高　宇, 齊　鵬, 戴長雷,*,李芳花

(1.黑龍江大學 a.寒區(qū)地下水研究所;b.水利電力學院，哈爾濱 150080；2.中國科學院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，長春 130102；3.黑龍江省水利科學研究院，哈爾濱150080)

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肇州旱灌區(qū)地下水動態(tài)分析

高宇1a,1b, 齊鵬1a,2, 戴長雷1a,1b,*,李芳花3

(1.黑龍江大學 a.寒區(qū)地下水研究所;b.水利電力學院，哈爾濱 150080；2.中國科學院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，長春 130102；3.黑龍江省水利科學研究院，哈爾濱150080)

肇州縣是黑龍江西部重要的旱田灌區(qū)，農(nóng)業(yè)灌溉主要依賴于地下水，地下水動態(tài)分析是灌區(qū)地下水承載力評價的基礎和前提。對26眼長期觀測井及85眼統(tǒng)測井數(shù)據(jù)進行了時空動態(tài)分析。通過分析指出，肇州旱灌區(qū)地下水動態(tài)類型以人工開采型為主；以6眼典型監(jiān)測井為例，在作為平水年的2012年，多數(shù)井6月地下水水位達到年內低值，11月地下水水位達到年內高值，次年規(guī)律相同，灌溉取水對地下水影響強烈；在1980—2012年，區(qū)內地下水水位呈整體下降趨勢，平均降幅為0.18 m/a，逐年增加的地下水開采量直接導致了的地下水水位下降；當前區(qū)域地下水水流向大致是東北至西南向。

灌區(qū)；地下水；開采；動態(tài)變化；肇州

黑龍江西部處于半干旱地區(qū)，灌區(qū)存在嚴重的季節(jié)性干旱以及水分利用效率低的現(xiàn)象[1-2]。為實現(xiàn)節(jié)水、增產(chǎn)、增效同步發(fā)展，2014年黑龍江省水利科學研究院以灌溉水利用效率和糧食產(chǎn)量為核心在黑龍江省肇州縣、安達市建立了大規(guī)模的高效灌溉技術規(guī)?；痉秴^(qū)實行“節(jié)水增糧行動”。我國易開發(fā)利用的水資源多已開采，農(nóng)業(yè)需水對地下水依賴程度越來越強[3-4]。在確保環(huán)境和諧、生態(tài)平衡的條件下，旨在形成一個保障高效灌溉同時又可保障地下水系統(tǒng)安全的綜合管理模式[5]。為評價該區(qū)域地下水安全承載能力及可持續(xù)開采保障模式，需要對黑龍江省西部肇州旱灌區(qū)的地下水分布與變化狀況進行科學分析。

1　地下水動態(tài)資料獲取與處理

肇州縣地處黑龍江省西部，耕地類型旱田為主，地貌基本為低平原，地勢平坦[6-7]。土壤結構從上至下依次為壤土、粉質黏土或黃土狀粉質黏土、砂粒及隔水底板泥巖[8-9]。肇州縣所開采的地下水資源主要用于農(nóng)田灌溉；肇州縣的地形自東北向西南逐漸降低，含水層厚度增加，地下水埋深由深變淺[10-11]。肇州縣周圍不存在流域分水嶺、地表界限等水文地質條件，周邊界潛水含水層具有良好的滲透性，與外部環(huán)境進行交換能力較強，屬于強開放人為邊界[12-14]。

通過管井取水是肇州縣農(nóng)業(yè)及工業(yè)生產(chǎn)開采地下水的主要途徑。根據(jù)26眼長期觀測井1980—2012年的地下水水位監(jiān)測數(shù)據(jù)，與肇州范圍內隨機選取的85眼水井地下水水位統(tǒng)測數(shù)據(jù)，對肇州旱灌區(qū)進行地下水動態(tài)分析(圖1)。

圖1　肇州旱灌區(qū)監(jiān)測井分布Fig.1　Distribution of monitoring wells in drought-irrigation area of Zhaozhou

地下水動態(tài)的內在表現(xiàn)是地下水均衡，利用其資料可對地下水的某些要素進行計算。在進行肇州旱灌區(qū)地下水資源評價和預測過程中，地下水動態(tài)資料是不可缺少的依據(jù)；通過觀測地下水動態(tài)變化，分析其規(guī)律及影響因素，可為調節(jié)地下水動態(tài)、地下水資源合理利用提供科學依據(jù)[15-18]。除此之外，通過對地下水變化特征分析，還可以對水資源衰竭、土地鹽漬化、水污染、地面變形等由于地下水的開發(fā)利用而引發(fā)的環(huán)境地質問題進行研究[19-22]。

2　地下水時間動態(tài)分析

2.1單井年內動態(tài)分析

根據(jù)肇州縣1980—2012年降水量資料，選出具有代表性的枯水年、平水年和豐水年：2000年、2012年和1993年(表1)。

表1　肇州縣特征年降雨量及地下水開采量

選擇5號潛水井及14號承壓水井作為特征井在3個特征年份地下水埋深數(shù)據(jù)，繪制出該井的地下水埋深-時間變化關系曲線，見圖2。肇州旱灌區(qū)整個區(qū)域內無天然徑流，地下水補給的重要來源是垂向大氣降水和相鄰含水層的側向徑流，灌溉、生產(chǎn)和生活用水嚴重依賴于地下水開采。5號井在豐平枯3個特征年中地下水埋深在枯水年最大，豐水年最小，且變化規(guī)律基本一致；農(nóng)業(yè)灌溉期間地下水埋深逐漸增大，5月達到年內低值，之后隨著取水量的減少地下水埋深減小，該井所在區(qū)域地下水埋深受地下水開采量影響較大，地下水動態(tài)類型表現(xiàn)為人工開采型。14號井位于雙發(fā)鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)種植區(qū)，2000—2012年，隨著灌溉面積加大，機井數(shù)和灌溉取水量隨之增加，地下水開采量大幅度增長。14號井2012平水年全年地下水埋深大于2000年枯水年;豐水年的1993年雨水充足且當時地下水開采量適中，因而地下水埋深變化不大；在平水年與枯水年，農(nóng)業(yè)灌溉期間地下水開采量增加導致地下水埋深增大，地下水位下降明顯，地下水埋深在6月達到年內低值，該井所在區(qū)域地下水動態(tài)類型為人工開采型。

圖2　特征井枯水年、平水年和豐水年地下水埋深-時間變化曲線Fig.2　Groundwater depth-time variation curve of the well in dry years, normal flow year and wet years

2.2單井多年動態(tài)分析

根據(jù)1980—2012年兩眼特征井的地下水位監(jiān)測數(shù)據(jù)計算地下水水位每年的平均埋深值，繪制多年地下水水位埋深變化曲線，見圖3。

圖3　特征井多年地下水位埋深變化曲線Fig.3　Variation curve of groundwater level of the well for years

由圖3(a)可見，5號特征井下地水水位的變化不能同步響應大氣降水的變化，主要原因在于人工開采掩蓋了降水入滲的影響，地下水動態(tài)類型由天然條件下的降水-蒸發(fā)型轉變?yōu)楫斚碌娜斯ら_采型，且地下水埋深呈現(xiàn)增大的趨勢，在監(jiān)測時段內區(qū)域含水層形成了消耗型水源地。由圖3(b)可見，14號特征井也呈現(xiàn)地下水埋深持續(xù)增大的趨勢。綜合分析可知，肇州縣農(nóng)業(yè)灌溉取水井多為潛水-承壓水混合井，混層取水普遍，因此，在進一步的承載力評價中，應將二者進行統(tǒng)一評價。

圖4　典型井2012—2013年地下水位變化曲線Fig.4　Groundwater level change curve of Zhaozhou in 2012 and 2013

肇州縣地理位置處于于內陸地區(qū)，屬于大陸性季風氣候。在26眼監(jiān)測井中選擇具有代表性的6眼監(jiān)測井(3號、7號、10號、12號、15號和26號)，以2012、2013年連續(xù)兩年的地下水水位5 d監(jiān)測資料為基礎，整理數(shù)據(jù)繪制出各典型井地下水水位變化曲線，見圖4。各典型井的地下水位變化規(guī)律基本一致，多數(shù)井6月地下水水位達到年內最低，然后地下水水位上升，多數(shù)井11月地下水水位達到年內峰值，之后開始下降。分析原因可知，4—7月為農(nóng)作物種植季節(jié)，降雨量不足以支持作物生長，農(nóng)業(yè)灌溉需大量開采地下水，尤其5—6月灌溉高峰期，地下水開采量尤其大，因而地下水水位下降到最低。全年內地下水水位大致呈單峰單谷的變化。6眼井所屬區(qū)域的地下水動態(tài)類型均為人工開采型，又因6眼監(jiān)測井分散在肇州縣的各地，其地下水動態(tài)類型在一定程度上可代表肇州全縣的區(qū)域地下水特征。

3　地下水空間動態(tài)分析

另外，以平水年2012年為例，繪制地下水(潛水)流網(wǎng)圖并對其進行分析可知，受地勢影響肇州旱灌區(qū)的地下水流向是東北—西南，見圖5。

圖5　地下水流網(wǎng)Fig.5　Groundwater flow net

蒸發(fā)量、開采量、降水量以及側向補給等都是影響地下水動態(tài)變化的因素。地下水數(shù)量與質量的各個要素的綜合表現(xiàn)就是地下水動態(tài)。肇州旱灌區(qū)的地下水埋深受自然因素和人為因素的雙重影響。根據(jù)26眼長期觀測井1980—2012年的監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制基于多種因素的1980—2012年肇州旱灌區(qū)地下水埋深動態(tài)變化曲線，見圖6。肇州旱灌區(qū)地下水埋深各年間波動不大但從1980—2012年多年的監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，地下水埋深呈現(xiàn)增大趨勢，也就是該區(qū)域地下水水位逐年下降，多年平均降幅為0.18 m/a。

圖6　基于多種因素的1980—2012年肇州旱灌區(qū)地下水埋深動態(tài)變化曲線Fig.6　Dynamic change curve of groundwater depth in drought-irrigation area of Zhaozhou based on various factors

分析1980—1999年地下水水位資料，地下水埋深變化幅度不大，2000—2012年地下水水位埋深逐漸變大。灌區(qū)年蒸發(fā)量基本無變化，并不是地下水埋深變化的主因。通過長期觀測數(shù)據(jù)可知降水量呈微微下降趨勢，因此可作為導致地下水埋深增加的因素之一，但不具有決定性。1980—1999年灌區(qū)地下水開采量適中，而2000年以后，經(jīng)濟快速發(fā)展用水需求加大導致地下水開采超量，而且逐年增加，地下水水位隨之下降且越發(fā)明顯。說明導致肇州旱灌區(qū)地下水埋深增加即水位下降的關鍵因素是逐年增加的地下水開采量。

4　結　論

1)5號和14號監(jiān)測井，受農(nóng)業(yè)灌溉影響，年內地下水水位變幅較大，地下水動態(tài)類型為人工開采型。

2)通過對典型井2012-2013年地下水月平均水位數(shù)據(jù)進行分析，得到肇州縣地下水年際間呈現(xiàn)單峰單谷的周期性變化。多數(shù)井6月地下水水位達到年內低值，之后水位開始持續(xù)上升，11月達到年內高值。肇州旱灌區(qū)的地下水動態(tài)類型以人工開采型為主。

3)肇州旱灌區(qū)地下水流向大致是東北至西南。1980—1999年，肇州縣地下水埋深變化幅度不大；2000—2012年，地下水埋深明顯增大，地下水水位呈逐年下降趨勢，平均降幅為0.18 m/a，導致地下水水位下降的決定性因素是逐年增加的地下水開采量。

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Dynamic analysis of groundwater in drought-irrigation area ofZhaozhou County

GAO Yu1a,1b, QI Peng1a,2, DAI Chang-Lei1a,1b,*, LI Fang-Hua3

(1.HeilongjiangUniversitya.InstituteofGroundwaterinColdRegion,b.SchoolofHydraulicandElectricPower;2.NortheastInstituteofGeographyandAgroecology,ChineseAcademyofSciences,Changchun,130012,China；3.HeilongjiangHydraulicScientificResearchInstitute,Harbin150080,China)

Zhaozhou County is an important drought-irrigation area in the west of Heilongjiang. Agricultural irrigation depends on the groundwater. In order to evaluate and predict the groundwater resources in drought-irrigation area of Zhaozhou, the dynamic analysis of groundwater is needed. In this paper, Zhaozhou County as the research area, analyses the data of 26 long-term observation wells and 85 wells. In 2012, for the six typical wells，the value of groundwater level is lowest in June, groundwater level reached the highest value in November, and it has the same regular pattern in next year. The influence of irrigation water on the groundwater is strong. In Zhaozhou, the groundwater dynamic type is mainly the artificial exploitation type, and some areas are the radial flow type. From 1980 to 2012, the groundwater level in Zhaozhou County was decreasing year by year. The range of groundwater change is 0.18 m/a. The decisive factor of the decline of the groundwater level is groundwater exploitation increasing year by year. The groundwater flow direction is roughly northeast to southwest.

irrigation area; groundwater; exploitation; dynamic changes；Zhaozhou

10.13524/j.2095-008x.2016.01.021

2016-03-10;

2016-04-21

“十二五”國家科技支撐計劃子課題——“基于高效灌溉的地下水安全保障模式研究”(2014BAD12B01-03)

高宇(1992-)，女，黑龍江鶴崗人，碩士研究生，研究方向：地下水評價與灌區(qū)規(guī)劃，E-mail: hss_gaoyu@126.com；*通訊作者：戴長雷(1978- )，男，山東鄆城人，副教授，博士，研究方向：寒區(qū)地下水及國際河流，E-mail：daichanglei@126.com。

P641.2

A

2095-008X(2016)02-0022-06