中牟县地下水生态水位研究

陈南祥, 杨杰, 屈吉鸿

(华北水利水电大学,河南 郑州 450045)



中牟县地下水生态水位研究

陈南祥, 杨杰, 屈吉鸿

(华北水利水电大学,河南 郑州 450045)

地下水位是生态控制性因素之一。根据中牟县地下水位、蒸发、土壤、土地利用等资料,采用动态资料相关法计算地下水生态水位下限值;根据各类土壤质地的毛细水上升高度实测结果,结合植被根系层厚度,通过对两者求和计算地下水生态水位上限值。经分析计算，研究区地下水生态水位下限值为4.00～13.00 m，上限值为1.30～4.50 m。通过所给出的地下水生态水位上、下限阈值对地下水位进行调控，既能防止土壤干燥、植被退化,又能维持植被(或作物)正常生长的需要、防止土壤盐渍化。研究得到的地下水生态水位上、下限值的空间分布可为区域地下水管理和调控提供依据。

地下水生态水位;阈值;动态资料相关法;中牟县

地下水是水资源的重要组成部分,不仅是人类生产、生活的重要水源,而且是生态、环境的控制因素。由于在地下水开发利用过程中忽略了地下水的生态属性,引发了水质矿化、土壤荒漠化、植被退化、生态恶化等问题[1]。为降低地下水开发利用的生态负效应,地下水与生态、环境关系的研究逐渐引起人们的重视。主要研究成果包括:提出了沼泽化水位、盐渍化水位、适宜生态水位、植物胁迫水位、荒漠化水位等生态水位的概念、分类和确定方法[2-3],分析了地下水位引发的生态效应[4],建立了考虑生态影响的地下水评价指标[5]和基于生态控制目标的地下水调控模型和方案[6-7]等。其中,地下水生态水位的确定是该研究的基础工作。尽管目前地下水生态水位计算方法较多,但都较为繁琐,不便操作。笔者以河南省中牟县为例,运用动态资料相关法和实测法分析、计算其地下水生态水位,该方法简便、易于理解和操作。

1　研究区概况

中牟县位于河南省中部,南北长55 km,东西宽35 km,面积1 416.6 km2,总人口71万人(2012年)。中牟县位于黄淮平原,地下水含水层多为松散岩类孔隙含水层。潜水主要补给方式为大气降水和河流入渗,主要排泄方式为蒸发和人工开采,地下水动态为典型的入渗—蒸发—开采型。由于黄河冲积作用,研究区含水层的岩性多为典型的“二元结构”,或粗细相间的“多元结构”。区内有贾鲁河、小清河等河流,属暖温带大陆性季风气候,四季分明,多年平均降水量616 mm,且多集中在6—9月。

2　数据与方法

2.1地下水生态水位的划分标准及计算数据

地下水生态水位是维持生态良性状态的地下水水位的总称。地下水生态水位分类较多,如沼泽化地下水位、盐渍化地下水位、荒漠化地下水位、地面沉降型地下水位、海水入侵型地下水位等。根据研究区潜在的生态、环境地质问题,本次研究从地下水生态水位下限和生态水位上限的角度划分地下水生态水位。其中生态水位上限和生态水位下限为控制性水位,超过控制水位将引发生态问题,控制区间内水位为生态适宜水位,划分标准见表1。

本次地下水生态水位分析计算所采用的数据包括中牟县土地利用类型、土壤质地、地下水蒸发、地下水水位等资料。其中土地利用类型、土壤质地分别如图1和图2所示。

表1　生态水位类型及划分标准

图1　中牟县土地利用类型

图2　中牟县土壤质地

2.2生态水位下限的计算方法

地下水生态水位下限是指可以有效防止土壤干燥、植被退化的地下水位埋深。地下水蒸发是土壤干燥、植被退化的重要因素。因此,可以采用地下水极限蒸发深度确定地下水生态水位下限。地下水极限蒸发深度是地下水蒸发为零时的地下水位埋深,当地下水位埋深超过该深度时将引发土壤沙化、植被退化等生态问题[8-9]。

地下水极限蒸发深度可以通过实测法、经验公式法、动态资料相关法等方法计算。其中,实测法利用蒸渗仪测定,造价高;经验公式法利用潜水蒸发的阿维扬诺夫公式计算,参数不易确定,对资料要求高;动态资料相关法利用地下水动态资料计算,方法简单,资料易获取。因此,本次研究采用动态资料相关法计算地下水生态水位下限。其主要计算步骤如下:

步骤1统计逐月蒸发强度ξ(601)。若实测数据为ξ(20)蒸发强度,则用式(1)进行换算。

ξ(601)=Cξ(20)，

(1)

式中C为蒸发强度转换系数,见表2。

表2　逐月蒸发强度转换系数

(2)

Δh=hmax-hmin。

(3)

步骤4根据每口井的地下水生态水位下限,利用空间插值法,计算研究区地下水生态水位下限。

2.3生态水位上限的计算方法

地下水生态水位上限是指既能防止土壤发生盐碱化,又能维持植物正常生长的最高地下水位。土壤盐碱化是由于土壤底层或地下水的盐分随毛细水上升到地表,水分蒸发后,使盐分积累在表层土壤中的过程。但只考虑盐碱化的地下水生态水位是不够的,当土壤毛细水上升至植物根系层时,对于非水生植物来说多数生态状态不好。因此,地下水生态水位上限应该由毛细水上升高度和植物根系层厚度共同确定。

毛细水上升高度可以通过毛细水上升试验得出。在试验中,当毛细水上升的稳定增加速度小于0.1 cm/d时,认为毛细上升高度达到最大,据此可得出研究区不同土壤质地的毛细上升高度[10]。植物根系层厚度可以参考《中国北方草本植物根系》和《作物栽培学各论(北方本)》[11]中关于北方主要草本植被根系长度的相关结论。

将研究区不同土壤质地的毛细水上升高度和植物根系层厚度相加,即可得出研究区地下水生态水位上限值。

3　结果与讨论

3.1中牟县地下水生态水位下限值

中牟县浅层地下水开采以农业灌溉为主,因此选择地下水开采量和降雨量均较小的11月份和12月份作为计算时段,以降低降雨和开采对地下水位的影响。以研究区浅层地下水观测资料系列较长的17口井为对象,分析计算研究区地下水生态水位下限值及其空间分布。以27号、31号和42号井为例,采用动态资料相关法计算地下水生态水位下限值。

表3　部分监测井地下水统计结果

图关系曲线

根据研究区观测井的地下水动态资料和蒸发资料,采用该方法可以推算出其他观测孔所在区域的地下水位极限埋深。根据每口井的地下水生态水位下限值,利用空间插值法,可得中牟县地下水生态水位下限值空间分布,如图4所示。

图4　中牟县地下水生态水位下限值分布图

研究区地下水生态水位下限值为4.00～13.00 m。其中地下水生态水位下限最大值位于张庄镇,其值为13.00 m左右,偏大的主要原因是张庄镇的浅层地下水水位低;而狼城岗镇的地下水生态水位下限值最小,为4.00 m左右,主要原因是其土壤含水能力差,补给能力差。

3.2中牟县地下水生态水位上限值

采用试验方法确定了中牟县各类土壤质地毛细水上升高度,再通过参考《中国北方草本植物根系》和《作物栽培学各论(北方本)》中各类植被根系层厚度,得出中牟县植被根系层厚度,两者相加即为地下水生态水位上限值,结果见表4。

表4　地下水生态水位上限计算结果

根据中牟县土壤质地和土地利用类型空间分布,可以得到中牟县地下水生态水位上限值的空间分布,如图5所示。

图5　中牟县地下水生态水位上限值分布图

由图5可知,研究区地下水生态水位上限值为1.30～4.50 m,除少部分地区地下水生态水位上限值为4 m左右,大部分地区生态水位上限值为1.50～2.50 m,主要原因在于研究区壤土占绝大部分区域,而粉质黏土所占区域较小。

4　结　语

本文应用地下水动态资料相关法和试验法计算并分析了中牟县地下水生态水位空间分布及其特征，得到如下结论：

1)研究区的地下水生态水位下限值和上限值分别为4.00～13.00 m和1.30～4.50 m。

2)通过所给出的地下水生态水位上、下限阈值对地下水位进行调控，既能防止土壤干燥、植被退化,又能维持植被(或作物)正常生长的需要、防止土壤盐渍化。

3)结合研究区地下水水位资料,可得到维持区域生态良性发展的地下水水位动态变化区间和水量调控区间,即基于地下水生态调控的水位和水量,可为区域地下水合理开发利用提供参考。

4)运用动态资料相关法和试验法确定地下水生态水位,简便且易于操作。但是，地下水极限蒸发深度、毛细水上升高度的确定方法较多,本研究计算得到的地下水生态水位应与其他方法相互校核。

[1]Sun Y Z,Zhao W Z,Su P X,et al.Ecological effects of desertification control and desertified land reclamation in an oasis-desert ecotone in an arid region:a case study in Hexi Corridor,northwest China[J].Ecological Engineering,2007,29(2):117-124.

[2]樊自立,马英杰,张宏,等.塔里木河流域生态地下水位及其合理深度确定[J].干旱区地理,2004,27(1):8-13.

[3]荣丽杉,束龙仓,王茂枚,等.合理地下水生态水位的估算方法研究—以塔里木河下游为例[J].地下水,2009,31(1):12-15.

[4]Kopec D,Michalska-Hejdukb D,Krogulec E.The relationship between vegetation and groundwater levels as an indicator of spontaneous wetland restoration[J].Ecological Engineering,2013,35(57):242-251.

[5]Marmonier P,Maazouzi C,Foulquier A,et al.The use of crustaceans as sentinel organisms to evaluate groundwater ecological quality[J].Ecological Engineering,2013,35(57):118-132.

[6]孙才志,刘玉兰,杨俊.辽河流域平原区地下水生态水位及水量调控研究[J].水利水电科技进展,2007,27(4):15-19.

[7]尚海敏,王文科,段磊,等.天山北麓地下水基于生态水位的调控模拟分析[J].水土保持研究,2014,21(6):144-147.

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[9]付秋萍,张江辉,王全九.常用潜水蒸发经验公式在新疆地区适用性研究[J].干旱地区农业研究,2008,26(3):182-188.

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[11]于振文.作物栽培学各论:北方本[M].北京:中国农业出版社,2003.

(责任编辑：乔翠平)

Ecological Groundwater Level of Zhongmou County

CHEN Nanxiang, YANG Jie, QU Jihong

(North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

Groundwater level is one of the factors affecting ecological system. In the paper, we adopted the dynamic data correlation analysis method to calculate the lower limit of ecological groundwater level by using Zhongmou County′s datum of groundwater levels, evaporation, soil, land use and so on. The rising height of capillary water of different soil texture in experiment was calculated. The upper limit of ecological groundwater levels was calculated through summarizing the values of the thickness of vegetation′s root zone and the lower limit of ecological groundwater. Finally, the lower limit of the ecological groundwater obtained in the research area was 4.00～13.00 m, and the upper limit was 1.30～4.50 m, the groundwater levels were regulated and controlled according to the upper and lower limits of ecological groundwater, which could prevent soil drying and vegetation degenerating, could keep regular growth of vegetation, and could avoid soil salinization. The spatial distribution of the lower and upper limits of ecological groundwater levels obtained in the study could provide a basis for the management and control of local groundwater.

ecological groundwater level; threshold value; dynamic data correlation analysis method; Zhongmou County

2015-12-09

水利部公益性行业科研专项经费项目资助(201401041)；河南省教育厅科学技术研究重点项目(14A170006)。

陈南祥(1958—)，男，江苏张家港人，教授，博导，博士，主要从事水文地质方面的研究。E-mail:chennanxiang@ncwu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1002-5634.2016.01.016

TV213.4;P641.8

A

1002-5634(2016)01-0084-05