民勤县绿洲地下水矿化度变化特征

刘德诚，邱进雄，杨晓宝

(1.甘肃省民勤县麟权生态种业有限公司，甘肃 民勤 733300;2.甘肃民勤连古城国家级自然保护区管理局，甘肃 民勤 733300)

1 引言

石羊河是河西走廊三大内陆河之一，水资源主要来源于祁连山区降水和冰雪消融水，对维持该区域生态系统平衡、社会经济可持续发展具有重要意义[1]。民勤县地处石羊河下游，伴随着人口增加、耕地面积扩张、防风固沙林大量营造，引发水资源被大量、重复利用，加之降水稀少、地表来水量减少，使得开发并超采地下水资源成为必然，从而引起了一系列的生态环境问题[2]：如地下水埋深增加、矿化度升高和水质恶化、植被衰退和耕地撂荒等，已经严重影响到当地和周边地区的生态安全，引起了党中央、国务院和省、市各级政府，以及专家学者、社会各界的高度关注。从2001开始，该区域先后实施了关井压田、生态输水、种植业结构调整等一系列的工程措施，使得该区域生态环境逐步得到改善。

2 研究区概况

民勤县三面被腾格里和巴丹吉林两大沙漠包围，年均降雨量少、分配不均、蒸发量大，风大沙多，属于典型的大陆性荒漠气候，境内由沙漠、低山丘陵和平原3种地貌组成[14]，地带性土壤为风沙土、灰棕漠土、草甸土和草甸沼泽土，最主要耕作土壤为灌淤土[15]。研究区可分为环河区、坝区、昌宁区、泉山区和湖区，天然植被以白刺(Nitrariatangutorum)、柽柳(Tamarixramosissima)、红砂(Reaumuriasoongirica)、盐爪爪(Kalidiumfoliatum)、芦苇(Phragmitesaustralis)、沙拐枣(Calligonummongolicum)等灌木和草本植物为主，人工植被以梭梭(Haloxylonammodendron)、柠条(Caraganaintermediaintermedia)为主。种植农作物主要有小麦、玉米、葵花、瓜类、棉花、茴香等。

3 研究方法

研究区1998～2013年地下水矿化度数据来自于民勤县水务局，地下水矿化度数据统计及单因素方差分析在Spss18.0中进行，文中图在Excel中完成。

4 结果与分析

4.1 地下水矿化度年变化特征

地下水矿化度在1998～2013年间变化规律如图1所示。在空间上，地下水矿化度全年均值排序为湖区>泉山区>昌宁区>坝区>环河区；在时间序列上，无论是全区还是各个分区，地下水矿化度变化规律均为先增加后降低，但地下水矿化度达到最大值年份不一致，其中环河区地下水矿化度最大值出现在2005年，其余各区均出现在2012年。

图1 地下水矿化度年际变化规律

4.2 地下水矿化度季节变化特征

4.2.1 地下水矿化度春季变化特征

地下水矿化度在1998～2013年间春季变化规律如图2所示。在空间上，地下水矿化度以湖区最大，环河区最小，排序为湖区>泉山区>昌宁区>坝区>环河区；在时间序列上，整体呈现先升高后降低的趋势，各个区出现峰值的年份各异，其中湖区、泉山区、昌宁区和坝区地下水矿化度在2012年为转折点，环河区地下水矿化度在2006年出现拐点。

图2 地下水矿化度春季变化特征

4.2.2 地下水矿化度秋季变化特征

地下水矿化度在1998～2013年间秋季变化规律如图3所示。湖区地下水矿化度继续增加，其余各区地下水矿化度均先增加后降低，但各区出现拐点的年份不一致，其中坝区、环河、泉山和昌宁分别在2004年、2007年、2012年和2008年出现拐点。

图3 地下水矿化度秋季变化特征

4.3 地下水矿化度年际变幅

为了便于说明生态工程治理措施对石羊河下游地下水矿化度恢复程度的影响，本文选取生态工程治理措施开始实施的下一年即2002年地下水矿化度年际变幅来进行描述，从图4 可以看出，无论是全区还是各个分区，全年地下水矿化度年际变幅均降低，其中昌宁区地下水矿化度年际变幅下降趋势最大为每年0.0346，其次为泉山区和坝区，最小为湖区，其中全区、泉山区和坝区地下水矿化度年际变幅下降趋势显著(P<0.05)。

春秋季节地下水矿化度年际变幅统计分析如表1所示，地下水矿化度春季年际变幅均值最大为湖区0.0081，最小为全区为-0.0004，春季矿化度年际变幅的趋势值均为负值，表明全区及各个分区矿化度年际变幅呈下降趋势，其中泉山区矿化度年际变幅下降趋势明显；地下水矿化度秋季年际变幅均值最大为湖区0.0289，其次为全区0.0104，最小为坝区-0.0059，秋季矿化度年际变幅的趋势值除湖区外其余均为负值，表明除湖区地下水矿化度年际变幅增加外，其余各区矿化度年际变幅比均呈下降趋势，其中全区和昌宁区矿化度年际变幅下降趋势明显。

图4 地下水矿化度年际变幅

表1 春秋季地下水矿化度年际变幅

4.4 地下水矿化度方差分析

地下水矿化度方差分析如表2所示。治理前，湖区和环河区全年地下水矿化度与其余各区差异性显著(P<0.05)，其中以泉山区地下水矿化度变异系数最小，湖区地下水矿化度变异系数最大；治理后，湖区、坝区和环河区全年地下水矿化度与其余各区存在显著性差异(P<0.05)，其中昌宁区地下水矿化度变异系数最大，全区地下水矿化度变异系数最小，全年地下水矿化度除湖区在治理前后差异性显著(P<0.05)外，其余均不存在显著性差异，但从表中可以看出治理后地下水矿化度变异系数均增加。治理前的春季地下水矿化度，湖区地下水矿化度与其余各区差异显著(P<0.05)，环河区地下水矿化度与坝区、昌宁区和全区差异显著(P<0.05)，地下水矿化度变异系数湖区最大，泉山区最小；治理后，湖区和环河区的地下水矿化度与其余各区差异显著(P<0.05)，地下水矿化度变异性以昌宁区最大，泉山区最小，对比分析发现治理后各区地下水矿化度变异性均增加。秋季地下水矿化度在治理前和治理后，湖区地下水矿化度均与其余各区差异显著(P<0.05)，治理后地下水矿化度变异系数变大。

表2 地下水矿化度方差分析

5 结论与讨论

在空间上，地下水矿化度全年平均值变化规律与距离水源补给区的距离有很大关系，距离水源补给区越远地下水矿化度越高、越近地下水矿化度越低，表现为湖区>泉山区>昌宁区>坝区>环河区。这种变化规律与仲生年[5]、刘文杰[8]和席海洋[16]对民勤绿洲坝区、民勤全区以及额济纳绿洲地下水矿化度的研究结果相一致。一方面是由于民勤和额济纳降水稀少，蒸发量极大，矿化度高，另一方面民勤地区矿化度的变化特征与地质构造[17]以及地下水矿化度基数有很大的关系。研究表明，民勤地形封闭，该区域降雨量从南到北[18](离水源补给区距离从南到北增大)逐渐变小，地势由南向北逐渐降低，导致地下水的水平运动为从南到北，致使盐分的积累量也表现为从南到北增加，即民勤地下水矿化度的基数表现为从南到北变大。地下水矿化度变化还与地下水位及含水层的性质有很大关系，最近几年连续大量的水直接作用于湖区青土湖，使得湖区地下水位得到回升[19]，在治理前后的地下水矿化度差异显著，但矿化度依然很大，这是因为湖区形成于气候干燥的第四世纪冰期末期[20]，湖泊面积日益萎缩，再加上强烈蒸发浓缩作用，导致湖区形成大量盐分，从而形成了高矿化度的地下水层。在泉山区、坝区和昌宁区，开展农业活动早，以咸水和苦咸水灌溉为主，加之上游来水量减少，开采地下水成为必然，目前在该区域已经形成了大面积的漏斗[6,21]，致使地下水流运动由水平转化为三维，加剧了地下水侧渗补给[21]，从而增加了盐分的来源，导致地下水矿化度升高。通过对比治理前后地下水矿化度的变异系数可知，治理后地下水矿化度变异系数增大，表明研究区地下水矿化空间变异性增强，这是由于与长期人为强烈的负面干扰和自然地理条件下形成的地下水矿化度相比，目前所采取的短历时人工正面干扰在一定程度上来说类似于点源正面干扰，即绝大多数只在农田进行灌溉补给地下水或关井压田，有些在经济利益的驱使下只是退耕解决水源困难或种植农作物生长不良的区域。在时间序列上，研究区地下水矿化度基本上呈现先增加后降低的趋势但出现峰值的年份却不同，这一方面与各个分区在不同年份的土地利用类型[7,9]有很大关系，耕地面积占比越大，对水资源的需求量就越多，地下水矿化度越高；另一方面和各分区在不同年份的植被类型有关，不同的植被类型其根系吸收和利用水、养分的能力也不同，从而导致地下水含盐量及矿质离子产生较大差异。

研究区地下水矿化度的季节变化规律与地下水季节性开采量和利用效率[22]有很大关系。民勤地区地下水的开采主要应用在农作物灌溉方面，在灌溉条件下，补给地下水的最主要因素就是农田灌溉水，消耗地下水的方式有地下水出流以及土壤和植物的叶面蒸发，所以在灌区地下水矿化度的变化取决于补给地下水和消耗地下水的消长关系[23]。虽然近些年来采取了一系列的生态工程治理措施，地下水矿化度依然整体表现为升高趋势，但地下水矿化度的增加幅度在降低，说明目前的治理措施可以有效地缓解地下水矿化度增加幅度的升高，但要从根本上遏制地下水矿化度的升高，需要进一步加大力度实施目前的工程治理措施。