薛子釗,許 琴,馬理輝,,4,常展鵬,趙 鵬

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院,陜西 楊凌 712100;2.馮家山水庫管理局午井灌溉管理處,陜西 寶雞 722200;3.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所,陜西 楊凌 712100;4.國家節(jié)水灌溉楊凌工程技術(shù)研究中心,陜西 楊凌 712100)

0 研究背景

榆陽區(qū)風(fēng)沙草灘區(qū)是毛烏素沙漠向黃土丘陵區(qū)的過渡地帶,生態(tài)環(huán)境脆弱[1],經(jīng)過當(dāng)?shù)厝嗣?0余年的防沙治沙運(yùn)動,當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境改善明顯,但隨著當(dāng)?shù)爻擎?zhèn)化與工農(nóng)業(yè)發(fā)展,該地區(qū)對水資源的需求逐年增長,風(fēng)沙草灘區(qū)地下水由于其水質(zhì)好、水量大, 被作為該地區(qū)生活、農(nóng)業(yè),工業(yè)的主要供水水源[2],加上煤炭開采過程中排放大量疏干水,該地區(qū)本就不足的地下水資源更加緊缺[3]。此外,部分農(nóng)業(yè)企業(yè)為擴(kuò)大耕地面積,違規(guī)“推沙造地”,造成水土流失和地表植被損害,提高了“二次沙化”的風(fēng)險(xiǎn)[4],其新建農(nóng)場為保證糧食產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益,灌溉用水量也遠(yuǎn)高于當(dāng)?shù)仄骄?而這些灌溉用水幾乎全部來源于地下水,而有研究表明農(nóng)業(yè)用水量高已經(jīng)是榆陽區(qū)水資源承載力的主要阻礙因素[5]。因此研究榆陽區(qū)風(fēng)沙草灘區(qū)地下水位變化特征與影響因素,對加強(qiáng)榆陽區(qū)地下水資源合理開發(fā)利用與保護(hù)管理,改善當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境,防止“二次沙化”,實(shí)現(xiàn)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)與經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展顯得尤為重要。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于毛烏素沙漠南緣,榆陽區(qū)長城以北的風(fēng)沙草灘區(qū),包括補(bǔ)浪河、巴拉素、小紀(jì)汗、馬合、岔河則、小壕兔、孟家灣、金雞灘、牛家梁、芹河10個鄉(xiāng)鎮(zhèn),面積約5 000,海拔高度900～1 400 m,見圖1。榆陽區(qū)處于鄂爾多斯臺地東部,屬于典型的大陸性邊緣季風(fēng)氣候,年平均氣溫8.3℃,年平均降水量365.7 mm,降水年內(nèi)分配不均,集中程度較高,多集中在7、8月份,北部風(fēng)沙草灘區(qū)降水要少于南部丘陵溝壑區(qū)[6],春冬旱頻發(fā)。榆陽區(qū)風(fēng)沙草灘區(qū)地下水主要受大氣降水補(bǔ)給[7],其次為凝結(jié)水、徑流和局部地段地表水灌溉入滲補(bǔ)給,地下水由高處向低處運(yùn)動, 泄出于洼地、湖泊或河流水系, 消耗于潛水蒸發(fā)和人為開發(fā)利用[8]。

圖1 研究區(qū)概況圖

2 數(shù)據(jù)來源

本次研究利用榆陽區(qū)水資源服務(wù)中心于2021年開始監(jiān)測的風(fēng)沙草灘區(qū)53眼水源井地下水埋深數(shù)據(jù),分析榆陽區(qū)風(fēng)沙草灘區(qū)2021年地下水年內(nèi)時空動態(tài)特征。2021年降水、氣溫?cái)?shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(https://data.cma.cn/),各鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)用水?dāng)?shù)據(jù)來源于榆陽區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局,利用該數(shù)據(jù)分析地下水位時空動態(tài)特征主要影響因素。

3 地下水埋深年內(nèi)變化特征

本研究根據(jù)各監(jiān)測井地下水埋深變化規(guī)律,結(jié)合土地利用類型與水文地質(zhì)條件,進(jìn)而將各監(jiān)測井地下水動態(tài)分為徑流型、灌溉型、開采型3種基本類型,如圖2。每種類型選取4眼典型監(jiān)測井,繪制地下水埋深曲線并分析其變化特征。徑流型、灌溉型、開采型地下水埋深變化呈現(xiàn)出不同形態(tài)。

3.1 徑流型

主要分布在榆溪河及其支流處,地下水主要補(bǔ)給來源為大氣降水,其次為側(cè)向徑流、凝結(jié)水和農(nóng)田灌溉入滲。榆溪河、白河、圪求河、五道河則、芹河、海流兔河等河流是地下水主要排泄通道,人工開采也是地下水重要排泄方式之一。徑流型地下水埋深1～5 m,年水位變幅0.5～1.5 m,直接影響地下水埋深變化的因素為冰雪融水、夏季洪流和人為開采。

研究選取小紀(jì)汗鄉(xiāng)大紀(jì)汗村、補(bǔ)浪河鄉(xiāng)昌汗敖包村、芹河鎮(zhèn)黃七墩村和紅墩村監(jiān)測井水位進(jìn)行分析,其地下水埋深見表1,埋深曲線見圖3,分析可知2-4月份,由于春季回暖冰雪融水對地下水有一定補(bǔ)給,地下水埋深逐漸減小,4-7月份徑流補(bǔ)給減少加之灌溉用水,地下水埋深逐漸增加,8-9月份地下水受河道洪水與降水補(bǔ)給,加之10月份停止灌溉,地下水埋深逐漸恢復(fù)到年初水平。

表1 徑流型地下水位埋深數(shù)據(jù)

圖3 徑流型地下水埋深變化曲線

3.2 灌溉型

該類型遍布整個風(fēng)沙草灘區(qū),地下水主要補(bǔ)給來源于大氣降水,其次為凝結(jié)水和農(nóng)田灌溉入滲。農(nóng)業(yè)灌溉用水是地下水的主要排泄方式。水位埋深1～10 m,年水位變幅0～5 m,直接影響地下水埋深變化的因素是農(nóng)業(yè)灌溉用水和大氣降水。

研究選取牛家梁鎮(zhèn)榆卜界、小紀(jì)汗鄉(xiāng)黃土梁村、馬合鄉(xiāng)楊家灘村、孟家灣鄉(xiāng)書肯壕村監(jiān)測井水位進(jìn)行分析,其地下水埋深見表2,埋深曲線見圖4,分析可知春季3-4月份春灌引起地下水埋深增大,4-5月降水逐漸增加,地下水略有回升,6-9月份灌溉用水量驟增,導(dǎo)致地下水埋深增加,其中在8月份地下水埋深達(dá)到最大,10月份以后,停止灌溉,地下水埋深逐漸恢復(fù)至年初水平。

表2 灌溉型地下水位埋深數(shù)據(jù)

3.3 開采型

主要分布在鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活區(qū)和工業(yè)園區(qū),地下水主要受生活、工業(yè)用水開采、煤礦疏干水排放影響,由于生活區(qū)與工業(yè)區(qū)硬化面積大,滲透性較弱,不利于降水直接補(bǔ)給地下水,且煤礦開采過程中大量疏干水被直接排放[9],很容易形成地下水超采漏斗,需要進(jìn)行地下水回灌等人工手段補(bǔ)給地下水。該類型地下水埋深1～30 m,年水位變幅1～10 m,直接影響地下水埋深變化的因素是人為開采。

研究選取小紀(jì)汗鄉(xiāng)昌漢界村、榆陽機(jī)場、小紀(jì)汗鄉(xiāng)中學(xué)、小壕兔鄉(xiāng)掌高兔村監(jiān)測井水位進(jìn)行分析,其地下水埋深見表3,埋深曲線見圖5,分析可知開采型地下水埋深全年呈下降趨勢,尤其是夏季6-9月份,開采量較大,地下水埋深迅速增大,且相較于其他類型,開采型地下水恢復(fù)能力較差,年末地下水埋深很難恢復(fù)到年初的水平。

表3 開采型地下水位埋深數(shù)據(jù)

圖5 開采型地下水埋深變化曲線

4 地下水埋深空間分布特征

根據(jù)榆陽區(qū)水資源服務(wù)中心提供的2021年監(jiān)測井地下水埋深數(shù)據(jù),使用克里金插值法[10]進(jìn)行空間插值,繪制出2021年各月份榆陽區(qū)風(fēng)沙草灘區(qū)地下水埋深分布圖,如圖6。

圖6 2021年各月份地下水位埋深分布圖

分析可知,2021年榆陽區(qū)風(fēng)沙草灘區(qū)地下水埋深分布在空間上呈現(xiàn)出中部埋深小,東西部埋深大。其中由北向南的小壕兔鄉(xiāng)、岔河則鄉(xiāng)、孟家灣鄉(xiāng)、馬合鎮(zhèn)、小紀(jì)汗鎮(zhèn)、芹河鎮(zhèn)、巴拉素鎮(zhèn)大部分區(qū)域全年地下水埋深在0～10 m,該地區(qū)河流水系豐富,地下水能及時得到補(bǔ)充,年末與年初相比,地下水恢復(fù)程度也相對較好。補(bǔ)浪河鄉(xiāng)、金雞灘鎮(zhèn)、牛家梁鎮(zhèn)、馬合鎮(zhèn)和小紀(jì)汗鎮(zhèn)西部,在夏季和冬季用水高峰期,地下水埋深增至10 m以上,其中小紀(jì)汗鎮(zhèn)、馬合鎮(zhèn)西部,金雞灘鎮(zhèn)、牛家梁鎮(zhèn)東部地下水埋深超過20 m,形成大埋深區(qū),主要原因是牛家梁鎮(zhèn)和金雞灘鎮(zhèn)東部化工煤礦企業(yè)較多,地下水開采量大,補(bǔ)給來源較少,而小紀(jì)汗鎮(zhèn)和馬合鎮(zhèn)西部沙地中有大面積新墾耕地用于種植玉米、馬鈴薯等耗水量大的作物,該地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水量大,地處荒漠邊緣地下水補(bǔ)給強(qiáng)度小。

對比1月與12月地下水埋深空間分布圖,可以看出榆陽區(qū)風(fēng)沙草灘區(qū)地下水位整體呈下降趨勢,平均埋深逐漸增大,地下水恢復(fù)能力一般,僅有少部分區(qū)域年末地下水埋深恢復(fù)到年初水平。

5 影響因素分析

榆陽區(qū)風(fēng)沙草灘區(qū)地下水動態(tài)變化是氣候因素和人類活動綜合作用的結(jié)果。氣候因素是指自然條件下區(qū)域降雨、徑流、蒸發(fā)量的變化等,決定地下水動態(tài)的基本特征;人類活動是指區(qū)域地下水水資源分配、利用數(shù)量和方式等,人類活動影響水循環(huán)過程進(jìn)而改變地下水資源時空分布[11]。下面根據(jù)榆陽區(qū)2021年氣象資料和水資源公報(bào),分析影響地下水埋深時空變化的原因。

5.1 氣候因素

榆陽區(qū)風(fēng)沙草灘區(qū)2021年地下水平均埋深、氣溫、降水量如圖7所示。3-4月份,氣溫回升,降水量增加,春季冰雪融水和降水對地下水有一定補(bǔ)給作用,地下水埋深略有減小。7月份,氣溫達(dá)到峰值,蒸發(fā)量增大,降水量遠(yuǎn)低于多年平均水平,出現(xiàn)旱情,地下水埋深增加,達(dá)到全年埋深最大值。8-10月份降水量達(dá)到全年最高水平,降水對地下水補(bǔ)給增加,地下水埋深有所恢復(fù)。

圖7 2021年榆陽區(qū)風(fēng)沙草灘區(qū)氣象要素圖

5.2 人類活動

榆陽區(qū)風(fēng)沙草灘區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)2021年地下水資源量、井密度、灌溉面積、灌溉用水量見表4。結(jié)合地下水埋深時空變化特征分析可知,小壕兔鄉(xiāng)、孟家灣鄉(xiāng)、岔河則鄉(xiāng)、芹河鎮(zhèn)地下水資源豐富,地下水資源中灌溉用水量占比較小,地下水埋深也比較淺。補(bǔ)浪河鄉(xiāng)、小紀(jì)汗鎮(zhèn)井密度大于其他鄉(xiāng)鎮(zhèn),馬合鎮(zhèn)、巴拉素鎮(zhèn)地下水資源總量較少,地下水資源中灌溉用水量占比較大,因此這些鄉(xiāng)鎮(zhèn)地下水埋深主要受農(nóng)業(yè)灌溉活動影響,在春夏農(nóng)業(yè)用水高峰期,地下水埋深增加明顯。牛家梁鎮(zhèn)和金雞灘鎮(zhèn)地下水資源量較少,地下水資源中灌溉用水量占比較小,但該區(qū)域地下水埋深較大,因此影響該區(qū)域地下水埋深的主要人類活動因素是工業(yè)用水和生活用水的開采。

表4 各鄉(xiāng)鎮(zhèn)地下水資源情況統(tǒng)計(jì)表

6 結(jié)論

根據(jù)榆陽區(qū)風(fēng)沙草灘區(qū)53眼地下水監(jiān)測井2021年監(jiān)測數(shù)據(jù),進(jìn)行地下水埋深時間和空間尺度上的分析,得出以下結(jié)論:

(1)根據(jù)監(jiān)測井地下水埋深變化規(guī)律,結(jié)合土地利用類型和水文地質(zhì)條件,可將各監(jiān)測井地下水分為徑流型、灌溉型、開采型3種基本類型,其中灌溉型遍布整個風(fēng)沙草灘區(qū),是區(qū)域內(nèi)主要的類型,灌溉型地下水埋深變化規(guī)律受灌溉活動影響,在灌溉季節(jié)地下水埋深增加,非灌溉季節(jié)水位回升。徑流型主要分布在榆溪河及其支流處,地下水主要受春季融雪和夏季洪流補(bǔ)給,地下水埋深在該時節(jié)明顯減小。開采型主要分布在鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活區(qū)和工業(yè)區(qū),該類型地下水受自然補(bǔ)給有限,主要受人為開采活動影響,地下水恢復(fù)能力有限。

(2)風(fēng)沙草灘區(qū)地下水埋深空間分布

呈現(xiàn)中部埋深小,東西部埋深大的特點(diǎn)。中部大部分區(qū)域全年地下水埋深小于10 m,東西部地下水埋深超過10 m,部分區(qū)域超過20 m,形成超采區(qū)域。風(fēng)沙草灘區(qū)地下水位整體呈下降趨勢,區(qū)域地下水恢復(fù)能力一般。

(3)風(fēng)沙草灘區(qū)地下水埋深受氣候因素和人類活動共同影響,氣溫和降水對地下水埋深影響明顯,中部鄉(xiāng)鎮(zhèn)地下水資源豐富,用水合理,東西部鄉(xiāng)鎮(zhèn)地下水資源較少,東部地下水埋深主要受工業(yè)、生活用水影響,西部地下水埋深主要受人類灌溉活動影響。

7 展望與建議

地下水是榆陽區(qū)風(fēng)沙草灘區(qū)重要的戰(zhàn)略資源,地下水資源的保護(hù)與可持續(xù)利用對當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)至關(guān)重要。根據(jù)本文研究結(jié)論針對榆陽區(qū)風(fēng)沙草灘區(qū)地下水的保護(hù)與可持續(xù)利用提出以下建議:

(1)大力推廣節(jié)水灌溉技術(shù),增加對農(nóng)民農(nóng)業(yè)技術(shù)的培訓(xùn)力度,普及節(jié)水灌溉的理念。當(dāng)?shù)剡^去農(nóng)業(yè)灌溉以漫灌為主,水資源利用效率低,近年來推廣滴灌技術(shù),實(shí)施“漫改滴”工程措施,但大多數(shù)農(nóng)戶以傳統(tǒng)漫灌理念應(yīng)用滴灌技術(shù),這導(dǎo)致當(dāng)?shù)亍奥牡巍惫?jié)水效果不明顯,地下水利用效率依舊很低。

(2)增加地下水的補(bǔ)給。在生活區(qū)和工業(yè)區(qū)通過增加綠化面積、道路和建筑物滲透面積等措施增強(qiáng)雨水滲透對地下水的補(bǔ)給。在農(nóng)田區(qū)域可以通過人工引導(dǎo)、水井、井田等方式,將雨季水通過淺層地下水的滲透加固留存在地下[12]。

(3)嚴(yán)格管理地下水開采。通過建立地下水開采許可制度和配額制度,管控井場密度,合理規(guī)劃地下水開采量和利用方式,避免過度開采和濫用地下水資源,提高地下水利用效率,降低地下水下降速度。