級水位分布較均衡。2007 年平均水位是18.65m，與平原縣10 年的平均水位相接近。該年最低水位仍舊出現在恩城鎮邊界處的141 號測井處，可推測自2002年后，恩城鎮趙莊村141 號測井附近可能由于農業灌溉或是其他工農業生產存在地下水不合理開采的情況，使得該測井附近地下水位持續偏低，因此斷定該地區已經不適合采用井灌的方式。最高水位點依然在王打卦鄉大辛村31 號測井附近，為22.86m。利用ArcGIS 中的距離測算功能得到兩地距離為4810m 而兩地年均水位差為6.41m，可在大辛村繼續打井灌溉，或在兩地間修建輸水渠道對恩城鎮趙莊村進行渠灌。

2.3 研究區年際地下水位變化分析

對選取的13 處測井地下水位數據進行研究，運用SPSS 對其在2000—2009 年間的地下水位進行統計分析，得到各測井地下水位特征參數，如表1 所示。

表1 2000—2009 年研究區地下水位特征參數表

分析表1 數據，13 處測井的地下水位存在明顯差異性；10 年中每處測井的變幅差異較大，最高變幅是趙莊村，變化范圍為6.49m；最低變幅是小李寨村，僅為1.56m。偏度表示概率分布密度曲線相對于均值不對稱程度的特征指數。此標準正態分布偏度為0，偏度值表明地下水位無規律的分布在平均值的兩側，各處水位的不對稱分布主要與降雨、蒸發、灌溉等因素有關。標準差體現了地下水位的離散程度，由表中數據可見隋莊村、唐樓村、尹屯村附近地下水位波動較小，仇安石村、大辛村、趙莊村等地地下水位波動較大，地下水位的波動與各處測井的地理位置和灌溉方式有一定關系。根據上述分析，對于水位較高且波動較小的地區可在農業灌溉期間采用井灌方式；針對水位較低的趙莊村、仇安石村等地區應采用渠灌方式，并對當地不合理的用水方式加以整治。

2.4 研究區年內地下水位時間變異分析

為了研究地下水位在各個季節之間的差異，進行地下水年內變化特點分析，特別是研究在農業灌溉用水季節，應用何種灌溉方式，以達到最優的地下水利用模式。在研究中發現該縣地下水位變化受季節性變化影響較大，水位變化原因如下：1 月份研究區屬于冬季冰封期，降水少，地下水位主要受蒸發、工業以及生活用水的影響；2 月中下旬開始天氣回暖、冰雪融化、河流解凍、地表水補給地下水，造成地下水位略微升高；從3 月下旬開始農作物需水量加大，而此階段降雨量少，灌溉水主要來源于地下水，從而導致地下水位持續下降；冬小麥收割后迎來大豆、蔬菜等作物的種植使得地下水位顯著降低；直到7 月份進入雨季，地下水位具有回升趨勢，但由于該地區此時段為酷暑季節，加速蒸發，使得地下水位不能得到快速的補給，此時段的農業灌溉方式轉變為河流灌溉與降雨灌溉，同時大量的地表水入滲補給地下水，使得地下水位繼續回升；11 月份北方降雨基本結束，此時段影響地下水位的主要因素為蒸發量，導致地下水位從11 月到次年2 月份的緩慢下降。

2.5 平原縣降雨蒸發分析

水位變化的原因是地下水系統對內外作用力的一種響應，地下水均衡的主要影響因素包括：降雨量、蒸發量、地表水滲透補給量、其他含水層的滲透補給量、地下水溢出量等。降水的持續效應對觀測井的水位、流量等也有一定的影響，水位變化是多種影響因素綜合作用的結果。在這些影響因素中降水與蒸發對水位動態的影響最為顯著。

降雨蒸發資料選取篤馬河平原站水文觀測站的數據，如表2 所示。

表2 平原縣降雨蒸發數據統計表

蒸降差指某一地區在一定時間內，蒸發量與降水量的差值。研究蒸降差的時空分異，在地理環境上，對探討氣候環境變化條件下的水資源循環具有重要意義；在農業生產上，蒸降差是制定農作物灌溉計劃的重要依據。分析蒸降差與地下水位間的關聯性，可為水資源的高效利用提供參考依據。

由表2 可以看出蒸降差在研究年際內變化顯著。蒸降差越大說明該年份的水資源消耗越大，地下水位隨之降低；反之亦然。可見在2002 年蒸降差最大時產生了10 年內的最低水位，這一現象符合上述規律；在2003 年蒸降差達到最小，但并沒有產生10年內的最高水位，說明該年地下水動態均衡受其他因素的影響，如地下水溢出、人工開采地下水等；在2004 年由于降雨量較豐沛，雖然蒸降差較大但仍然產生了10 年內最高水位，說明該年地下水位均衡受到持續降雨的影響或地表徑流入滲的補給。以上分析說明研究區內蒸降差與地下水位的關聯性較強，但不能完全控制地下水位的高低，其他因素如地表徑流入滲、地下水開采、相鄰流域排補量均對地下水位存在一定的影響。

3 結論

結合GIS 技術與統計學原理，對平原縣10 年地下水位進行空間變異分析與年內的時間變異分析，針對地下水位的時空變化提出在某一時期、某一區域到底該應用何種灌溉方式。本文的主要研究成果如下：

（1）根據研究區近十年地下水位走勢分析，地下水位圍繞十年水位均值18.66m 上下波動，呈現出動態平衡的狀態。（2）在對研究區典型年份的地下水位插值分析中得到，年內水位空間變異性較強，針對恩城鎮趙莊村等低水位區域，農業灌溉應渠灌方式取代井灌方式,針對王打卦鄉大辛村等高水位區域可在其附近采用井灌方式，以防止土地次生鹽堿化。（3）根據2000—2009 年研究區地下水位特征參數，各處測井的水位差異較大，變幅差異較大，地下水位無規律的分布在平均值的兩側，水位波動較大。（4）由年內地下水位時間變異分析，研究區地下水位變化受季節性影響較大，應針對不同季節選取合理的灌溉方式，合理配置地下水。（5）研究降雨蒸發量時，發現蒸降差與該地區地下水位變化的關聯性較強，但不能完全控制地下水位的變化。

分析地下水位應從多因素入手，積極開展井渠雙灌工程，對不合理的灌溉模式及地下水使用方式予以糾正和改善，為農業灌溉方面提出理論依據，給予灌溉管理人員和農民指導性意見，從而實現合理、科學用水，節水減耗增效和農業增收