河套灌区井渠结合区域分布的确定方法的改进

2016-03-23彭培艺王璐瑶杨金忠武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室武汉43007内蒙古水利科学研究院

中国农村水利水电 2016年9期

彭培艺，王璐瑶，何彬，杨金忠，于健，朱焱(.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 43007；.内蒙古水利科学研究院，)

0 引言

内蒙古河套灌区是我国最大的一首制引水灌区[1]，地势平坦，灌域广阔，土地肥沃，农业生产潜力很大。受历史原因和经济条件制约，河套灌区灌溉粗放，导致灌区地下水位较高，潜水蒸发强烈，耕地次生盐渍化问题十分严重。而在国家严格控制引黄水量的形势下，灌区的灌溉用水供需矛盾也日益突出。采用地表水和地下水联合利用的方式，可提高水资源利用率，并对地下水位进行调控，是解决灌区水资源短缺和控制土壤盐碱化的有利途径[2]。

制定优化的井渠结合区域分布方案，实行灌区灌溉、控盐及改土综合治理，是河套灌区发展灌溉农业的重点和难点，国内外学者也开展了大量研究。沈荣开[3]认为确定井渠结合面积是开发利用地下水资源、实行井渠结合的基础，并对井渠结合推行过程中遇到的问题进行了研究。彭世彰[4]采用系统分析方法，建立了河套灌区井渠结合优化灌溉模型，求解出工程最优运行方案，并选择义长灌域永联试区作为计算验证区。实施该优化方案后，全年土壤盐分明显降低，春小麦地脱盐率达56.7%。万亮婷[5]认为确定不同水资源条件下适宜的井渠结合形式与合理布局是制约井渠结合灌区节水改造的关键技术问题。田园[6]提出了宁蒙黄河灌区井渠结合区的布置原则，指出应在补给条件较差而水质符合灌溉要求(矿化度<2 g/L)的区域实施井渠结合灌溉。针对河套灌区的具体情况，何彬[7]根据灌区井样点地下水矿化度资料，应用ArcGIS插值生成灌区地下水矿化度分区图，初步确定了井渠结合分布区及面积。但该研究中大部分井样点为机电井，水质资料数量巨大，但精度较低。本文搜集灌区内地质勘探资料，井点数据较少，但数据精度较高。根据井点不同精度地下水水质数据，修正灌区地下水矿化度分区图，并依据咸淡水分布图、水文地质图件和水化学图进行校正，重新确定河套灌区地下水可开采利用区分布，得到不同地下水开采标准下的井渠结合区域分布及灌溉面积。

1 河套灌区概况

河套灌区位于内蒙古自治区西部的巴彦淖尔市，西至乌兰布和沙漠，东与包头市郊区相接，南界黄河，北抵阴山山脉的狼山、乌拉山，总面积达120万hm2。从西至东，依次为一干灌域、解放闸灌域、永济灌域、义长灌域和乌拉特灌域，如图1。

河套灌区气候干燥，降雨稀少，蒸发强烈。年降水量130～220 mm，降水量在空间上由西向东平缓递减；年蒸发量1 900～2 500 mm(20 mm蒸发皿)。河套灌区地下水运动以垂直交替为主，其补给源主要为引黄水入渗；排泄途径主要为蒸发排泄，其次为渠系排水。

河套灌区地形地貌以平原为主，地面坡度平缓。在地质构造上，属于侏罗纪晚期地壳长期下沉形成的封闭断陷沉降盆地，地下径流排泄不畅，地下水位偏高。形成盐渍土的盐分来源主要是沉积和构造条件所决定的高盐分地层与高矿化水。从土壤盐渍度来看，以0～0.5 m土层平均含盐量统计，全灌区以含盐量大于0.3%的中度以上盐渍土分布范围最广，占全区面积的77.7%，其中全盐量在0.6%以上的重度盐渍土面积最大，占45.8%[8]。近年来随着引水量减少，地下水位降低，土壤盐碱化面积有所减少。河套灌区的盐渍土的分布主要受到下伏土层含盐量和地下水矿化度的控制，在地层高含盐量带和高矿化咸水带，往往有重盐土分布，而在下伏淡水区，一般土壤盐渍化较轻。重度盐渍土和盐土的范围与南北两咸水带的分布基本一致，以北部咸水带西段和南部咸水带尤为明显，其中南部卤水带盐渍化最重。轻盐渍土主要分布在灌区上游地区，以灌区西南部磴口-头道桥-干召庙-乌兰图克-塔尔湖一线土壤盐渍化较轻，该区地下水以淡水为主。灌区东部地处下游，由于水盐的聚集，又处于两咸水带之间，加之下部有隐伏咸水分布，土壤盐碱化一般较重。三湖河地区由于公子庙以西咸水的分布，以重盐渍土为主，其余地区多为中度盐渍土[8]。

图1 河套灌区地理位置图

2 改进的井渠结合区域分布的确定方法

本文的井渠结合区域分布确定方法是在何彬[7]的研究基础上改进得到。何彬[7]收集了河套地区钻孔、机电井、浅层、水化学图四种来源的数据资料，并进行了整理分析。首先根据水文地质资料，在垂向上将该研究区划分为三层：浅层弱透水层、第一含水组深层和第二含水组；运用ArcGIS对井样点底板埋深进行反距离权重插值，绘制了3个含水层底板埋深等值线图。以该图为基准，对具有矿化度资料的井样点数据进行分层提取，得到了浅层弱透水层、第一含水组深层、第二含水组的地下水矿化度分区图。依据不同的农业灌溉用水要求，将三层咸淡水分布进行对比，进一步在统一的水平方向上，确定河套灌区井渠结合区的分布和面积。该方法采用2 450个井样点矿化度数据，利用ArcGIS插值得到分区结果。在2 450眼井中，有2 037眼为机电井，216眼数据来源于水化学图，112眼属浅层数据，仅87眼是钻孔资料。机电井主要作用是为满足农业灌溉需求，多分布在淡水区，监测精度较低，但井点占比很大，且密集分布于局部地区，因此，采用机电井矿化度数据插值所得的不可开采区面积变化较为突兀，如图2所示，且与咸淡水三淡夹三咸的带状分布规律相差很大[9]，因此，需要对该井渠结合区域确定方法进行改进。

图2 原井渠结合控制区分布图

2.1 井渠结合区域分布的确定方法改进

2.1.1咸淡水带水平和垂向分布规律

河套灌区水平方向上的水质分布受地貌、古地理和构造条件的控制，表现出明显的南北规律，自北向南可以分出六条水质带，其中，三条淡水带，三条咸水带。以北部咸水带延伸长度最大，为区域性咸水带，南部咸水带矿化度最高，水质最咸[9]。第一带为扇裙全淡水带，主要分布在狼山山前扇裙平原，该地区含水层颗粒粗，径流条件好，属于盐分的溶滤搬运带，所以含盐量低。第二带为扇前洼地咸水带，呈条带状分布，纵贯全区。第三带为套区中部淡水带，西起乌兰布和沙漠，东至乌拉特前旗北部义通排干以西一带，该区含水层岩性相对较粗，地形坡度相对较大，加上黄河古河道长期迂回的淡化作用，水质良好。第四带为南部潜伏隆起咸水带，沿总干渠北侧呈东西向条带状分布，西窄东宽，为本区矿化度最高的盐卤水带。第五带为三湖河淡水带，包括公子庙以东的乌拉特扇裙带和三湖河中部大部分灌区，呈西东条带状分布。第六带为三湖河南部咸水带，分布于三银河头和何兰虎一带。此带位于鄂尔多斯台缘断裂北侧，下部中更新统沉积层含盐量高。

河套灌区咸淡水的垂向分布特征则主要受气候和古地理环境的影响，可分为全淡水型、全咸水型、上淡下咸型、上咸下淡型、咸淡咸型和淡咸淡型，共6种类型，前3种类型分布最广，后3种类型分布面积较小。全淡型主要分布在山前扇裙全淡水带、套区西南全淡水带和三湖河全淡水带；全咸型，可分为北部扇前洼地咸水带、南部潜伏隆起咸水带和三湖河南部咸水带；上淡下咸型，分布于中部淡水带的东段以及咸水带外围向淡水的过渡带。淡咸水界面在垂向上多是渐变的，自东向西和随远离两侧咸水带逐渐加深，淡水层厚度随之增大。

2.1.2河套灌区咸淡水分布数据获取

根据对河套灌区水文地质条件和古地理环境的分析，内蒙古自治区地质局水文地质队绘制了河套灌区咸淡水分布图。该分布图依据矿化度的高低，划分了淡水区(矿化度<2 g/L)、微咸水区(矿化度2～3 g/L)、半咸水区(矿化度3～5 g/L)、咸水区(矿化度5～10 g/L)和盐卤水区(矿化度>10 g/L)。本文借助ArcGIS工具，对河套平原的咸淡水分布图进行空间校正，得到标准坐标系下的咸淡水分布图，建立了矿化度为2、3 g/L边界线文件(如图3所示)。根据DB13/T 928-2008咸淡水混合灌溉工程技术规范，在特殊盐渍土地区，可开采利用的地下水矿化度上限为3 g/L。由GB5084-2005农田灌溉水质标准，所有盐渍土地区，国家标准灌溉水全盐含量为<2 g/L。为充分开采利用地下水并且保证灌溉水质标准，另取2和3 g/L平均数2.5 g/L作为一个参考的地下水不可开采利用的限制矿化度，因此，本文进一步搜集井样点矿化度资料，补充绘制了矿化度为2.5 g/L的边界线文件，并将矿化度2、2.5和3 g/L边界线文件统一转化为面文件，最终得到的地下水矿化度分区图如图3所示。

2.1.3可开采利用区的校正分析

根据修正的咸淡水分布图对采用井样点矿化度数据插值所得的不可开采区面积进行校正分析。本文以灌溉可利用地下水矿化度为3 g/L为例，说明校正分析方法。将根据井样点矿化度数据得到的原可开采利用区的面文件与修正的咸淡水分布图中矿化度为3 g/L的面文件，加载在同一个地图文件中，对其进行颜色区分，并加入来源于机电井、水化学图、浅层数据、钻孔资料共2 046个井样点，并将其按照矿化度大小进行颜色区分，如图4所示。整体而言，原可开采利用区与咸淡水分布图中地下水矿化度大于3 g/L的区域分布相近，但是前者的范围比咸淡水分布图中地下水矿化度小于3 g/L小，且局部地区两者有重叠。本文结合井样点的位置和矿化度，以及水文地质条件最终确定可开采利用区。

由图4可知，当灌溉可利用地下水矿化度标准为3 g/L时，原可开采利用区与咸淡水分布图的咸水区并不一致。两者在局部地区有交集，主要是一干灌域的东北角、解放闸灌域的北部、永济灌域的南部、义长灌域的北部和乌拉特灌域的北部，即原可开采利用区在咸淡水图中属于咸水区；局部地区出现空集，主要是一干灌域的西北部、解放闸灌域的中北部、永济灌域的北部和东部、义长灌域的中部和北部，乌拉特灌域的南部，即原不可开采利用区的局部地区咸淡水图中属于淡水区。本文结合水文地质条件及井点数据，遵循咸淡水分带的原则，参考井样点的分布以及矿化度，将仅由零星井点高矿化度圈定的但不符合咸淡水分带原则的原不可开采利用区，重新划为可开采利用区；与此同时，从原可开采利用区中，去除矿化度低但数量少且与咸水区重合的部分。逐个灌域，进行以下具体的分析和校正。

图4 原可开采利用区与咸淡水分布对比图

(1)一干灌域，其西北部的原可开采利用区仅由2个高矿化度井点控制而中断，但中间还有两口潜水井，且该区属于水质分带的扇裙全淡水带，因此，认为将该区水质划为可开采利用水；东北角的原可开采利用区与咸水区重合，该处井点较密集，且矿化度都较低，也处于扇裙全淡水带，因此，保留该可开采利用区。

(2)解放闸灌域，其中部的原可开采利用区中有一小块长椭圆形的咸水区，该区只受一口高矿化度的井控制，然而在水文地质条件与周围区域没有突变，仍认为是可开采利用区。该灌域北部的椭圆区域情况则恰恰相反，咸水区中有一块椭圆形的原可开采利用区，且井点相对较密集，矿化度高，位于咸水带中，因此，从可开采利用区中去除该椭圆形区域。此外，对原不可开采利用区中仅由零星井点控制而产生的突变，但在咸淡水图中属于淡水区的部分进行平滑修正。在不违背控制井点的原则上，参考咸淡水界面等埋深线的变化趋势，绘制更加平滑的原可开采利用区的边界。

(3)永济灌域，其南部长条状延伸的区域与一干灌域的西北处情况相似，也划定为可开采利用区。由于插值结果只受到井样点矿化度的影响，该灌域的原可开采利用区的边界会突兀地将矿化度较高的点，被矿化度较低的点，因此，存在较多与水文地质条件不符的棱角。参考控制井点的来源及矿化度，机电井矿化度的参考性不大，钻井矿化度的准确性较高；尽量保证矿化度较高的井点在可开采利用区外，矿化度较低的井点在可开采利用区外。最后，借助ArcGIS，平滑化可开采利用区的边界。

(4)义长灌域，其南部咸水区形状不规则，区内井样点分布零星，在遵循井点矿化度的前提下，对其边界进行平滑化处理。与永济灌域相接的可开采利用区仅由零星井点的控制而突兀地减小，因此将永济灌域和义长灌域的原不可开采利用区扩大至互相连接。北部长条状蓝色网格区域原属可开采利用区，在咸淡水分布图中属咸水区，考虑到该区地处北部扇前洼地咸水带，潜水井密布于灌域北边界，而咸水区的井点极少，且高矿化的井比例较高，为此，将把该区划为不可开采利用区。

(5)乌拉特灌域，其东南角和西北部局部地区原属于不可开采利用区，而在咸淡水图中属于淡水区域，考虑到该区井点并不密集，且浅层弱透水层水质较差，受到开采利用条件的限制，认为该区是不可开采利用区。

2.2 井渠结合区域分布及面积

根据以上修正的地下水可开采利用区分区方法，可得到相应矿化度控制条件下农业灌溉地下水可开采区分布。本文根据地下水矿化度小于3 g/L、小于2.5 g/L和小于2 g/L 3种控制条件，确定了地下水可开采利用区分布。同时，结合沙漠带的分布情况，可得到灌区井渠结合区分布图。地下水矿化度小于3 g/L、小于2.5 g/L和小于2 g/L条件下井渠结合区分布图分别如图5、图6和图7所示。原井渠结合区控制面积与现井渠结合区控制面积计算结果见表1。

根据各灌域的土地利用系数和由表1中所给出的井渠结合区控制面积，可初步计算各灌域井渠结合区的灌溉面积。如取用渠井结合比例为3∶1，可以得到各灌域的井灌区面积(表2)。

图5 井渠结合控制区分布图(地下水矿化度<3 g/L条件)

图6 井渠结合控制区分布图(地下水矿化度<2.5 g/L条件)

表1 不同灌溉水质条件的原井渠结合控制面积与现井渠结合控制面积的对比万hm2

图7 井渠结合控制区分布图(地下水矿化度<2 g/L条件)

由以上分析过程知，井渠结合控制区分布及面积的确定是通过对灌区水文地质条件、地下水深浅层矿化度、目前土地利用类型现状和农业灌溉用水水质要求等进行综合分析得到的结果。井渠结合控制区主要分布在一干灌域非沙漠带、解放闸灌域和永济灌域南部、义长灌域北部、乌拉特灌域尾部(公庙镇、先锋乡、黑柳于乡)，灌区北部沿狼山山前也有部分区域。由表1可知，因地下水半咸水和咸水的广泛分布及乌兰布和沙漠带的存在，河套灌区井渠结合区控制面积约占整个灌区控制面积的50%。根据不同的灌溉水质控制标准，灌区内可实施井渠结合的控制面积为31～58万hm2。由表2可知，根据各灌域的土地利用系数，灌区内可实施井渠结合膜下滴灌的灌溉面积约为17～33万hm3；如果取井渠结合比为1∶3，井灌区面积约为4～8万hm2。

表2 不同灌溉水质条件的井渠结合区灌溉面积和井灌面积万hm2

3 结论

本文仅由井点矿化度数据确定的矿化度分区结合河套灌区水文地质条件、水平与垂直咸淡水分带规律对咸淡水分布图进行了校核修正；采用修正的咸淡水分布图和钻孔矿化度资料对仅由井点矿化度数据确定的可开采利用区进行了校正；最终确定了地下水矿化度小于3g/L、小于2.5g/L和小于2g/L等3种不同灌溉标准下的井渠结合区分布及灌溉面积。主要结论如下：

(1)将可开采利用区的矿化度上限设为3、2.5和2 g/L，得到井渠结合的控制面积分别为58、41和31万hm2。

(2)根据各灌域的土地利用系数，3种地下水矿化度限制条件下，灌区内可实施井渠结合膜下滴灌的灌溉面积分别为为33、23和17万hm2。若取井渠结合比为1∶3，则井灌区面积分别为8、5和4万hm2。

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致谢：在资料收集过程中得到内蒙古农业大学屈忠义教授的帮助。

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