平罗县不同地下水位分布区地下水埋深变化特征分析

樊丽琴，吴 霞，李 磊，张永宏

（宁夏农林科学院 农业资源与环境研究所，银川 750002）

0 引 言

【研究意义】在干旱半干旱地区，土壤含盐量和土壤盐渍化状况受地下水位及地下水矿化度的控制和影响较大，地下水埋深是土壤发生盐渍化的一个决定性条件[1-2]，土壤盐分与地下水埋深有着紧密的联系[3-5]。在灌溉农业区，由于浅层地下水的主要补给来源是引黄灌溉水的入渗，合理控制灌区浅层地下水埋深是防治土壤次生盐渍化的有效措施[6]，因此，研究地下水埋深的时空变化规律及其影响因素具有重要意义，可更好地指导合理用水和防治土壤盐渍化。【研究进展】魏晓妹等[7]通过黄土原灌区地下水系统的水量均衡分析，认为降水、灌溉、开采是灌区地下水动态的主要影响因素；苏阅文等[8]对内蒙古河套灌区地下水埋深分布规律进行了分析，发现地下水埋深年内变化具有明显的季节性，年际变化具有明显的周期性；赵新宇等[9]对银北灌区地下水位年际和年内的动态变化规律进行了研究，结果表明灌区地下水位变化具有周期性、季节性的特点。【本研究切入点】平罗县位于宁夏引黄灌区北部，该县不同区域地下水埋深存在较大差异，地势低洼地段地下水埋深浅，年均地下水埋深小于1 m，土壤盐渍化严重，而在地势较高地段，年均地下水埋深可达2 m 左右，土壤盐渍化程度相对较轻，除去地形因素对地下水埋深的影响，其他因素对地下水埋深会产生何种影响，是否可调控是值得探讨的问题，而目前关于不同地下水位分布区地下水埋深多年动态变化及其影响因素的报道尚不多见。【拟解决的关键问题】为明确银北灌区不同地下水位分布区的地下水埋深变化规律，根据平罗县不同地下水位分布区内9 个观测点的2007—2017 年地下水埋深观测资料，分析了平罗县不同水位分布区地下水埋深的变化特征及其影响因素，以期为更好地改良盐碱地提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

平罗县位于宁夏银川平原北部，地处东经105°57′42″—106°58′2″，北纬38°36′18″—39°51′13″之间，是石嘴山市所辖唯一建制县，属于温带干旱荒漠气候区，太阳辐射量4—10 月为4 225.9 kJ/m2，6 月最强，为716 kJ/m2；年平均日照时间3 201.8 h，6 月最多；年降水量186.5 mm，主要集中在7—9 月；蒸发量为1 708.7 mm[10]。该县主要依靠惠农渠系和唐涞渠系进行灌溉，本文中引黄水量是指惠农渠引黄水量，惠农渠灌域南起青铜峡水利枢纽，北至石嘴山，东临黄河，西靠贺兰山，涉及青铜峡、永宁、银川、贺兰、平罗、石嘴山6 个市（县），地下水取水量指石嘴山市的地下水总取水量，惠农渠引黄水量、地下水取水量数据均来源于《宁夏水资源公报》；平罗县水稻种植面积、降雨量、年平均气温来自《宁夏统计年鉴》。相关数据见表1。

表1 平罗县地下水埋深影响因素数据 Table 1 Data of influencing factors of groundwater depth in Pingluo County

1.2 试验设计

根据宁夏石嘴山市平罗县地下水埋深特点，以多年地下水埋深均值（DA）范围划分高、中、低水位区域，高水位区域DA<1 m，中水位区域1 m≤DA<1.5 m，低水位区域1.5 m≤DA<2 m。高、中、低水位各选择3 个观测点，共设9 个观测点，分别为平罗县黄渠桥镇侯家梁子三队（以H1 表示）、平罗县崇岗镇镇朔三队（以H2 表示）、平罗县姚伏镇沙渠六队（以H3 表示）、平罗县黄渠桥镇庆丰九队（以M1 表示）、平罗县黄渠桥镇四渠七队（以M2 表示）、平罗县黄渠桥镇西润六队（以M3 表示）、平罗县姚伏镇大兴墩二队（以L1 表示）、平罗县黄渠桥镇惠北四队（以L2 表示）、平罗县渠口乡交际六队（以L3 表示），分析2007—2017 年高、中、低水位分布区内9 个观测点的地下水埋深变化特征。

2 结果与分析

2.1 不同水位分布区地下水埋深变化特征

由图1 可知，2007—2017 年不同水位分布区各月地下水埋深大小均表现为低水位>中水位>高水位；且与内蒙古河套灌区一样表现为地下水埋深年内变化具有明显的季节性[9]，2—4 月，随着气温逐渐回升，土壤冻层开始融化，融化自上而下和自下而上2 个方向进行，冻层中部融化较滞后，地下水位逐渐升高；5—8 月为作物灌溉期，也是作物生长旺盛期，灌溉水和降水一部分用于满足作物生长发育，另一部分对地下水进行补充，地下水保持高水位；9—10 月为作物收获期，此时不进行灌水，且作物收获后地表呈裸露状态，蒸发强烈，地下水位呈下降趋势；11 月为冬灌期，灌水量大而且集中，地下水位急剧抬升；12月至次年1 月为土壤冻结期，随着气温持续降低，土壤由表层向下逐渐冻结，水分向冻结锋面迁移，发生“冻后聚墒”现象，地下水位呈下降趋势。

由图2 可知，2007—2017 年来不同水位分布区地下水埋深年际间均相对稳定，而年内变化幅度明显大于年际。各观测点地下水埋深随月份变化趋势基本一致，均表现为呈“W”形，且在2 月地下水埋深相对最大，5—8 月作物灌溉期或11 月冬灌后地下水埋深则明显变小，地下水埋深的变化规律与灌溉制度有着密切的联系，与他人研究结论一致[10-11]；同一月份各观测点地下水埋深随年份均呈平缓波浪形变化，5—8 月和11 月至次年1 月各观测点地下水埋深变化曲线呈聚集状态，其他月份则呈离散状态。

2.2 不同水位分布区地下水埋深差异分析

由表2 和表3 中变异系数大小可比较地下水埋深年际间和年内变异程度。总体上表现为年内变异系数高于年际间变异系数，而年内变化主要受蒸发和灌水影响，年际间变化主要受降雨影响，初步判定灌水对地下水埋深的影响大于降雨。不同水位分布区年际间变异系数表现为：高水位>中水位>低水位，年内则无明显规律，说明高水位分布区地下水埋深年际间变异程度更大，年际间地下水埋深变化幅度大于中低水位分布区，可见与中低水位分布区相比，高水位分布区地下水埋深更不稳定。

图1 各观测点不同月份地下水埋深年际间动态变化 Fig.1 Dynamic change of inter-annual groundwater depth of different month from 9 observation points

图2 各观测点地下水埋深月、年均值 Fig.2 Monthly and annual average of groundwater depth from 9 observation points

表2 不同观测点地下水埋深年际间变异系数 Table 2 Coefficient of variation of inter-annual groundwater depth from 9 observation wells %

表3 不同观测点地下水埋深年内变异系数 Table 3 Coefficient of variation of groundwater depth in the year from 9 observation poins %

由表4 可看出，高、中、低水位观测点地下水埋深均值分别为0.66、1.23 m 和1.81 m，1—4 月高、中、低水位观测点地下水埋深均值分别为0.92、1.64、2.32 m，5—8 月高、中、低水位观测点地下水埋深均值分别为0.47、0.92、1.38 m，9—12 月高、中、低水位观测点地下水埋深均值分别为0.59、1.18、1.75 m。与高水位分布区相比，中水位分布区不同月份水位均值差均低于低水位与高水位分布区的水位均值差，同时中、低水位分布区与高水位分布区水位均值差均表现为1—4 月和9—10 月接近，5—8 月和11—12 月接近，后者所处月份为作物灌溉期和冬灌后，1—4 月和9—10 月水位均值差高于5—8 月和11—12 月，地下水位变化受灌水影响明显，表现为低水位分布区各月份与高水位分布区的地下水埋深差值均大于中水位分布区。

表4 不同月份中、低地下水位观测点与高水位观测点地下水埋深均值差 Table 4 The average diffference of groundwater depth between the observation points of high-groundwater level and the observation points of middle and low groundwater level in different month

2.3 地下水埋深与各影响因素相关性分析

表5 为平罗县各观测点地下水埋深与各影响因素之间的相关性。由表5 可知，平罗县高、中水位分布区地下水埋深与惠农渠引黄水量均表现为负相关，而低水位分布区则无相关性；高、中水位分布区地下水埋深与平均气温则表现为弱负相关性，而低水位分布区同样表现为无相关性；高水位分布区地下水埋深与降雨量表现为弱负相关性，而中、低水位分布区则表现为无相关性；高、中水位分布区与作物种植面积和水稻种植面积呈正相关。惠农渠引黄水量与地下水埋深之间的相关性明显强于降雨量、平均气温与地下水埋深之间的相关性，地下水取水量则与地下水埋深之间无相关性，说明降雨量、平均气温、引黄水量和地下水取水量4 个因素之间，引黄水量对地下水埋深的影响更大。这是因为平罗县属于温带干旱荒漠气候区，2007—2017 年平罗县降雨量在117.1～243.4 mm 之间，均值为183.2 mm，蒸发量可达降雨量的8～10 倍，而农业灌溉用水主要依赖黄河水，故地下水埋深变化更多地受引黄水量影响，且对高、中水位分布区地下水埋深的影响大于低水位分布区，可能与高中水位分布区多处于地势低洼地段灌水后排水不畅有关。因石嘴市2007—2017 年地下水取水量在1.0 亿～1.3 亿m3之间，仅占引黄水量的11.6%～15.2%，故而地下水取水量对地下水埋深的影响有限。从不同水位分布区地下水埋深与平罗县水稻种植面积之间的相关性来看，高、中水位分布区地下水埋深随着水稻种植面积的增加而增加主要受平罗县水稻主要分布区域和水稻灌溉水源有关。

表5 各观测点地下水埋深与各因素之间的相关性 Table 5 The correlation between groundwater depth at each observation point and the factors

3 讨 论

在农业生产中，地形、潜水蒸发、降雨、气温等自然因素和灌溉、地下水开采、农田排水等人类活动均会影响区域地下水位的变化[8,12]。苏阅文等[8]研究认为，内蒙古河套灌区地下水埋深变化的主要驱动因子及排序为：蒸发量＞引黄水量＞降雨量；刘婕等[12]研究表明，新疆沙湾县灌区地下水动态变化的驱动因子为地下水开采、地表水灌溉、节水灌溉、灌溉面积、气温、降水，影响程度依次降低；高宇阳等[13]研究表明，地表水引水量与地下水开采量为影响乌苏市地地下水位演化的主要驱动力；吉磊等[14]研究表明，灌溉入渗、地下水开采和潜水蒸发是影响新疆玛纳斯河下游莫索湾灌区地下水埋深变化的主要因素。以上研究证实，地下水埋深变化的主要驱动因子及排序在不同灌区表现不同。

在平罗县，地下水埋深同样受潜水蒸发量、引黄水量、地下水取水量、降雨量、气温等多种因素影响。从地下水取水量来看，平罗县农业生产以传统的粮油作物为主，考虑到投入成本，目前以地下水为主要水源的节水灌溉面积仍然较小；从气温来看，平罗县年均气温处于较低水平；从降雨量来看，平罗县降雨量远小于蒸发量，且降雨对地下水的补给存在滞后和累加效应[15]。赵新宇等[9]研究认为银北灌区地下水位变化的主要影响因素是引水量、退水量和降水量，本研究则表明，引黄水量对银北灌区平罗县地下水埋深变化的影响明显大于降水量，但在不同水位分布区的影响程度表现并不一致，高、中水位分布区的响应程度大于低水位分布区，在平罗县，由于高水位分布区多位于地势低洼、排水不畅地段，地下水埋深受周边地势较高区域的引黄水量影响较大，故应同时关注高水位区域及其周边地势较高区域农田引黄灌溉对地下水埋深的影响。

此外，平罗县水稻种植面积的增加并未引起地下水位的抬升，相反一定程度上对地下水位下降起到了积极作用。传统认为在平罗县水稻种植面积的增加会引起区域地下水位的抬升，本研究发现，高、中水位分布区地下水埋深与水稻种植面积呈正相关，说明水稻种植面积的增加不但不会引起区域地下水位的抬升，还有降低地下水位的作用。这是因为平罗县水稻多栽培在地势低洼、排水不畅区域，灌溉用水多来自农沟汇集的周边农田大水漫灌后的退水，农田退水的再利用减少了浅层地下水的补充，可在一定程度上降低地下水位，说明在地势低洼、排水不畅地段利用农田退水栽培水稻改良重度盐碱地短期内是可行的。张倩等[16]的研究证实，节水改造后地下水埋深降低，地下水埋深在一定范围内降低能够有效缓解内蒙古河套灌区土壤盐碱化。本研究综合考虑各因素，认为在平罗县地下高、中水位分布区域，应改变传统的大引大排改良盐碱地的习惯，改良盐碱地应从减少引黄水量、利用浅层地下水或周边农田退水进行农业灌溉以降低地下水位出发。

4 结 论

1）2007—2017 年，平罗县高、中、低不同水位分布区地下水埋深年内变化幅度均大于年际间，随月份呈“W”形变化，随年份呈平缓波浪形变化，年内变化主要受灌溉制度影响，5—8 月和11 月至次年1月各观测点地下水埋深变化曲线呈聚集状态，其他月份则呈离散状态。

2）平罗县不同水位分布区地下水埋深年际间变异系数表现为：高水位>中水位>低水位，年内则无明显规律，与中低水位分布区相比，高水位分布区地下水埋深更不稳定。

3）从各观测点地下水埋深与平罗县降雨量、年平均气温、惠农渠引黄水量、地下水取水量、作物种植面积之间的相关性来看，平罗县高、中水位分布区地下水埋深变化更多地受引黄水量影响，水稻种植面积的增加对降低高水位分布区地下水埋深起到了积极作用。在农业生产中，平罗县高、中水位盐碱地的改良应从减少引黄水量、利用浅层地下水或周边农田退水进行农业灌溉以降低地下水位入手。