泾惠渠灌区水循环特征及其主要驱动因素研究

王 彩 鸽

(陕西省兴平市水利局， 陕西 兴平 713100)

泾惠渠灌区水循环特征及其主要驱动因素研究

王 彩 鸽

(陕西省兴平市水利局， 陕西 兴平 713100)

摘要：从灌区水循环角度出发，分析研究了泾惠渠灌区水循环特征及其各循环要素的变化特征，结果表明，在人类水事活动的影响下，灌区水循环的路径、强度、结构、参数以及尺度发生了明显的变化；在此基础上运用主成分分析法研究了影响灌区水循环的主要驱动因素，结果表明得出降水量是影响灌区水循环的主要自然因素，田间水利用系数、渠井灌溉用水比例是影响灌区水循环的主要人工因素；在自然因素和人工因素的影响下，灌区水循环特征发生了明显的变化，人工—自然特性明显。

关键词：泾惠渠灌区；水循环；驱动因素；主成分分析

泾惠渠灌区有着悠久的灌溉历史，是典型的渠井结合灌区，渠井结合灌溉对灌区农业的发展和农田生态环境的改善有着其重要的促进作用[1-2]。然而近20多年来随着灌区人类水事活动的影响，灌区水循环特征发生了明显的变化，灌区供需水矛盾突出，地下水无序开发，渠井用水比例严重失调[3-5]，农业生态环境问题突出，严重影响灌区的可持续发展。因此，本文从灌区水循环角度出发，研究灌区水循环特征及其主要驱动因素，对指导灌区水资源的高安全利用具有重要的现实意义。

1研究区概况及研究方法

1.1　研究区概况

泾惠渠灌区(图1)是一个从泾河自流引水的大(Ⅱ)型灌区，地处陕西省关中平原要地，是我国典型的渠井结合双灌区，承担着泾阳、三原、临潼、阎良、富平、高陵六县(区)48个乡镇的农业灌溉任务，素有关中“白菜心”之美誉，位于E108°34′34″—109°21′35″，N34°25′20″—34°41′40″。灌区东西长70 km，南北宽20 km，总面积1 180 km2，现有设施灌溉面积9.69万hm2，有效灌溉面积8.39万hm2。灌区多年平均降水量535 mm，且具有年内分布、年际变化大的特征；灌区多年平均蒸发量1 212 mm。

图1泾惠渠灌区平面图

泾惠渠灌区是典型的渠井结合灌区，灌溉可利用的水资源除天然降水以外，主要是通过渠道引用泾河水和机井开采的浅层地下水，这些水在自然因素和人类灌排活动的影响下循环转化。从水循环转化的可控制性角度看，渠井结合灌区水循环主要体现在一定降水条件下的地表水与地下水之间的转化。因此，分析研究渠井结合灌区水循环特征及主要驱动因素，对灌区水资源的高效开发利用具有指导作用。

1.2　研究方法

主成分分析法是一种降维处理技术的数学变换方法，可以将多个原变量转换为少数新变量，这些新变量尽可能多地保留原来较多变量所反映的信息，其基本原理如下：设有n个水质样本每个样本共有，p个变量描述，这样就构成了一个n×p阶的数据矩阵：

(1)

主成分分析就是将p个观测变量综合成为p个新的变量(综合变量)，新变量是原变量的线性组合，即：

(2)

所确定的综合变量F1，F2，…，Fp，分别称作原变量的第一主成分，第二主成分，…第p主成分，且在总方差中占的比例依次递减。

进行主成分分析的主要计算步骤为：

(1) 根据研究问题选取指标与数据；

(2) 进行指标数据标准化(消除不同指标之间的量纲影响)；

(3) 进行指标之间的相关性判定(确定待分析的原始变量是否适合进行因子分析)；

(4) 确定主成分的个数m；

(5) 确定主成分Fi的表达式；

(6) 进行主成分Fi的命名；

(7) 计算综合主成分值并进行评价与研究。

2渠井结合条件下灌区水循环特征

2.1　灌区水循环系统概化

渠井结合灌溉是人类水事活动的产物，由于灌区可利用的水源除天然降水外，就是能够利用水利工程措施开发利用的地表水和地下水，因此，渠井结合灌区的水循环主要分析灌区尺度上，在一定降水条件下地表水与地下水之间的循环转化，即天然降水、灌溉引水以及侧向补给是灌区水循环系统的主要输入项，而地下水的开采、蒸发及排泄是灌区水循环系统的主要输出项，在自然因素(降水、径流、蒸发)和人工因素(灌溉活动)的影响下相互转化，水分以“取水-引水-用水-排水”的运动过程，形成典型的“人工-自然”复合系统如图2所示。

图2泾惠渠灌区水循环系统概化图

2.2　渠井结合灌区水循环特征

由图2可以看出，渠井结合灌区水循环主要是降水、地表水、地下水之间的循环转化，形成典型的“取水—用水—排水”的循环模式，循环转化的结果主要反映在灌区地下水位的动态变化。灌区浅层地下水(潜水)总补给量主要由五部分构成：一是灌区降水量，降水通过植物截留、径流、最终入渗补给浅层地下水；二是渠系渗漏补给量，由于工程配置的不完备加之渠道老化失修，渗漏严重，渗漏水量通过入渗补给浅层地下水；三是田间入渗补给量，进入田间的灌溉水量，一部分经作物根系被作物利用，另一部分由于重力作用，下渗补给浅层地下水；四是井灌回归水量，用于灌溉的地下水量入渗补给浅层地下水的那部分水量；五是河流的侧向补给，在靠近河流的区域，当河流来水量较丰沛时，河流水位高于地下水位，此时河流将以水平渗漏的形式补给浅层地下水。

灌区地下水总排泄量主要包括三部分：一是农业灌溉用水，由于近年来降水量递减趋势明显，河流来水量减少，同时由于工程配置问题，地表水的引用已经难以满足随种植结构调整引起的需水量的要求，因此，大量的地下水被用于农业灌溉。二是城镇农村生活及工业用水，由于地下水水质较好，开采方便，能够及时迅速的保证供水，因而是灌区主要的饮用水源；三是地下水的侧排，在靠近河流的区域，当枯水期地下水位高于河道水位时，地下水以水平渗漏的形式补给河流。

通过以上分析可以得出，渠井结合灌区的水循环具有如下特征：

(1) 水循环的路径和强度的变化。引水灌溉工程的建设和灌溉方式改变了地表水转化为地下水的路径和强度，改变了降水的天然分配，水循环路径由传统的“降水→补给→径流→排泄”转变为“降水→取水→补给→径流→排泄”[6]；同时，在人类活动的驱动下，灌区水循环强度发生改变，加剧了灌区原有水循环[7-8]。

(2) 水循环结构和参数的变化。在灌区尺度上，灌溉制度、种植结构、地下水的开采强度、地下水位等对灌区蒸散发及地下水入渗补给等产生明显的作用，同时也会影响水文及水文地质参数的变化。

(3) 水循环尺度的变化。在人类水事活动的影响下，区域性大循环减弱而局部小循环增强；水循环主要以垂向水循环为主，且人工水循环加强，而自然水循环减弱。

综上所述，渠井结合灌区可利用的水资源除天然降水外，主要是通过渠道引用的地表水和机井开采的地下水，这些水在自然因素和灌溉、开采的影响下循环转化，其结果最直接地反映便是地下水位动态变化。从灌区水资源可控性的角度看，渠井结合灌区水循环主要体现在一定降水条件下，地下水与地表水之间的转化，其转化的健康与否主要标志为水位动态。因此，以地下水位核心的水循环能够反映灌区降水、引水与地下水之间的转化关系。

2.3　地下水循环要素变化特征

灌区地下水系统输入项(降水入渗补给、渠系渗漏、井灌回归、田间渗漏)和输出项(地下水开采、潜水蒸发、侧向排泄)作为灌区地下水循环的主要构成要素，在自然因素和人为活动的作用下，相互转化，彼此联系，最终表现为地下水位动态变化。

2.3.1地下水补给量的变化

天然降水入渗、渠系渗漏、井灌回归水量以及田间灌溉水入渗水量是灌区主要的补给源，是灌区地下水循环的重要参与者，受自然、人工因素的影响较大。根据已有相关研究[9-10]，20世纪70年代末期到80年代初，灌区主要以地表水灌溉为主，总补给量为3.14亿m3，降水入渗补给量、渠系渗漏补给量、灌溉水入渗补给水量成为灌区主要的补给水量，占总补给量的85%左右；进入21世纪初期，随着灌区用水结构的改变、降水量的减少、地表水引水量的锐减(图3)，灌区补给量较上世纪末期减少45.26%。

2.3.2地下水排泄量的变化

灌区水循环主要以垂向为主，侧向排泄量相对较小，地下水开采和潜水蒸发是灌区地下水的主要排泄方式。20世纪70年代末期到80年代初，灌区地下水总排泄量为3.31亿m3/a，其中地下水人工开采量为1.556亿m3/a。进入21世纪，随着灌区地下水资源的大量开采，地下水位埋深不断增加，超过蒸发极限埋深7 m，水文地质条件的变化，使得灌区潜水蒸发能力减弱，蒸发量在总排泄量中占极小份额，不足总排泄量的10%，因此可忽略不计，灌区地下水排泄量主要以人工开采为主。随着灌区经济社会的发展，地下水人工开采量较20世纪80年代初期增加3.61%，达到1.614亿m3/a。

2.3.3地下水位埋深的变化

根据《陕西省地下水监测》资料，对灌区内21眼观测井的地下水位动态观测数据采用空间插值的方法，绘制了近34年来灌区地下水位埋深变化(图4)。由图4可知，20世纪70年代末期到本世纪初，随着渠井用水比例的下降，灌区地下水位埋深增加趋势明显，由1977年的3.60 m增加到2000年的13.17 m，增幅达到72.66%，平均增速为0.416 m/a。进入21世纪后，随着灌区节水改造的实施，工程调蓄能增加，渠井用水比例呈增加趋势，该阶段灌区地下水位下降速度减缓，2000年—2010年灌区地下水位埋深增加2.19 m，平均增速为0.219 m/a。

图4灌区历年地下水位埋深图

以上分析表明，近30多年来泾惠渠灌区地下水循环受降水、灌溉和开采的影响，地下水位呈显著下降趋势，因此，定量研究灌区降水、地表水(渠水)和地下水(井水)之间的转化关系显得尤为重要。

3影响灌区水循环主要因子筛选

通过灌区水循环系统可以看出，自然因素和人工因素是灌区水循环的主导者，直接决定着灌区水循环的进行，但是在这众多的影响因子中，各因子的影响程度不尽相同。因此，确定影响灌区水循环的主要影响因子，研究其对灌区水循环的影响机理，对充分理解灌区水循环特征，合理开发灌区水资源非常必要。

3.1　灌区水循环要素主成分分析

运用主成分分析法对灌区水循环影响因素进行筛选，提取主要的影响因素。运用软件SPSS 22.0对灌区1995年—2010年的降水量(X1)、蒸发量(X2)、渠首农灌引水量(X3)、地下水开采量(X4)、渠井灌水比例(X5)、田间水利用系数(X6)进行分析研究。灌区历年各影响因素见表1，各主成分系数如表2所示。

表1　灌区历年水循环影响因素

表2　主成分系数表

根据主成分系数值，可得各主成分的表达式如下：

F1=0.222X1-0.436X2+0.116X3-0.526X4+563X5+0.393X6

(3)

F2=-0.622X1+0.107X2+0.672X3+0.215X4+0.238X5+0.219X6

(4)

F3=0.172X1+0.595X2-0.208X3+0.092X4-0.004X5+0.751X6

(5)

F=-0.085X1-0.081X2+0.260X3-1.700X4+0.361X5+0.388X6

(6)

3.2　结果分析

根据主成分分析结果，从各主成分得分系数可以看出，在第一主成分F1中，渠井灌溉用水比例起主导作用，地下水开采量次之；从第二主成分F2得分可以看出，渠首农灌引水量决定性较大，降水量次之；从F3得分可以看出，田间水利用系数的影响较大，蒸发量次之。从综合主成分F得分可以看出，田间水利用系数、渠井用水比例是影响灌区水循环的主要影响因素，其次为渠首农灌引水量、地下水开采量，降水量同蒸发量的影响相对较小。

综上，通过主成分分析法对灌区水循环影响因子进行分析，得出降水量是影响灌区水循环的主要自然因素，田间水利用系数、渠井灌溉用水比例是影响灌区水循环的主要人工因素，人工因素对灌区水循环的影响较大。在自然因素的影响下，灌区水循环主要通过人类水事活动改变其原有的循环结构，形成典型的“人工—自然”复合水循环系统。

4结论

(1) 通过对灌区水循环特征及其循环要素的变化特征研究表明，近年来在人类取用水等水事活动的影响下，灌区水循环特征发生了明显的变化，主要变现在水循环的路径、强度、结构、参数以及尺度发生了明显的变化。

(2) 运用主成分分析法对影响灌区水循环的主要因素进行了筛选，研究表明降水量是影响灌区水循环的主要自然因素，田间水利用系数、渠井灌溉用水比例是影响灌区水循环的主要人工因素，且人工因素对灌区水循环的影响较大。

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DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2015.04.035

收稿日期：2015-03-20修稿日期：2015-04-27

作者简介：王彩鸽(1969—)，女，陕西兴平人，工程师，主要从事水利工程建设管理工作。E-mail: 1677829781@qq.com

中图分类号：S273.4

文献标识码：A

文章编号：1672—1144(2015)04—0173—05

The Characteristics of Water Circulation in Jinhui Channel Irrigation Area and Its Influencing Factors

WANG Caige

(ShaanxiXingpingMunicipalWaterConservancyBureau,Xingping,Shaanxi713100,China)

Abstract：The characteristics of water circulation in Jinghui channel irrigation area and its influencing factors were studied from the angle of irrigation water circulation in this paper. The results showed significant changes in water circulation path, strength, structure and parameters under the influences of environmental changes and human activities. On this foundation, the main influencing factors of water circulation in irrigation area were studied with the method of principal component analysis. The results indicate that precipitation is the main natural factor influencing water circulation, and the water application efficiency and canal-to-well irrigation water quantity ratio are main artificial factors. Under the influences of natural and artificial factors, water circulation in this irrigation area shows obvious traits of natural-artificial characteristics.

Keywords:Jinghui channel irrigation area; water circulation; influencing factors; principal component analysis