李 瑛，郭效丁，魏永強(qiáng)，宋 瑋

(1.陜西省渭南市洛惠渠管理局，陜西 渭南 715100;2.武警工程大學(xué)軍事經(jīng)濟(jì)系，陜西 西安 710086;3.山東省水利勘測設(shè)計(jì)院，山東 濟(jì)南 250013)

洛惠渠灌區(qū)地下水電導(dǎo)率特征分析

李 瑛1，郭效丁2，魏永強(qiáng)1，宋 瑋3

(1.陜西省渭南市洛惠渠管理局，陜西 渭南 715100;2.武警工程大學(xué)軍事經(jīng)濟(jì)系，陜西 西安 710086;3.山東省水利勘測設(shè)計(jì)院，山東 濟(jì)南 250013)

分析灌區(qū)上層含水層的電導(dǎo)率分布特征，發(fā)現(xiàn)灌區(qū)高鹽區(qū)和中鹽區(qū)大部分分布在灌區(qū)中部和北部45#附近，水位均低于5 m的地區(qū)。但個(gè)別井點(diǎn)水位埋深很大，電導(dǎo)率很高，其地下水鹽化并不是由于水位過高引起的。利用76#連續(xù)監(jiān)測資料采用小波方法分析其水位與電導(dǎo)率的關(guān)系，得出水位變化與電導(dǎo)率相反的結(jié)論，為確定其變化機(jī)理，監(jiān)測不同深度下的電導(dǎo)率值，結(jié)果得出灌區(qū)地面以下富集有大量的可溶性鹽類，推斷灌區(qū)地下水分層廣泛存在于灌區(qū)。依據(jù)地下水分層現(xiàn)象和上層含水層電導(dǎo)率分布狀況，為灌區(qū)地下水鹽堿化過程研究和井渠聯(lián)合灌溉提供科學(xué)依據(jù)。

洛惠渠;地下水位;電導(dǎo)率;Morlet小波

耕地是國家穩(wěn)定和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，也是人類賴以生存和發(fā)展的生命線。因此，耕地資源在自然資源中占有非常重要的地位。我國西北干早地區(qū)，由于干早少雨，水資源匾乏，生態(tài)環(huán)境極為脆弱，以及不合理的農(nóng)業(yè)灌溉方式，使得土壤大面積發(fā)生鹽堿化或次生鹽堿化。而洛惠渠灌區(qū)自從上世紀(jì)五六十年代以來，一直采用大水漫灌的方式進(jìn)行灌溉，灌溉水有效利用率低［1］，灌區(qū)鹽堿地面積迅速增加。通過最近幾十年大規(guī)模的治理(修建排水設(shè)施)，灌區(qū)地下水位大幅度下降，鹽堿化得到有效防治，使灌區(qū)的生產(chǎn)得到有效恢復(fù)和提高。但在最近幾年中，灌排設(shè)施老化破損嚴(yán)重，部分地區(qū)的鹽堿化重現(xiàn)。近幾年來，研究人員從不同角度對灌區(qū)地下水運(yùn)動特征［2－3］、土壤剖面鹽分分布［4］等進(jìn)行了研究，為灌區(qū)地下水鹽堿化過程研究和調(diào)控技術(shù)提供了科學(xué)依據(jù)。本文從揭示灌區(qū)地下水鹽特性出發(fā)，依據(jù)實(shí)地采集到的數(shù)據(jù)深入研究了地下水鹽動態(tài)特征，對分析整個(gè)灌區(qū)水鹽運(yùn)移及土壤鹽化進(jìn)程有重要的作用，為灌區(qū)地下水鹽堿化過程研究和調(diào)控技術(shù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 灌區(qū)概況

洛惠渠灌區(qū)位于陜西關(guān)中平原東部渭洛河階地，屬渭南市大荔縣，東接黃河灘，西至鹵泊灘鐘家寨，北臨韋莊、蒲城二塬，南隔洛河，面積約320 km2。灌區(qū)屬溫帶大陸性半干旱氣候區(qū)，年平均降雨量為484 mm，年平均蒸發(fā)量1 690 mm。灌區(qū)地下水補(bǔ)給來源主要是降雨和引水灌溉，其次是塬區(qū)潛水和微承壓水。受地形變化影響，整個(gè)灌區(qū)地下水流向與地面坡度基本一致，自西北向東南，出露于河谷，最終匯入鹽湖或流入黃河灘。灌區(qū)灌溉系統(tǒng)在原漢朝龍首渠基礎(chǔ)上興建，從北洛河狀頭引水，沿洛河?xùn)|岸，穿山越溝至義井分水閘，沿三條干渠東、中、西進(jìn)行灌溉。同時(shí)灌區(qū)為了解灌水前后和用水期間的地下水位變化情況，1951年開始陸續(xù)設(shè)置觀測井，目前可利用井點(diǎn)有60眼。灌區(qū)灌渠和觀測井點(diǎn)的分布情況如圖1。灌區(qū)從開灌以來，到上世紀(jì)八十年代末，作物以小麥、玉米和棉花為主，三者的面積之和占總種植面積的85%以上;上世紀(jì)九十年代以后，灌區(qū)的作物種植結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化，小麥，玉米等糧食作物種植面積逐漸減小，棉花和果樹的種植面積不斷增大。

圖1 灌區(qū)灌渠和觀測井分布圖

1.2 研究方法與內(nèi)容

根據(jù)60個(gè)觀測井觀測數(shù)據(jù)來分析地下水水鹽分布特征，水樣取至水面下2 m處，測量其水位、水溫、電導(dǎo)率、pH值。同時(shí)根據(jù)灌區(qū)各個(gè)觀測井的水鹽特征，課題組選定102#，45#，76#井等作為長期定位觀測井。2007年，在 76#井設(shè)置地下水位自動記錄儀 CTD－Diver進(jìn)行自動觀測。對地下水埋深、電導(dǎo)率、溫度指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，時(shí)間間隔為天。根據(jù)76#自動監(jiān)測資料，結(jié)合相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)的日降雨量，采用Morlet小波［5－13］分析觀測井地下水位及其與電導(dǎo)率周期變化規(guī)律。根據(jù)各自周期變化規(guī)律，對兩者在同一尺度下演變趨勢進(jìn)行對比分析。在垂直方向上，分析45#，34#電導(dǎo)率隨深度的變化。

2 結(jié)果分析

2.1 灌區(qū)地下水電導(dǎo)率分布特征

根據(jù)60個(gè)井點(diǎn)觀測資料，繪制了灌區(qū)電導(dǎo)率等值線圖，見圖2。按電導(dǎo)率值大小將灌區(qū)地下水分為高鹽區(qū)(8 ds/m＜EC)、中鹽區(qū)(4 ds/m ＜EC≤8 ds/m)、低鹽區(qū)(EC≤4 ds/m)。高鹽區(qū)占所測樣點(diǎn)數(shù)的8%，主要位于灌區(qū)中部鹽湖附近102#、70#和灌區(qū)北部45#和76#點(diǎn)。灌區(qū)淋溶下的鹽分通過排水系統(tǒng)匯集到鹽湖，加之強(qiáng)烈的蒸發(fā)，使得這鹽湖地區(qū)地下水電導(dǎo)率偏高，最大值達(dá)20.2 ds/m。45#位于第二階地后緣凹槽內(nèi)。三階地的灌溉排水大量向這里匯集，地下水位常年保持在1 m左右，電導(dǎo)率值為16.6 ds/m。76#位于灌區(qū)東北部灌渠旁，水位雖然在9.89 m，電導(dǎo)率很高，為9.04 ds/m。類似76#水位埋深很大，電導(dǎo)率很高的井點(diǎn)還包括大荔縣城東南方向 41#，水位 10.97 m，電導(dǎo)率 7.54 ds/m。

圖2 灌區(qū)地下水電導(dǎo)率值分布

中鹽區(qū)占所測樣點(diǎn)數(shù)的20%，主要位于灌區(qū)中部及中西部地區(qū)，包括 33#、34#、37#、38#和 39#。這些井點(diǎn)大多位于中干渠、排干溝和一分渠的交叉位置，渠水滲漏嚴(yán)重，雖然該地區(qū)坡度較大，水位依然很高，平均水位為4.3 m。平均電導(dǎo)率值為5.84。低鹽區(qū)占所測樣點(diǎn)數(shù)的72%，主要分布在灌區(qū)周邊地區(qū)，南部洛河左岸、東干渠(除45#附近地區(qū))、黃河灘地和西干渠附近地區(qū)。這些地區(qū)受洛河和灌區(qū)下滲補(bǔ)給，水質(zhì)較好。

根據(jù)以上分析，灌區(qū)高鹽區(qū)和中鹽區(qū)主要分布在灌區(qū)中部和北部45#附近，這些地區(qū)共同點(diǎn)就是水位較淺，水位都在5 m以內(nèi)。根據(jù)張霞的分析結(jié)果［14］，灌區(qū)的地下水臨界埋深為5 m。因此，灌區(qū)應(yīng)做好這些地區(qū)排水工作，控制地下水水位。另外灌區(qū)存在個(gè)別井點(diǎn)，如76#、41#，其地下水鹽化不是由于水位過高造成的。

2.2 灌區(qū)76#水位電導(dǎo)率小波分析

圖3 電導(dǎo)率、水位和降雨量隨時(shí)間變化

圖3為灌區(qū)2007年1月至9月降雨量與76#水位和電導(dǎo)率隨時(shí)間變化圖。根據(jù)資料分析，水位變化總的趨勢是上升的，在3月份之前，增長相對較慢，在3月—8月份之間，水位迅速上升，8月份以后，水位達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)。分析原因，76#附近主要種植作物為棗樹，由渠水和井水聯(lián)合灌溉，灌溉時(shí)間為12—1月，3—4月，6—8月，灌區(qū) 2007年降雨主要集中在3月和5—9月。因此3月之前，水位較慢增長是由于上年12月份冬灌補(bǔ)給。之后進(jìn)入春灌、夏灌階段，灌區(qū)受灌溉和雨季的影響，水位總的呈上升趨勢。進(jìn)入8月份，隨著夏灌結(jié)束，水位也達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。電導(dǎo)率變化穩(wěn)定，在均值7.80 ds/m附近波動，變化范圍基本在6.95～8.73 ds/m之間。

圖4 電導(dǎo)率小波變換

圖4是2007年1月1日到9月27日電導(dǎo)率距平變換的Morlet小波變換。圖中信號的強(qiáng)弱通過小波系數(shù)的大小來表示，等值線顏色越淺，小波系數(shù)值越高，電導(dǎo)率越大。相反，等值線顏色越深，小波系數(shù)值越低，電導(dǎo)率越低。圖中可以看出，在尺度160 d上，周期震蕩較為明顯，電導(dǎo)率值由低到高再到低，在未來一段時(shí)間內(nèi)仍處于較低值。在尺度60 d上，前期周期變化明顯，在第200 d后電導(dǎo)率變化相對平緩，處于上升趨勢。可能后期降雨量逐漸增多，補(bǔ)給地下水，使其規(guī)律變化不明顯。根據(jù)計(jì)算出的小波系數(shù)求出相應(yīng)尺度的小波方差，計(jì)算結(jié)果有4個(gè)峰值，分別相對應(yīng)的時(shí)間尺度為15，24，63，150 d。圖5水位小波變換的等值線圖。圖中可以看出，最明顯的震動周期為110，44 d。小波方差有3個(gè)峰值，分別相對應(yīng)的時(shí)間尺度為17，44，110 d。

根據(jù)以上分析，電導(dǎo)率變化的主要周期為15，24，63，150 d，水位變化的主要周期為17，44，110 d。在小尺度上，電導(dǎo)率和水位的周期基本相同。在大尺度上，電導(dǎo)率的周期基本為水位周期的一半。因此，本文選擇水位的周期17，44，110 d三個(gè)尺度上分析電導(dǎo)率與水位變化關(guān)系，見圖6。

圖5 水位小波變換

圖6 不同時(shí)間尺度水位和電導(dǎo)率的變化趨勢

通過圖6可以看出，在17 d的尺度上，水位和電導(dǎo)率周期基本相同，但是水位波動較平緩，電導(dǎo)率的振動比較劇烈。且主要發(fā)生在前20 d，70～100 d，150～180 d，正好與灌溉時(shí)間12—1月，3—4月，6—8月相一致。在大的時(shí)間尺度上，76#井水位和電導(dǎo)率有較好的對應(yīng)關(guān)系，水位和電導(dǎo)率變化波形基本相似，演變相位差180°。在44 d的尺度上，水位的變化幅度依然小于電導(dǎo)率，但可以看出，水位變化趨勢與電導(dǎo)率相反。在110 d的尺度上，水位變化幅度與電導(dǎo)率基本一致，且水位與電導(dǎo)率變化趨勢相反?？傊谳^大尺度上，水位和電導(dǎo)率表現(xiàn)出明顯的逆相位，水位降低時(shí)，電導(dǎo)率值升高;水位升高時(shí)，電導(dǎo)率降低。根據(jù)41#從2005年至2010年12次的監(jiān)測數(shù)據(jù)，電導(dǎo)率變化趨勢與76#相同，隨著水位降低而增大。

2.3 電導(dǎo)率值隨深度變化

為了進(jìn)一步分析灌區(qū)電導(dǎo)率在水位以下隨深度的變化，本文選取灌區(qū)水深較深的兩個(gè)井點(diǎn)進(jìn)行分析，其中45#水深約30 m、34#水深約20 m。每隔2 m采樣，測量其電導(dǎo)率值，如圖7，圖8。從圖中可以看出，兩個(gè)井點(diǎn)電導(dǎo)率值某一深度內(nèi)都很穩(wěn)定。45#電導(dǎo)率在水深368～358 m間穩(wěn)定在16.3 ds/m。34#電導(dǎo)率在水深350～340 m的10 m內(nèi)一直維持在6.9 ds/m。但是在接著的4 m內(nèi)，電導(dǎo)率值都有大的突變。45#電導(dǎo)率值由358～354 m內(nèi)電導(dǎo)率值增加到17.0 ds/m，同樣34#在340～336 m內(nèi)電導(dǎo)率值增加到 19.7 ds/m。之后，電導(dǎo)率值隨水深增加變化較小。45#電導(dǎo)率值穩(wěn)定在17.0 ds/m，34#電導(dǎo)率值穩(wěn)定在 19.5 ds/m。

圖7 45#電導(dǎo)率值隨深度的變化

從以上分析可以看出，這兩個(gè)井點(diǎn)的地下水都存在分層，上層相對淡水層、過渡層、相對鹽水層。根據(jù)《洛惠渠志》記載，灌區(qū)地面以下的古湖沉積物中富集了大量的可溶鹽類。在水循環(huán)作用下，古湖沉積物中富集的可溶鹽上升，致使?jié)撍V化度偏高。推斷灌區(qū)地下水分層是古湖沉積物的可溶鹽上升造成的。根據(jù)05年至今的觀測，鹽湖水位基本保持在338 m附近，與34#過渡層在同一高度，鹽湖的電導(dǎo)率值21.0 ds/m，與34#相對鹽水層相近，認(rèn)為灌區(qū)鹽湖與地下水相對鹽水層相連通。根據(jù)小波分析結(jié)果，76#井電導(dǎo)率變化與水位變化情況相反，水位下降電導(dǎo)率回升，而水位上升，電導(dǎo)率下降?？赡?6#井的水位正好位于過渡層，水位稍有變化，電導(dǎo)率在相對淡水層和相對鹽水層之間波動。

圖8 34#電導(dǎo)率值隨深度的變化

灌區(qū)灌溉主要由井渠聯(lián)合灌溉，特別南部地區(qū)，降水量少的年份，渠水覆蓋不到灌渠下游，農(nóng)戶便就近以井水灌溉，渠道逐漸廢棄。從90年代開始，灌區(qū)水位逐年下降［15］，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，目前灌區(qū)埋深大于15 m占監(jiān)測井點(diǎn)25%，主要位于灌區(qū)東部和南地區(qū)，最大為104#，埋深27 m。灌區(qū)東部和南部受到黃河和洛河的補(bǔ)給，上層淡水層水質(zhì)較好。但是如果過度開采灌區(qū)地下水，不能及時(shí)得到淡水補(bǔ)給，必將導(dǎo)致地下水下層鹽水層出露，水質(zhì)迅速鹽化。尤其是灌區(qū)76#和41#，根據(jù)其電導(dǎo)率隨水位的變化情況，說明水位可能已經(jīng)位于過渡層中，應(yīng)加強(qiáng)注意。因此，灌區(qū)應(yīng)及時(shí)修繕灌區(qū)南部廢棄的渠道，以渠灌為主，做好井渠聯(lián)合灌溉的調(diào)控工作。

3 結(jié)論

(1)對灌區(qū)上層含水層(水樣來自于水面下2 m，故認(rèn)為其為上層淡水層)的電導(dǎo)率分布特征分析結(jié)果表明，灌區(qū)高鹽區(qū)和中鹽區(qū)大部分分布在灌區(qū)中部和北部45#附近，水位均低于5 m的地區(qū)。

(2)采用小波方法分析了觀測井水位與電導(dǎo)率的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)水位變化與電導(dǎo)率相反，觀測井水位不同深度下的電導(dǎo)率值存在分層現(xiàn)象。這可能是76#和41#水位變化與電導(dǎo)率相反的主要原因。

因此，灌區(qū)在井渠聯(lián)合灌溉時(shí)，針對灌區(qū)不同地區(qū)的地下水鹽化特征，采用不同灌溉方式或地下水位控制措施。在灌區(qū)北部45#附近和灌區(qū)中部鹽湖附近，調(diào)整地表水和地下水的灌水量，加強(qiáng)排水措施，通過控制地下水位，減少土壤和潛水蒸發(fā)，保持耕地鹽分平衡，防止返鹽［16］。在灌區(qū)南部和東部地區(qū)，地下水埋深較深，為防止過度開采地下水，使水位低于過渡層，相對鹽水層出露，造成水質(zhì)鹽化，應(yīng)加強(qiáng)井渠聯(lián)合灌溉，修繕渠道，豐水年盡量使用渠水灌溉，補(bǔ)給地下水，而在枯水年，適當(dāng)使用地下水。注意地下水采補(bǔ)平衡，嚴(yán)格控制地下水的超采。

［1］洛惠渠志編纂委員會.洛惠渠志［M］.西安:陜西人民出版社.1995.

［2］杜中，李占斌，李鵬，等.穩(wěn)定同位素示蹤洛惠渠灌區(qū)水鹽運(yùn)動研究［J］.人民黃河.2009，31(2):63－65.

［3］張霞，李占斌，李鵬.洛惠渠灌區(qū)地下水動態(tài)變化規(guī)律研究［J］.西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版.2007，35(8):223－226.

［4］杜中，劉海波，李占斌，等.洛惠渠灌區(qū)土壤剖面鹽分分布規(guī)律研究［C］//中國水利學(xué)會.中國水利學(xué)會 2008學(xué)術(shù)年會論文集(上冊).北京:水利水電出版社.2008:485－490.

［5］邵曉梅，許月卿，嚴(yán)昌榮.黃河流域降水序列變化的小波分析［J］.北京大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版.2006，1(1):1 －7.

［6］王文圣，丁晶，向紅蓮.小波分析在水文學(xué)中的應(yīng)用研究及展望［J］.水科學(xué)進(jìn)展.2002，13(4):515 －520.

［7］倪林，張國棟，周良超，等.武漢近60年冬季氣溫和夏季降雨量變化的小波分析［J］.三峽大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版.2009，31(3):83－88.

［8］鄧自旺，尤衛(wèi)紅，林振山.小波變換在全球氣候多時(shí)間尺度變化分析中的應(yīng)用［J］.南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào).1997，20(10):505－510.

［9］胡增臻，石偉.子波變換在大氣科學(xué)中的應(yīng)用研究［J］.大氣科學(xué).1997，21(1):58 －72.

［10］秦前清，石偉.實(shí)用小波分析［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社.1993.

［11］葛哲學(xué)，沙威.小波分析理論與 MATLAB R2007實(shí)現(xiàn)［M］.北京:電子工業(yè)出版社.2007.

［12］覃軍，張錄軍，胡江林.武漢近百年來氣溫變化的多時(shí)間尺度分析［J］.氣象科學(xué).2001，21(2):206－219.

［13］劉德，李永華，何卷雄.重慶市夏季氣溫及降雨變化的小波分析［J］.高原氣象.2003，22(2):173 －178.

［14］張霞.渠灌區(qū)地下水鹽動態(tài)變化規(guī)律研究［D］.西安:西安理工大學(xué).2007:37－38.

［15］劉海波，杜中，李占斌，等.洛惠渠灌區(qū)地下水30年變化規(guī)律研究［J］.灌溉排水學(xué)報(bào).2008，27(6)31－32.

［16］張蔚榛，張瑜芳.對灌區(qū)水鹽平衡和控制土壤鹽漬化的一些認(rèn)識［J］.中國農(nóng)村水利水電.2003，8:13－18.

S273.4

B

1004－1184(2012)05－0064－04

2012－05－25

李瑛(1972－)，女，陜西大荔人，工程師，主要從事灌溉管理工作。