摘 要:為探究黑河中游耕地面積變化與節(jié)水灌溉影響下地表水耗水及地下水動(dòng)態(tài)演變特征,基于1985—2022 年黑河鶯落峽、正義峽水文站實(shí)測(cè)徑流量月數(shù)據(jù)和中游地區(qū)49 眼地下水觀測(cè)井埋深月數(shù)據(jù),結(jié)合對(duì)節(jié)水灌溉的實(shí)地調(diào)研結(jié)果,利用統(tǒng)計(jì)分析等方法,分析了地表水耗水和地下水埋深對(duì)耕地面積變化與節(jié)水灌溉的響應(yīng)。結(jié)果表明:耕地面積變化、節(jié)水灌溉和水量統(tǒng)一調(diào)度多重影響下,黑河中游地表水耗水量略有下降;黑河中游地下水埋深總體呈增大趨勢(shì),擴(kuò)耕較大的大滿灌區(qū)東南部與東北部及友聯(lián)灌區(qū)中部地下水埋深明顯增大;不同灌溉方式對(duì)地下水埋深也有較大影響,河灌區(qū)地下水埋深隨地表水入滲補(bǔ)給量變化,井灌區(qū)和混灌區(qū)地下水埋深隨地下水開采量變化。
關(guān)鍵詞:地表水耗水;地下水埋深;耕地面積變化;節(jié)水灌溉;黑河中游
中圖分類號(hào):P641 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A doi:10.3969/ j.issn.1000-1379.2024.08.019
引用格式:張震域,唐娜,吳彥昭,等.黑河中游耕地變化與節(jié)水灌溉對(duì)地表耗水與地下水的影響[J].人民黃河,2024,46(8):104-109.
近年來,我國(guó)耕地開發(fā)向西部轉(zhuǎn)移,在全國(guó)耕地面積持續(xù)減少的情況下,西北干旱區(qū)黑河流域中游耕地面積具有逆向變化的特點(diǎn)[1] ,1985—2022 年黑河中游耕地面積以1 500 hm2 / a 的速度擴(kuò)張[2] 。黑河中游集中了黑河流域90%以上的人口和耕地[3] ,是我國(guó)第一個(gè)節(jié)水型社會(huì)建設(shè)試點(diǎn)地區(qū)。黑河中游灌區(qū)灌溉是該地區(qū)用水主體,長(zhǎng)期占有90%以上的用水份額[4] ,對(duì)區(qū)域水資源管理非常重要。黑河流域于2000 年開始實(shí)施水量統(tǒng)一調(diào)度,限制地表水引取,隨著中游擴(kuò)耕與節(jié)水灌溉政策的逐步實(shí)施,地表水耗水與地下水埋深發(fā)生了變化。研究該區(qū)域地表水耗水、地下水動(dòng)態(tài)變化,對(duì)灌區(qū)水資源合理分配、黑河中游農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。
諸多學(xué)者從不同角度對(duì)不同區(qū)域地表水、地下水動(dòng)態(tài)變化及分布進(jìn)行了研究。閆佰忠等[5] 以年降水量、地下水開采量、人口、GDP 等數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),探究了石家莊滹沱河山前沖洪積扇地下水動(dòng)態(tài)演變特征及其影響機(jī)制;楊舒雅等[6] 采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)理論分析了深度節(jié)水改造后沈?yàn)豕鄥^(qū)地下水動(dòng)態(tài)變化,研究表明節(jié)水后區(qū)域地下水埋深增大;張小清等[7] 通過分析塔里木河不同時(shí)段的耗水情況,提出了該地區(qū)的水量分配策略;李江等[8] 基于景觀單元對(duì)黑河中游地下水位變化進(jìn)行了研究;米麗娜等[9] 通過1985—2013 年黑河中游地下水位動(dòng)態(tài)變化研究,指出黑河中游地下水系統(tǒng)處于嚴(yán)重負(fù)均衡狀態(tài);劉芬等[10] 分析張掖盆地地表水-地下水系統(tǒng)同位素特征發(fā)現(xiàn),綠洲農(nóng)田灌溉嚴(yán)重影響地下水與河水之間的轉(zhuǎn)換,導(dǎo)致地下水補(bǔ)給地表水增加;馮嘉興等[11] 探究了黑河地下水環(huán)境變化及其成因,指出出山徑流量與人類活動(dòng)是地下水變化的重要影響因子。
有關(guān)學(xué)者分析了土地利用[12-13] 、流域調(diào)水[14] 等對(duì)黑河中游徑流的影響,不同灌溉方式[15] 、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人類活動(dòng)[16] 、水利工程運(yùn)行[17] 等對(duì)黑河中游地下水埋深的影響。本文基于統(tǒng)計(jì)分析等方法, 利用1985—2022 年黑河中游地表徑流、地下水埋深、耕地面積等數(shù)據(jù),結(jié)合節(jié)水措施實(shí)地調(diào)研結(jié)果,研究黑河中游地表水耗水和地下水埋深時(shí)空變化規(guī)律,以期為黑河水資源優(yōu)化配置和黑河中游農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支撐。
1 研究區(qū)概況
本研究區(qū)域位于甘肅河西走廊中部黑河流域中游,行政區(qū)劃包括張掖市甘州區(qū)、臨澤縣和高臺(tái)縣。研究區(qū)南部為祁連山區(qū),海拔1 800~2 300 m;北部為黑河沿岸龍首、合黎山地,海拔1 400~1 500 m。黑河中游屬溫帶大陸性干旱氣候區(qū),多年平均降水量約140mm,多年平均水面蒸發(fā)量約2 050 mm。黑河中游灌區(qū)主要沿黑河干流和支流梨園河分布,本次主要分析黑河和梨園河涉及的灌溉區(qū)域,共有13 個(gè)大中型灌區(qū),見圖1。黑河中游灌區(qū)灌溉方式較為復(fù)雜,有井灌區(qū)、河灌區(qū)和井河混灌區(qū)等多種灌溉方式,如:盈科灌區(qū)南部為河灌區(qū),北部為井河混灌區(qū);大滿灌區(qū)以河灌為主,井灌為輔;鴨暖灌區(qū)、平川灌區(qū)在高效節(jié)水實(shí)施前采用襯砌渠道地表水漫灌方式,高效節(jié)水實(shí)施后,在地表水引水量不足的情況下采用地下水滴灌方式補(bǔ)充灌溉。地下水較地表水易于凈化,除了取地表水便利的區(qū)域,大多數(shù)高效節(jié)水灌溉水源為地下水。黑河中游地區(qū)地下水的主要排泄途徑是扇緣泉水溢出、潛水蒸發(fā)及向黑河排泄,主要補(bǔ)給源為河水滲漏、山前側(cè)向補(bǔ)給、平原區(qū)降水補(bǔ)給以及灌溉入滲補(bǔ)給等。
2 數(shù)據(jù)來源與研究方法
基于Yang 等[2] 構(gòu)建的年度中國(guó)土地覆蓋數(shù)據(jù)集(CLCD),利用ArcGIS Pro 提取研究區(qū)1985—2022 年逐年耕地面積數(shù)據(jù),并將提取結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、匯總。水文數(shù)據(jù)包括1985—2022 年鶯落峽、正義峽水文站地表徑流量月數(shù)據(jù)和49 眼地下水觀測(cè)井的地下水埋深月數(shù)據(jù),均來自甘肅省水文站。
耕地灌溉節(jié)水情況來源于《甘肅省水資源公報(bào)》《張掖市高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)規(guī)劃(2021—2030 年)》和文獻(xiàn)資料[18-19] ,并通過實(shí)地調(diào)查、與農(nóng)戶訪談等方式獲得灌溉水源、灌溉方式、節(jié)水實(shí)施時(shí)間等信息。至2009 年《黑河流域近期治理規(guī)劃》(以下簡(jiǎn)稱《近期治理》)項(xiàng)目逐步完成,黑河中游主要實(shí)施項(xiàng)目為渠系襯砌和少量高效節(jié)水,限于當(dāng)時(shí)灌溉技術(shù)不成熟和群眾觀念落后,大部分高效節(jié)水項(xiàng)目無法運(yùn)行。2011 年后,隨著黑河中游河西走廊高效節(jié)水灌溉示范區(qū)建設(shè)全面啟動(dòng),高效節(jié)水得到了長(zhǎng)足發(fā)展,2012—2018 年黑河中游地區(qū)建設(shè)高效節(jié)水灌溉面積5.78 萬hm2,其中滴灌占比67.77%,其余為管灌和噴灌。2019 年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部組織實(shí)施高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè),進(jìn)行平田整地和規(guī)?;?jié)水灌溉。
采用Excel 和Arcgis Pro 軟件進(jìn)行遙感數(shù)據(jù)提取分析和地表徑流、地下水埋深數(shù)據(jù)整理分析,利用Arc?GIS Pro 軟件地統(tǒng)計(jì)模塊的反距離插值法(IDW)繪制地下水埋深空間分布圖。
為全面分析黑河中游耕地面積變化、節(jié)水灌溉發(fā)展對(duì)地表水耗水、地下水的影響,綜合黑河水量統(tǒng)一調(diào)度時(shí)間和灌區(qū)灌溉水平發(fā)展情況劃定分析時(shí)段,共劃分為1985—1999 年、2000—2010 年、2011—2022 年3個(gè)時(shí)段: 1985—1999 年為黑河水量統(tǒng)一調(diào)度前;2000—2010 年為《近期治理》工程實(shí)施完成階段,其中2000 年開始實(shí)施黑河水量統(tǒng)一調(diào)度,2001 年開始實(shí)施流域《近期治理》工程,至2009 年逐步實(shí)施完成;2011—2022 年為逐步實(shí)施高效節(jié)水階段。
3 結(jié)果與分析
3.1 黑河中游灌區(qū)耕地面積變化情況
1985 年以來黑河中游13 個(gè)灌區(qū)耕地面積總體處于增加趨勢(shì),由1985 年的17.198 萬hm2 增加到2022年的22.887 萬hm2,增幅為33.08%。黑河中游各個(gè)縣區(qū)灌溉面積大多增大,其中:耕地面積增加最多的為甘州區(qū),1985—2022 年增加耕地約2.505 萬hm2,增幅25.58%,主要集中在大滿灌區(qū),離河道較遠(yuǎn)的荒草地、未利用地也逐漸被開墾為耕地;其次為臨澤縣,增加耕地約1.625 萬hm2,增幅38.2%,主要集中在鴨暖灌區(qū)和梨園河灌區(qū);高臺(tái)縣耕地面積增加最少,為1.578 萬hm2,增幅50.42%,主要集中在友聯(lián)灌區(qū);中游只有盈科灌區(qū)灌溉面積有所減少,是城市和濕地?cái)U(kuò)展擠占耕地所致。
與1985 年相比,1999 年耕地面積增幅為2.57%,1985—1999 年處于黑河水量統(tǒng)一調(diào)度和《近期治理》實(shí)施前,灌區(qū)灌溉采用漫灌方式,耕地面積緩慢增加,增速為293 hm2 / a;2000—2010 年耕地面積增幅為12.92%,該時(shí)段《近期治理》工程逐漸完成,灌區(qū)渠系進(jìn)行了大規(guī)模襯砌,灌溉條件提升,黑河中游荒草地、未利用地不斷被開發(fā)為耕地,灌溉面積顯著增加,增速為2 207 hm2 / a; 2011—2022 年耕地面積增幅為11.1%,該時(shí)段隨著中游節(jié)水型社會(huì)建設(shè)和高效節(jié)水農(nóng)業(yè)逐步發(fā)展,灌溉技術(shù)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力明顯提升,大片荒草地、未利用地被開墾為耕地,耕地面積明顯增加,增速為1 907 hm2 / a。
3.2 黑河中游地表水耗水量變化情況
除梨園河外,黑河中游基本無區(qū)間地表徑流加入,梨園河為梨園河灌區(qū)、沙河灌區(qū)供水,部分水量入黑河干流。鶯落峽、正義峽水文站之間的徑流量差值基本可以反映研究區(qū)地表水耗水量。1985—1999 年、2000—2010 年、2011—2022 年黑河中游年均地表水耗水量分別為7.73 億、7.62 億、7.16 億m3??偭可?,黑河中游地表水耗水量自水量統(tǒng)一調(diào)度后略有下降,見圖2。
黑河中游地區(qū)地表水耗水量占鶯落峽徑流量比例呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)。1985—1999 年、2000—2010 年、2011—2022 年黑河中游地區(qū)地表水耗水量占鶯落峽徑流量比例的均值分別為48.19%、44.07%、35.43%。2014—2020 年鶯落峽徑流量均超過20 億m3,中游地表水耗水量占鶯落峽徑流量比例不到40%,2018—2022 年平均地表水耗水量占鶯落峽徑流量的32.29%。
年均地表水耗水量并沒有隨擴(kuò)耕而增大。黑河中游地區(qū)2022 年耕地面積較2000 年增幅28.81%,而2022 年黑河中游區(qū)間地表水耗水量較2000 年減小2.99億m3,降幅為37.26%。隨著灌溉面積的增加,區(qū)間地表水耗水量有所減少的原因在于:一是實(shí)施《近期治理》工程、高效節(jié)水灌溉措施,提高了研究區(qū)農(nóng)業(yè)水資源利用效率;二是黑河水量統(tǒng)一調(diào)度限制了黑河中游地區(qū)地表水引水量。另外,新增耕地配套渠系投資較大,除少量在現(xiàn)有渠道末端新增的耕地外,大部分新增耕地主要依靠增加地下水灌溉,與黑河干流地表水關(guān)系較小。
3.3 地下水埋深變化分析
3.3.1 地下水埋深動(dòng)態(tài)變化情況
以耕地面積變化較明顯的灌區(qū)為基礎(chǔ),考慮地下水觀測(cè)井與河道的距離及數(shù)據(jù)序列的完整性,選取黑河中游5、15、17、22、24、33、48 號(hào)共7 眼地下水觀測(cè)井分析黑河中游地下水埋深的變化情況,見圖3。
分階段來看, 1985—1999 年、2000—2010 年、2011—2022 年地下水埋深增速分別為0.14、0.04、0.26m/ a。2011—2022 年地下水埋深均值較1985—1999年增大88.01%,最大埋深增大15.43 m,最小埋深增大0.41 m,地下水埋深隨中游擴(kuò)耕和節(jié)水灌溉措施的實(shí)施而增大。2000—2010 年黑河中游地下水埋深出現(xiàn)兩種變化趨勢(shì):耕地?cái)U(kuò)張區(qū)域的大滿灌區(qū)東南部和友聯(lián)灌區(qū)中部地下水埋深持續(xù)增大,增大均值為3.06 m,原因是擴(kuò)耕和中游限制引水導(dǎo)致大量開采地下水灌溉;黑河干流沿岸區(qū)域、離濕地較近區(qū)域地下水埋深減小,減小約1 m,這與米麗娜等[9] 的研究結(jié)果一致。
隨距河岸距離的增加,地下水埋深增大。1985—2022 年,距離河道遠(yuǎn)且近年周邊耕地?cái)U(kuò)張的22 號(hào)觀測(cè)井地下水埋深顯著增大;距離河道較遠(yuǎn)且在原有耕地范圍的5 號(hào)觀測(cè)井地下水埋深明顯增大;33 號(hào)觀測(cè)井位于河汊內(nèi)原有耕地范圍內(nèi),地下水埋深變幅最小。2017 年之后,5、15、17、24、33、48 號(hào)觀測(cè)井地下水埋深突增,可能是近幾年實(shí)施大規(guī)模平田整地、高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)所致。
研究區(qū)典型年份地下水埋深分布見圖4,甘州區(qū)大滿灌區(qū)東南邊緣灌域地下水埋深較大,達(dá)65 m;高臺(tái)縣友聯(lián)灌區(qū)(井灌較多)在擴(kuò)耕和節(jié)水灌溉的雙重影響下產(chǎn)生地下水降落漏斗,2022 年漏斗中心地下水埋深較2011 年增大了15 m 左右;臨澤縣板橋、平川灌區(qū)處于河道轉(zhuǎn)向地帶,主要采用河水灌溉,灌溉水補(bǔ)給地下水,地下水埋深普遍較小。擴(kuò)耕面積最大的甘州區(qū),除盈科灌區(qū)北部(泉水溢出帶、混灌區(qū))外,其余擴(kuò)耕地區(qū)和采取河水滴灌區(qū)域地下水埋深增大,原因是實(shí)施高效節(jié)水灌溉措施后,地表水補(bǔ)給地下水減少,以及因限制地表引水而大量開采地下水所致。大滿灌區(qū)1989 年地表水引水量為1.95 億m3,2021 年為1.20億m3,減少了0.75 億m3,相應(yīng)地,地下水開采量由0.03億m3 增加到0.87 億m3,增加了0.84 億m3。盈科灌區(qū)南部2000 年、2021 年地表水引水量分別為2.17億、0.47 億m3,減小幅度為78.34%;地下水開采量分別為1.03 億、0.52 億m3,減小幅度為49.51%,在大量耕地被建設(shè)用地?cái)D占和灌區(qū)引水量減小的背景下,盈科灌區(qū)自2000 年以后13 m 以上地下水埋深區(qū)域卻顯著增加,這可能是地表水補(bǔ)給地下水量減小所致。
3.3.2 不同灌溉方式下地下水埋深變化情況
1)河灌區(qū)地下水埋深變化。選擇5、8、13、16、18號(hào)等16 眼位于河灌區(qū)的觀測(cè)井,分析河灌區(qū)地下水埋深變化。河灌區(qū)年內(nèi)地下水埋深變幅不大,年內(nèi)地下水埋深變幅最大為0.35 m。1985—2022 年河灌區(qū)年均地下水埋深整體呈增大趨勢(shì),見圖5(a)。1999—2010 年地下水埋深增速為0.03 m/ a,2011—2022 年地下水埋深增速為0.05 m/ a。33 號(hào)觀測(cè)井為河灌區(qū)的典型井,離擴(kuò)耕區(qū)較遠(yuǎn),周邊耕地2016 年之前為地表水漫灌,之后為地表水滴灌。2016 年之前地下水埋深變幅不大,呈穩(wěn)定狀態(tài),1985—2016 年地下水埋深增速小于0.01 m/ a;2016—2022 年地下水埋深增速為0.20m/ a,高效節(jié)水后地表水補(bǔ)給地下水量減少,地下水埋深增大。典型年33 號(hào)觀測(cè)井地下水埋深見圖5(b)。
2)井灌區(qū)地下水埋深變化。選擇6、9、14、17、19號(hào)等13 眼位于井灌區(qū)的觀測(cè)井,分析井灌區(qū)年內(nèi)地下水埋深變化。井灌區(qū)年內(nèi)地下水埋深變幅較大,年內(nèi)變幅均值為1.47 m,年內(nèi)地下水埋深最大值的均值為9.29 m,出現(xiàn)在灌溉用水高峰期8 月;地下水埋深最小值的均值為7.82 m,出現(xiàn)在非灌溉期及冬灌結(jié)束的2月。1985—2022 年井灌區(qū)地下水埋深整體呈增大趨勢(shì),見圖6(a)。目前依然存在開采地下水灌溉的漫灌區(qū),主要分布在離河道較遠(yuǎn)的區(qū)域。9 號(hào)觀測(cè)井為井灌區(qū)的典型井,處于非擴(kuò)耕區(qū)域,2010 年開始采取地下水滴灌,主要種植蔬菜且全年多輪次灌溉,1985—1999 年周邊耕地為地下水漫灌,抽取水量大,該階段地下水埋深增大;2000 年后隨著《近期治理》和高效節(jié)水實(shí)施,地下水開采量減少,地下水埋深有所減小,見圖6(b)。
3)混灌區(qū)地下水埋深變化。選擇10、11、41 號(hào)3眼位于混灌區(qū)的觀測(cè)井,分析混灌區(qū)地下水埋深變化。10、11 號(hào)觀測(cè)井處于黑河中游中段,距離河道均約1.5km,周邊耕地采取以地表水灌溉為主、地下水灌溉為輔的灌溉方式,年內(nèi)地下水埋深基本處于穩(wěn)定狀態(tài),1985 年、1999 年、2010 年、2022 年年內(nèi)地下水埋深變幅均值分別為0.81、0.20、0.29、0.44 m;1985—2022 年30 多a 地下水埋深均值增大0.81 m,見圖7(a)。41號(hào)觀測(cè)井處于原有耕地區(qū)與擴(kuò)耕區(qū)過渡帶,距離河道約21 km,年內(nèi)地下水埋深基本處于穩(wěn)定狀態(tài);1985—2022 年地下水埋深持續(xù)增大,1985—1999 年地下水埋深增速為0.41 m/ a,2000 年后黑河中游地區(qū)限制地表引水及擴(kuò)耕后,在地表水供水不足的情況下,加大地下水開采量補(bǔ)充灌溉,1999—2010 年地下水埋深增速為0.85 m/ a,見圖7(b)。
4 結(jié)論
耕地面積和灌溉方式變化會(huì)引起灌溉用水量變化,進(jìn)而影響灌區(qū)地表水耗水量和地下水埋深。自2000 年黑河水資源統(tǒng)一管理和水量統(tǒng)一調(diào)度后,黑河中游灌溉面積持續(xù)擴(kuò)大,擴(kuò)耕范圍主要位于綠洲邊緣與荒草地、未利用地交界區(qū)域。在耕地變化、高效節(jié)水及水量統(tǒng)一調(diào)度多重影響下,黑河中游地表水耗水量略有下降。黑河中游地下水埋深總體呈增大趨勢(shì),地下水埋深變化具有明顯階段性,擴(kuò)耕較大的大滿灌區(qū)東南部與東北部及友聯(lián)灌區(qū)中部地下水埋深明顯增大;不同灌溉方式對(duì)地下水埋深也有較大影響,河灌區(qū)地下水埋深隨地表水入滲補(bǔ)給量變化,井灌區(qū)和混灌區(qū)地下水埋深隨地下水開采量變化。
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【責(zé)任編輯 呂艷梅】