榆阳区风沙草滩区地下水动态特征与影响因素分析

薛子钊,许 琴,马理辉,,4,常展鹏,赵 鹏

(1.西北农林科技大学水利与建筑工程学院,陕西 杨凌 712100;2.冯家山水库管理局午井灌溉管理处,陕西 宝鸡 722200;3.中国科学院水利部水土保持研究所,陕西 杨凌 712100;4.国家节水灌溉杨凌工程技术研究中心,陕西 杨凌 712100)

0 研究背景

榆阳区风沙草滩区是毛乌素沙漠向黄土丘陵区的过渡地带,生态环境脆弱[1],经过当地人民40余年的防沙治沙运动,当地生态环境改善明显,但随着当地城镇化与工农业发展,该地区对水资源的需求逐年增长,风沙草滩区地下水由于其水质好、水量大, 被作为该地区生活、农业,工业的主要供水水源[2],加上煤炭开采过程中排放大量疏干水,该地区本就不足的地下水资源更加紧缺[3]。此外,部分农业企业为扩大耕地面积,违规“推沙造地”,造成水土流失和地表植被损害,提高了“二次沙化”的风险[4],其新建农场为保证粮食产量和经济效益,灌溉用水量也远高于当地平均水平,而这些灌溉用水几乎全部来源于地下水,而有研究表明农业用水量高已经是榆阳区水资源承载力的主要阻碍因素[5]。因此研究榆阳区风沙草滩区地下水位变化特征与影响因素,对加强榆阳区地下水资源合理开发利用与保护管理,改善当地生态环境,防止“二次沙化”,实现当地生态与经济可持续发展显得尤为重要。

1 研究区概况

研究区域位于毛乌素沙漠南缘,榆阳区长城以北的风沙草滩区,包括补浪河、巴拉素、小纪汗、马合、岔河则、小壕兔、孟家湾、金鸡滩、牛家梁、芹河10个乡镇,面积约5 000,海拔高度900～1 400 m,见图1。榆阳区处于鄂尔多斯台地东部,属于典型的大陆性边缘季风气候,年平均气温8.3℃,年平均降水量365.7 mm,降水年内分配不均,集中程度较高,多集中在7、8月份,北部风沙草滩区降水要少于南部丘陵沟壑区[6],春冬旱频发。榆阳区风沙草滩区地下水主要受大气降水补给[7],其次为凝结水、径流和局部地段地表水灌溉入渗补给,地下水由高处向低处运动, 泄出于洼地、湖泊或河流水系, 消耗于潜水蒸发和人为开发利用[8]。

图1 研究区概况图

2 数据来源

本次研究利用榆阳区水资源服务中心于2021年开始监测的风沙草滩区53眼水源井地下水埋深数据,分析榆阳区风沙草滩区2021年地下水年内时空动态特征。2021年降水、气温数据来源于中国气象数据网(https://data.cma.cn/),各乡镇农业用水数据来源于榆阳区农业农村局,利用该数据分析地下水位时空动态特征主要影响因素。

3 地下水埋深年内变化特征

本研究根据各监测井地下水埋深变化规律,结合土地利用类型与水文地质条件,进而将各监测井地下水动态分为径流型、灌溉型、开采型3种基本类型,如图2。每种类型选取4眼典型监测井,绘制地下水埋深曲线并分析其变化特征。径流型、灌溉型、开采型地下水埋深变化呈现出不同形态。

3.1 径流型

主要分布在榆溪河及其支流处,地下水主要补给来源为大气降水,其次为侧向径流、凝结水和农田灌溉入渗。榆溪河、白河、圪求河、五道河则、芹河、海流兔河等河流是地下水主要排泄通道,人工开采也是地下水重要排泄方式之一。径流型地下水埋深1～5 m,年水位变幅0.5～1.5 m,直接影响地下水埋深变化的因素为冰雪融水、夏季洪流和人为开采。

研究选取小纪汗乡大纪汗村、补浪河乡昌汗敖包村、芹河镇黄七墩村和红墩村监测井水位进行分析,其地下水埋深见表1,埋深曲线见图3,分析可知2-4月份,由于春季回暖冰雪融水对地下水有一定补给,地下水埋深逐渐减小,4-7月份径流补给减少加之灌溉用水,地下水埋深逐渐增加,8-9月份地下水受河道洪水与降水补给,加之10月份停止灌溉,地下水埋深逐渐恢复到年初水平。

表1 径流型地下水位埋深数据

图3 径流型地下水埋深变化曲线

3.2 灌溉型

该类型遍布整个风沙草滩区,地下水主要补给来源于大气降水,其次为凝结水和农田灌溉入渗。农业灌溉用水是地下水的主要排泄方式。水位埋深1～10 m,年水位变幅0～5 m,直接影响地下水埋深变化的因素是农业灌溉用水和大气降水。

研究选取牛家梁镇榆卜界、小纪汗乡黄土梁村、马合乡杨家滩村、孟家湾乡书肯壕村监测井水位进行分析,其地下水埋深见表2,埋深曲线见图4,分析可知春季3-4月份春灌引起地下水埋深增大,4-5月降水逐渐增加,地下水略有回升,6-9月份灌溉用水量骤增,导致地下水埋深增加,其中在8月份地下水埋深达到最大,10月份以后,停止灌溉,地下水埋深逐渐恢复至年初水平。

表2 灌溉型地下水位埋深数据

3.3 开采型

主要分布在乡镇生活区和工业园区,地下水主要受生活、工业用水开采、煤矿疏干水排放影响,由于生活区与工业区硬化面积大,渗透性较弱,不利于降水直接补给地下水,且煤矿开采过程中大量疏干水被直接排放[9],很容易形成地下水超采漏斗,需要进行地下水回灌等人工手段补给地下水。该类型地下水埋深1～30 m,年水位变幅1～10 m,直接影响地下水埋深变化的因素是人为开采。

研究选取小纪汗乡昌汉界村、榆阳机场、小纪汗乡中学、小壕兔乡掌高兔村监测井水位进行分析,其地下水埋深见表3,埋深曲线见图5,分析可知开采型地下水埋深全年呈下降趋势,尤其是夏季6-9月份,开采量较大,地下水埋深迅速增大,且相较于其他类型,开采型地下水恢复能力较差,年末地下水埋深很难恢复到年初的水平。

表3 开采型地下水位埋深数据

图5 开采型地下水埋深变化曲线

4 地下水埋深空间分布特征

根据榆阳区水资源服务中心提供的2021年监测井地下水埋深数据,使用克里金插值法[10]进行空间插值,绘制出2021年各月份榆阳区风沙草滩区地下水埋深分布图,如图6。

图6 2021年各月份地下水位埋深分布图

分析可知,2021年榆阳区风沙草滩区地下水埋深分布在空间上呈现出中部埋深小,东西部埋深大。其中由北向南的小壕兔乡、岔河则乡、孟家湾乡、马合镇、小纪汗镇、芹河镇、巴拉素镇大部分区域全年地下水埋深在0～10 m,该地区河流水系丰富,地下水能及时得到补充,年末与年初相比,地下水恢复程度也相对较好。补浪河乡、金鸡滩镇、牛家梁镇、马合镇和小纪汗镇西部,在夏季和冬季用水高峰期,地下水埋深增至10 m以上,其中小纪汗镇、马合镇西部,金鸡滩镇、牛家梁镇东部地下水埋深超过20 m,形成大埋深区,主要原因是牛家梁镇和金鸡滩镇东部化工煤矿企业较多,地下水开采量大,补给来源较少,而小纪汗镇和马合镇西部沙地中有大面积新垦耕地用于种植玉米、马铃薯等耗水量大的作物,该地区农业灌溉用水量大,地处荒漠边缘地下水补给强度小。

对比1月与12月地下水埋深空间分布图,可以看出榆阳区风沙草滩区地下水位整体呈下降趋势,平均埋深逐渐增大,地下水恢复能力一般,仅有少部分区域年末地下水埋深恢复到年初水平。

5 影响因素分析

榆阳区风沙草滩区地下水动态变化是气候因素和人类活动综合作用的结果。气候因素是指自然条件下区域降雨、径流、蒸发量的变化等,决定地下水动态的基本特征;人类活动是指区域地下水水资源分配、利用数量和方式等,人类活动影响水循环过程进而改变地下水资源时空分布[11]。下面根据榆阳区2021年气象资料和水资源公报,分析影响地下水埋深时空变化的原因。

5.1 气候因素

榆阳区风沙草滩区2021年地下水平均埋深、气温、降水量如图7所示。3-4月份,气温回升,降水量增加,春季冰雪融水和降水对地下水有一定补给作用,地下水埋深略有减小。7月份,气温达到峰值,蒸发量增大,降水量远低于多年平均水平,出现旱情,地下水埋深增加,达到全年埋深最大值。8-10月份降水量达到全年最高水平,降水对地下水补给增加,地下水埋深有所恢复。

图7 2021年榆阳区风沙草滩区气象要素图

5.2 人类活动

榆阳区风沙草滩区各乡镇2021年地下水资源量、井密度、灌溉面积、灌溉用水量见表4。结合地下水埋深时空变化特征分析可知,小壕兔乡、孟家湾乡、岔河则乡、芹河镇地下水资源丰富,地下水资源中灌溉用水量占比较小,地下水埋深也比较浅。补浪河乡、小纪汗镇井密度大于其他乡镇,马合镇、巴拉素镇地下水资源总量较少,地下水资源中灌溉用水量占比较大,因此这些乡镇地下水埋深主要受农业灌溉活动影响,在春夏农业用水高峰期,地下水埋深增加明显。牛家梁镇和金鸡滩镇地下水资源量较少,地下水资源中灌溉用水量占比较小,但该区域地下水埋深较大,因此影响该区域地下水埋深的主要人类活动因素是工业用水和生活用水的开采。

表4 各乡镇地下水资源情况统计表

6 结论

根据榆阳区风沙草滩区53眼地下水监测井2021年监测数据,进行地下水埋深时间和空间尺度上的分析,得出以下结论:

(1)根据监测井地下水埋深变化规律,结合土地利用类型和水文地质条件,可将各监测井地下水分为径流型、灌溉型、开采型3种基本类型,其中灌溉型遍布整个风沙草滩区,是区域内主要的类型,灌溉型地下水埋深变化规律受灌溉活动影响,在灌溉季节地下水埋深增加,非灌溉季节水位回升。径流型主要分布在榆溪河及其支流处,地下水主要受春季融雪和夏季洪流补给,地下水埋深在该时节明显减小。开采型主要分布在乡镇生活区和工业区,该类型地下水受自然补给有限,主要受人为开采活动影响,地下水恢复能力有限。

(2)风沙草滩区地下水埋深空间分布

呈现中部埋深小,东西部埋深大的特点。中部大部分区域全年地下水埋深小于10 m,东西部地下水埋深超过10 m,部分区域超过20 m,形成超采区域。风沙草滩区地下水位整体呈下降趋势,区域地下水恢复能力一般。

(3)风沙草滩区地下水埋深受气候因素和人类活动共同影响,气温和降水对地下水埋深影响明显,中部乡镇地下水资源丰富,用水合理,东西部乡镇地下水资源较少,东部地下水埋深主要受工业、生活用水影响,西部地下水埋深主要受人类灌溉活动影响。

7 展望与建议

地下水是榆阳区风沙草滩区重要的战略资源,地下水资源的保护与可持续利用对当地经济社会发展与生态环境保护至关重要。根据本文研究结论针对榆阳区风沙草滩区地下水的保护与可持续利用提出以下建议:

(1)大力推广节水灌溉技术,增加对农民农业技术的培训力度,普及节水灌溉的理念。当地过去农业灌溉以漫灌为主,水资源利用效率低,近年来推广滴灌技术,实施“漫改滴”工程措施,但大多数农户以传统漫灌理念应用滴灌技术,这导致当地“漫改滴”节水效果不明显,地下水利用效率依旧很低。

(2)增加地下水的补给。在生活区和工业区通过增加绿化面积、道路和建筑物渗透面积等措施增强雨水渗透对地下水的补给。在农田区域可以通过人工引导、水井、井田等方式,将雨季水通过浅层地下水的渗透加固留存在地下[12]。

(3)严格管理地下水开采。通过建立地下水开采许可制度和配额制度,管控井场密度,合理规划地下水开采量和利用方式,避免过度开采和滥用地下水资源,提高地下水利用效率,降低地下水下降速度。