泾惠渠灌区农用水源演变趋势

张盼盼

(1.陕西省土地工程建设集团有限责任公司，陕西 西安 710075； 2.陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司，陕西 西安 710075； 3.自然资源部 退化及未利用土地整治工程重点实验室，陕西 西安 710075)

泾惠渠灌区(以下简称灌区)位于陕西省关中平原中部，包含富平、阎良、临潼、高陵、泾阳、三原6个县(区)，北接渭北黄土台塬，南有渭河、西有泾河、东有石川河，土地面积1 180 km2，地势西北高、东南低。灌区以高耗水性作物冬小麦和夏玉米生产为主，素有关中“白菜心”之称，是陕西省重要的粮食生产基地之一，以占全省2.4%的耕地，生产出占全省5.8%的粮食[1]。灌区水资源主要来源于降水、地表径流和地下水，地表水80%以上用于农业灌溉。由于灌区处于干旱半干旱区，地下水使用量也很大[2]。灌区降水不均，汛期用水程度低，地下水开采严重，进一步加剧了用水矛盾和生态环境问题。对灌区降水、地表水、地下水进行演变趋势分析，对有效利用农业自然资源，改善农业生产条件，推动现代农业可持续发展具有重要的现实意义。

1 资料来源与分析方法

1.1 资料来源

灌区1953—2013年降水量、径流量，1977—2013年地下水开采情况的监测数据，均来源于泾惠渠灌区管理局。

1.2 分析方法

分析降水量、径流量、地下水在年际及主要作物生长期(每年10月至次年5月为灌区冬小麦生长期，6—9月为夏玉米生长期)的变化趋势。采用斯波曼(Spearman)秩次相关检验法、R/S分析法分析灌区1953—2013年的年际及主要作物生长期内降水量及径流量的变化趋势[3-4]。

1.2.1 相关检验 在水文计算过程中，分析xt序列、t时序的相关关系，运算时xt用其秩次Rt(即把序列xt从大到小排列xt所对应的序号)代表，t仍为时序(t=1,2,…,n)，秩次相关系数:

式中，n为序列长度；dt=Rt-t。显见秩次Rt与时序t相近时d小，r越接近1，趋势越显著[4]。

相关系数r是否异于零，可采用t检验法检验。统计量:

服从自由度为(n-2)的t分布。

原假设无趋势。给定a，在t分布表中查出临界值Ta/2。若|T|>Ta/2，则拒绝原假设，即序列趋势显著；相反|T|

1.2.2 R/S分析 该分析法是一种时间序列统计方法，建立Hurst指数定量估计水文变量的变化趋势[5]。基本原理：

时间序列{ξ(t)},t=1,2,…,n。对于任意正整数τ≥1，定义均值序列：

X(t)表示累积离差：

极差R：

标准差S：

式中，{ξ(t)}，t=1,2,…,n,是相互独立、方差有限的随机序列，即布朗运动。赫斯特和费勒证明：

式中，H=1/2。对于{ξ(t)}，t=1,2,…,n,不是相互独立的分数布朗运动，可以证明：

R(τ)/S(τ)=(cτ)H

式中，c为常数。H为赫斯特指数，当0≤H<1/2，表明未来变化趋势与过去相反，H越接近0，反持续性则越强；H越接近1，表明时间序列的持续性越强；H>1/2，表明未来变化趋势与过去大致相同[6]。

2 结果与分析

2.1 年际及主要作物生长期的降水量变化

从图1看出，灌区1953—2013年的年际降水量丰枯变化明显，降水量随年份增加呈下降趋势，平均降水量为506.52 mm。每年10月至次年5月的冬小麦生长期，平均降雨量为201.74 mm，呈下降趋势。每年6—9月的夏玉米生长期，平均降雨量为299.05 mm，整体呈下降趋势，但不明显。

2.2 年际及主要作物生长期的径流量变化

从图2看出，灌区1953—2013年的年际径流量变化剧烈，径流量随年份增加呈下降趋势，平均年径流量为17.7亿m3。10月至次年5月的径流量呈下降趋势，平均径流量为7.74 m3。6—9月的径流量呈下降趋势，平均径流量为9.96 m3。

2.3 地下水埋深及开采量变化

灌区地下水类型主要为潜水及承压水[7]，主要通过降水、径流补给。从图3看出，灌区1977—2013年地下水每年开采量在1.5亿m3左右[8]，地下水位埋深呈上升趋势，可能是人类活动、自然因素等[9]多方面原因导致。据资料显示，2003年平均埋深达15 m，局部达50 m，引发一系列环境地质问题；近些年，水位有所回升，但普遍较深，多方面因素不断影响灌区地下水演变过程[10]。

2.4 灌区降水径流演变趋势

从表1看出，降水量在年际和冬小麦生长期呈下降趋势，在冬小麦生长期趋势显著且持续性强，在夏玉米生长期下降不显著且持续性一般；径流量在年际和冬小麦生长期呈下降趋势，趋势均显著，在冬小麦生长期持续性强，夏玉米生长期趋势一般且持续性强。

图21 1953—2013年年际(左)、10月至次年5月(中)、6—9月的降水量(右)

图22 1953—2013年年际(左)、10月至次年5月(中)、6—9月的径流量(右)

表1 灌区1953—2013年降水量及径流量的趋势检验结果

3 小结

对泾惠渠灌区1953—2013年的年际及主要作物生长期内的降水量、径流量，1977—2013年地下水开采情况的监测数据分析表明，降水量、径流量均呈下降趋势，未来变化趋势与过去大致相同；冬小麦生长期降水量、径流量显著下降，未来变化趋势与过去大致相同，且持续性较强；夏玉米生长期降水量变化不显著、径流量呈下降趋势，且未来的变化趋势均与过去大致相同。地下水位埋深呈加大趋势，近年水位有所回升，但普遍较深。