彭培藝，王璐瑤，何 彬，楊金忠，于 健，朱 焱(.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 43007；.內(nèi)蒙古水利科學(xué)研究院，)

0 引 言

內(nèi)蒙古河套灌區(qū)是我國最大的一首制引水灌區(qū)[1]，地勢平坦，灌域廣闊，土地肥沃，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力很大。受歷史原因和經(jīng)濟(jì)條件制約，河套灌區(qū)灌溉粗放，導(dǎo)致灌區(qū)地下水位較高，潛水蒸發(fā)強(qiáng)烈，耕地次生鹽漬化問題十分嚴(yán)重。而在國家嚴(yán)格控制引黃水量的形勢下，灌區(qū)的灌溉用水供需矛盾也日益突出。采用地表水和地下水聯(lián)合利用的方式，可提高水資源利用率，并對地下水位進(jìn)行調(diào)控，是解決灌區(qū)水資源短缺和控制土壤鹽堿化的有利途徑[2]。

制定優(yōu)化的井渠結(jié)合區(qū)域分布方案，實(shí)行灌區(qū)灌溉、控鹽及改土綜合治理，是河套灌區(qū)發(fā)展灌溉農(nóng)業(yè)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，國內(nèi)外學(xué)者也開展了大量研究。沈榮開[3]認(rèn)為確定井渠結(jié)合面積是開發(fā)利用地下水資源、實(shí)行井渠結(jié)合的基礎(chǔ)，并對井渠結(jié)合推行過程中遇到的問題進(jìn)行了研究。彭世彰[4]采用系統(tǒng)分析方法，建立了河套灌區(qū)井渠結(jié)合優(yōu)化灌溉模型，求解出工程最優(yōu)運(yùn)行方案，并選擇義長灌域永聯(lián)試區(qū)作為計算驗(yàn)證區(qū)。實(shí)施該優(yōu)化方案后，全年土壤鹽分明顯降低，春小麥地脫鹽率達(dá)56.7%。萬亮婷[5]認(rèn)為確定不同水資源條件下適宜的井渠結(jié)合形式與合理布局是制約井渠結(jié)合灌區(qū)節(jié)水改造的關(guān)鍵技術(shù)問題。田園[6]提出了寧蒙黃河灌區(qū)井渠結(jié)合區(qū)的布置原則，指出應(yīng)在補(bǔ)給條件較差而水質(zhì)符合灌溉要求(礦化度<2 g/L)的區(qū)域?qū)嵤┚Y(jié)合灌溉。針對河套灌區(qū)的具體情況，何彬[7]根據(jù)灌區(qū)井樣點(diǎn)地下水礦化度資料，應(yīng)用ArcGIS插值生成灌區(qū)地下水礦化度分區(qū)圖，初步確定了井渠結(jié)合分布區(qū)及面積。但該研究中大部分井樣點(diǎn)為機(jī)電井，水質(zhì)資料數(shù)量巨大，但精度較低。本文搜集灌區(qū)內(nèi)地質(zhì)勘探資料，井點(diǎn)數(shù)據(jù)較少，但數(shù)據(jù)精度較高。根據(jù)井點(diǎn)不同精度地下水水質(zhì)數(shù)據(jù)，修正灌區(qū)地下水礦化度分區(qū)圖，并依據(jù)咸淡水分布圖、水文地質(zhì)圖件和水化學(xué)圖進(jìn)行校正，重新確定河套灌區(qū)地下水可開采利用區(qū)分布，得到不同地下水開采標(biāo)準(zhǔn)下的井渠結(jié)合區(qū)域分布及灌溉面積。

1 河套灌區(qū)概況

河套灌區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)西部的巴彥淖爾市，西至烏蘭布和沙漠，東與包頭市郊區(qū)相接，南界黃河，北抵陰山山脈的狼山、烏拉山，總面積達(dá)120萬hm2。從西至東，依次為一干灌域、解放閘灌域、永濟(jì)灌域、義長灌域和烏拉特灌域，如圖1。

河套灌區(qū)氣候干燥，降雨稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈。年降水量130～220 mm，降水量在空間上由西向東平緩遞減；年蒸發(fā)量1 900～2 500 mm(20 mm蒸發(fā)皿)。河套灌區(qū)地下水運(yùn)動以垂直交替為主，其補(bǔ)給源主要為引黃水入滲；排泄途徑主要為蒸發(fā)排泄，其次為渠系排水。

河套灌區(qū)地形地貌以平原為主，地面坡度平緩。在地質(zhì)構(gòu)造上，屬于侏羅紀(jì)晚期地殼長期下沉形成的封閉斷陷沉降盆地，地下徑流排泄不暢，地下水位偏高。形成鹽漬土的鹽分來源主要是沉積和構(gòu)造條件所決定的高鹽分地層與高礦化水。從土壤鹽漬度來看，以0～0.5 m土層平均含鹽量統(tǒng)計，全灌區(qū)以含鹽量大于0.3%的中度以上鹽漬土分布范圍最廣，占全區(qū)面積的77.7%，其中全鹽量在0.6%以上的重度鹽漬土面積最大，占45.8%[8]。近年來隨著引水量減少，地下水位降低，土壤鹽堿化面積有所減少。河套灌區(qū)的鹽漬土的分布主要受到下伏土層含鹽量和地下水礦化度的控制，在地層高含鹽量帶和高礦化咸水帶，往往有重鹽土分布，而在下伏淡水區(qū)，一般土壤鹽漬化較輕。重度鹽漬土和鹽土的范圍與南北兩咸水帶的分布基本一致，以北部咸水帶西段和南部咸水帶尤為明顯，其中南部鹵水帶鹽漬化最重。輕鹽漬土主要分布在灌區(qū)上游地區(qū)，以灌區(qū)西南部磴口-頭道橋-干召廟-烏蘭圖克-塔爾湖一線土壤鹽漬化較輕，該區(qū)地下水以淡水為主。灌區(qū)東部地處下游，由于水鹽的聚集，又處于兩咸水帶之間，加之下部有隱伏咸水分布，土壤鹽堿化一般較重。三湖河地區(qū)由于公子廟以西咸水的分布，以重鹽漬土為主，其余地區(qū)多為中度鹽漬土[8]。

圖1 河套灌區(qū)地理位置圖

2 改進(jìn)的井渠結(jié)合區(qū)域分布的確定方法

本文的井渠結(jié)合區(qū)域分布確定方法是在何彬[7]的研究基礎(chǔ)上改進(jìn)得到。何彬[7]收集了河套地區(qū)鉆孔、機(jī)電井、淺層、水化學(xué)圖四種來源的數(shù)據(jù)資料，并進(jìn)行了整理分析。首先根據(jù)水文地質(zhì)資料，在垂向上將該研究區(qū)劃分為三層：淺層弱透水層、第一含水組深層和第二含水組；運(yùn)用ArcGIS對井樣點(diǎn)底板埋深進(jìn)行反距離權(quán)重插值，繪制了3個含水層底板埋深等值線圖。以該圖為基準(zhǔn)，對具有礦化度資料的井樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分層提取，得到了淺層弱透水層、第一含水組深層、第二含水組的地下水礦化度分區(qū)圖。依據(jù)不同的農(nóng)業(yè)灌溉用水要求，將三層咸淡水分布進(jìn)行對比，進(jìn)一步在統(tǒng)一的水平方向上，確定河套灌區(qū)井渠結(jié)合區(qū)的分布和面積。該方法采用2 450個井樣點(diǎn)礦化度數(shù)據(jù)，利用ArcGIS插值得到分區(qū)結(jié)果。在2 450眼井中，有2 037眼為機(jī)電井，216眼數(shù)據(jù)來源于水化學(xué)圖，112眼屬淺層數(shù)據(jù)，僅87眼是鉆孔資料。機(jī)電井主要作用是為滿足農(nóng)業(yè)灌溉需求，多分布在淡水區(qū)，監(jiān)測精度較低，但井點(diǎn)占比很大，且密集分布于局部地區(qū)，因此，采用機(jī)電井礦化度數(shù)據(jù)插值所得的不可開采區(qū)面積變化較為突兀，如圖2所示，且與咸淡水三淡夾三咸的帶狀分布規(guī)律相差很大[9]，因此，需要對該井渠結(jié)合區(qū)域確定方法進(jìn)行改進(jìn)。

圖2 原井渠結(jié)合控制區(qū)分布圖

2.1 井渠結(jié)合區(qū)域分布的確定方法改進(jìn)

2.1.1咸淡水帶水平和垂向分布規(guī)律

河套灌區(qū)水平方向上的水質(zhì)分布受地貌、古地理和構(gòu)造條件的控制，表現(xiàn)出明顯的南北規(guī)律，自北向南可以分出六條水質(zhì)帶，其中，三條淡水帶，三條咸水帶。以北部咸水帶延伸長度最大，為區(qū)域性咸水帶，南部咸水帶礦化度最高，水質(zhì)最咸[9]。第一帶為扇裙全淡水帶，主要分布在狼山山前扇裙平原，該地區(qū)含水層顆粒粗，徑流條件好，屬于鹽分的溶濾搬運(yùn)帶，所以含鹽量低。第二帶為扇前洼地咸水帶，呈條帶狀分布，縱貫全區(qū)。第三帶為套區(qū)中部淡水帶，西起烏蘭布和沙漠，東至烏拉特前旗北部義通排干以西一帶，該區(qū)含水層巖性相對較粗，地形坡度相對較大，加上黃河古河道長期迂回的淡化作用，水質(zhì)良好。第四帶為南部潛伏隆起咸水帶，沿總干渠北側(cè)呈東西向條帶狀分布，西窄東寬，為本區(qū)礦化度最高的鹽鹵水帶。第五帶為三湖河淡水帶，包括公子廟以東的烏拉特扇裙帶和三湖河中部大部分灌區(qū)，呈西東條帶狀分布。第六帶為三湖河南部咸水帶，分布于三銀河頭和何蘭虎一帶。此帶位于鄂爾多斯臺緣斷裂北側(cè)，下部中更新統(tǒng)沉積層含鹽量高。

河套灌區(qū)咸淡水的垂向分布特征則主要受氣候和古地理環(huán)境的影響，可分為全淡水型、全咸水型、上淡下咸型、上咸下淡型、咸淡咸型和淡咸淡型，共6種類型，前3種類型分布最廣，后3種類型分布面積較小。全淡型主要分布在山前扇裙全淡水帶、套區(qū)西南全淡水帶和三湖河全淡水帶；全咸型，可分為北部扇前洼地咸水帶、南部潛伏隆起咸水帶和三湖河南部咸水帶；上淡下咸型，分布于中部淡水帶的東段以及咸水帶外圍向淡水的過渡帶。淡咸水界面在垂向上多是漸變的，自東向西和隨遠(yuǎn)離兩側(cè)咸水帶逐漸加深，淡水層厚度隨之增大。

2.1.2河套灌區(qū)咸淡水分布數(shù)據(jù)獲取

根據(jù)對河套灌區(qū)水文地質(zhì)條件和古地理環(huán)境的分析，內(nèi)蒙古自治區(qū)地質(zhì)局水文地質(zhì)隊(duì)繪制了河套灌區(qū)咸淡水分布圖。該分布圖依據(jù)礦化度的高低，劃分了淡水區(qū)(礦化度<2 g/L)、微咸水區(qū)(礦化度2～3 g/L)、半咸水區(qū)(礦化度3～5 g/L)、咸水區(qū)(礦化度5～10 g/L)和鹽鹵水區(qū)(礦化度>10 g/L)。本文借助ArcGIS工具，對河套平原的咸淡水分布圖進(jìn)行空間校正，得到標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系下的咸淡水分布圖，建立了礦化度為2、3 g/L邊界線文件(如圖3所示)。根據(jù)DB13/T 928-2008咸淡水混合灌溉工程技術(shù)規(guī)范，在特殊鹽漬土地區(qū)，可開采利用的地下水礦化度上限為3 g/L。由GB5084-2005農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，所有鹽漬土地區(qū)，國家標(biāo)準(zhǔn)灌溉水全鹽含量為<2 g/L。為充分開采利用地下水并且保證灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，另取2和3 g/L平均數(shù)2.5 g/L作為一個參考的地下水不可開采利用的限制礦化度，因此，本文進(jìn)一步搜集井樣點(diǎn)礦化度資料，補(bǔ)充繪制了礦化度為2.5 g/L的邊界線文件，并將礦化度2、2.5和3 g/L邊界線文件統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為面文件，最終得到的地下水礦化度分區(qū)圖如圖3所示。

2.1.3可開采利用區(qū)的校正分析

根據(jù)修正的咸淡水分布圖對采用井樣點(diǎn)礦化度數(shù)據(jù)插值所得的不可開采區(qū)面積進(jìn)行校正分析。本文以灌溉可利用地下水礦化度為3 g/L為例，說明校正分析方法。將根據(jù)井樣點(diǎn)礦化度數(shù)據(jù)得到的原可開采利用區(qū)的面文件與修正的咸淡水分布圖中礦化度為3 g/L的面文件，加載在同一個地圖文件中，對其進(jìn)行顏色區(qū)分，并加入來源于機(jī)電井、水化學(xué)圖、淺層數(shù)據(jù)、鉆孔資料共2 046個井樣點(diǎn)，并將其按照礦化度大小進(jìn)行顏色區(qū)分，如圖4所示。整體而言，原可開采利用區(qū)與咸淡水分布圖中地下水礦化度大于3 g/L的區(qū)域分布相近，但是前者的范圍比咸淡水分布圖中地下水礦化度小于3 g/L小，且局部地區(qū)兩者有重疊。本文結(jié)合井樣點(diǎn)的位置和礦化度，以及水文地質(zhì)條件最終確定可開采利用區(qū)。

由圖4可知，當(dāng)灌溉可利用地下水礦化度標(biāo)準(zhǔn)為3 g/L時，原可開采利用區(qū)與咸淡水分布圖的咸水區(qū)并不一致。兩者在局部地區(qū)有交集，主要是一干灌域的東北角、解放閘灌域的北部、永濟(jì)灌域的南部、義長灌域的北部和烏拉特灌域的北部，即原可開采利用區(qū)在咸淡水圖中屬于咸水區(qū)；局部地區(qū)出現(xiàn)空集，主要是一干灌域的西北部、解放閘灌域的中北部、永濟(jì)灌域的北部和東部、義長灌域的中部和北部，烏拉特灌域的南部，即原不可開采利用區(qū)的局部地區(qū)咸淡水圖中屬于淡水區(qū)。本文結(jié)合水文地質(zhì)條件及井點(diǎn)數(shù)據(jù)，遵循咸淡水分帶的原則，參考井樣點(diǎn)的分布以及礦化度，將僅由零星井點(diǎn)高礦化度圈定的但不符合咸淡水分帶原則的原不可開采利用區(qū)，重新劃為可開采利用區(qū)；與此同時，從原可開采利用區(qū)中，去除礦化度低但數(shù)量少且與咸水區(qū)重合的部分。逐個灌域，進(jìn)行以下具體的分析和校正。

圖4 原可開采利用區(qū)與咸淡水分布對比圖

(1)一干灌域，其西北部的原可開采利用區(qū)僅由2個高礦化度井點(diǎn)控制而中斷，但中間還有兩口潛水井，且該區(qū)屬于水質(zhì)分帶的扇裙全淡水帶，因此，認(rèn)為將該區(qū)水質(zhì)劃為可開采利用水；東北角的原可開采利用區(qū)與咸水區(qū)重合，該處井點(diǎn)較密集，且礦化度都較低，也處于扇裙全淡水帶，因此，保留該可開采利用區(qū)。

(2)解放閘灌域，其中部的原可開采利用區(qū)中有一小塊長橢圓形的咸水區(qū)，該區(qū)只受一口高礦化度的井控制，然而在水文地質(zhì)條件與周圍區(qū)域沒有突變，仍認(rèn)為是可開采利用區(qū)。該灌域北部的橢圓區(qū)域情況則恰恰相反，咸水區(qū)中有一塊橢圓形的原可開采利用區(qū)，且井點(diǎn)相對較密集，礦化度高，位于咸水帶中，因此，從可開采利用區(qū)中去除該橢圓形區(qū)域。此外，對原不可開采利用區(qū)中僅由零星井點(diǎn)控制而產(chǎn)生的突變，但在咸淡水圖中屬于淡水區(qū)的部分進(jìn)行平滑修正。在不違背控制井點(diǎn)的原則上，參考咸淡水界面等埋深線的變化趨勢，繪制更加平滑的原可開采利用區(qū)的邊界。

(3)永濟(jì)灌域，其南部長條狀延伸的區(qū)域與一干灌域的西北處情況相似，也劃定為可開采利用區(qū)。由于插值結(jié)果只受到井樣點(diǎn)礦化度的影響，該灌域的原可開采利用區(qū)的邊界會突兀地將礦化度較高的點(diǎn)，被礦化度較低的點(diǎn)，因此，存在較多與水文地質(zhì)條件不符的棱角。參考控制井點(diǎn)的來源及礦化度，機(jī)電井礦化度的參考性不大，鉆井礦化度的準(zhǔn)確性較高；盡量保證礦化度較高的井點(diǎn)在可開采利用區(qū)外，礦化度較低的井點(diǎn)在可開采利用區(qū)外。最后，借助ArcGIS，平滑化可開采利用區(qū)的邊界。

(4)義長灌域，其南部咸水區(qū)形狀不規(guī)則，區(qū)內(nèi)井樣點(diǎn)分布零星，在遵循井點(diǎn)礦化度的前提下，對其邊界進(jìn)行平滑化處理。與永濟(jì)灌域相接的可開采利用區(qū)僅由零星井點(diǎn)的控制而突兀地減小，因此將永濟(jì)灌域和義長灌域的原不可開采利用區(qū)擴(kuò)大至互相連接。北部長條狀藍(lán)色網(wǎng)格區(qū)域原屬可開采利用區(qū)，在咸淡水分布圖中屬咸水區(qū)，考慮到該區(qū)地處北部扇前洼地咸水帶，潛水井密布于灌域北邊界，而咸水區(qū)的井點(diǎn)極少，且高礦化的井比例較高，為此，將把該區(qū)劃為不可開采利用區(qū)。

(5)烏拉特灌域，其東南角和西北部局部地區(qū)原屬于不可開采利用區(qū)，而在咸淡水圖中屬于淡水區(qū)域，考慮到該區(qū)井點(diǎn)并不密集，且淺層弱透水層水質(zhì)較差，受到開采利用條件的限制，認(rèn)為該區(qū)是不可開采利用區(qū)。

2.2 井渠結(jié)合區(qū)域分布及面積

根據(jù)以上修正的地下水可開采利用區(qū)分區(qū)方法，可得到相應(yīng)礦化度控制條件下農(nóng)業(yè)灌溉地下水可開采區(qū)分布。本文根據(jù)地下水礦化度小于3 g/L、小于2.5 g/L和小于2 g/L 3種控制條件，確定了地下水可開采利用區(qū)分布。同時，結(jié)合沙漠帶的分布情況，可得到灌區(qū)井渠結(jié)合區(qū)分布圖。地下水礦化度小于3 g/L、小于2.5 g/L和小于2 g/L條件下井渠結(jié)合區(qū)分布圖分別如圖5、圖6和圖7所示。原井渠結(jié)合區(qū)控制面積與現(xiàn)井渠結(jié)合區(qū)控制面積計算結(jié)果見表1。

根據(jù)各灌域的土地利用系數(shù)和由表1中所給出的井渠結(jié)合區(qū)控制面積，可初步計算各灌域井渠結(jié)合區(qū)的灌溉面積。如取用渠井結(jié)合比例為3∶1，可以得到各灌域的井灌區(qū)面積(表2)。

圖5 井渠結(jié)合控制區(qū)分布圖(地下水礦化度<3 g/L條件)

圖6 井渠結(jié)合控制區(qū)分布圖(地下水礦化度<2.5 g/L條件)

表1 不同灌溉水質(zhì)條件的原井渠結(jié)合控制面積與現(xiàn)井渠結(jié)合控制面積的對比 萬hm2

圖7 井渠結(jié)合控制區(qū)分布圖(地下水礦化度<2 g/L條件)

由以上分析過程知，井渠結(jié)合控制區(qū)分布及面積的確定是通過對灌區(qū)水文地質(zhì)條件、地下水深淺層礦化度、目前土地利用類型現(xiàn)狀和農(nóng)業(yè)灌溉用水水質(zhì)要求等進(jìn)行綜合分析得到的結(jié)果。井渠結(jié)合控制區(qū)主要分布在一干灌域非沙漠帶、解放閘灌域和永濟(jì)灌域南部、義長灌域北部、烏拉特灌域尾部(公廟鎮(zhèn)、先鋒鄉(xiāng)、黑柳于鄉(xiāng))，灌區(qū)北部沿狼山山前也有部分區(qū)域。由表1可知，因地下水半咸水和咸水的廣泛分布及烏蘭布和沙漠帶的存在，河套灌區(qū)井渠結(jié)合區(qū)控制面積約占整個灌區(qū)控制面積的50%。根據(jù)不同的灌溉水質(zhì)控制標(biāo)準(zhǔn)，灌區(qū)內(nèi)可實(shí)施井渠結(jié)合的控制面積為31～58萬hm2。由表2可知，根據(jù)各灌域的土地利用系數(shù)，灌區(qū)內(nèi)可實(shí)施井渠結(jié)合膜下滴灌的灌溉面積約為17～33萬hm3；如果取井渠結(jié)合比為1∶3，井灌區(qū)面積約為4～8萬hm2。

表2 不同灌溉水質(zhì)條件的井渠結(jié)合區(qū)灌溉面積和井灌面積 萬hm2

3 結(jié) 論

本文僅由井點(diǎn)礦化度數(shù)據(jù)確定的礦化度分區(qū)結(jié)合河套灌區(qū)水文地質(zhì)條件、水平與垂直咸淡水分帶規(guī)律對咸淡水分布圖進(jìn)行了校核修正；采用修正的咸淡水分布圖和鉆孔礦化度資料對僅由井點(diǎn)礦化度數(shù)據(jù)確定的可開采利用區(qū)進(jìn)行了校正；最終確定了地下水礦化度小于3g/L、小于2.5g/L和小于2g/L等3種不同灌溉標(biāo)準(zhǔn)下的井渠結(jié)合區(qū)分布及灌溉面積。主要結(jié)論如下：

(1)將可開采利用區(qū)的礦化度上限設(shè)為3、2.5和2 g/L，得到井渠結(jié)合的控制面積分別為58、41和31萬hm2。

(2)根據(jù)各灌域的土地利用系數(shù)，3種地下水礦化度限制條件下，灌區(qū)內(nèi)可實(shí)施井渠結(jié)合膜下滴灌的灌溉面積分別為為33、23和17萬hm2。若取井渠結(jié)合比為1∶3，則井灌區(qū)面積分別為8、5和4萬hm2。

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致謝：在資料收集過程中得到內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)屈忠義教授的幫助。

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