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变化环境下灌区地下水动态演变趋势及驱动因素.pdf

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上传者: arear 2013-12-23 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《变化环境下灌区地下水动态演变趋势及驱动因素pdf》,可适用于工程科技领域,主题内容包含2013年11月Nov.2013 第31卷 第11期Vol.31 No.11杜伟doi:10.3969/j.issn.1674-8530.2013.符等。

2013年11月Nov.2013 第31卷 第11期Vol.31 No.11杜伟doi:10.3969/j.issn.1674-8530.2013.11.014变化环境下灌区地下水动态演变趋势及驱动因素杜伟1魏晓妹1李萍1李鹏1韩业珍2(1.西北农林科技大学水利与建筑工程学院陕西杨凌7121002.烟台市水利建筑勘测设计院山东烟台264001)摘要:以陕西省宝鸡峡灌区为研究区从地下水系统与外部环境的关系出发运用了线性趋势回归检验、Kendall秩次相关检验及Spearman秩次相关检验3种统计水文学方法分析了近30a(19812010年)灌区变化环境因素降水量、蒸发量、地表水灌溉量及地下水开采量的变化趋势结果表明:灌区降水量呈不显著下降趋势平均年降水量倾斜率为-2900mm/a而蒸发量呈波动上升趋势平均年蒸发量倾斜率为3270mm/a降水量和蒸发量两者具有互逆变化特征灌区地表水灌溉水量呈显著下降趋势而地下水开采量呈不显著下降趋势.基于GIS技术和地统计学方法研究了灌区地下水位动态的时程演变趋势和空间分布特征研究表明:19952005年灌区西北部地区地下水位有明显下降趋势10年间下降约7~8m中部乃至东南部也有小幅度的下降下降不足1m2005年以后灌区内仅在渭河北岸的武功、兴平南部及咸阳中南部有小幅度下降趋势.通过灰关联分析方法识别了灌区地下水位动态变化的主要驱动因素得知各影响因子的关联度都较大均在05以上且塬上灌区与塬下灌区地下水位动态变化的主要人类活动驱动因素分别为地表水灌溉和地下水开采.关键词:地下水动态变化环境演变趋势宝鸡峡灌区驱动因素中图分类号:S2734 文献标志码:A 文章编号:1674-8530(2013)11-0993-07   杜伟魏晓妹李萍等.变化环境下灌区地下水动态演变趋势及驱动因素分析[J].排灌机械工程学报201331(11):993-999.收稿日期:2013-06-14网络出版时间:2013-11-14网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1814.TH.20131114.1621.003.html基金项目:陕西省水利科技计划项目(2011-07)水利部公益行业科研专项(201301016)作者简介:杜伟(1987)男陕西榆林人硕士研究生(674096245@qq.com)主要从事水量转化与调控研究.魏晓妹(1957)女甘肃甘谷人教授博士(通信作者weixiaomei@nwsuaf.edu.cn)主要从事水量转化理论与调控技术研究.DynamicevolutionarytendencyofgroundwaterinirrigationdistrictinchangingenvironmentanditsdrivingfactorsDuWei1WeiXiaomei1LiPing1LiPeng1HanYezhen2(1.CollegeofWaterResourcesandArchitecturalEngineeringNorthwestA&FUniversityYanglingShaanxi712100China2.WaterConservancyConstructionSurveyandDesignInstituteofYantaiCityYantaiShandong264001China)Abstract:Thetendencyofvariationinenvironmentalfactorsnamelyprecipitationevaporationamountofsurfacewaterirrigationandgroundwaterminingamountduring30years(19812010)inBaojixiaIrrigationDistrictwasanalyzedbyusingthreestatisticmethodsandstartingwiththerelationshipbetweengroundwatersystemandexternalenvironment.Theresultsshowedthatprecipitationdeclinesbutnotsignificantlyitsaveragedeclineslopeis2.900mm/aevaporationrisesinincreasinglyfluctuationmanneritsaverageincreaseslopeis3.270mm/asuggestingprecipitationandevaporationhaveanoppositevariationtendency.Amountofsurfacewaterirrigationshowsasignificantdecreaseandgroundwaterminingamountdecreasesbutnotobviously.ThetemporalevolutionarytendencyandspatialdistributionfeaturesofgroundwaterwereexploredbymeansoftheGIStechnologyandgeostatisticalmethodstoo.Itwaspresentedthatthegroundwaterleveldeclinesobviouslyfrom1995to2005in排灌机械工程学报第31卷thenorth-westareaintheirrigationdistricteventuallyithasdecreasedabout7-8mwithin10yearseventhoughthegroundwaterlevelalsodecreasesinthecentralandsouth-eastareainthedistrictthedeclinationislessthan1m.Fortunatelyafter2005thegroundwaterlevelsexhibitalessdeclinetendencyonlyinWugongwhichislocatedinthenorthbankofWeiheriverinthesouthofXingpingandinthecentralsouthofXianyangrespectively.Finallythemainfactorsforderivingchangeingroundwaterlevelintheirrigationdistrictwereidentifiedbyusinggreyrelationalanalysisshowingthatthegreyrelationaldegreeforeachenvironmentalfactorisallabove0.5.Clearlysurfacewaterirrigationandgroundwaterminingarethemainfactorsofhumanactivityrelatedthatderivechangeinthegroundwaterlevelinbothhighlandandlowlandareasintheirrigationdistrict.Keywords:groundwaterregimechangingenvironmentevolutiontrendBaojixiaIrrigationDistrictdrivingfactor  变化的环境不仅加剧了灌区水资源的不稳定性和供需矛盾而且也对水循环产生了重要影响.地下水作为灌区水资源的重要组成部分其动态变化不仅是地下水均衡的外部表现同时又是衡量灌区地下水资源开发利用合理与否的重要标志因此研究变化环境下的地下水动态演变趋势分析其驱动因素对深入认识灌区地下水循环规律科学应对变化环境对地下水资源的影响促进灌区地下水资源的可持续开发利用具有十分重要的作用.近30a变化环境对水资源的影响受到了国内外研究者的广泛关注研究工作大多集中在气候变化或人类活动对径流及水资源的潜在影响方面而有关地下水的研究工作相对较少.其中1995年在加拿大召开的以“人类活动对地下水的影响”为主题的会议认为开发利用地下水资源应当列在社会风险计划之中.也有国外学者通过建立地下水瞬时补给的水文模型分析人类活动对地下水动态的影响效应[1].2013年Klove等[2]研究了气候变化对地下水及其生态系统的影响提出了地下水系统管理的新方案.随着人们对地下水安全利用问题认识的深入和重视近年来国内研究者也逐渐开展了气候变化或人类活动对地下水影响的研究.刘春蓁等[3]对地下水对气候变化敏感性研究进展的进行了综述贾瑞亮等[4]通过分析气候变化对地下水资源的影响提出了合理利用和管理地下水资源的适应性对策张文化等[5]通过构建石羊河流域地下水位与影响因素之间的回归模型分析了气候因子和人类活动因子对地下水的影响程度张冠儒等[6]提出了正交试验与建模相结合的地下水动态敏感性分析方法陈皓锐等[7]利用Modflow模型通过设置不同情景研究了潜水位对气候变化和人类活动的响应.这些研究对深入认识变化环境下地下水的演变规律具有重要的推动作用.但是由于地下水问题本身的复杂性这些研究工作可认为处于起步阶段尤其对于灌区浅层地下水与气候及人类灌排活动的关系比一般区域密切地下水动态的变化直接影响着灌区水资源的高效安全利用而目前在灌区尺度上开展变化环境下地下水动态研究还较少见.因此文中以陕西省宝鸡峡灌区为研究背景区通过对变化环境因素的识别及其变化趋势的分析研究变化环境下地下水动态的演变趋势及驱动因素旨在为灌区积极应对气候变化、科学调控和合理开发利用地下水资源提供理论依据.1 灌区概况宝鸡峡灌区地处陕西省关中西部总控制面积达2355km2.按自然地形和工程布局灌区分为塬上和塬下两大灌溉系统[8]塬上灌区也称为黄土塬区灌区塬下灌区称为渭河阶地灌区.总灌溉面积1943105hm2其中塬上灌区的地表水源主要来自于渭河干流林家村渠首灌溉面积达1.241105hm2塬下灌区由渭河干流魏家堡自流引水灌溉面积达7020104hm2.灌区经过30多年的运行已基本上形成了以地表水为主、地下水为辅的灌溉格局.目前灌区约有机井12300眼其中40%分布在黄土塬区、60%分布在渭河阶地区.随着社会的发展灌区也在发生着变化.近年来灌区面积在减小灌区内的种植结构也在发生变化.总体上粮食作物的种植面积在减小而经济作物的种植面积有所增大.灌区面积的减小使得灌区内灌溉水量也呈下降趋势.作为陕西省内最大的国有灌区宝鸡峡灌区是全省粮、油、菜、果的生产基地和供应基地灌区的可持续发展对全省的粮食安全和关中地区994第11期杜伟等 变化环境下灌区地下水动态演变趋势及驱动因素的经济社会发展具有重要的支撑作用.2 变化环境因子及其变化趋势21 地下水系统及外部环境因素目前地下水系统没有一个明确的定义.1986年许涓铭等[9]提出狭义的地下水系统应该包括3个部分即输入、输出及系统实体:输入变量包括开采量、回灌量、降水与地表水渗透量等输出包括潜水蒸发量、泉流量、地表水基流量等而系统实体则是系统的结构例如含水层的类型、结构、水文地质参数等.张光辉等[10]则归纳地下水系统的概念应包括以下内容:具有一定独立性而又互相联系、互相影响的不同等级的亚系统或次亚系统.它是水文系统的一个组成部分与降水和地表水系统存在密切联系互相转化地下水系统的演化很大程度上受地表水输入与输出系统的控制.地下水系统的时空分布与演变规律既受天然条件的控制又受社会环境、特别是人类活动的影响而发生变化.由此可见地下水系统的形成及其特性一方面取决于自然因素例如地质和水文地质条件、水文和气象条件等另一方面地下水系统是水文系统中的一个重要组成部分所以地下水系统与地表水(包括降水径流)系统存在不可分割的关系.地下水系统通过输入、输出与外界有着物质、能量的交换因此地下水系统是一个开放的自然-人工复合系统.同样宝鸡峡灌区地下水系统也是一个开放性的自然-人工复合系统.该系统指地下水在时间和空间分布上有共同水文地质特征与演变规律的一个整体.灌区地下水系统的输入主要是灌区内降雨入渗量、河水入渗补给、潜水蒸发、地表水灌溉渗透量和人工开采量输出主要是灌区内地下水位、地下水各种物质浓度和泉流量.与外界环境之间频繁的物质、能量和信息的交换使得灌区地下水系统具有随机性、多因素影响及时空变化的特征.灌区外部环境指处于地下水系统外部对地下水系统的活动方式和行为有着重要影响的系统因素[11].宝鸡峡灌区地下水系统的外部环境主要指大气水系统、地表水系统及人类活动系统而影响地下水动态的环境因素主要有气候因素和人类活动因素(人为因素)这些因素通过地下水循环中的补给、径流和排泄等环节对地下水系统产生作用进而影响地下水系统的均衡最终表现为地下水动态的变化.由此可见灌区地下水系统的外部环境因素主要包括降水、蒸发、引地表水灌溉及地下水开采等.文中所用的反映灌区变化环境因子的气候因素(降水、蒸发)资料来源于陕西省气象局人类活动因素(地表水灌溉水量、地下水开采量)资料来自于灌区调查及统计年报资料序列长度30a(19812010年).通过对这些资料的分析和审查认为具有良好的代表性和可靠性.22 气候因素及其变化趋势降水及蒸发是灌区水循环的基本要素也是灌区地下水动态的重要影响因素.宝鸡峡灌区多年年均降水量为561mm其大陆性季风气候的特点使得灌区降水量年际变化比较大最大降水量发生在1983年为893mm最小降水量发生在1997年为329mm.灌区内19812010年降水量的变化趋势如图1所示图中I为降水量.由图可知灌区近30a降水量呈波动下降趋势平均年降水量倾斜率为-2900mm/a灌区内降水丰枯交替出现20世纪80年代为丰水期90年代为持续枯水期2000年以后降水量又有所增多.图2为灌区蒸发量变化趋势图图中P为蒸发量灌区多年平均蒸发量为1360mm近30a蒸发量呈波动增多趋势平均蒸发量倾斜率为3270mm/a且上升与下降呈周期性交替出现.图1 宝鸡峡灌区降水量变化趋势Fig.1 TendencyofchangeinrainfallinBaojixiaIrrigationDistrict图2 宝鸡峡灌区蒸发量变化趋势Fig.2 TendencyofchangeinevaporationinBaojixiaIrrigationDistrict利用线性趋势回归检验、Mann-Kendall检验和Spearman秩次相关检验[12-13]等3种方法对灌区995排灌机械工程学报第31卷年降水量及蒸发量的变化趋势进行显著性分析.经检验3种方法检验结果一致其结果见表1表中D为统计量U为标准统计变量T为检验统计量.表1 灌区降水量、蒸发量变化趋势识别结果Tab.1 Identifiedresultsoftendencyofchangeinrainfallandevaporation气候因素线性趋势回归检验D统计学意义Kendall秩次相关检验U统计学意义Spearman秩次相关检验T统计学意义降水量-103否-094否067否蒸发量139否130否-140否  综合分析图12及表1可知宝鸡峡灌区19812010年降水量呈不显著减少趋势而蒸发量呈不显著增多趋势降水和蒸发呈互逆变化趋势.如果单以气候条件考虑多年平均蒸发量明显大于多年平均降水量降水还没有来得及补给灌区地下水就已经转化为无效蒸发这对灌区地下水的补给极其不利.23 人为因素及其变化趋势人类活动对灌区地下水动态的直接影响主要通过地下水系统的补给和排泄而产生.灌区地下水的循环主要是垂直方向的人类活动因素的具体表现是灌排活动主要有地表水灌溉和地下水开采.231 地表水灌溉水量灌区多年平均地表水灌溉水量为343108m3其中塬上灌区261108m3占全灌区地表水灌溉水量的76%塬下灌区082108m3占全灌区24%.灌区19812010年地表水灌溉水量变化趋势如图3所示图中Wi为地表水灌溉水量.图3 宝鸡峡灌区地表水灌溉水量变化趋势Fig.3 TendencyofchangeinamountofsurfacewaterirrigationinBaojixiaIrrigationDistrict由图3可知19812010年塬上与塬下灌区地表水灌溉用水量均呈显著下降趋势.其中塬上灌区地表水灌溉水量减少趋势比塬下灌区明显并与全灌区地表水灌溉用水量减少趋势有明显的一致性.232 地下水开采量及其变化趋势灌区多年平均地下水开采量111108m3其中塬上灌区037108m3占全灌区地下水开采量的332%塬下灌区074108m3占全灌区668%.灌区19812010年地下水水量变化趋势如图4所示图中Wp为地下水开采量.图4 宝鸡峡灌区地下水灌溉开采量变化趋势Fig.4 TendencyofchangeingroundwaterminingamountinBaojixiaIrrigationDistrict分析图4可知19812010年塬上与塬下灌区地下水开采量均呈不显著下降趋势其中塬下灌区地下水开采量下降趋势比塬上灌区明显.3 变化环境下地下水动态演变趋势31 地下水位的时间变化地下水位动态被称为“大地的脉搏”是地下水动态的最主要指标.选取塬上灌区的64号(礼泉)、77号(乾县)观测井及塬下灌区8号(武功)和103号(咸阳渭城)观测井作为典型井根据19902009年的地下水水位观测数据绘制各观测井的地下水位动态曲线如图56所示图中hd为地下水位.由图5可知塬上灌区地下水位自19902009年大致经历了2个阶段:水位下降期(19902002年)、水位平稳期(20032009年).其中64号测井在19902002年期间地下水埋深从200m逐年996第11期杜伟等 变化环境下灌区地下水动态演变趋势及驱动因素变化到910m水位下降了约710m年均水位下降倾斜率为0550m/a而在20032009年期间地下水埋深基本保持在910~949m水位仅下降了039m.位于乾县的77号测井在水位下降期内地下水埋深变化较大1990年地下水埋深为1367m到了2002年地下水埋深则为2387m水位下降了1020m平均每年下降078m20032009年地下水埋深基本保持平稳约为2390m.图5 塬上灌区地下水位变化趋势Fig.5 Tendencyofchangeingroundwaterlevelinhighlandareainirrigationdistrict图6 塬下灌区地下水位变化趋势图Fig.6 Tendencyofchangeingroundwaterlevelinlowlandareainirrigationdistrict图6表明塬下灌区19902009年地下水位总体呈下降趋势其中20022007年期间地下水位波动起伏2008年后地下水位继续呈下降趋势.位于塬下灌区武功县的8号测井在20a间水位呈波动下降地下水埋深起伏于190~540m之间20a内测井水位下降了352m年均水位下降倾斜率为0176m/a.咸阳渭城的103号测井在20a内地下水位波动中有平稳但也呈不显著下降趋势20a内2002年地下水位最低降到45190m2004年地下水位最高到45416m.32 地下水位的空间分布为了分析灌区地下水位的空间变化特征选择了能够均匀覆盖灌区整个范围的70眼观测井基于ARCGIS的地统计模块运用克里格高斯模型[14-15]分别对灌区199520052009年地下水位进行空间插值得到灌区地下水位空间分布见图7.图7 宝鸡峡灌区地下水位等值线图Fig.7 GroundwaterlevelcontourinBaojixiaIrrigationDistrict分析图7可知19952009年宝鸡峡灌区上游区域的地下水位都较高主要包括宝鸡市塬上灌区的扶风、乾县及礼泉中部这些区域地下水位平均为55000~64000m灌区中下游区域的地下水位较低主要是兴平、咸阳和泾阳南部区域内最低水位在45000m以下.由图还可知灌区地下水位自西北向东南呈递减态势这也与地形的变化趋势基本吻合.对比分析199520052009年地下水位空间分布图可知从19952005年灌区西北部地区地下水位下降较明显10a间水位下降约7~8997排灌机械工程学报第31卷m中部乃至东南部也有小幅度的下降地下水位在10a间下降幅度小于1m2005年以后灌区内地下水位没有明显的变化情况仅在渭河北岸的武功、兴平南部及咸阳中南部有小幅度下降趋势.4 地下水位变化的驱动因素前已述及灌区地下水循环以垂向为主考虑气候因素(降水和蒸发)和人为因素(地表水灌溉和地下水开采)对灌区地下水位动态的影响运用灰色关联分析法[16-17]分别对塬上灌区和塬下灌区地下水位动态变化的驱动因素进行研究.灰色关联度计算结果见表2.表2 灰色关联度计算结果Tab.2 Summaryofresultsofrelationalanalysis区域各影响因子关联度降水量蒸发量地表水灌溉量地下水开采量塬上灌区065079062056塬下灌区082092068076  灰色关联度计算结果表明灌区范围内蒸发、降水、地下水开采和地表水灌溉都对灌区地下水动态的影响作用较大灰色关联度都在050以上.其中塬上灌区地下水位动态变化的驱动因素由大到小的排序为蒸发、降水、地表水灌溉、地下水开采而塬下灌区地下水位动态变化的驱动因素由大到小的排序为蒸发、降水、地下水开采、地表水灌溉.对比塬上灌区和塬下灌区灰色关联度的分析结果可知各驱动因子对塬下灌区地下水位动态的影响要大于塬上灌区对地下水位动态的影响这主要是渭河阶地区地下水埋深较浅所致.另外对于地下水位变化的主要人类活动驱动因子塬上灌区与塬下灌区又有所不同塬上灌区为地表水灌溉而塬下灌区为地下水灌溉开采这与灌区实际的灌溉和开采情况相符也说明了分析结果的合理性.5 结 论1)灌区变化环境因素主要为降水、蒸发、地表水灌溉和地下水开采.19812010年灌区降水量总体上呈不显著下降趋势且丰枯交替出现蒸发量呈波动上升趋势地表水灌溉水量呈明显下降趋势而地下水开采量呈不显著下降趋势.2)灌区地下水位变化趋势表明塬上灌区地下水位自19902009年大致经历了2个阶段:水位下降期(19902002年)、水位平稳期(20032009年)所选取的64号观测井在20a间水位下降约710m年均地下水位倾斜率为-0550m/a77号观测井在20a间水位下降了1020m年均地下水倾斜率为-0780m/a塬下灌区19902009年地下水位总体呈下降趋势其中20022007年期间地下水位波动下降2008年后地下水位又呈下降趋势所选的8号测井在20a间水位下降了352m年均水位倾斜率为-0176m/a103号测井在20a内地下水位波动中有平稳2002年地下水位最低降到45190m2004年地下水位最高到45416m.3)灰关联度计算结果表明灌区内各影响因子对地下水的影响的作用较大灰色关联度都大于050.塬上灌区地下水位动态变化的驱动因素由大到小的排序为蒸发、降水、地表水灌溉、地下水灌溉开采塬下灌区为蒸发、降水、地下水开采、地表水灌溉塬上灌区与塬下灌区地下水位动态变化的主要人类活动因素分别为地表水灌溉和地下水开采地表水灌溉会促使地下水位上升相反地下水开采会导致地下水位下降这与灌区实际的灌溉和开采情况相符.4)气候变化和人类活动是导致灌区地下水空间变化的主要原因而地下水逐年下降趋势更多是地下水超采导致的.应结合灌区内地下水的变化规律制定相应措施通过地表水和地下水联合利用缓解地下水的超采为灌区内水资源的可持续利用提供保障.参考文献(References)[1] 张文化.变化环境对石羊河流域地下水动态的影响及其生态环境效应研究[D].杨凌:西北农林科技大学水利与建筑工程学院2009.[2] KloveBAla-AhoPBertrandGetal.Climatechangeimpactsongroundwateranddependentecosystems[J/OL].JournalofHydrology2013.[2013-06-14].http:dx.doi.org/101016/j.jhydrol.2013.06.037.[3] 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