肇州旱灌区地下水动态分析

高　宇, 齐　鹏, 戴长雷,*,李芳花

(1.黑龙江大学 a.寒区地下水研究所;b.水利电力学院，哈尔滨 150080；2.中国科学院 东北地理与农业生态研究所，长春 130102；3.黑龙江省水利科学研究院，哈尔滨150080)



肇州旱灌区地下水动态分析

高宇1a,1b, 齐鹏1a,2, 戴长雷1a,1b,*,李芳花3

(1.黑龙江大学 a.寒区地下水研究所;b.水利电力学院，哈尔滨 150080；2.中国科学院 东北地理与农业生态研究所，长春 130102；3.黑龙江省水利科学研究院，哈尔滨150080)

肇州县是黑龙江西部重要的旱田灌区，农业灌溉主要依赖于地下水，地下水动态分析是灌区地下水承载力评价的基础和前提。对26眼长期观测井及85眼统测井数据进行了时空动态分析。通过分析指出，肇州旱灌区地下水动态类型以人工开采型为主；以6眼典型监测井为例，在作为平水年的2012年，多数井6月地下水水位达到年内低值，11月地下水水位达到年内高值，次年规律相同，灌溉取水对地下水影响强烈；在1980—2012年，区内地下水水位呈整体下降趋势，平均降幅为0.18 m/a，逐年增加的地下水开采量直接导致了的地下水水位下降；当前区域地下水水流向大致是东北至西南向。

灌区；地下水；开采；动态变化；肇州

黑龙江西部处于半干旱地区，灌区存在严重的季节性干旱以及水分利用效率低的现象[1-2]。为实现节水、增产、增效同步发展，2014年黑龙江省水利科学研究院以灌溉水利用效率和粮食产量为核心在黑龙江省肇州县、安达市建立了大规模的高效灌溉技术规模化示范区实行“节水增粮行动”。我国易开发利用的水资源多已开采，农业需水对地下水依赖程度越来越强[3-4]。在确保环境和谐、生态平衡的条件下，旨在形成一个保障高效灌溉同时又可保障地下水系统安全的综合管理模式[5]。为评价该区域地下水安全承载能力及可持续开采保障模式，需要对黑龙江省西部肇州旱灌区的地下水分布与变化状况进行科学分析。

1　地下水动态资料获取与处理

肇州县地处黑龙江省西部，耕地类型旱田为主，地貌基本为低平原，地势平坦[6-7]。土壤结构从上至下依次为壤土、粉质黏土或黄土状粉质黏土、砂粒及隔水底板泥岩[8-9]。肇州县所开采的地下水资源主要用于农田灌溉；肇州县的地形自东北向西南逐渐降低，含水层厚度增加，地下水埋深由深变浅[10-11]。肇州县周围不存在流域分水岭、地表界限等水文地质条件，周边界潜水含水层具有良好的渗透性，与外部环境进行交换能力较强，属于强开放人为边界[12-14]。

通过管井取水是肇州县农业及工业生产开采地下水的主要途径。根据26眼长期观测井1980—2012年的地下水水位监测数据，与肇州范围内随机选取的85眼水井地下水水位统测数据，对肇州旱灌区进行地下水动态分析(图1)。

图1　肇州旱灌区监测井分布Fig.1　Distribution of monitoring wells in drought-irrigation area of Zhaozhou

地下水动态的内在表现是地下水均衡，利用其资料可对地下水的某些要素进行计算。在进行肇州旱灌区地下水资源评价和预测过程中，地下水动态资料是不可缺少的依据；通过观测地下水动态变化，分析其规律及影响因素，可为调节地下水动态、地下水资源合理利用提供科学依据[15-18]。除此之外，通过对地下水变化特征分析，还可以对水资源衰竭、土地盐渍化、水污染、地面变形等由于地下水的开发利用而引发的环境地质问题进行研究[19-22]。

2　地下水时间动态分析

2.1单井年内动态分析

根据肇州县1980—2012年降水量资料，选出具有代表性的枯水年、平水年和丰水年：2000年、2012年和1993年(表1)。

表1　肇州县特征年降雨量及地下水开采量

选择5号潜水井及14号承压水井作为特征井在3个特征年份地下水埋深数据，绘制出该井的地下水埋深-时间变化关系曲线，见图2。肇州旱灌区整个区域内无天然径流，地下水补给的重要来源是垂向大气降水和相邻含水层的侧向径流，灌溉、生产和生活用水严重依赖于地下水开采。5号井在丰平枯3个特征年中地下水埋深在枯水年最大，丰水年最小，且变化规律基本一致；农业灌溉期间地下水埋深逐渐增大，5月达到年内低值，之后随着取水量的减少地下水埋深减小，该井所在区域地下水埋深受地下水开采量影响较大，地下水动态类型表现为人工开采型。14号井位于双发乡农业种植区，2000—2012年，随着灌溉面积加大，机井数和灌溉取水量随之增加，地下水开采量大幅度增长。14号井2012平水年全年地下水埋深大于2000年枯水年;丰水年的1993年雨水充足且当时地下水开采量适中，因而地下水埋深变化不大；在平水年与枯水年，农业灌溉期间地下水开采量增加导致地下水埋深增大，地下水位下降明显，地下水埋深在6月达到年内低值，该井所在区域地下水动态类型为人工开采型。

图2　特征井枯水年、平水年和丰水年地下水埋深-时间变化曲线Fig.2　Groundwater depth-time variation curve of the well in dry years, normal flow year and wet years

2.2单井多年动态分析

根据1980—2012年两眼特征井的地下水位监测数据计算地下水水位每年的平均埋深值，绘制多年地下水水位埋深变化曲线，见图3。

图3　特征井多年地下水位埋深变化曲线Fig.3　Variation curve of groundwater level of the well for years

由图3(a)可见，5号特征井下地水水位的变化不能同步响应大气降水的变化，主要原因在于人工开采掩盖了降水入渗的影响，地下水动态类型由天然条件下的降水-蒸发型转变为当下的人工开采型，且地下水埋深呈现增大的趋势，在监测时段内区域含水层形成了消耗型水源地。由图3(b)可见，14号特征井也呈现地下水埋深持续增大的趋势。综合分析可知，肇州县农业灌溉取水井多为潜水-承压水混合井，混层取水普遍，因此，在进一步的承载力评价中，应将二者进行统一评价。

图4　典型井2012—2013年地下水位变化曲线Fig.4　Groundwater level change curve of Zhaozhou in 2012 and 2013

肇州县地理位置处于于内陆地区，属于大陆性季风气候。在26眼监测井中选择具有代表性的6眼监测井(3号、7号、10号、12号、15号和26号)，以2012、2013年连续两年的地下水水位5 d监测资料为基础，整理数据绘制出各典型井地下水水位变化曲线，见图4。各典型井的地下水位变化规律基本一致，多数井6月地下水水位达到年内最低，然后地下水水位上升，多数井11月地下水水位达到年内峰值，之后开始下降。分析原因可知，4—7月为农作物种植季节，降雨量不足以支持作物生长，农业灌溉需大量开采地下水，尤其5—6月灌溉高峰期，地下水开采量尤其大，因而地下水水位下降到最低。全年内地下水水位大致呈单峰单谷的变化。6眼井所属区域的地下水动态类型均为人工开采型，又因6眼监测井分散在肇州县的各地，其地下水动态类型在一定程度上可代表肇州全县的区域地下水特征。

3　地下水空间动态分析

另外，以平水年2012年为例，绘制地下水(潜水)流网图并对其进行分析可知，受地势影响肇州旱灌区的地下水流向是东北—西南，见图5。

图5　地下水流网Fig.5　Groundwater flow net

蒸发量、开采量、降水量以及侧向补给等都是影响地下水动态变化的因素。地下水数量与质量的各个要素的综合表现就是地下水动态。肇州旱灌区的地下水埋深受自然因素和人为因素的双重影响。根据26眼长期观测井1980—2012年的监测数据，绘制基于多种因素的1980—2012年肇州旱灌区地下水埋深动态变化曲线，见图6。肇州旱灌区地下水埋深各年间波动不大但从1980—2012年多年的监测数据可知，地下水埋深呈现增大趋势，也就是该区域地下水水位逐年下降，多年平均降幅为0.18 m/a。

图6　基于多种因素的1980—2012年肇州旱灌区地下水埋深动态变化曲线Fig.6　Dynamic change curve of groundwater depth in drought-irrigation area of Zhaozhou based on various factors

分析1980—1999年地下水水位资料，地下水埋深变化幅度不大，2000—2012年地下水水位埋深逐渐变大。灌区年蒸发量基本无变化，并不是地下水埋深变化的主因。通过长期观测数据可知降水量呈微微下降趋势，因此可作为导致地下水埋深增加的因素之一，但不具有决定性。1980—1999年灌区地下水开采量适中，而2000年以后，经济快速发展用水需求加大导致地下水开采超量，而且逐年增加，地下水水位随之下降且越发明显。说明导致肇州旱灌区地下水埋深增加即水位下降的关键因素是逐年增加的地下水开采量。

4　结　论

1)5号和14号监测井，受农业灌溉影响，年内地下水水位变幅较大，地下水动态类型为人工开采型。

2)通过对典型井2012-2013年地下水月平均水位数据进行分析，得到肇州县地下水年际间呈现单峰单谷的周期性变化。多数井6月地下水水位达到年内低值，之后水位开始持续上升，11月达到年内高值。肇州旱灌区的地下水动态类型以人工开采型为主。

3)肇州旱灌区地下水流向大致是东北至西南。1980—1999年，肇州县地下水埋深变化幅度不大；2000—2012年，地下水埋深明显增大，地下水水位呈逐年下降趋势，平均降幅为0.18 m/a，导致地下水水位下降的决定性因素是逐年增加的地下水开采量。

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Dynamic analysis of groundwater in drought-irrigation area ofZhaozhou County

GAO Yu1a,1b, QI Peng1a,2, DAI Chang-Lei1a,1b,*, LI Fang-Hua3

(1.HeilongjiangUniversitya.InstituteofGroundwaterinColdRegion,b.SchoolofHydraulicandElectricPower;2.NortheastInstituteofGeographyandAgroecology,ChineseAcademyofSciences,Changchun,130012,China；3.HeilongjiangHydraulicScientificResearchInstitute,Harbin150080,China)

Zhaozhou County is an important drought-irrigation area in the west of Heilongjiang. Agricultural irrigation depends on the groundwater. In order to evaluate and predict the groundwater resources in drought-irrigation area of Zhaozhou, the dynamic analysis of groundwater is needed. In this paper, Zhaozhou County as the research area, analyses the data of 26 long-term observation wells and 85 wells. In 2012, for the six typical wells，the value of groundwater level is lowest in June, groundwater level reached the highest value in November, and it has the same regular pattern in next year. The influence of irrigation water on the groundwater is strong. In Zhaozhou, the groundwater dynamic type is mainly the artificial exploitation type, and some areas are the radial flow type. From 1980 to 2012, the groundwater level in Zhaozhou County was decreasing year by year. The range of groundwater change is 0.18 m/a. The decisive factor of the decline of the groundwater level is groundwater exploitation increasing year by year. The groundwater flow direction is roughly northeast to southwest.

irrigation area; groundwater; exploitation; dynamic changes；Zhaozhou

10.13524/j.2095-008x.2016.01.021

2016-03-10;

2016-04-21

“十二五”国家科技支撑计划子课题——“基于高效灌溉的地下水安全保障模式研究”(2014BAD12B01-03)

高宇(1992-)，女，黑龙江鹤岗人，硕士研究生，研究方向：地下水评价与灌区规划，E-mail: hss_gaoyu@126.com；*通讯作者：戴长雷(1978- )，男，山东郓城人，副教授，博士，研究方向：寒区地下水及国际河流，E-mail：daichanglei@126.com。

P641.2

A

2095-008X(2016)02-0022-06