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        葉爾羌河流域地下水動態(tài)變化研究

        2024-03-22 09:15:00余姣
        東北水利水電 2024年3期
        關(guān)鍵詞:巴楚用水量變化

        余姣

        (新疆維吾爾自治區(qū)塔里木河流域喀什管理局,新疆 喀什 844700)

        西北干旱區(qū)降雨量少,綠洲水資源屬于重要的水源,但由于地表水的影響,綠洲水資源供應(yīng)缺乏穩(wěn)定性,人們將開采地下水作為補(bǔ)充水資源空缺的重要途徑。因生產(chǎn)需要,地下水開采量持續(xù)增加,地下水埋深加大,現(xiàn)狀水文條件日益變差,地表植被覆蓋率降低,影響生態(tài)平衡。部分地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)存在過度灌溉的情況,致使局部地下水位升高,而西北地區(qū)氣候干燥,水資源蒸發(fā)量大,隨時間推移而出現(xiàn)愈發(fā)明顯的土壤鹽漬化現(xiàn)象,破壞自然生態(tài)環(huán)境及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件。基于此,深入研究地下水埋深變化的主導(dǎo)因素具有重要意義。

        1 研究背景

        葉爾羌河流域灌區(qū)地下水資源量約為32.58×108m3,地下水的供應(yīng)量約為11.40×108m3。研究區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以井渠結(jié)合灌溉方式為主,此次對區(qū)域內(nèi)地下水動態(tài)變化的研究基于3 個具有代表性的子灌區(qū)進(jìn)行,即莎車子灌區(qū),地表水資源豐富,境內(nèi)有產(chǎn)流,屬于徑流出山口后的首個灌區(qū);巴楚子灌區(qū),境內(nèi)不產(chǎn)流,地表水資源以引水的方式為主,所處位置距出山口較遠(yuǎn);麥蓋提子灌區(qū),境內(nèi)不產(chǎn)流,但相比巴楚子灌區(qū)而言擁有更加良好的地理位置優(yōu)勢。

        2 研究方法

        2.1 敏感性分析法

        研究數(shù)據(jù)選取流域內(nèi)2006—2017 年的地下水位埋深數(shù)據(jù)及其影響因子間的敏感系數(shù),經(jīng)過分析、對比后,從各項(xiàng)影響因子中選取對地下水位埋深較敏感的部分[1]。敏感性分析的計算公式:

        式中:ε為影響因子的敏感系數(shù),ε為負(fù)表明影響因子的增加將導(dǎo)致GWD的減小,ε為正表明影響因子的增加將導(dǎo)致GWD的增加,ε的絕對值越大則敏感性越強(qiáng);F,GWD分別為影響因子和地下水埋深的多年平均值;Fi為某一影響因子序列的第i個值;GWDi為地下水埋深序列的第i個值。

        2.2 相對貢獻(xiàn)率

        各影響因子對地下水埋深的貢獻(xiàn)率可通過相對貢獻(xiàn)率予以反映,并根據(jù)此項(xiàng)指標(biāo)確定地下水埋深的主導(dǎo)因素。首先對影響因子做標(biāo)準(zhǔn)化處理,避免分析對象量綱、范圍表現(xiàn)不一的情況,再用多元線性回歸分析的方法確定相對貢獻(xiàn)率,根據(jù)此項(xiàng)數(shù)據(jù)判斷各項(xiàng)影響因子的影響程度[2]。相對貢獻(xiàn)率計算方法:

        式中:GWDO為地下水埋深標(biāo)準(zhǔn)化值;b0—b5為影響因子對應(yīng)的回歸系數(shù);Q,P,G,ETa,K分別為出山口年徑流量、降水量、地表水灌溉用水量、實(shí)際蒸散發(fā)及地下水開采量的標(biāo)準(zhǔn)化值;ηi為影響因子變化對GWD變化的相對貢獻(xiàn)率。

        3 結(jié)果分析

        3.1 地下水埋深的時空變化特征

        為直觀分析,利用泰森多邊形建立多邊形網(wǎng)格,對比分析各子灌區(qū)多個年份的地下水埋深,從而判斷其時空變化特征,具體如圖1所示。根據(jù)圖1可知,流域內(nèi)東北部的地下水埋深大于西南部,總體上地下水埋深呈波動加深的變化趨勢。地下水埋深變化速度最快的是巴楚子灌區(qū),以0.130 m/a的速度加深,其中又以北部(下游)最為明顯,原因在于所處位置為葉爾羌河下游,河水補(bǔ)給量較上游明顯減少,且缺乏灌溉下滲補(bǔ)給,因此,相比農(nóng)田灌溉地區(qū)而言,此處的地下水深埋更大。其他兩個子灌區(qū)雖然也有地下水埋深變化,但幅度較少[3],其中,莎車子灌區(qū)的地下水埋深變化速度最慢,為0.090 m/a,麥蓋提子灌區(qū)的地下水埋深變化速度為0.110 m/a。莎車和麥蓋提子灌區(qū)的位置集中在流域灌區(qū)上游,由于區(qū)位優(yōu)勢,可獲得更加充足的水源,因此,水資源穩(wěn)定性相對良好,地下水埋深僅以較慢的速度變化,總體變幅不明顯[4]。

        圖1 葉爾羌河流域地下水埋深的時空變化

        2006—2010 年,葉爾羌河灌區(qū)地下水埋深增速約為0.165 m/a,2011 和2012 年埋深略有回升,但后續(xù)多年仍繼續(xù)加深,速度約為0.300 m/a。2004 年以來,山區(qū)來水量呈減少的變化趨勢,區(qū)域內(nèi)可使用的地表水灌溉用水量降低,且自2013 年以來,由于歷年地下水開采量的持續(xù)增加,之后的地下水埋深增速加大,尤其是相比2010 年以前有大幅度的增加[5]。

        3.2 地下水埋深的年內(nèi)變化特征

        本文以年內(nèi)地下水埋深距平為重點(diǎn)研究指標(biāo),探尋各子灌區(qū)該指標(biāo)一年內(nèi)的變化特征,如圖2 所示。根據(jù)圖2 可知,巴楚子灌區(qū)地下水埋深變化最大的是3—6 月,呈遞增趨勢,7 月至次年2 月呈減小的變化趨勢;麥蓋提子灌區(qū)地下水位埋深的最小、最大月份及變化趨勢與巴楚子灌區(qū)類似;莎車子灌區(qū)年內(nèi)的地下水埋深距平變化相對復(fù)雜,其中,地下水埋深最小的是1 月,最大的是6月,地下水埋深在一年內(nèi)經(jīng)過多次增減,呈雙峰形狀。綜上,月平均地下水埋深最大的月份為6,7月,5—11 月地下水埋深超過年內(nèi)平均值,12 月至次年5 月小于年內(nèi)平均值,出現(xiàn)該變化規(guī)律與灌區(qū)農(nóng)作物生長特性有關(guān),由于5—10 月是農(nóng)作物用水需求的高峰期,因此用水量增加,灌區(qū)的地下水埋深隨之受到影響[6]。

        圖2 地下水埋深距平的年內(nèi)變化

        灌區(qū)生長季為5—10 月,非生長季為11 月—次年4 月,根據(jù)各子灌區(qū)在這兩個時段的地下水位埋深變化,研究地下水埋深與農(nóng)作物生長季節(jié)的聯(lián)系,如圖3 所示。根據(jù)圖3 可知,3 個灌溉區(qū)在生長季和非生長季地下水埋深的變化較小,莎車子灌區(qū)的地下水埋深在這兩個時段僅存在較小的變化,在農(nóng)業(yè)生長季節(jié)對地下水的依賴性不強(qiáng),此現(xiàn)象的出現(xiàn)可能與莎車子灌區(qū)位于葉爾羌河出山口的區(qū)位優(yōu)勢及境內(nèi)產(chǎn)流有關(guān),灌區(qū)內(nèi)地表水供應(yīng)量可觀,可減輕對地下水的依賴程度,而巴楚子灌區(qū)位于流域的末端,缺乏足量且穩(wěn)定的地表水供應(yīng)條件,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高度依賴地下水[7]。

        圖3 灌區(qū)地下水埋深在生長季和非生長季的變化

        4 地下水埋深的影響因素分析

        4.1 敏感系數(shù)分析

        灌區(qū)地下水埋深的影響因子包含降水量、實(shí)際蒸散發(fā)、年徑流量、地下水開采量及地表水灌溉用水量,此處根據(jù)敏感系數(shù)分析地下水埋深與各影響因子的敏感性關(guān)系,如表1 所示。

        表1 灌區(qū)地下水埋深對不同影響因子的敏感系數(shù)

        由表1 可知,莎車、麥蓋提子灌區(qū)地下水埋深對各影響因子的敏感程度一致,由低到高:降水量、地下水開采量、年徑流量、地表水灌溉用水量、實(shí)際蒸發(fā)量,灌區(qū)地下水埋深對降水量的敏感性最弱,對實(shí)際蒸發(fā)量的敏感性最強(qiáng);巴楚子灌區(qū)地下水埋深對各影響因子的敏感程度由低到高:年徑流量、降水量、地下水開采量、實(shí)際蒸發(fā)量、地表水灌溉用水量,地下水埋深對年徑流量的敏感性最弱,對地表水灌溉用水量的敏感性最強(qiáng)[8]。

        各子灌區(qū)地下水埋深對影響因子的敏感強(qiáng)弱關(guān)系存在差異,但總體上降水量與徑流的敏感性較弱、實(shí)際蒸發(fā)量的敏感性較強(qiáng),這與子灌區(qū)的氣候條件及區(qū)位條件有密切的關(guān)聯(lián)。葉爾羌河流域地處西北內(nèi)陸,具有降雨量少、干燥的氣候特征,年降水量不足60 mm,蒸發(fā)量約為2 200 mm,流域內(nèi)僅有的少量降水于短時間內(nèi)快速蒸發(fā),降水難以下滲至土壤中,因此,地下水埋深基本不受降水的影響,蒸發(fā)量才是影響地下水埋深的重要因素。

        4.2 貢獻(xiàn)率分析

        本文通過多元線性回歸法分析降水量、實(shí)際蒸散發(fā)、年徑流量、地下水開采量、地表水灌溉用水量等影響因子對地下水埋深變化的貢獻(xiàn)率,確定主導(dǎo)因素。各子灌區(qū)影響因子的貢獻(xiàn)率如表2所示。

        表2 影響因子對地下水埋深變化的貢獻(xiàn)率 %

        根據(jù)表2 可知,莎車子灌區(qū)地表水灌溉用水量對地下水埋深的貢獻(xiàn)最大;對于麥蓋提子灌區(qū)、巴楚子灌區(qū),對地下水埋深變化影響最大的均是地下水開采量,同時,地表水灌溉用水量對麥蓋提子灌區(qū)的地下水埋深也有明顯的影響;由于地區(qū)水資源蒸發(fā)量大,降水量對3 個子灌區(qū)的影響均較小,可忽略不計[9]。

        麥蓋提和巴楚子灌區(qū)地下水開采量對地下水埋深的影響超過莎車子灌區(qū),此現(xiàn)象的出現(xiàn)可能與葉爾羌河流域的區(qū)位條件有關(guān),莎車子灌區(qū)的地表水資源相對充足,地下水可獲得源自于地表水灌溉用水的補(bǔ)給,緩解因地下水開采而引起埋深過度增加的現(xiàn)象,使得莎車子灌區(qū)的地下水埋深增加速度減小。相較而言,麥蓋提和巴楚子灌區(qū)位于綠洲的中下部分,地下水雖然可獲得部分地表水的補(bǔ)給,但僅有少部分的水流入子灌區(qū),難以獲得足量的地表水灌溉用水量,使得當(dāng)?shù)匦璐罅块_采地下水以滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的用水需求,開采量的增加和補(bǔ)給量的減少導(dǎo)致麥蓋提、巴楚子灌區(qū)的地下水埋深更大[10]。

        5 結(jié)語

        自2007 年以來,各子灌區(qū)陸續(xù)啟用地下管道和滴灌設(shè)施,以達(dá)到節(jié)約水資源的目的。然而,由于地表水中含有較多泥沙,并不適用于這兩種節(jié)水設(shè)施,因此,還需采用地下水來補(bǔ)充水資源,莎車和麥蓋提子灌區(qū)的渠井用水系數(shù)顯著減少,從側(cè)面反映了對地下水利用量的增加。從提高水資源利用率的角度來看,高效節(jié)水設(shè)施起著不可忽視的作用,應(yīng)根據(jù)研究成果采取地下水保護(hù)措施和水資源高效利用措施,制定符合長期水資源發(fā)展的利用規(guī)劃,同時,準(zhǔn)確測定地下水開采閾值,這是兼顧水資源開發(fā)利用和水資源保護(hù)的重要前提,需進(jìn)行重點(diǎn)研究。

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