洛惠渠灌区地下水电导率特征分析

2012-09-05郭效丁魏永强

地下水 2012年5期

关键词：井点小波电导率

李瑛，郭效丁，魏永强，宋玮

(1.陕西省渭南市洛惠渠管理局，陕西渭南 715100;2.武警工程大学军事经济系，陕西西安 710086;3.山东省水利勘测设计院，山东济南 250013)

洛惠渠灌区地下水电导率特征分析

李瑛1，郭效丁2，魏永强1，宋玮3

(1.陕西省渭南市洛惠渠管理局，陕西渭南 715100;2.武警工程大学军事经济系，陕西西安 710086;3.山东省水利勘测设计院，山东济南 250013)

分析灌区上层含水层的电导率分布特征，发现灌区高盐区和中盐区大部分分布在灌区中部和北部45#附近，水位均低于5 m的地区。但个别井点水位埋深很大，电导率很高，其地下水盐化并不是由于水位过高引起的。利用76#连续监测资料采用小波方法分析其水位与电导率的关系，得出水位变化与电导率相反的结论，为确定其变化机理，监测不同深度下的电导率值，结果得出灌区地面以下富集有大量的可溶性盐类，推断灌区地下水分层广泛存在于灌区。依据地下水分层现象和上层含水层电导率分布状况，为灌区地下水盐碱化过程研究和井渠联合灌溉提供科学依据。

洛惠渠;地下水位;电导率;Morlet小波

耕地是国家稳定和社会经济发展的基础，也是人类赖以生存和发展的生命线。因此，耕地资源在自然资源中占有非常重要的地位。我国西北干早地区，由于干早少雨，水资源匾乏，生态环境极为脆弱，以及不合理的农业灌溉方式，使得土壤大面积发生盐碱化或次生盐碱化。而洛惠渠灌区自从上世纪五六十年代以来，一直采用大水漫灌的方式进行灌溉，灌溉水有效利用率低［1］，灌区盐碱地面积迅速增加。通过最近几十年大规模的治理(修建排水设施)，灌区地下水位大幅度下降，盐碱化得到有效防治，使灌区的生产得到有效恢复和提高。但在最近几年中，灌排设施老化破损严重，部分地区的盐碱化重现。近几年来，研究人员从不同角度对灌区地下水运动特征［2－3］、土壤剖面盐分分布［4］等进行了研究，为灌区地下水盐碱化过程研究和调控技术提供了科学依据。本文从揭示灌区地下水盐特性出发，依据实地采集到的数据深入研究了地下水盐动态特征，对分析整个灌区水盐运移及土壤盐化进程有重要的作用，为灌区地下水盐碱化过程研究和调控技术提供科学依据。

1 试验材料与方法

1.1 灌区概况

洛惠渠灌区位于陕西关中平原东部渭洛河阶地，属渭南市大荔县，东接黄河滩，西至卤泊滩钟家寨，北临韦庄、蒲城二塬，南隔洛河，面积约320 km2。灌区属温带大陆性半干旱气候区，年平均降雨量为484 mm，年平均蒸发量1 690 mm。灌区地下水补给来源主要是降雨和引水灌溉，其次是塬区潜水和微承压水。受地形变化影响，整个灌区地下水流向与地面坡度基本一致，自西北向东南，出露于河谷，最终汇入盐湖或流入黄河滩。灌区灌溉系统在原汉朝龙首渠基础上兴建，从北洛河状头引水，沿洛河东岸，穿山越沟至义井分水闸，沿三条干渠东、中、西进行灌溉。同时灌区为了解灌水前后和用水期间的地下水位变化情况，1951年开始陆续设置观测井，目前可利用井点有60眼。灌区灌渠和观测井点的分布情况如图1。灌区从开灌以来，到上世纪八十年代末，作物以小麦、玉米和棉花为主，三者的面积之和占总种植面积的85%以上;上世纪九十年代以后，灌区的作物种植结构发生较大变化，小麦，玉米等粮食作物种植面积逐渐减小，棉花和果树的种植面积不断增大。

图1 灌区灌渠和观测井分布图

1.2 研究方法与内容

根据60个观测井观测数据来分析地下水水盐分布特征，水样取至水面下2 m处，测量其水位、水温、电导率、pH值。同时根据灌区各个观测井的水盐特征，课题组选定102#，45#，76#井等作为长期定位观测井。2007年，在 76#井设置地下水位自动记录仪 CTD－Diver进行自动观测。对地下水埋深、电导率、温度指标进行数据采集，时间间隔为天。根据76#自动监测资料，结合相应时间段内的日降雨量，采用Morlet小波［5－13］分析观测井地下水位及其与电导率周期变化规律。根据各自周期变化规律，对两者在同一尺度下演变趋势进行对比分析。在垂直方向上，分析45#，34#电导率随深度的变化。

2 结果分析

2.1 灌区地下水电导率分布特征

根据60个井点观测资料，绘制了灌区电导率等值线图，见图2。按电导率值大小将灌区地下水分为高盐区(8 ds/m＜EC)、中盐区(4 ds/m ＜EC≤8 ds/m)、低盐区(EC≤4 ds/m)。高盐区占所测样点数的8%，主要位于灌区中部盐湖附近102#、70#和灌区北部45#和76#点。灌区淋溶下的盐分通过排水系统汇集到盐湖，加之强烈的蒸发，使得这盐湖地区地下水电导率偏高，最大值达20.2 ds/m。45#位于第二阶地后缘凹槽内。三阶地的灌溉排水大量向这里汇集，地下水位常年保持在1 m左右，电导率值为16.6 ds/m。76#位于灌区东北部灌渠旁，水位虽然在9.89 m，电导率很高，为9.04 ds/m。类似76#水位埋深很大，电导率很高的井点还包括大荔县城东南方向 41#，水位 10.97 m，电导率 7.54 ds/m。

图2 灌区地下水电导率值分布

中盐区占所测样点数的20%，主要位于灌区中部及中西部地区，包括 33#、34#、37#、38#和 39#。这些井点大多位于中干渠、排干沟和一分渠的交叉位置，渠水渗漏严重，虽然该地区坡度较大，水位依然很高，平均水位为4.3 m。平均电导率值为5.84。低盐区占所测样点数的72%，主要分布在灌区周边地区，南部洛河左岸、东干渠(除45#附近地区)、黄河滩地和西干渠附近地区。这些地区受洛河和灌区下渗补给，水质较好。

根据以上分析，灌区高盐区和中盐区主要分布在灌区中部和北部45#附近，这些地区共同点就是水位较浅，水位都在5 m以内。根据张霞的分析结果［14］，灌区的地下水临界埋深为5 m。因此，灌区应做好这些地区排水工作，控制地下水水位。另外灌区存在个别井点，如76#、41#，其地下水盐化不是由于水位过高造成的。

2.2 灌区76#水位电导率小波分析

图3 电导率、水位和降雨量随时间变化

图3为灌区2007年1月至9月降雨量与76#水位和电导率随时间变化图。根据资料分析，水位变化总的趋势是上升的，在3月份之前，增长相对较慢，在3月—8月份之间，水位迅速上升，8月份以后，水位达到平稳状态。分析原因，76#附近主要种植作物为枣树，由渠水和井水联合灌溉，灌溉时间为12—1月，3—4月，6—8月，灌区 2007年降雨主要集中在3月和5—9月。因此3月之前，水位较慢增长是由于上年12月份冬灌补给。之后进入春灌、夏灌阶段，灌区受灌溉和雨季的影响，水位总的呈上升趋势。进入8月份，随着夏灌结束，水位也达到稳定状态。电导率变化稳定，在均值7.80 ds/m附近波动，变化范围基本在6.95～8.73 ds/m之间。

图4 电导率小波变换

图4是2007年1月1日到9月27日电导率距平变换的Morlet小波变换。图中信号的强弱通过小波系数的大小来表示，等值线颜色越浅，小波系数值越高，电导率越大。相反，等值线颜色越深，小波系数值越低，电导率越低。图中可以看出，在尺度160 d上，周期震荡较为明显，电导率值由低到高再到低，在未来一段时间内仍处于较低值。在尺度60 d上，前期周期变化明显，在第200 d后电导率变化相对平缓，处于上升趋势。可能后期降雨量逐渐增多，补给地下水，使其规律变化不明显。根据计算出的小波系数求出相应尺度的小波方差，计算结果有4个峰值，分别相对应的时间尺度为15，24，63，150 d。图5水位小波变换的等值线图。图中可以看出，最明显的震动周期为110，44 d。小波方差有3个峰值，分别相对应的时间尺度为17，44，110 d。

根据以上分析，电导率变化的主要周期为15，24，63，150 d，水位变化的主要周期为17，44，110 d。在小尺度上，电导率和水位的周期基本相同。在大尺度上，电导率的周期基本为水位周期的一半。因此，本文选择水位的周期17，44，110 d三个尺度上分析电导率与水位变化关系，见图6。

图5 水位小波变换

图6 不同时间尺度水位和电导率的变化趋势

通过图6可以看出，在17 d的尺度上，水位和电导率周期基本相同，但是水位波动较平缓，电导率的振动比较剧烈。且主要发生在前20 d，70～100 d，150～180 d，正好与灌溉时间12—1月，3—4月，6—8月相一致。在大的时间尺度上，76#井水位和电导率有较好的对应关系，水位和电导率变化波形基本相似，演变相位差180°。在44 d的尺度上，水位的变化幅度依然小于电导率，但可以看出，水位变化趋势与电导率相反。在110 d的尺度上，水位变化幅度与电导率基本一致，且水位与电导率变化趋势相反。总之，在较大尺度上，水位和电导率表现出明显的逆相位，水位降低时，电导率值升高;水位升高时，电导率降低。根据41#从2005年至2010年12次的监测数据，电导率变化趋势与76#相同，随着水位降低而增大。

2.3 电导率值随深度变化

为了进一步分析灌区电导率在水位以下随深度的变化，本文选取灌区水深较深的两个井点进行分析，其中45#水深约30 m、34#水深约20 m。每隔2 m采样，测量其电导率值，如图7，图8。从图中可以看出，两个井点电导率值某一深度内都很稳定。45#电导率在水深368～358 m间稳定在16.3 ds/m。34#电导率在水深350～340 m的10 m内一直维持在6.9 ds/m。但是在接着的4 m内，电导率值都有大的突变。45#电导率值由358～354 m内电导率值增加到17.0 ds/m，同样34#在340～336 m内电导率值增加到 19.7 ds/m。之后，电导率值随水深增加变化较小。45#电导率值稳定在17.0 ds/m，34#电导率值稳定在 19.5 ds/m。

图7 45#电导率值随深度的变化

从以上分析可以看出，这两个井点的地下水都存在分层，上层相对淡水层、过渡层、相对盐水层。根据《洛惠渠志》记载，灌区地面以下的古湖沉积物中富集了大量的可溶盐类。在水循环作用下，古湖沉积物中富集的可溶盐上升，致使潜水矿化度偏高。推断灌区地下水分层是古湖沉积物的可溶盐上升造成的。根据05年至今的观测，盐湖水位基本保持在338 m附近，与34#过渡层在同一高度，盐湖的电导率值21.0 ds/m，与34#相对盐水层相近，认为灌区盐湖与地下水相对盐水层相连通。根据小波分析结果，76#井电导率变化与水位变化情况相反，水位下降电导率回升，而水位上升，电导率下降。可能76#井的水位正好位于过渡层，水位稍有变化，电导率在相对淡水层和相对盐水层之间波动。

图8 34#电导率值随深度的变化

灌区灌溉主要由井渠联合灌溉，特别南部地区，降水量少的年份，渠水覆盖不到灌渠下游，农户便就近以井水灌溉，渠道逐渐废弃。从90年代开始，灌区水位逐年下降［15］，根据监测数据，目前灌区埋深大于15 m占监测井点25%，主要位于灌区东部和南地区，最大为104#，埋深27 m。灌区东部和南部受到黄河和洛河的补给，上层淡水层水质较好。但是如果过度开采灌区地下水，不能及时得到淡水补给，必将导致地下水下层盐水层出露，水质迅速盐化。尤其是灌区76#和41#，根据其电导率随水位的变化情况，说明水位可能已经位于过渡层中，应加强注意。因此，灌区应及时修缮灌区南部废弃的渠道，以渠灌为主，做好井渠联合灌溉的调控工作。

3 结论

(1)对灌区上层含水层(水样来自于水面下2 m，故认为其为上层淡水层)的电导率分布特征分析结果表明，灌区高盐区和中盐区大部分分布在灌区中部和北部45#附近，水位均低于5 m的地区。

(2)采用小波方法分析了观测井水位与电导率的关系，发现水位变化与电导率相反，观测井水位不同深度下的电导率值存在分层现象。这可能是76#和41#水位变化与电导率相反的主要原因。

因此，灌区在井渠联合灌溉时，针对灌区不同地区的地下水盐化特征，采用不同灌溉方式或地下水位控制措施。在灌区北部45#附近和灌区中部盐湖附近，调整地表水和地下水的灌水量，加强排水措施，通过控制地下水位，减少土壤和潜水蒸发，保持耕地盐分平衡，防止返盐［16］。在灌区南部和东部地区，地下水埋深较深，为防止过度开采地下水，使水位低于过渡层，相对盐水层出露，造成水质盐化，应加强井渠联合灌溉，修缮渠道，丰水年尽量使用渠水灌溉，补给地下水，而在枯水年，适当使用地下水。注意地下水采补平衡，严格控制地下水的超采。

［1］洛惠渠志编纂委员会.洛惠渠志［M］.西安:陕西人民出版社.1995.

［2］杜中，李占斌，李鹏，等.稳定同位素示踪洛惠渠灌区水盐运动研究［J］.人民黄河.2009，31(2):63－65.

［3］张霞，李占斌，李鹏.洛惠渠灌区地下水动态变化规律研究［J］.西北农林科技大学学报:自然科学版.2007，35(8):223－226.

［4］杜中，刘海波，李占斌，等.洛惠渠灌区土壤剖面盐分分布规律研究［C］//中国水利学会.中国水利学会 2008学术年会论文集(上册).北京:水利水电出版社.2008:485－490.

［5］邵晓梅，许月卿，严昌荣.黄河流域降水序列变化的小波分析［J］.北京大学学报:自然科学版.2006，1(1):1 －7.

［6］王文圣，丁晶，向红莲.小波分析在水文学中的应用研究及展望［J］.水科学进展.2002，13(4):515 －520.

［7］倪林，张国栋，周良超，等.武汉近60年冬季气温和夏季降雨量变化的小波分析［J］.三峡大学学报:自然科学版.2009，31(3):83－88.

［8］邓自旺，尤卫红，林振山.小波变换在全球气候多时间尺度变化分析中的应用［J］.南京气象学院学报.1997，20(10):505－510.

［9］胡增臻，石伟.子波变换在大气科学中的应用研究［J］.大气科学.1997，21(1):58 －72.

［10］秦前清，石伟.实用小波分析［M］.西安:西安电子科技大学出版社.1993.

［11］葛哲学，沙威.小波分析理论与 MATLAB R2007实现［M］.北京:电子工业出版社.2007.

［12］覃军，张录军，胡江林.武汉近百年来气温变化的多时间尺度分析［J］.气象科学.2001，21(2):206－219.