黄土丘陵区淤地坝作用下地下水位动态演化特征

白乐 殷会娟 李昭悦

摘 要：以黄土丘陵区典型淤地坝刀劳庆骨干坝为例，采用野外原位观测及相关分析的方法，研究淤地坝作用下地下水位时空分布格局和动态演化特征，揭示上下游补排关系及驱动因素，为淤地坝坝区地下水资源保护与高效利用提供理论依据。结果表明：①淤地坝下游和坝区地下水位年最大变幅分别为1.82 m和1.27 m，坝下游地下水位整体呈下降趋势，而坝区内地下水位呈上升趋势;②淤地壩区和下游两观测点地面高差9 m，直线距离478 m，淤地坝地下水位比下游地下水位高7.51 m，淤地坝坝区内地下水补给坝下游地下水;③淤地坝下游地下水位变化具有明显的季节性，形成高峰（非雨季）与低谷（雨季），降雨补给地下水具有时滞性，坝内夏季地下水位上升、其他季节下降;④农业灌溉用水量增加是地下水位变化的重要驱动力，其对坝下游地下水位的影响大于坝区。

关键词：淤地坝;地下水位;降雨;动态演化特征;黄土丘陵区

Abstract：Taking Daolaoqing key dam of typical warping dam in loess hilly area as an example， the spatial and temporal distribution pattern and dynamic evolution characteristics of groundwater level under the action of warping dam were studied by field in-situ observation and correlation analysis. The relationship between upstream and downstream recharge and discharge and driving factors were revealed， which provided theoretical basis for the protection and efficient utilization of groundwater resources in warping dam area. The results show that a） the maximum variation of groundwater level in the downstream of the warping dam and the dam area is 1.82 m and 1.27 m respectively. The overall trend of the groundwater level in the downstream of the warping dam is downward and the groundwater level in the dam area has an upward tendency; b） the ground elevation difference between warping dam area and downstream two observation points is 9 m， straight line distance is 478 m， the groundwater level of warping dam is 7.51m higher than that of downstream water level and the groundwater of the dam area recharges the downstream groundwater; c） the variation of groundwater level in the downstream of warping dam has obvious seasonality， forming peak （non-rainy season） and trough （rainy season）， and rainfall recharge groundwater has time delay. The groundwater level in spring and autumn of the dam falls in winter and rises in summer and; d） the increase of agricultural irrigation water consumption is an important driving force of groundwater level change and its influence to the groundwater level in dam area is not as good as that in downstream dam.

Key words： warping dam; groundwater level; rainfall; dynamic evolutionary characteristics;loess hilly region

淤地坝是黄土高原水土保持的关键措施，大规模淤地坝建设在发挥拦沙蓄水、调节径流[1-4]、改善生态环境等综合功能的同时，对地下水文循环产生了深刻影响，给地下水资源保护和生态治理带来新的挑战。地下水位是地下水循环的“脉搏”，是衡量区域地下水资源开发合理与否的重要判据。黄土高原水资源短缺、生态环境脆弱，大规模淤地坝建设对地下水位动态特征的影响，已逐步成为水文、环境、生态等学科研究的热点。

众多学者从淤地坝对地下水的影响机理、补排关系、影响比例等方面进行研究，例如：高海东等[5-7]阐述了淤地坝作为障碍性节点，对径流过程和地下水产生影响;袁水龙等[8]指出淤地坝建设明显改变坝前坝后的水动力过程，而且改变了沟道的侵蚀动力分布，进而对地下水循环产生影响;毕慈芬等[9]研究指出淤地坝建设可形成地下水库，调节区域水环境。Huang等[10-12]研究表明黄土高原地下水补给主要发生在7—9月的雨季;綦俊谕等[13]运用3种计算方法研究淤地坝减水作用，结果表明淤地坝等工程措施对岔巴沟流域减水作用仅为7%左右，但流域内地下水占比增加约20%;黄金柏等[14]开发了淤地坝系统水力计算模型，计算结果表明淤地坝系统对水资源再分布的影响主要体现在减少地表径流、增加入渗补给等方面。

综上，学者们主要通过研究淤地坝建设对地表径流的影响，进而分析其对基流量或地下水补给及占比变化的影响[15-19]，专门研究淤地坝作用下地下水位动态变化特征的较少。因此，本文以黄土丘陵区典型淤地坝刀劳庆骨干坝为例，选取淤地坝下游和淤地坝坝区两个观测点，通过原位监测淤地坝作用下的地下水位变化，揭示地下水位时空分布格局和动态演化特征，以期为淤地坝坝区地下水资源保护与高效利用提供参考，也为淤地坝生态治理效益评价提供科学依据。

1 研究区概况及数据来源

1.1 研究区概况

西柳沟是内蒙古“十大孔兑”之一，发源于鄂尔多斯市东胜区柴登镇宗兑村张家山，向北注入黄河。西柳沟河道全长106.5 km，流域面积1 356 km2。流域多年平均降水量305.9 mm，主要集中在6—9月（约占年降水量的80.4%），以7月、8月降水最为集中（分别约占年降水量的28.4%、27.8%）。流域年均水面蒸发量2 200 mm，干旱指数>7，属典型的干旱大陆性季风气候区。西柳沟淤地坝建设开始于2000年，至2016年有淤地坝106座，大规模的淤地坝建设对地下水位的影响已显现。

刀劳庆骨干坝位于西柳沟流域哈他土沟右岸支沟刀劳庆，地貌地形属典型的黄土丘陵沟壑区。刀劳庆坝址以上流域面积3.27 km2，总库容78.3万m3，最大坝高14 m，坝长350 m。沟道呈宽浅式，沟底比降1.2%，沟床覆盖第四系冲积洪积砂壤土，沟底砂砾石层为地下水的渗流通道，地下水埋深5～8 m。该坝于2006年年底建成，设计淤积年限20 a。

1.2 数据来源

降雨量数据通过安置在研究区的HOBO小型自动气象站获得，记录时间间隔为10 min，监测时间为2019年6月21日—2020年9月30日。两个地下水位观测点分别选在刀劳庆淤地坝下游和淤地坝坝区内，分别记为J1点（高程1 327 m）和J2点（高程1 336 m）。J1和J2井深分别为7 m和10 m，观测井井口高程超出地面高程0.5 m。J1点位于J2点下游，两观测点直线距离478 m，高差9 m。地下水埋深数据通过安装在监测井中的Diver自动水位记录仪获得，每30 min记录一次，监测时段为2019年6月26日—2020年9月30日。安置在淤地坝坝区的J2监测井中的水位计2019年8月15—22日堵孔，其间数据通过插补获取。

2 地下水位时空分布和动态演化特征

2.1 年尺度地下水位动态特征

淤地坝下游地下水位监测井J1水位波动幅度较大，年最大变幅1.82 m左右，地下水埋深表现为波动增大—持续减小—波动较快增大—急剧减小，春夏季水位降低，秋冬季水位逐步回升，地下水位总体呈下降趋势。坝区地下水位监测井J2水位变化较小，年最大变幅1.27 m左右，地下水埋深呈现减小—缓慢增大—快速减小—波动减小的变化趋势，总体变化不大（见图1）。

2.2 季尺度地下水位动态变化特征

春季（3—5月）随着气温逐渐回升，淤积冻层在垂向上沿自上而下和自下而上2个方向同步融化，冻层中部消融具时滞性[21]，坝下游地下水位缓慢下降。夏季（6—8月）降雨、蒸发和灌溉用水量增加，坝下游地下水位下降，与春季相比，地下水位下降0.88 m。秋季（9—11月）农灌用水量减少，蒸发减弱，地下水位较夏季回升了0.46 m（见图2）。冬季（12月至次年2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，地下水位持续回升。

春季淤地坝坝区内地下水位亦呈小幅降低趋势;夏季随降雨量增加，地下水位升高;秋冬季地下水埋深分别增大到7.31 m和7.37 m，这可能与其侧向排泄有关。

2.3 汛期与非汛期地下水埋深变化特征

（1）淤地坝下游地下水埋深变化特征。2019年汛期（6—9月）降雨量226.6 mm，坝下游地下水埋深由6.18 m减小为5.80 m，地下水位上升了0.38 m;2020年汛期降雨量312.7 mm，较上年增加38%，汛期地下水埋深由6.25 m减小到5.44 m，减小0.81（见图3（a））。2020年汛期地下水位升幅大于2019年同期，但淤地壩下游平均地下水埋深由2019年的6.04 m增加到6.14 m，地下水位仍呈下降趋势。非汛期（2019年10月到2020年5月），地下水埋深由5.84 m减小到5.34 m（见图3（b））。

（2）淤地坝坝区地下水埋深变化特征。2019年汛期（6—9月）淤地坝坝区地下水埋深由7.74 m减小为7.31 m，水位上升0.43 m。2020年汛期坝区地下水埋深由7.51 m减小到6.67 m，水位上升0.84 m（见图3（a））。与2019年相比，2020年汛期降雨量增加38%，而平均地下水埋深由7.48 m减小到6.93 m，水位抬升0.55 m。因此，地下水位随着降雨量增加而抬升的同时，仍受到用水增加的影响，地下水位上升幅度较小。非汛期（2019年10月到2020年5月）降水少，坝区地下水埋深由7.34 m增大到7.46 m，增加0.12 m（见图3（b））。

2.4 月尺度地下水埋深动态特征

（1）淤地坝下游地下水位变化特征。2019年7—8月降雨量97.2 mm，地下水埋深由5.80 m增大到6.18 m（见图4），降雨量增加，地下水埋深增大。这一时期蒸发强烈，农灌次数增加导致地下水开采量增加，一定程度上抑制了地下水位抬升。9月蒸发和开采量减少，水位小幅回升。10月到次年3月，降水减少、气温降低、蒸散发减弱、地下水开采量减少，地下水位回升0.50 m。4—5月随着天气回暖，蒸散发增强，而降雨量仅6.4 mm，地下水得不到补充，地下水位下降0.27 m。6—7月总降雨量162 mm，地下水埋深继续增大至6.41 m，地下水开采量增加是地下水位降低的主要原因。

（2）淤地坝坝区地下水埋深特征。2019年7月坝区地下水埋深为7.74 m，之后随着降雨量增加，地下水埋深逐步减小，到10月减小至7.29 m。2019年11月到2020年6月地下水埋深呈缓慢增大趋势，最大埋深7.51 m，该时期降水稀少（除2020年6月降水量84.4 mm），蒸散发作用由弱变强，蒸发是影响地下水位变动的主要原因。2020年7月，随着降雨量持续增加，地下水埋深减小到6.86 m，比6月（7.51 m）减小0.65 m，减幅8.66%。8—9月总降雨量150.7 mm，随着气温逐渐降低，蒸散发作用减弱，地下水得到补充，埋深减小至6.67 m。

3 地下水补排关系及影响因素分析

3.1 地下水补排关系分析

淤地坝下游监测井位于排泄区，潜水含水层赋存于第四系冲积洪积层中。岩性以冲积砂、砂砾石为主，主要接收大气降水的入渗补给，其次接收农业灌溉回归水补给，地下径流条件好[21]，故淤地坝下游监测井的地下水位可代表其附近第四系的地下水位。淤地坝坝区监测井揭露的第四系潜水含水层分布较连续，其水位可代表淤地坝坝区和附近区域地下水位变化趋势。

监测区内淤地坝坝区与淤地坝下游监测井地面高差为9 m，井深分别为7 m和10 m。坝区和淤地坝下游地下水位分别为1 328.72 m和1 321.21 m，坝区内地下水位比下游高7.51 m。水头差的存在导致淤地坝内地下水补给坝下游地下水，与淤地坝下游地下水位恢复较快的事实相吻合。坝区地下水位和淤地坝下游地下水位差值非汛期（1.86 m）大于汛期（1.15 m），进一步说明坝区地下水补给坝下游地下水[22]。

3.2 地下水位变化驱动因素分析

研究区第四系潜水含水层具有埋藏浅、透水性好的特点，地下水位变化受地形地貌的控制，在不同时间尺度和空间分布上表现出不尽相同的动态特征。汛期降雨量增加38%，坝下游地下水埋深增大1.27%，坝区地下水埋深减小7.35%。在其他因素保持不变的条件下，农业灌溉用水量增加是影响坝区和下游地下水位变化的重要因素，下游受影响更明显，这与下游农民大量种植玉米等农作物密切相关。淤地坝下游地下水位变化基本上遵循大气降水量增加地下水位抬升的规律，但农灌用水量增幅大于降水量增幅，表现为6—8月（汛期）降雨量增大，地下水位降低，汛期过后地下水位逐步回升。因此，淤地坝下游地下水位变化是降水入渗补给、蒸发排泄、农业灌溉等多种因素综合作用的结果[21]，降水量增加是坝区地下水位抬升的主要原因，农业灌溉用水量增加是地下水位降低的重要影响因素，而蒸发量增加在一定程度上抑制了地下水位抬升。坝区地下水位受农业灌溉的影响不及下游大。

4 结 论

（1）淤地坝下游监测井地下水位年最大变幅为1.82 m左右，地下水位呈下降趋势。淤地坝坝区监测井地下水位变化较小，年最大变幅为1.27 m左右，地下水位呈上升趋势。

（2）汛期淤地坝下游和淤地坝坝区地下水位分别回升0.81 m和0.84 m，但淤地坝下游地下水位仍呈下降趋势。非汛期淤地坝下游地下水埋深由5.84 m减小到5.34 m，地下水位有所回升;坝区地下水埋深由7.34 m增大到7.46 m，地下水位略有下降。

（3）淤地坝坝区地下水位比下游地下水位高7.51 m，淤地坝坝区地下水补给坝下游地下水。两者地下水位差值非汛期大于汛期，进一步说明坝区地下水补给坝下游地下水。

（4）淤地坝下游地下水位变化基本上遵循降水量增加地下水位抬升的规律，形成高峰（非雨季）与低谷（雨季），雨季过后水位逐步回升，且降雨补充地下水具有明显的时滞性。淤地坝下游及坝区地下水位变化是降水入渗补给、蒸发排泄、农业灌溉等多种因素综合作用的结果，农业灌溉是地下水位变化的重要影响因素，其对淤地坝下游地下水位的影响大于对坝区的影响。

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