特定條件下農業灌溉用水對地下水水量與水質的影響研究

發布時間：2019-12-05所屬分類：農業論文瀏覽：1次

摘 要： 提要:為進一步明確人類社會在發展過程中特定區域農業灌溉水量、地下水位與水質的和諧關系，遏制生態環境惡化、土壤鹽漬化等一系列問題，以克拉瑪依農業綜合開發區為典型研究區，充分借助現有地下水位、水質監測數據及農業灌溉用水數據等，采用相關分析法、統

　　提要:為進一步明確人類社會在發展過程中特定區域農業灌溉水量、地下水位與水質的和諧關系，遏制生態環境惡化、土壤鹽漬化等一系列問題，以克拉瑪依農業綜合開發區為典型研究區，充分借助現有地下水位、水質監測數據及農業灌溉用水數據等，采用相關分析法、統計分析法開展了特定條件下農業灌溉用水對地下水水量與水質影響的研究。通過分析可知:(1)研究區地下水位在1997～2013年間呈持續上升趨勢，共上升了6.85m，年均上升幅度為0.53m;以2001～2006年間上升最快，上升了4.87m，并以2006年最突出，一年內就上升了1.61m;(2)農業灌溉對所在區域地下水位的抬升產生了一定影響，農業灌溉區域內外地下水位相差1.22～1.35m;(3)農業灌溉定額越大，地下水位持續上升越明顯，研究區合理的控灌水量為7300×104m3;(4)過多的農業灌溉水量引起了地下水位的過快上升，使礦化度呈下降趨勢、pH值呈增大趨勢，加劇了土壤鹽漬化的可能性，需引起一定的關注。

　　關鍵詞:農業灌溉;地下水位;水質;土壤鹽漬化;控灌水量

　　由于降水與水資源時空分布的不均勻性決定了北方干旱、半干旱地區需以不同水源作為保證農業正常生產的必要條件，其保障程度受自然因素與社會因素影響較大，直接決定著所在區域社會經濟的發展、人民生活水平的提高、甚至影響到社會穩定，這也促使干旱、半干旱地區想方設法尋求、改進灌溉方式、灌水水平，以求使匱乏的水資源盡可能大的在農業生產中發揮作用，達到增產、增效、節水、節肥等目標。傳統的灌水方式也從大水漫灌，慢慢向溝灌、畦灌、滴灌、滲灌等方式轉變，并不斷通過試驗向不同地區大量推廣適宜所在區域的高效節水方式。新疆作為干旱、半干旱地區的典型，特殊的地形條件、深居內陸的地理位置，造成了致雨水汽稀少，尤其是平原區;加之強烈的蒸發，嚴重影響著水量的收支平衡，在這種特殊、惡劣的自然環境下，人們為生活、生存就需在土壤較肥沃的區域采用引水灌溉方式來發展農業生產，而可用的水源多發源于冰雪富集的高寒山區，并以冰雪消融水與降水為主，這也決定了特殊的山-盆體系所形成的綠洲是適宜人類生活聚集的區域。由于受管理水平、人力、物力、財力的影響，粗放的、不合理的農業用水管理方式，對所在區域地下水產生了一定的影響，比較突出的是地下水位的急劇上升與下降、農業面源污染對地下水、河流、湖泊水質造成了較大的影響，使得水質惡化、富營養化問題頻現，這主要是農牧民過度的追求農業產量最大化的結果。因此，為合理指導所在區域農業水資源的合理開發利用，需對農業灌溉用水對地下水水量與水質的影響方面開展研究，以其為所在區域合理農業灌溉用水定額的制定提供一定的指導依據。

　　合理的農業灌溉水量、地下水位變動規律及土壤鹽漬化等問題是目前農業生產過程中普遍存在與關注的問題，需合理的從定性與定量的角度確定不同因素之間的關系，以更好的實現水、土地、農業生產等方面的可待續發展。為此，不同學者從不同的角度對相關方面開展了大量的研究。蔣勇軍等[1]通過對典型巖溶農業區地下水質與土地利用變化分析，認為所在區域耕地的擴張、農藥化肥的大量使用造成地下水中相關指標的上升及超標，以及林地質量的下降與土地石漠化的加劇。部分研究表明，不合理的土地利用將造成地下水相關離子濃度的升高，并有可能導致地下水污染[2];農業用地的擴張及集約農業的大力發展，將引起地下水礦化度的增大，易引起土壤鹽漬化[3];農藥、化肥的大量使用，加劇了農業非點源污染的可能性，造成了地下水的污染[4];對于以地下水灌溉為主的區域，部分研究者對可持續發展的農業灌溉與地下水取水之間的關系進行了探討[5，6]。范建勇等[7]對華北平原地下水超采的主因分析認為是過度農業灌溉用水造成的，張光輝等對華北平原農業灌溉與地下水之間的響應關系以及對區域水資源承載能力開展了研究，并提出了相應的可持續評價方法[8-10]。李小東等[11]開展了新疆南疆典型區農業灌溉水質與農田鹽漬化的研究，闡明了二者之間的關系，并為所在區域合理及高效灌溉制度的確定提供了一定的指導�？紤]到地下水位的波動變化與土壤鹽漬化之間存在較大的聯系，部分研究者關于不同區域地下水與土壤鹽分分布特征[12]、兩者之間的關系[13]、調控原則與方法[14]、土壤鹽漬化評價[15]、治理方法[16]等方面也開展了大量的研究。由于不同農業灌溉區域本身灌溉水源、地下水位、水質以及土壤質地的差異性，農業灌溉用水與地下水水量、水質的關系存在較大的差異，表現出的現象也不盡相同，從水資源保護、農業發展、地下水超采及污染防治方面入手需針對具體問題進行具體分析。

　　隨著石油的發現，為克拉瑪依這座以石油命名、位于土壤貧瘠的戈壁荒地城市帶來了勃勃生機，現已變成了國家重要的石油石化基地、新疆重點建設的新型工業化城市，已成為非常適宜人類居住、生活的地區�？紤]到經濟發展與水資源分布不匹配的因素，所在區域通過使用外流域水源及跨區域調水的方式來解決不同部門的用水需求，但由于集中調配的水資源無法一時半會消耗，這就促使所在區域優選地形條件，修建了一定數量的平原水庫，并在一定程度上影響到了水文循環過程。隨著石油資源的多年開采，當地政府為避免石油枯竭所帶來一系列問題，在所在區域土壤肥沃、適宜農業生產區域大力發展農業，主要是在克拉瑪依西南角地勢低洼的大農業區域。由于地勢低洼，大量的地下水賦存于這一區域，加之周邊修建了一座水庫，以及粗放的農業用水管理對所在區域地下水水量與水質產生了一定的影響。因此，特定環境下如何合理的確定農業灌溉用水對地下水水量與水質影響的研究，將有助于發展高效農業，緩解持續農業大開發所引來的水資源緊張、匱乏的局面，可更好的為所在區域社會經濟的發展、人民生活水平的持續提高、城市的全面發展提供一定的參考依據。

　　1材料與研究方法

　　1.1研究區概況

　　克拉瑪依市地處準噶爾盆地西北邊緣，地理位置介于東經84°44'～86°01'、北緯44°07'～46°08'，全市面積9500km2，其中克拉瑪依市主城區面積48km2;屬典型的大陸性氣候，干燥少雨，年均降水量為109mm，多集中在5～8月，年蒸發量平均在2958mm(Φ20cm蒸發皿)。年溫差與月溫差大，夏季酷熱，冬季嚴寒，多年平均氣溫7.6℃，最高氣溫達42.9℃，最低氣溫為-35.9℃，平均無霜期190天，日照時間長，平均凍土深度163cm，八級以上大風天數達67天。

　　克拉瑪依市農業綜合開發區(一期)位于新疆準格爾盆地西部邊緣的半荒漠湖積平原上，距克拉瑪依市中心市區東南部約10km，區域總面積為554.9km2;所在區域土地是古瑪納斯湖潴留、遷移與干縮過程中形成的殘余沼澤土，土壤質地較粗，以壤土為主并間有砂層，透氣性好，有機質含量5～53.7g/kg，不存在原生鹽層。整個區域地勢較為平坦，自西南向東北緩慢傾斜，易于大規模開發。近年來，全區農業開發面積14267hm2，已建成滴灌節水面積11067hm2。

　　1.2數據來源

　　本研究分別從克拉瑪依市農業綜合開發區管委會、新疆油田公司供水公司收集得到農業綜合開發區(一期)從建設(1997年)到2013年區域布設的區域內、區域外分別39眼與9眼地下水位觀測資料及2012～2013年水質監測數據;農業綜合開發區自2008年后精確計量的農業用水數據，以及阿依庫勒水庫自2006年來有記錄的水庫蓄水量數據。

　　1.3研究方法

　　采用相關分析法、統計分析法進行特定條件下農業灌溉用水對地下水量與水質的影響研究。

　　2結果與分析

　　2.1地下水埋深動態變化規律

　　結合克拉瑪依市農業綜合開發區(一期)1997年～2013年地下水位觀測數據(圖1)可以看出，研究區地下水位自2000年開墾種植前，全區域地下水埋深基本維持在10.80m，而從2001年開始種植灌溉后，地下水位持續上升，到2013年全區地下水平均埋深已上升至3.95m，13年間地下水位上升了6.85m，年均上升幅度為0.53m。地下水位上升最快的年份是2001年～2006年，在這六年間全區域地下水平均埋深從10.80m迅速上升至5.93m，年均上升幅度為0.81m，特別是2006年，一年內就上升了1.61m。究其原因主要是:1)阿依庫勒水庫自1997年建設至正常運行期間，水庫水量滲漏對于下游區域地下水位的上升產生了一定的影響;2)農業開發區建設過程中土地平整，使沙土包變成了土壤質地疏松不一的農田，加之大水漫灌的灌水方式，使灌溉耗水量偏大，造成了大量農業灌溉用水滲漏至地下補給地下水，使地下水位上升過快;3)由于農業開發區開墾種植初期，用水管理部門對不同作物耗水規律及合理灌溉水量掌握不夠、不合理，形成了有水就灌、缺水就灌的現象，加之過大的、統一的作物灌溉定額，加劇了所在區域地下水位的快速上升。圖1研究區地下水位動態變化過程Figure1Dynamicchangeofgroundwaterlevelinthestudyarea

　　2006年后所在區域的地下水位上升速度開始逐漸減緩，2007～2013年地下水埋深由5.93m上升至3.95m，七年間上升了2.02m，年均上升幅度為0.29m，比2006年前年均上升速度減緩了一半，特別是2013年地下水位僅上升了0.02m，地下水位上升的勢頭已得到基本遏制。

　　2.2農業灌溉用水對地下水量的影響

　　2.2.1區域內外地下水位變化差異性分析

　　為合理的分析農業灌溉用水對地下水的影響，選取農業綜合開發區內外具有同期(2010年～2013年)地下水位監測數據進行對比分析，具體如表1所示。對比可以看出，區域內2010年～2013年地下水埋深在2.60～3.33m之間，而區域外地下水埋深在3.95～4.55m之間，兩者相差1.22～1.35m;年均增幅總體上是區域內大于區域外，但2012年存在一定較小的偏差，主要原因可能是水位監測的誤差及以將區內、外地下水埋深加權平均后就掩蓋了農業開發區內真實的地下水埋深狀況�？傮w上可以看出，由于農業灌溉對所在區域地下水位的抬升產生一定影響，但由于同期、同步數據資料較少，無法尋求具體規律，還有待于進一步補充完善資料進行分析。

　　2.2.2農業灌溉用水對地下水位的影響

　　為合理的分析農業灌溉用水對地下水的影響，選取研究區同期(2008年～2013年)地下水位監測數據與灌溉引水量數據進行對比分析(表2)�？梢钥闯�，近6年來所在區域年總灌溉用水量1×108m3左右，2012與2013年總灌溉用水量有所減少，按農業開發區總灌溉面積14267hm2計算，2008～2010年，平均灌溉定額為31.1～33.0m3/hm2;2012年灌溉定額為28.2m3/hm2，年均地下水位比上年上升28cm;2013年灌溉定額為27.6m3/hm2，年均地下水位比上年上升18cm。對所在區域林業用地與農業種植區域對比分析可知，2012年農業區總灌溉用水量6544×104m3，總灌溉面積8600hm2，平均灌溉定額為33.8m3/hm2，年均地下水位比上年上升41cm;林區總灌溉用水量2509×104m3，總灌溉面積5667hm2，平均灌溉定額為19.7m3/hm2，年均地下水位比上年上升8cm。2013年農業區8600hm2灌溉面積，總用水量6587.9×104m3，平均灌溉定額為34.0m3/hm2;年均地下水位比上年上升23cm;造林減排基地5667hm2灌溉面積，總用水量2281.1×104m3，平均灌溉定額為17.9m3/hm2，年均地下水位比上年上升9cm。所在區域地下水位升降與引入區內的水量直接相關，2013年引入區內的水量比2012年少184.4×104m3，2013年的年均地下水位上升幅度就比2012年減小了10cm;林區近兩年平均灌溉定額為17.9～19.7m3/hm2，年均地下水位只比上年上升了8～9cm;而農業種植區近兩年平均灌溉定額為33.8～34.0m3/hm2;年均地下水位比上年上升23～41cm，說明過大的灌水量導致了地下水位的快速上升。

　　為合理的確定所在區域年灌溉用水，保持地下水位不變情況下，分析年灌溉用水量和年均地下水位相關關系(圖2)。從圖中分析可知，當農業開發區灌溉面積14267hm2保持不變的情況下，年灌溉用水總量控制在7300×104m3，平均灌溉定額控制為22.7m3/hm2時，地下水位升降值為0;否則若水量高于或低于7300×104m3，將會引起所在區域地下水位過于明顯的抬升或下降，進而引起土壤鹽漬化或其他生態環境問題�？紤]到目前可用的引水量數據與同期地下水位監測資料較短，影響到了建立兩者之間的關系，預估的所在區域地下水位控制的灌溉紅線可能還存在一定的偏差，有待于進一步的探究。

　　2.3農業灌溉用水對地下水水質的影響

　　由于目前研究區內可用的同期、同步水質檢測資料較少，完整的資料時間只有2012年與2013年，因此，本研究只對2012年與2013年水質資料進行分析，并且對比分析發現，所檢測的水質指標中除pH值與礦化度指標存在差異外，其他指標變化不明顯，因此，只對這兩個指標進行對比分析(表3)。

　　從表3中可以看出，2012年與2013年農業引水量相差不大，全區減少了184×104m3，其中林區減少了228×104m3，農業種植區增加了44×104m3;地下水位全區基本持平，相差0.02cm;單獨從區域內、外分析，水位呈上升趨勢，其中農業種植區全區及區域內地下水呈上升趨勢、區域外呈下降趨勢，而林區全區及區域外地下水呈下升趨勢、區域內呈長升趨勢;從pH值分析可以看出整個區域水質呈堿性，pH值總體呈增大趨勢，并且區域內的pH值高于區域內，增大趨勢更明顯，這與長期過高的地下水位引起土壤鹽漬化有關。從礦化度指標可以看出，全區礦化度呈降低趨勢，而區域內、外礦化度增減不一，主要是受水質檢測點數量不一致的因素造成。結合研究區礦化度長期變化趨勢數據(圖3)也可以看出研究區總體礦化度呈下降趨勢，并呈明顯的線性下降趨勢，但仍高達10g/L以上，屬高礦化度咸水，對作物的危害極大。因此，可以看出農業灌溉用水對所在區域地下水水質有一定的影響，但由于同時、同步監測、檢測數據系列較短，無法確定具體的影響規律�？紤]到研究區域內外水質檢測點不同因素的干擾每年均在發生變化，存在點不固定、觀測時間不一致的現象，影響到規律分析的合理性、結果的差異性，還有待于結合長期資料進行進一步的分析。

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