榆陽區(qū)風沙草灘區(qū)地下水動態(tài)特征與影響因素分析

薛子釗,許 琴,馬理輝,,4,常展鵬,趙 鵬

(1.西北農林科技大學水利與建筑工程學院,陜西 楊凌 712100;2.馮家山水庫管理局午井灌溉管理處,陜西 寶雞 722200;3.中國科學院水利部水土保持研究所,陜西 楊凌 712100;4.國家節(jié)水灌溉楊凌工程技術研究中心,陜西 楊凌 712100)

0 研究背景

榆陽區(qū)風沙草灘區(qū)是毛烏素沙漠向黃土丘陵區(qū)的過渡地帶,生態(tài)環(huán)境脆弱[1],經過當地人民40余年的防沙治沙運動,當地生態(tài)環(huán)境改善明顯,但隨著當地城鎮(zhèn)化與工農業(yè)發(fā)展,該地區(qū)對水資源的需求逐年增長,風沙草灘區(qū)地下水由于其水質好、水量大, 被作為該地區(qū)生活、農業(yè),工業(yè)的主要供水水源[2],加上煤炭開采過程中排放大量疏干水,該地區(qū)本就不足的地下水資源更加緊缺[3]。此外,部分農業(yè)企業(yè)為擴大耕地面積,違規(guī)“推沙造地”,造成水土流失和地表植被損害,提高了“二次沙化”的風險[4],其新建農場為保證糧食產量和經濟效益,灌溉用水量也遠高于當地平均水平,而這些灌溉用水幾乎全部來源于地下水,而有研究表明農業(yè)用水量高已經是榆陽區(qū)水資源承載力的主要阻礙因素[5]。因此研究榆陽區(qū)風沙草灘區(qū)地下水位變化特征與影響因素,對加強榆陽區(qū)地下水資源合理開發(fā)利用與保護管理,改善當地生態(tài)環(huán)境,防止“二次沙化”,實現(xiàn)當地生態(tài)與經濟可持續(xù)發(fā)展顯得尤為重要。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于毛烏素沙漠南緣,榆陽區(qū)長城以北的風沙草灘區(qū),包括補浪河、巴拉素、小紀汗、馬合、岔河則、小壕兔、孟家灣、金雞灘、牛家梁、芹河10個鄉(xiāng)鎮(zhèn),面積約5 000,海拔高度900～1 400 m,見圖1。榆陽區(qū)處于鄂爾多斯臺地東部,屬于典型的大陸性邊緣季風氣候,年平均氣溫8.3℃,年平均降水量365.7 mm,降水年內分配不均,集中程度較高,多集中在7、8月份,北部風沙草灘區(qū)降水要少于南部丘陵溝壑區(qū)[6],春冬旱頻發(fā)。榆陽區(qū)風沙草灘區(qū)地下水主要受大氣降水補給[7],其次為凝結水、徑流和局部地段地表水灌溉入滲補給,地下水由高處向低處運動, 泄出于洼地、湖泊或河流水系, 消耗于潛水蒸發(fā)和人為開發(fā)利用[8]。

圖1 研究區(qū)概況圖

2 數據來源

本次研究利用榆陽區(qū)水資源服務中心于2021年開始監(jiān)測的風沙草灘區(qū)53眼水源井地下水埋深數據,分析榆陽區(qū)風沙草灘區(qū)2021年地下水年內時空動態(tài)特征。2021年降水、氣溫數據來源于中國氣象數據網(https://data.cma.cn/),各鄉(xiāng)鎮(zhèn)農業(yè)用水數據來源于榆陽區(qū)農業(yè)農村局,利用該數據分析地下水位時空動態(tài)特征主要影響因素。

3 地下水埋深年內變化特征

本研究根據各監(jiān)測井地下水埋深變化規(guī)律,結合土地利用類型與水文地質條件,進而將各監(jiān)測井地下水動態(tài)分為徑流型、灌溉型、開采型3種基本類型,如圖2。每種類型選取4眼典型監(jiān)測井,繪制地下水埋深曲線并分析其變化特征。徑流型、灌溉型、開采型地下水埋深變化呈現(xiàn)出不同形態(tài)。

3.1 徑流型

主要分布在榆溪河及其支流處,地下水主要補給來源為大氣降水,其次為側向徑流、凝結水和農田灌溉入滲。榆溪河、白河、圪求河、五道河則、芹河、海流兔河等河流是地下水主要排泄通道,人工開采也是地下水重要排泄方式之一。徑流型地下水埋深1～5 m,年水位變幅0.5～1.5 m,直接影響地下水埋深變化的因素為冰雪融水、夏季洪流和人為開采。

研究選取小紀汗鄉(xiāng)大紀汗村、補浪河鄉(xiāng)昌汗敖包村、芹河鎮(zhèn)黃七墩村和紅墩村監(jiān)測井水位進行分析,其地下水埋深見表1,埋深曲線見圖3,分析可知2-4月份,由于春季回暖冰雪融水對地下水有一定補給,地下水埋深逐漸減小,4-7月份徑流補給減少加之灌溉用水,地下水埋深逐漸增加,8-9月份地下水受河道洪水與降水補給,加之10月份停止灌溉,地下水埋深逐漸恢復到年初水平。

表1 徑流型地下水位埋深數據

圖3 徑流型地下水埋深變化曲線

3.2 灌溉型

該類型遍布整個風沙草灘區(qū),地下水主要補給來源于大氣降水,其次為凝結水和農田灌溉入滲。農業(yè)灌溉用水是地下水的主要排泄方式。水位埋深1～10 m,年水位變幅0～5 m,直接影響地下水埋深變化的因素是農業(yè)灌溉用水和大氣降水。

研究選取牛家梁鎮(zhèn)榆卜界、小紀汗鄉(xiāng)黃土梁村、馬合鄉(xiāng)楊家灘村、孟家灣鄉(xiāng)書肯壕村監(jiān)測井水位進行分析,其地下水埋深見表2,埋深曲線見圖4,分析可知春季3-4月份春灌引起地下水埋深增大,4-5月降水逐漸增加,地下水略有回升,6-9月份灌溉用水量驟增,導致地下水埋深增加,其中在8月份地下水埋深達到最大,10月份以后,停止灌溉,地下水埋深逐漸恢復至年初水平。

表2 灌溉型地下水位埋深數據

3.3 開采型

主要分布在鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活區(qū)和工業(yè)園區(qū),地下水主要受生活、工業(yè)用水開采、煤礦疏干水排放影響,由于生活區(qū)與工業(yè)區(qū)硬化面積大,滲透性較弱,不利于降水直接補給地下水,且煤礦開采過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,需要進行地下水回灌等人工手段補給地下水。該類型地下水埋深1～30 m,年水位變幅1～10 m,直接影響地下水埋深變化的因素是人為開采。

研究選取小紀汗鄉(xiāng)昌漢界村、榆陽機場、小紀汗鄉(xiāng)中學、小壕兔鄉(xiāng)掌高兔村監(jiān)測井水位進行分析,其地下水埋深見表3,埋深曲線見圖5,分析可知開采型地下水埋深全年呈下降趨勢,尤其是夏季6-9月份,開采量較大,地下水埋深迅速增大,且相較于其他類型,開采型地下水恢復能力較差,年末地下水埋深很難恢復到年初的水平。

表3 開采型地下水位埋深數據

圖5 開采型地下水埋深變化曲線

4 地下水埋深空間分布特征

根據榆陽區(qū)水資源服務中心提供的2021年監(jiān)測井地下水埋深數據,使用克里金插值法[10]進行空間插值,繪制出2021年各月份榆陽區(qū)風沙草灘區(qū)地下水埋深分布圖,如圖6。

圖6 2021年各月份地下水位埋深分布圖

分析可知,2021年榆陽區(qū)風沙草灘區(qū)地下水埋深分布在空間上呈現(xiàn)出中部埋深小,東西部埋深大。其中由北向南的小壕兔鄉(xiāng)、岔河則鄉(xiāng)、孟家灣鄉(xiāng)、馬合鎮(zhèn)、小紀汗鎮(zhèn)、芹河鎮(zhèn)、巴拉素鎮(zhèn)大部分區(qū)域全年地下水埋深在0～10 m,該地區(qū)河流水系豐富,地下水能及時得到補充,年末與年初相比,地下水恢復程度也相對較好。補浪河鄉(xiāng)、金雞灘鎮(zhèn)、牛家梁鎮(zhèn)、馬合鎮(zhèn)和小紀汗鎮(zhèn)西部,在夏季和冬季用水高峰期,地下水埋深增至10 m以上,其中小紀汗鎮(zhèn)、馬合鎮(zhèn)西部,金雞灘鎮(zhèn)、牛家梁鎮(zhèn)東部地下水埋深超過20 m,形成大埋深區(qū),主要原因是牛家梁鎮(zhèn)和金雞灘鎮(zhèn)東部化工煤礦企業(yè)較多,地下水開采量大,補給來源較少,而小紀汗鎮(zhèn)和馬合鎮(zhèn)西部沙地中有大面積新墾耕地用于種植玉米、馬鈴薯等耗水量大的作物,該地區(qū)農業(yè)灌溉用水量大,地處荒漠邊緣地下水補給強度小。

對比1月與12月地下水埋深空間分布圖,可以看出榆陽區(qū)風沙草灘區(qū)地下水位整體呈下降趨勢,平均埋深逐漸增大,地下水恢復能力一般,僅有少部分區(qū)域年末地下水埋深恢復到年初水平。

5 影響因素分析

榆陽區(qū)風沙草灘區(qū)地下水動態(tài)變化是氣候因素和人類活動綜合作用的結果。氣候因素是指自然條件下區(qū)域降雨、徑流、蒸發(fā)量的變化等,決定地下水動態(tài)的基本特征;人類活動是指區(qū)域地下水水資源分配、利用數量和方式等,人類活動影響水循環(huán)過程進而改變地下水資源時空分布[11]。下面根據榆陽區(qū)2021年氣象資料和水資源公報,分析影響地下水埋深時空變化的原因。

5.1 氣候因素

榆陽區(qū)風沙草灘區(qū)2021年地下水平均埋深、氣溫、降水量如圖7所示。3-4月份,氣溫回升,降水量增加,春季冰雪融水和降水對地下水有一定補給作用,地下水埋深略有減小。7月份,氣溫達到峰值,蒸發(fā)量增大,降水量遠低于多年平均水平,出現(xiàn)旱情,地下水埋深增加,達到全年埋深最大值。8-10月份降水量達到全年最高水平,降水對地下水補給增加,地下水埋深有所恢復。

圖7 2021年榆陽區(qū)風沙草灘區(qū)氣象要素圖

5.2 人類活動

榆陽區(qū)風沙草灘區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)2021年地下水資源量、井密度、灌溉面積、灌溉用水量見表4。結合地下水埋深時空變化特征分析可知,小壕兔鄉(xiāng)、孟家灣鄉(xiāng)、岔河則鄉(xiāng)、芹河鎮(zhèn)地下水資源豐富,地下水資源中灌溉用水量占比較小,地下水埋深也比較淺。補浪河鄉(xiāng)、小紀汗鎮(zhèn)井密度大于其他鄉(xiāng)鎮(zhèn),馬合鎮(zhèn)、巴拉素鎮(zhèn)地下水資源總量較少,地下水資源中灌溉用水量占比較大,因此這些鄉(xiāng)鎮(zhèn)地下水埋深主要受農業(yè)灌溉活動影響,在春夏農業(yè)用水高峰期,地下水埋深增加明顯。牛家梁鎮(zhèn)和金雞灘鎮(zhèn)地下水資源量較少,地下水資源中灌溉用水量占比較小,但該區(qū)域地下水埋深較大,因此影響該區(qū)域地下水埋深的主要人類活動因素是工業(yè)用水和生活用水的開采。

表4 各鄉(xiāng)鎮(zhèn)地下水資源情況統(tǒng)計表

6 結論

根據榆陽區(qū)風沙草灘區(qū)53眼地下水監(jiān)測井2021年監(jiān)測數據,進行地下水埋深時間和空間尺度上的分析,得出以下結論:

(1)根據監(jiān)測井地下水埋深變化規(guī)律,結合土地利用類型和水文地質條件,可將各監(jiān)測井地下水分為徑流型、灌溉型、開采型3種基本類型,其中灌溉型遍布整個風沙草灘區(qū),是區(qū)域內主要的類型,灌溉型地下水埋深變化規(guī)律受灌溉活動影響,在灌溉季節(jié)地下水埋深增加,非灌溉季節(jié)水位回升。徑流型主要分布在榆溪河及其支流處,地下水主要受春季融雪和夏季洪流補給,地下水埋深在該時節(jié)明顯減小。開采型主要分布在鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活區(qū)和工業(yè)區(qū),該類型地下水受自然補給有限,主要受人為開采活動影響,地下水恢復能力有限。

(2)風沙草灘區(qū)地下水埋深空間分布

呈現(xiàn)中部埋深小,東西部埋深大的特點。中部大部分區(qū)域全年地下水埋深小于10 m,東西部地下水埋深超過10 m,部分區(qū)域超過20 m,形成超采區(qū)域。風沙草灘區(qū)地下水位整體呈下降趨勢,區(qū)域地下水恢復能力一般。

(3)風沙草灘區(qū)地下水埋深受氣候因素和人類活動共同影響,氣溫和降水對地下水埋深影響明顯,中部鄉(xiāng)鎮(zhèn)地下水資源豐富,用水合理,東西部鄉(xiāng)鎮(zhèn)地下水資源較少,東部地下水埋深主要受工業(yè)、生活用水影響,西部地下水埋深主要受人類灌溉活動影響。

7 展望與建議

地下水是榆陽區(qū)風沙草灘區(qū)重要的戰(zhàn)略資源,地下水資源的保護與可持續(xù)利用對當地經濟社會發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護至關重要。根據本文研究結論針對榆陽區(qū)風沙草灘區(qū)地下水的保護與可持續(xù)利用提出以下建議:

(1)大力推廣節(jié)水灌溉技術,增加對農民農業(yè)技術的培訓力度,普及節(jié)水灌溉的理念。當地過去農業(yè)灌溉以漫灌為主,水資源利用效率低,近年來推廣滴灌技術,實施“漫改滴”工程措施,但大多數農戶以傳統(tǒng)漫灌理念應用滴灌技術,這導致當地“漫改滴”節(jié)水效果不明顯,地下水利用效率依舊很低。

(2)增加地下水的補給。在生活區(qū)和工業(yè)區(qū)通過增加綠化面積、道路和建筑物滲透面積等措施增強雨水滲透對地下水的補給。在農田區(qū)域可以通過人工引導、水井、井田等方式,將雨季水通過淺層地下水的滲透加固留存在地下[12]。

(3)嚴格管理地下水開采。通過建立地下水開采許可制度和配額制度,管控井場密度,合理規(guī)劃地下水開采量和利用方式,避免過度開采和濫用地下水資源,提高地下水利用效率,降低地下水下降速度。