节水改造前后永济灌域地下水环境时空变化特征

崔佳琪， 李仙岳， 史海滨， 孙亚楠， 马红雨， 菅文浩

（1.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，内蒙古呼和浩特 010018；2.呼和浩特市科兆丰水业勘测设计有限公司，内蒙古呼和浩特 010020）

地下水资源是我国西北干旱半干旱地区的重要水资源，是维持当地经济可持续发展的重要因素［1-2］，地下水作为盐分传输、累积和排泄的主要载体，也是影响土壤盐渍化的主要环境因子［3-4］。其中，地下水埋深和矿化度是体现地下水环境变化的首要控制指标［5-8］，故厘清盐渍化灌区地下水环境的时空分布特征，尤其是大规模节水改造条件下的地下水环境的动态变化规律，对于干旱区农业水资源分配管理及可持续发展有着重要意义。河套灌区轻度、中度和重度盐渍化耕地分别占总面积的29.8%、17.2%和9.2%［9-11］，是典型的盐渍化灌区。灌区毗连黄河，具有天然的引黄灌溉优势，且主要灌溉方式为引黄水灌溉，但多年来，大量的引黄灌溉用水，导致黄河水量大幅度减少，甚至形成断流。基于此，河套灌区开始进行大规模的扩建和改建，2000 年5 月水利部以水总176 号文批准了《黄河内蒙古河套灌区续建配套与节水改造规划报告》，旨在进行节水为中心的河套灌区续建配套与技术改造［12］，使得河套灌区的灌溉系统实现各方面节水，并通畅排水系统，从而做到控制地下水位，减少土壤盐碱化。自1998年以来年均引黄水量由49.43×108m3减少到43.02×108m3，节水改造工程实施力度大，引黄水量减少，势必造成河套灌区地下水环境的变化，需要在时间和空间尺度上对灌区节水改造后地下水环境演变规律进行深入分析。

针对区域地下水环境时空变化特征的相关研究较多，杜军等［13］基于地统计学方法，定性的分析了河套灌区3 月、7 月和11 月的地下水埋深和地下水矿化度的时空变化特征，在3月，地下水埋深相对较大，7—11 月（多次灌水）后，地下水埋深逐渐减小，在空间上，呈现由西南向东部递减趋势，且自南向北递增趋势，地下水矿化度有明显的差异，即11月最大，3月最小，灌区西北和东南部的地下水矿化度相对较高，中间地区较低。随着空间动态预测评估模型逐步成熟，指示Kriging被越来越多应用于地理学、生态学和环境科学等领域，是普通Kriging 的非参数形式，可有效抑制特异值对变异函数稳健性的影响［14-16］。Castrignanó等［17］应用指示Kriging 法，评价了特定阈值条件下阿普利亚地区地下水水质咸化的风险；Ducci 等［18］基于指示Kriging 法分析了地下水质在地下水体中的空间分布，表明了地下水体内可能受到污染的区域。Demir 等［19］应用指示Kriging 法，分析了不同阈值克孜勒河三角洲地区的土壤盐分变化，结果表明，灌溉季节土壤盐化的风险较大，而雨季土壤盐化的风险相对较小，空间上，东部地区发生盐渍化的风险更大。然而，在节水改造条件下盐渍化灌区地下水环境的时空变化特征及概率分布规律相关研究鲜有报道，马金慧等［20］在时间尺度上研究了河套灌区节水改造前后地下水环境的变化规律，但没有在空间尺度上分析地下水环境的演变特征。故本文以节水改造背景下河套灌区永济灌域为研究区，利用指示Kriging法对节水改造前后不同阈值下地下水埋深和矿化度的时空变化特征进行分析，评价二者的空间分布关系，得出不同阈值下地下水埋深和矿化度的高概率分布图，并讨论其影响因素，以期为盐渍化灌区后续节水改造措施的实施提供科学依据。

1 研究区概况与方法

1.1 研究区概况

选取位于河套灌区中游、具有代表性的永济灌域为研究区，研究节水改造背景下盐渍化灌区地下水环境时空变化特征。研究区总土地面积1.836×105hm2，现灌溉面积约1.122×105hm2，属温带大陆性气候，干旱少雨，日照时间长，蒸发强烈，年均气温8.9 ℃，年均降雨量135.2 mm。灌域内耕地土壤多以砂壤土和壤砂土为主，作物包括粮食和经济作物，其中，粮食作物以夏玉米和春小麦为主，经济作物包括向日葵、蔬菜、瓜果等。研究区土壤盐渍化问题突出，约1/2耕地土壤有不同程度的盐渍化，土壤中氯化盐、硫酸盐和钠盐含量较高，盐分类型复杂，属于典型的盐渍化灌域，盐渍化问题始终限制着研究区农业的可持续发展［21］。1998—2018 年年均地下水埋深和矿化度分别为2.14 m和3.35 g·L-1，其中地下水矿化度受地理环境、地质构造和水文地质条件的影响，在水平及垂直方向上均具有明显分带性，以＜3 g·L-1的微咸水为主，地下水由数条排水干渠汇入自西向东的总排干，地下水循环属于典型的入渗-蒸发类型，引黄入渗［以夏灌（4—9月）和秋浇（10—11 月）为主］为地下水主要补给因素，而蒸发消耗为主要排泄途径。自节水改造工程实施后，永济灌域引黄水量由1998 年的9.79×108m3减少至2018 年的8.09×108m3，排水量由2000 年的0.66×108m3减少至2018 年的0.37×108m3，用水量大幅减少，灌溉效率极大提高。

1.2 样品采集与处理

研究区布置了45眼长期地下水观测井，其中18眼水化井（图1），用于1998—2018 年长期监测该研究区地下水埋深和地下水矿化度。埋深于每月用皮尺与测绳测定6次（1日、5日、11日、16日、21日和26 日），矿化度每年测定3 次（3 月6 日、7 月16 日和11 月11 日），所有数据均由河套灌区管理总局提供。为验证18 个地下水矿化度取样点能否代表整个灌域的变化，于2018年4月监测51个地下水观测井，测定地下水矿化度，并取出18 个典型水化井与51 个地下水矿化度监测点进行指示Kriging 插值对比，发现其分布趋于一致，虽存在误差，但仍可代表整个灌域的地下水矿化度变化情况。本文以1998—2000 年为节水改造前时段，此后每6 a 为一时段，分析节水改造后的变化，即以2001—2006 年为节水改造初期、2007—2012年为节水改造中期和2013—2018年为节水改造后期，探究节水改造背景下地下水环境的时空变化规律。

图1 研究区地下水观测井示意图Fig.1 Groundwater observation wells in study area

1.3 研究方法

指示Kriging 法（Indicator Kriging，IK）是一种非参数地统计方法，可以用来估计给定位置超出规定阈值的概率［22-23］。该方法不仅可以削弱有偏分布，还可以抑制特异值对变异函数稳健性的影响，是处理有偏数据的有力工具。本文将GS+7.0 软件确定好的模型参数输入ArcGIS 10.4 中进行指示Kriging插值，绘制节水改造条件下不同阈值地下水埋深和地下水矿化度的空间概率分布图，并计算各指标不同概率区（高低概率区）面积占比，定性和定量分析相结合研究节水改造背景下区域尺度地下水埋深与矿化度时空变化规律。

1.4 指示Kriging模型的构建

1.4.1 阈值的选择 结合类似灌域相关研究［24］和永济灌域实际地下水埋深情况，选取1.5 m、2.0 m 和2.5 m 为阈值，进行地下水埋深的指示Kriging 分析。根据地下水矿化度的划分标准［25］，并参考相关研究成果［26-27］，可划分为：淡水（＜2 g·L-1）、微咸水（2～3 g·L-1）、半咸水（3～5 g·L-1）、咸水（＞5 g·L-1）。由于研究区多为微咸水，且特定条件下微咸水也可用于灌溉农田，因此，分别选取2.0 g·L-1、2.5 g·L-1和3.0 g·L-1作为地下水矿化度的阈值，当地下水埋深和矿化度≥阈值时，指示变换值为1，否则为0，计算中所有的指示变换值1（或0）对变异函数的贡献都是一致的，因此，不受特异值和偏态分布的影响［28］。1.4.2 模型的构建 对指示变换后的地下水埋深和矿化度进行半变异函数分析，由表1可知，地下水埋深和矿化度的指示变异函数均可用球状模型拟合，块金值C0较小，说明在本研究尺度上采样误差和短距离的变异不大［29］，块金值C0与基台值Sill的比值C0/Sill可表明空间相关性程度［30-32］。可知不同阈值条件下，研究区地下水埋深和矿化度C0/Sill均＜75%，呈中等空间自相关性，即其变异是结构性因素（气候、地形、水文地质条件等非人为因素）和随机性因素（灌溉制度、地下水利用等人为活动）共同作用的结果。

表1 研究区地下水埋深和矿化度指示变异函数理论模型Tab.1 Indicator semivariogram models of groundwater depth and groundwater salinity in study area

绘制满足相应阈值的地下水埋深和矿化度概率空间分布图并计算不同概率的面积占比，颜色浅蓝-深蓝（黄色-红色）表示≥该阈值的概率越大，以概率0.5 为分界线，≥0.5 为地下水埋深/矿化度≥该阈值的高概率区，＜0.5 为低概率区，≥某阈值的高概率区扩大也可以理解为≥该阈值的区域扩大，模型构建流程见图2。

图2 模型构建流程图Fig.2 Model building flow chart

2 结果与分析

2.1 节水改造后地下水埋深与矿化度时间演变特征

由表2 可知，节水改造后永济灌域地下水埋深呈逐时段增加趋势，由节水改造前（1998—2000年）的2.03 m 增加到改造后期（2013—2018 年）的2.39 m，平均增加了0.36 m，其中，节水改造后期增幅最大，较中期（2007—2012 年）埋深增加了0.23 m，节水改造后不同时段埋深增幅大小为：后期＞中期＞初期。地下水也呈逐时段矿化趋势，由节水改造前的2.40 g·L-1增加到改造后期的3.77 g·L-1，平均增加了1.37 g·L-1，其中，改造后期增幅最小，较改造中期增加了0.15 g·L-1，节水改造后不同时段地下水矿化度增幅大小为：初期＞中期＞后期，对比地下水矿化度和埋深的变化幅度可知，节水改造后期地下水埋深增幅最大，而矿化度增幅最小，表明地下水埋深与矿化度的变化量存在反比关系。

表2 节水改造前后不同时期地下水埋深和地下水矿化度统计特征值Tab.2 Statistical characteristic values of groundwater depth and groundwater salinity in different periods before and after water-saving transformation

2.2 节水改造后地下水埋深和矿化度空间演变特征

2.2.1 不同阈值地下水埋深空间概率分布特征 由图3～图4可知，节水改造后，研究区地下水埋深阈值为1.5 m（地下水埋深≥1.5 m）时，各阶段高概率区（发生概率在0.5 以上，深蓝色）面积占比均在88%以上，改造后期（2013—2018年）地下水埋深≥1.5 m高概率区达95%；当地下水埋深阈值为2.0 m 时，高概率区呈逐时段扩大，面积占比由节水改造前的18%增至改造后期的51%，研究区北部出现高概率区，中部和南部低概率区过渡为高概率区；当地下水埋深阈值为2.5 m 时，高概率区由节水改造前的2%扩至改造后期的19%，其中研究区中南部扩大明显，北部过渡为高概率区。研究区出现零星分布的高概率区，其主要是灌水不均匀等因素在一定程度上破坏了空间分布的结构性。

图3 节水改造前后不同阈值地下水埋深概率分布Fig.3 Probability distribution diagram of groundwater depth with different thresholds before and after water-saving transformation

图4 不同阈值地下水埋深面积比例构成Fig.4 Proportion composition of groundwater depth area under different thresholds

总体来说，节水改造后，地下水埋深≥2.0 m 的高概率区逐时段扩大，改造后期33%区域由埋深≥2.0 m的低概率区过渡为高概率区。其中，研究区中部、南部和东北部地区由1.5～2.0 m的高概率区过渡为2.0～2.5 m的高概率区，部分地区直接过渡为埋深≥2.5 m 的高概率区，中南部地区变化最为明显，主要由于节水改造后引黄水量减少，同时降雨量也呈减少趋势，地下水主要补给量减少，人工开采地下水量逐年增加，且中南部地区多年来发展了部分井灌区，因此中南部地下水埋深增加更为明显。结合图5年均（1998—2018年）地下水埋深高概率分布图可知，研究区96%的区域为埋深≥1.5 m 的高概率区，其中中南部和北部地区为发生深埋地下水（地下水埋深≥2 m）的高概率区，主要是由于研究区中南部为井灌集中区，且埋深≥2.5 m的高概率区主要集中在市区及周边地区，该区域的城镇生活用水、公共设施用水及环境用水全部取用地下水，造成了地下水位的持续下降。

图5 1998—2018年年均地下水埋深和矿化度高概率区分布Fig.5 The probability distribution between the average annual groundwater depth and salinity from 1998 to 2018

2.2.2 不同阈值地下水矿化度空间概率分布特征 由图6～图7 可知，地下水矿化度阈值为2.0 g·L-1（矿化度≥2.0 g·L-1）时，高概率区（发生概率在0.5以上，深红色）呈先扩大后缩小趋势，面积占比由节水改造前（1998—2000 年）的52%扩至改造初期（2001—2006 年）的55%，而后缩至改造后期（2013—2018年）的44%，其中低概率区主要分布在研究区中部和南部地区。矿化度阈值为2.5 g·L-1时，节水改造后高概率区呈缩小趋势，节水改造中期和后期较改造前高概率区面积分别缩小了15%和17%，研究区西南部高概率区降为低概率区。矿化度阈值为3.0 g·L-1时，节水改造后高概率区呈扩大趋势，改造后期高概率区由改造前的16%扩大到20%，其中改造中期高概率区扩大明显，扩大了11%，高概率区主要由西北端和东南端扩至整个研究区的北部及东西边缘地区。

图6 节水改造前后不同阈值地下水矿化度概率分布Fig.6 Probability distribution of groundwater salinity at different thresholds

图7 不同阈值下地下水矿化度面积比例构成Fig.7 Proportion composition of groundwater mineralization area under different thresholds

由图5可知，永济灌域地下水矿化度＜2.5 g·L-1和≥3.0 g·L-1的高概率区扩大，较节水改造前（1998—2000 年）分别扩大了17%和4%，其中，研究区中南部2.5～3.0 g·L-1的高概率区逐渐过渡为地下水矿化度＜2.5 g·L-1的高概率区，北部及东西边缘2.5～3.0 g·L-1的高概率区过渡为地下水矿化度≥3.0 g·L-1的高概率区，呈现较为极端的变化趋势，即节水改造后研究区中南部地下水趋于淡化，北部及东西边缘趋于矿化，其中，节水改造中后期研究区南部和中北部小部分地区水质有好转趋势，≥2.5 g·L-1的高概率区缩小，其由于引黄水量的减少（图8），地下水埋深增加且幅度较大（尤其中南部地区），蒸发量也呈减小趋势，使得蒸发浓缩作用对其影响减弱，导致部分地区地下水矿化度有所减小。而北部及东西边缘为主排干沟（总排干和四五排干沟），排水量的逐年减少（由改造前的0.66×108m3减至节水改造后期的0.42×108m3）（图9）导致盐分积聚在排水沟附近，因此，北部及东西边缘地下水趋于矿化。

图8 1998—2018年永济灌域引黄水量变化Fig.8 Changes of irrigation water diversion in Yongji irrigation area from 1998 to 2018

图9 2000—2018年永济灌域排水量变化Fig.9 Changes of irrigation displacement in Yongji irrigation area from 2000 to 2018

结合图5年均（1998—2018年）地下水矿化度高概率分布图可知，研究区除了西南部、中南部及东北小部分地区外，均为矿化度≥1.5 g·L-1的高概率区，其中，67%的区域为矿化度＜2.5 g·L-1高概率区，27%的区域为矿化度≥3.0 g·L-1的高概率区且主要分布在研究区中北部及东西边缘地区，其主要是由于研究区地下水总的流向为自西向东，同时，大部分浅层地下水由各个排水干渠汇入北部由西向东走向的总排干渠，盐随水走，表现为明显的盐分堆积分带。在地貌上，研究区北部属于山前洪积扇前缘到地形坡度较小的平原区，含水层沉积颗粒变细，地下水径流受阻，地下水流速变得缓慢，南部和北部的水流在此处聚集，属于区内地下水富集带［33］，蒸发强烈导致盐分积聚，矿化度逐年增大。此外，东南端部地下为一潜伏的乌拉山隆起带，断裂及其发育，受到地质构造活动的影响，沿断裂构造涌出的盐卤水侵染了地下水，导致地下水中盐分增大。

3 讨论

3.1 节水改造对地下水环境时间变化影响

河套灌区引黄水量由1998年的49.43×108m3减少到2017年的43.02×108m3，节水效果明显，渠道及建筑物衬砌整治后，轮灌期缩短5～7 d，促进了种植作物结构调整［34］。随着节水改造工程的实施，供水量减少，用水量增加，水资源供需矛盾日益突出，必将打破原有的地下水环境动态平衡，研究节水改造对地下水环境的影响势在必行。永济灌域位于河套灌区中游，且属于中度盐渍化灌区，故以永济灌域为研究对象，分析节水改造对地下水环境的影响更具有代表性。本研究表明，节水改造后，研究区地下水埋深呈逐时段增加趋势，且2013—2018年增幅最大，其主要是由于节水改造后引黄水量减少（由节水改造前的9.76×108m3降至节水改造后期的8.63×108m3）（图8），地下水主要补给量减少，从而导致地下水位下降，地下水埋深增加，这与张倩等［35］和马金慧等［36］研究一致。研究区地下水矿化度也呈逐时段矿化趋势，且改造后期（2013—2018年）增幅最小，一方面，由于引水量的减少，不足以用来淡化地下水，同时，排水量也呈逐时段减少趋势（由节水改造前的0.66×108m3减至改造后期的0.42×108m3）（图9），有研究表明，累积排水量与浸出盐之间存在显著的线性相关性，排出的盐负荷随排水量的减少而减少［37］，造成了盐分的积聚；另一方面，农业灌溉对土壤的淋洗作用也是地下水矿化的重要来源，随着耕地面积的不断扩张，淋洗到浅层地下水中的盐分也不断增加。然而，本研究发现节水改造中后期地下水矿化度增量降低，这可能是由于地下水埋深的增加，导致蒸发浓缩作用对地下水矿化的作用减弱，对地下水矿化起了一部分抑制作用。

3.2 节水改造对地下水环境空间变化影响

不同的地形地貌、地质构造、土地利用状况以及渠系和排干的分布对地下水环境影响很大［38-39］，因此，研究节水改造条件下地下水环境的空间变化特征十分必要。本研究表明，节水改造后地下水埋深≥2.0 m的高概率区逐时段扩大，尤其埋深≥2.5 m的高概率区主要集中在研究区中偏南部地区，除引黄水量的减少导致地下水埋深增加外，人工开采利用地下水量的逐年增大（临河市从1980 年到2000年利用地下水由925.87×104m3上升到5610.23×104m3）使得研究区中南部地下水埋深增加明显。Yan等［40］和Xiao等［41］研究发现，地下水被开采利用的地区（农林业、工业和城镇等），浅层地下水埋深的空间变化较为显著，这与本文研究结果一致。地下水矿化度＜2.5 g·L-1和≥3.0 g·L-1的高概率区扩大，2.5～3.0 g·L-1的高概率区缩小，呈现较为极端的变化趋势，即研究区中部矿化度（水质较好地区）趋于淡化，北部及东西边缘（水质较差地区）趋于矿化，这与Mi 等［42］研究一致。其中节水改造中后期研究区南部和中北部小部分地区水质有好转趋势，地下水矿化度≥2.5 g·L-1的高概率区缩小，其可能是由于引黄水量的减少，地下水埋深增加且幅度较大（尤其中南部地区），蒸发量也呈减小趋势，使得蒸发浓缩作用对其影响减弱，部分地区地下水矿化度有所减小。而北部及东西边缘部为主排干沟（总排干和四五排干沟）分布地，排水量的逐年减少（图9）导致盐分积聚在排水沟附近，因此，研究区北部及东西边缘部地下水趋于矿化。节水改造有效增加了地下水埋深（降低了地下水位），虽地下水矿化度仍呈增加趋势，但矿化地区大多集中于各排干附近，尤其研究区北部水质越来越差，建议进一步完善排水系统并加强渠道衬砌等节水配套设施。

4 结论

（1）从时间变化上看，节水改造后地下水埋深呈增加趋势，改造后期（2013—2018 年）增幅最大，较改造前（1998—2000 年）平均地下水埋深增加了0.36 m，不同时段地下水埋深增幅大小为：后期（2013—2018 年）＞中期（2007—2012 年）＞初期（2001—2006年）；地下水矿化度也呈增加趋势，改造后期较改造前平均地下水矿化度增加了1.37 g·L-1，不同时段矿化度增幅大小为：初期（2001—2006年）＞中期（2007—2012 年）＞后期（2013—2018年），地下水埋深与矿化度的变化量存在一定的反比关系。

（2）从空间变化上看，地下水埋深和矿化度均呈中等强度的空间自相关，球状模型拟合变异函数效果较好，节水改造后，地下水埋深＜2.0 m 的高概率区缩小，≥2.0 m 的高概率区扩大。33%地下水埋深≥2.0 m的区域过渡为高概率区，中南部和北部地下水埋深增加明显，21%矿化度在2.5～3.0 g·L-1范围内的高概率区分别过渡为地下水矿化度＜2.5 g·L-1和≥3.0 g·L-1的高概率区，表现为中部矿化度趋于淡化，北部及东西边缘趋于矿化。

（3）在年均（1998—2018年）地下水埋深和矿化度分布上，研究区39%的区域为地下水埋深≤2.0 m且多集中于中南部地区，研究区67%的区域为地下水矿化度＜2.5 g·L-1的高概率区，27%的区域为地下水矿化度≥3.0 g·L-1的高概率区且多分布于北部地区，在特定地区，地下水埋深较深时，相应地下水矿化度较小。

（4）节水改造有效降低了地下水位（地下水埋深增加），虽地下水矿化度呈增加趋势，但矿化地区多集中于各排干附近，建议进一步完善排水系统并加强渠道衬砌等配套设施。