李文君

(安徽理工大學(xué) 測繪學(xué)院，安徽 淮南 232001)

解放閘是典型的無灌溉無農(nóng)業(yè)的灌域，引黃灌溉是該地區(qū)重要的水資源之一。隨著近年來引黃水量的逐漸減少，灌域內(nèi)土壤鹽漬化的問題愈發(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、開采強度等[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]運用GIS和RS對德州市武城縣進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土壤鹽漬化的形成作用有限，但也是一個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]等通過地統(tǒng)計學(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)計軟件GS+,以內(nèi)蒙古整個河套灌區(qū)為研究區(qū)域，分析2003年3月、7月、11月3個月的地下水位埋深和礦化度的時空分布規(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。王水獻等[8]以地統(tǒng)計學(xué)經(jīng)典理論分析了開孔河流域不同時期和不同地貌單元地下水礦化度在時間和空間的變異特征,揭示其淺層地下水含鹽量的時空變異律。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耗水貢獻的改變將改變農(nóng)業(yè)產(chǎn)出及灌區(qū)生態(tài)環(huán)境。結(jié)合夏灌、秋灌、秋澆時期的引水量，分析2000—2013地下水礦化度的時空變異特征，并進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，緊鄰永濟和一干灌域，灌域總控制面積323.45萬畝，其中，灌溉面積213.45萬畝，非灌溉面積110.31萬畝。灌域?qū)儆谥袦貛Ц咴涞貏萜教?，平均海? 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，這段時期解放閘也正處于秋灌時期；蒸發(fā)量大，年平均蒸發(fā)量2 096 mm，是典型的無灌溉無農(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，但因為長時間的低效灌溉方式和落后的管理方法，使得灌域內(nèi)土壤鹽漬化逐漸嚴重。近年來，無論是隨著灌域經(jīng)濟的迅速發(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題日益嚴重而導(dǎo)致黃委會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，實施高效節(jié)水方案。而此次利用解放閘灌域內(nèi)外多個觀測樣點數(shù)據(jù)，研究2000—2013灌域地下水礦化度分布情況和變化趨勢，探討這些措施方案的實際效果，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樣點分布見圖1。其中，每一個點數(shù)據(jù)代表該觀測井1 a礦化度的平均值。特別觀測井點37、38、64、65、76、90、102。其中，井點37在新渠分干渠附近，38在永躍八海子附近；64號井位于喬占年圪旦，65號位于楊家保圪旦；76號地處常慶村，周圍無渠系分布；0、102號觀測井分別位于王紅圪旦和劉西林圪旦。90號觀測井附近有西支渠、黃羊支渠；102號井點周圍有腦包渠經(jīng)過。

圖1 解放閘灌域位置及觀測樣點分布

1.2 研究方法及原理

通過有限的已知值去推測補充點相鄰的未知值，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，因為此種方法在假設(shè)預(yù)測點的值受相鄰或相近樣本點的影響比較遠控制點的影響更大，認為與待插點距離最近的若干個點對插點值的貢獻最大，其貢獻與距離成反比，其內(nèi)插的精度由已知點到內(nèi)插點的距離來確定?？杀硎緸閇10]

式中：Z為預(yù)測值；Zi為第i個樣本值，i=1,…,n；Di為預(yù)測點與樣本點之間的距離；P是預(yù)測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)重用點之間距離乘方的倒數(shù)表示。乘方為 1 意味著點之間數(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，數(shù)值的變化率越大，遠離已知點趨于平穩(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。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，以2004年為例，選取不同位置的7個有代表性的觀測井點(37、38、64、65、76、90、102)來研究其地下水礦化度變化趨勢。1 a中對觀測井采樣時間分別為1月、3月、5月、7月、9月、10月、11月，得到變化趨勢結(jié)果如圖2所示。為討論引黃水量對礦化度的影響，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，觀測井點76地處常慶村，周圍無渠系分布，隨著數(shù)次不同時間的觀測，發(fā)現(xiàn)其地下水礦化度變化不明顯，引黃灌溉對其影響不深，該井點地下水礦化度1 a中長時期處于1 g/L以下。90、102號觀測井在黃濟渠附近呈一南一北分布，1 a中處于南部的90號井除了在9月地下水礦化度突增至5 g/L外無較大的起伏變化，平均維持在1～3 g/L；102號井從5月開始至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的波動范圍。兩點均值均在2 g/L上下浮動，由此，兩井點均處于微咸水區(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。64、65號井均在三排干附近，三排干在進行灌區(qū)排水或者地表滲水排水時，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)域的觀測井，以37、38號井為例，兩者的變化趨勢基本與圖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，灌區(qū)開始脫鹽。10月，灌區(qū)引水量達到巔峰期，此時正值秋澆階段，在11月秋澆完畢后，灌區(qū)停止繼續(xù)引黃灌溉，灌區(qū)又開始進入冬季儲鹽狀態(tài)。37、38號井的礦化度可以從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)域的觀測井點，分析代表井點在2000—2013的年際變化情況(見圖4)，再結(jié)合14 a的地下水礦化度趨勢走向(見圖5)，分析全解放閘灌域地下水礦化度的時空變化。

圖4 2000—2013典型井點地下水礦化度變化

圖5 2000—2013地下水礦化度總體變化趨勢

圖4中，除去37、38號觀測井，其余觀測井地下水礦化度常年保持在0～5 g/L范圍內(nèi)變動。37號觀測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年其礦化度的浮動范圍均在0～5 g/L以內(nèi)。而38號觀測井在2000—2013其取樣所得的地下水礦化度值一直處于波動中，雖然在2011年之前，總體表現(xiàn)出下降趨勢，但在之后又從13 g/L突增至25 g/L，達到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。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的變動范圍；二是在2000—2013共14 a間其礦化度一直處于變動中，有升有降，最高可達25 g/L，最低也是10 g/L。

由圖5明顯可見，研究區(qū)域的地下水礦化度在2002年前3 a經(jīng)過短暫的微弱上升后，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，由5 g/L降至3.5 g/L，也是14 a間最小的礦化度。總體而言，研究區(qū)域地下水礦化度呈降低趨勢，個別區(qū)域雖然礦化度較高，但2011年之后也在逐漸降低，說明在大力發(fā)展普及高效節(jié)水措施后，如確定合理的作物灌溉定額、改進灌溉系統(tǒng)、采取先進的節(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，將觀測井點號、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，再點擊“添加數(shù)據(jù)”將之前的表格加載到軟件中，經(jīng)過指定X，Y坐標(biāo)字段、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換將各個觀測井點數(shù)據(jù)展點在底圖上，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2000—2013的地下水礦化度進行插值分析，再根據(jù)天然水的分類標(biāo)準(zhǔn)，對礦化度值劃分類別，得到各個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，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)過一個小的起伏后，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)過灌溉技術(shù)的發(fā)展以及管理方式的改進，2005—2009，灌區(qū)鹽水分布急速減少，最低時期為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1.59%，高礦化度主要分布在灌域中部楊家河渠穿過該分布地區(qū)，為使植被尤其是農(nóng)作物的健康生長，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)過長期不間斷地推進更高效的節(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，分布小面積擴大；鹽水分布地區(qū)的礦化度并未繼續(xù)增長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5 g/L，尤其在4月地下水礦化度超過10 g/L的觀測井，受其影響力最大。從四月夏灌開始，直至11月秋澆結(jié)束，灌區(qū)持續(xù)引水量107 905萬方，最高礦化度達到30 g/L，嚴重制約了作物的健康生長。

2)從年際變化趨勢可得，5 g/L以下礦化度的地區(qū)長時間保持不變，5 g/L以上的區(qū)域有個別地方礦化度在2004年以后降低，20 g/L的觀測井及其附近從2000年至2010年，雖然中間礦化度有上下浮動，但總體而言呈下降趨勢，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。

3)空間分布上從2000年到2013年，經(jīng)過綜合治理，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。下降趨勢：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，其面積減少趨勢明顯。