解放閘灌域地下水礦化度時(shí)空變異分析

李文君

(安徽理工大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院，安徽 淮南 232001)

解放閘是典型的無(wú)灌溉無(wú)農(nóng)業(yè)的灌域，引黃灌溉是該地區(qū)重要的水資源之一。隨著近年來(lái)引黃水量的逐漸減少，灌域內(nèi)土壤鹽漬化的問(wèn)題愈發(fā)突出。據(jù)研究土壤含鹽量演變特征及主要影響因素發(fā)現(xiàn)：影響土壤鹽漬化的因素有很多，例如地形高程、氣候條件、日照時(shí)數(shù)、地下水埋深、地下水礦化度、植被覆蓋度、排鹽量、引水量、排水量、降雨量、蒸發(fā)量、開(kāi)采強(qiáng)度等[1-5]。在眾多影響因子中，地下水礦化度的影響不容忽視。孫占泉等[6]運(yùn)用GIS和RS對(duì)德州市武城縣進(jìn)行土壤鹽漬化變化規(guī)律研究，研究表明：雖然地下水礦化度對(duì)土壤鹽漬化的形成作用有限，但也是一個(gè)不可忽視的影響因素。根據(jù)研究表明：地下水中不同的含鹽量可分類為不同的地下水礦化度，研究地下水礦化度的分布區(qū)域、分布特征等可以為土壤鹽漬化的治理提供參考。杜軍[7]等通過(guò)地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法中的球狀模型、普通克里金插值方法、應(yīng)用軟件ArcGIS9.0和統(tǒng)計(jì)軟件GS+,以內(nèi)蒙古整個(gè)河套灌區(qū)為研究區(qū)域，分析2003年3月、7月、11月3個(gè)月的地下水位埋深和礦化度的時(shí)空分布規(guī)律。分析表明：淺層地下水埋深與礦化度之間呈相反關(guān)系。由此證明地下水礦化度與影響土壤鹽漬化的其它因素也有相互作用。王水獻(xiàn)等[8]以地統(tǒng)計(jì)學(xué)經(jīng)典理論分析了開(kāi)孔河流域不同時(shí)期和不同地貌單元地下水礦化度在時(shí)間和空間的變異特征,揭示其淺層地下水含鹽量的時(shí)空變異律。劉中一等[9]根據(jù)2006—2013水文、氣象及地下水資料，研究河套灌區(qū)解放閘灌域節(jié)水對(duì)地下水及蒸發(fā)的影響。研究表明：灌區(qū)節(jié)水引起的地下水位下降及地下水對(duì)耗水貢獻(xiàn)的改變將改變農(nóng)業(yè)產(chǎn)出及灌區(qū)生態(tài)環(huán)境。結(jié)合夏灌、秋灌、秋澆時(shí)期的引水量，分析2000—2013地下水礦化度的時(shí)空變異特征，并進(jìn)一步探索地下水含鹽量的分布特征，為治理土壤鹽漬化提供參考。

1 研究區(qū)背景及研究方法

1.1 研究區(qū)背景

內(nèi)蒙古解放閘灌域位于東經(jīng)106°45′～107°27′，北緯40°54′～41°14′，地處河套灌區(qū)西部，緊鄰永濟(jì)和一干灌域，灌域總控制面積323.45萬(wàn)畝，其中，灌溉面積213.45萬(wàn)畝，非灌溉面積110.31萬(wàn)畝。灌域?qū)儆谥袦貛Ц咴?，其地?shì)平坦，平均海拔1 036 m；大陸性氣候，氣候干燥，1 a中平均降水138 mm，主要集中在7—9月，這段時(shí)期解放閘也正處于秋灌時(shí)期；蒸發(fā)量大，年平均蒸發(fā)量2 096 mm，是典型的無(wú)灌溉無(wú)農(nóng)業(yè)地區(qū)。在此基礎(chǔ)上，引黃灌溉就顯得極為重要，灌域內(nèi)有干渠3條，從西至東分別為烏拉河、楊家河和黃濟(jì)渠，分干渠16條，排干兩條(二排干和三排干)。雖然引黃灌溉面積占總灌溉面積的80%以上，但因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間的低效灌溉方式和落后的管理方法，使得灌域內(nèi)土壤鹽漬化逐漸嚴(yán)重。近年來(lái)，無(wú)論是隨著灌域經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展使得農(nóng)作物灌溉用水需求增大，還是黃河中下游的缺水問(wèn)題日益嚴(yán)重而導(dǎo)致黃委會(huì)分配給灌域的水量逐漸減少，都促使著灌域必須制定節(jié)水灌溉措施，實(shí)施高效節(jié)水方案。而此次利用解放閘灌域內(nèi)外多個(gè)觀測(cè)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，研究2000—2013灌域地下水礦化度分布情況和變化趨勢(shì)，探討這些措施方案的實(shí)際效果，為下一步土壤鹽漬化的治理提供一些參考。灌域具體位置及觀測(cè)樣點(diǎn)分布見(jiàn)圖1。其中，每一個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)代表該觀測(cè)井1 a礦化度的平均值。特別觀測(cè)井點(diǎn)37、38、64、65、76、90、102。其中，井點(diǎn)37在新渠分干渠附近，38在永躍八海子附近；64號(hào)井位于喬占年圪旦，65號(hào)位于楊家保圪旦；76號(hào)地處常慶村，周圍無(wú)渠系分布；0、102號(hào)觀測(cè)井分別位于王紅圪旦和劉西林圪旦。90號(hào)觀測(cè)井附近有西支渠、黃羊支渠；102號(hào)井點(diǎn)周圍有腦包渠經(jīng)過(guò)。

圖1 解放閘灌域位置及觀測(cè)樣點(diǎn)分布

1.2 研究方法及原理

通過(guò)有限的已知值去推測(cè)補(bǔ)充點(diǎn)相鄰的未知值，最終獲得空間分布圖，目前,在ArcGIS中的方法有克里金法(Kriging)、樣條函數(shù)法(SPLINE)、反距離權(quán)重法(inverse distance weighted，IDW)等。研究選取IDW，因?yàn)榇朔N方法在假設(shè)預(yù)測(cè)點(diǎn)的值受相鄰或相近樣本點(diǎn)的影響比較遠(yuǎn)控制點(diǎn)的影響更大，認(rèn)為與待插點(diǎn)距離最近的若干個(gè)點(diǎn)對(duì)插點(diǎn)值的貢獻(xiàn)最大，其貢獻(xiàn)與距離成反比，其內(nèi)插的精度由已知點(diǎn)到內(nèi)插點(diǎn)的距離來(lái)確定。可表示為[10]

式中：Z為預(yù)測(cè)值；Zi為第i個(gè)樣本值，i=1,…,n；Di為預(yù)測(cè)點(diǎn)與樣本點(diǎn)之間的距離；P是預(yù)測(cè)值與樣本值距離的冪，它顯著影響內(nèi)插的結(jié)果。影響的權(quán)重用點(diǎn)之間距離乘方的倒數(shù)表示。乘方為 1 意味著點(diǎn)之間數(shù)值變化率為恒定，該方法稱為線性插值法。乘方為2或更高則意味著越靠近已知點(diǎn)，數(shù)值的變化率越大，遠(yuǎn)離已知點(diǎn)趨于平穩(wěn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 地下水礦化度年內(nèi)變化

地下水的礦化度即單位體積下水中可溶性鹽類的質(zhì)量[11]。天然水按礦化度分類[11-12]：礦化度在0～1 g/L之間為優(yōu)質(zhì)淡水，可飲用；1～3 g/L定義為微咸水，可做灌溉用水，通過(guò)特殊手段脫鹽后正常飲用；礦化度在3～10 g/L之間的天然水稱為咸水，主要為海水，通過(guò)提純后，水和鹽均可被利用；礦化度在10～50 g/L的鹽水及大于50 g/L的鹵水雖然有其特定用途，但均不適合植被生長(zhǎng)。故知道地下水的礦化度可了解到水的含鹽程度。為研究灌域內(nèi)地下水礦化度年內(nèi)變化趨勢(shì)，以2004年為例，選取不同位置的7個(gè)有代表性的觀測(cè)井點(diǎn)(37、38、64、65、76、90、102)來(lái)研究其地下水礦化度變化趨勢(shì)。1 a中對(duì)觀測(cè)井采樣時(shí)間分別為1月、3月、5月、7月、9月、10月、11月，得到變化趨勢(shì)結(jié)果如圖2所示。為討論引黃水量對(duì)礦化度的影響，總結(jié)同年夏灌(4月、5月、6月)、秋灌(7月、8月、9月)、秋澆(10月、11月)各月份渠系引水量，見(jiàn)圖3。

圖2 2004年地下水礦化度變化

圖3 2004年渠系引水量

圖2中，觀測(cè)井點(diǎn)76地處常慶村，周圍無(wú)渠系分布，隨著數(shù)次不同時(shí)間的觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)其地下水礦化度變化不明顯，引黃灌溉對(duì)其影響不深，該井點(diǎn)地下水礦化度1 a中長(zhǎng)時(shí)期處于1 g/L以下。90、102號(hào)觀測(cè)井在黃濟(jì)渠附近呈一南一北分布，1 a中處于南部的90號(hào)井除了在9月地下水礦化度突增至5 g/L外無(wú)較大的起伏變化，平均維持在1～3 g/L；102號(hào)井從5月開(kāi)始至7月其地下水礦化度直線上升，由1 g/L升至10 g/L，隨后直到9月礦化度又急速下降恢復(fù)到1～3 g/L的波動(dòng)范圍。兩點(diǎn)均值均在2 g/L上下浮動(dòng)，由此，兩井點(diǎn)均處于微咸水區(qū)域。在咸水分布的地區(qū)，隨著引水量的增加減少，其礦化度在3～10 g/L之間產(chǎn)生波動(dòng)。64、65號(hào)井均在三排干附近，三排干在進(jìn)行灌區(qū)排水或者地表滲水排水時(shí)，也隨之排鹽。兩者均處于咸水分布區(qū)域。前者地下水礦化度在3～5 g/L內(nèi)變化，均值4 g/L，后者地下水礦化度在5～11 g/L內(nèi)變化，均值8 g/L。受引黃灌溉最深、最直接的是位于鹽水區(qū)域的觀測(cè)井，以37、38號(hào)井為例，兩者的變化趨勢(shì)基本與圖3中渠系引水量呈正比。從1月到5月地下水礦化度幾乎呈直線式上升，春季灌區(qū)處于積鹽狀態(tài)，隨著夏灌的到來(lái)，灌區(qū)開(kāi)始脫鹽。10月，灌區(qū)引水量達(dá)到巔峰期，此時(shí)正值秋澆階段，在11月秋澆完畢后，灌區(qū)停止繼續(xù)引黃灌溉，灌區(qū)又開(kāi)始進(jìn)入冬季儲(chǔ)鹽狀態(tài)。37、38號(hào)井的礦化度可以從1月的6 g/L整體上升到7月的18 g/L左右，甚至在10月，37號(hào)井地下水礦化度增高到30 g/L。由圖3可知：灌區(qū)從4月份開(kāi)始持續(xù)到11月份結(jié)束，引黃灌溉從未間斷，5月、7月、11月是每年引水量的高峰期，而引水量的多少將直接影響到鹽水分布區(qū)地下水礦化度的高低，由此在該區(qū)域普及更高效的灌溉方式，減少土壤鹽的積累，是高效節(jié)水、改善土壤鹽漬化的必由之路。

2.2 地下水礦化度年際變化

根據(jù)分布在不同地下水礦化度區(qū)域的觀測(cè)井點(diǎn)，分析代表井點(diǎn)在2000—2013的年際變化情況(見(jiàn)圖4)，再結(jié)合14 a的地下水礦化度趨勢(shì)走向(見(jiàn)圖5)，分析全解放閘灌域地下水礦化度的時(shí)空變化。

圖4 2000—2013典型井點(diǎn)地下水礦化度變化

圖5 2000—2013地下水礦化度總體變化趨勢(shì)

圖4中，除去37、38號(hào)觀測(cè)井，其余觀測(cè)井地下水礦化度常年保持在0～5 g/L范圍內(nèi)變動(dòng)。37號(hào)觀測(cè)井的地下水礦化度在2000—2003幾乎呈直線式下降，在2004年陡然上升以后直到2013年其礦化度的浮動(dòng)范圍均在0～5 g/L以內(nèi)。而38號(hào)觀測(cè)井在2000—2013其取樣所得的地下水礦化度值一直處于波動(dòng)中，雖然在2011年之前，總體表現(xiàn)出下降趨勢(shì)，但在之后又從13 g/L突增至25 g/L，達(dá)到13 a之最，這樣高的礦化度顯然不利于該地區(qū)植被尤其是農(nóng)作物的健康生長(zhǎng)。由此，解放閘灌域5 g/L以下礦化度分布地區(qū)基本保持在此范圍上下變化。10 g/L以上高礦化度地區(qū)分兩種情況：一是在2003年以前礦化度下降迅猛，2005年后維持在0～5 g/L的變動(dòng)范圍；二是在2000—2013共14 a間其礦化度一直處于變動(dòng)中，有升有降，最高可達(dá)25 g/L，最低也是10 g/L。

由圖5明顯可見(jiàn)，研究區(qū)域的地下水礦化度在2002年前3 a經(jīng)過(guò)短暫的微弱上升后，在2005年之后解放閘灌域地下水礦化度整體呈緩慢下降趨勢(shì)，由5 g/L降至3.5 g/L，也是14 a間最小的礦化度?？傮w而言，研究區(qū)域地下水礦化度呈降低趨勢(shì)，個(gè)別區(qū)域雖然礦化度較高，但2011年之后也在逐漸降低，說(shuō)明在大力發(fā)展普及高效節(jié)水措施后，如確定合理的作物灌溉定額、改進(jìn)灌溉系統(tǒng)、采取先進(jìn)的節(jié)水技術(shù)、科學(xué)合理的調(diào)整作物種植結(jié)構(gòu)等[13-14]一系列節(jié)水措施后土壤鹽漬化的治理取得良好的成果。

2.3 地下水礦化度空間變化

首先整合基礎(chǔ)資料，將觀測(cè)井點(diǎn)號(hào)、經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換、礦化度均值按不同年份添加到不同的excel表格中并保存為.xls格式；其次將解放閘灌域邊界矢量圖作為底圖在ArcGIS中打開(kāi)，再點(diǎn)擊“添加數(shù)據(jù)”將之前的表格加載到軟件中，經(jīng)過(guò)指定X，Y坐標(biāo)字段、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換將各個(gè)觀測(cè)井點(diǎn)數(shù)據(jù)展點(diǎn)在底圖上，最后利用ArcGIS中空間分析模塊(Spatial Analyst)，選取插值分析工具反距離權(quán)重插值法對(duì)2000—2013的地下水礦化度進(jìn)行插值分析，再根據(jù)天然水的分類標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)礦化度值劃分類別，得到各個(gè)年份的地下水礦化度空間分布圖，結(jié)果如圖6所示。根據(jù)此類圖可以直觀地得到各類礦化度的分布區(qū)域、分布特征。

圖6中將地下水礦化度分為四類：一是小于等于1 g/L的淡水區(qū)域；二是2～3 g/L 的微咸水分布區(qū)；三是4～10 g/L的咸水區(qū)；其他統(tǒng)一為鹽水區(qū)，解放閘灌域并無(wú)大于50 g/L的鹵水分布。

圖6 解放閘灌域歷年地下水礦化度分布

從2000—2013的地下水礦化度分布圖看出，灌域內(nèi)常年處于積鹽狀態(tài)，很多年份淡水分布極少，分布面積最多的年份在2004年、2007年兩年，分別占總面積的0.12%和0.08%，主要位于行政區(qū)杭錦后旗，在2013年其分布已經(jīng)微乎其微；礦化度為2～3 g/L的微咸水占灌域面積由2000年的523.98 km2降到2005年的248.88 km2，占比從31.61%降至15.03%，至2013年回升到370.19 km2，占比增加了7.31%，主要分布在研究區(qū)域東部邊緣部分，黃濟(jì)渠橫穿而下；地下水礦化度4～10 g/L在解放閘灌域分布最多，綜合占比71.82%，烏拉河渠、二排干和三排干均位于其中，2000—2005其分布面積總體呈增加趨勢(shì)，由占比61%上升至83.34%，2005年以后鹽水面積逐漸減少，在2009年經(jīng)過(guò)一個(gè)小的起伏后，其分布面積占比緩慢上升，至2013年為76.07%，面積為1 260.57 km2；大于10 g/L的礦化度在圖6中只有2007年、2009年分布極少，其余年份2000—2002分布面積最大，占比最多，經(jīng)過(guò)灌溉技術(shù)的發(fā)展以及管理方式的改進(jìn)，2005—2009，灌區(qū)鹽水分布急速減少，最低時(shí)期為2009年、2010年，平均占比0.55%。2011年后鹽水面積增大，至2013年其面積占比達(dá)1.59%，高礦化度主要分布在灌域中部楊家河渠穿過(guò)該分布地區(qū)，為使植被尤其是農(nóng)作物的健康生長(zhǎng)，土壤鹽漬化需要持之以恒地治理。綜合分析，從2000年到2013年，解放閘灌域經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期不間斷地推進(jìn)更高效的節(jié)水方法、更有效的節(jié)水方式、更精準(zhǔn)的灌溉技術(shù)、更完善的灌溉管理機(jī)制等措施，使得該地區(qū)的地下水礦化度在1～5 g/L內(nèi)浮動(dòng)，分布小面積擴(kuò)大；鹽水分布地區(qū)的礦化度并未繼續(xù)增長(zhǎng)且分布面積有所減少。

3 結(jié) 論

1)從年內(nèi)變化看，地下水礦化度在0～5 g/L之間受引黃水量增減的影響不大，在超過(guò)5 g/L，尤其在4月地下水礦化度超過(guò)10 g/L的觀測(cè)井，受其影響力最大。從四月夏灌開(kāi)始，直至11月秋澆結(jié)束，灌區(qū)持續(xù)引水量107 905萬(wàn)方，最高礦化度達(dá)到30 g/L，嚴(yán)重制約了作物的健康生長(zhǎng)。

2)從年際變化趨勢(shì)可得，5 g/L以下礦化度的地區(qū)長(zhǎng)時(shí)間保持不變，5 g/L以上的區(qū)域有個(gè)別地方礦化度在2004年以后降低，20 g/L的觀測(cè)井及其附近從2000年至2010年，雖然中間礦化度有上下浮動(dòng)，但總體而言呈下降趨勢(shì)，由2010年的13 g/L猛增至2011年的25 g/L，隨后下降。解放閘灌域從2000年到2013年其地下水礦化度在2004年后總體呈下降趨勢(shì)。

3)空間分布上從2000年到2013年，經(jīng)過(guò)綜合治理，解放閘灌域的地下水礦化度在原有基礎(chǔ)上，小于1 g/L的淡水分布極其微小，在空間分布圖上不可見(jiàn)。下降趨勢(shì)：2～3 g/L的微咸水分布面積占比減少；4～10 g/L的咸水是唯一一個(gè)分布面積有所增加的礦化度范圍；大于10 g/L的高礦化度地區(qū)分布面積占比下降，2013年的分布與2000年的分布相比，其面積減少趨勢(shì)明顯。