井渠輪灌條件下永濟灌域地下水環境的變化研究

王麗麗，丁雪華，韓天凱，袁宏穎

井渠輪灌條件下永濟灌域地下水環境的變化研究

王麗麗1,2，丁雪華1*，韓天凱3，袁宏穎1

（1.內蒙古農業大學 水利與土木建筑工程學院，呼和浩特 010018；2.內蒙古自治區水利事業發展中心，呼和浩特 010020；3.巴彥淖爾市水利科學研究所，內蒙古 巴彥淖爾 015100）

【目的】探索推廣使用地表水-地下水-地表水（QJQ）灌溉模式對河套灌區井渠雙灌區農田地下水環境的影響?！痉椒ā吭?018—2019年對河套灌區永濟灌域井渠雙灌區開展區域監測，通過監測布置在灌域內的13眼觀測井的地下水埋深、全鹽量、總氮和總磷，研究其空間分布規律，分析區域地下水環境的變化?！窘Y果】使用QJQ灌溉模式灌域地下水平均埋深減小0.15 m，平均變幅增加0.26 m，變異系數增加1.13%，對上游段地下水埋深影響最為明顯；灌域高全鹽量地下水區域面積減小，上游東南部和下游西北部地下水全鹽量明顯下降，全鹽量由500～5 000 mg/L波動降低至500～3 500 mg/L；地下水中氮磷養分小幅下降，總氮量大于2 mg/L面積明顯減少，平均減少了14.38%，地下水中總氮量在1～2 mg/L之間變化；總磷量小于0.09 mg/L的面積平均增加了29.04%，大于0.13 mg/L的面積平均減小了15.58%?！窘Y論】通過推廣QJQ的輪灌制度，增強了灌區地下水的利用效率，也增強了地下水的循環，改善了地下水水質，對緩減水資源短缺有積極作用。

井渠輪灌；地下水環境；空間分布

0 引言

【研究意義】隨著社會的發展，水資源短缺和用水矛盾已嚴重影響了區域經濟的可持續發展[1]，在干旱半干旱地區尤為明顯，在全球地表水資源量下降的大趨勢下[2]，人類活動所造成的水資源再分配，對流域水循環產生了嚴峻的影響[3-4]。進入21世紀后，我國北方黃河、海河、遼河等地的地表水資源量明顯減少[5-6]，人類活動、工業活動和其他社會經濟活動改變了流域下墊面是導致北方河川徑流減少的主要原因[7]。而流域的“自然-社會”二元水循環理論，為解決流域水資源問題提供了方向[8-9]。通過綜合水資源的經濟價值、社會價值和生態價值，引入合適的多目標決策，以及合理分配農業、工業、生活、生態之間的配水量，從而達到優化區域水資源配置的目的[10-11]。

黃河流域水資源有限，黃河用水量占全河用水量的92%[12]。河套灌區是黃河流域最大的一首制灌區，隨著水資源日益緊缺，農業灌溉用水與生活、工業用水矛盾愈加凸顯，嚴重制約著灌區農業的可持續發展[13-14]?！狙芯窟M展】地下水是水資源的重要組成部分[15]，灌區地下微咸水較為豐富，有研究[16-17]顯示，淡水（黃河水）與微咸水（地下水）的聯合灌溉模式，是緩解水資源緊缺的重要手段之一。井渠2種水源聯合灌溉可以有效節約地表水資源，合適比例的井渠灌溉技術[14,18]能夠更好地保護生態平衡。有研究指出，采用井渠結合灌溉的區域應合理分配采補平衡及水資源的調度[19]，井灌結合渠灌可以充分利用地表水和地下水，又可以控制地下水位的下降[20]。井灌結合渠灌能減少引黃水量，降低地下水超釆和土壤鹽堿化風險[21-23]?！厩腥朦c】然而，目前區域尺度上井渠結合灌溉對地下水環境影響的研究相對較少?！緮M解決的關鍵問題】因此，本文以永濟灌域井渠雙灌區為例，在區域尺度上揭示井渠輪灌模式對地下水埋深和水質的影響，為區域地下水開發利用和保護提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

永濟灌域是內蒙古河套灌區灌域之一，地處東經107°13′—107°42′，北緯40°36′—41°13′，南與黃河岸相鄰，北與烏拉山腳接壤，主要依靠黃河由南向北自流灌溉，灌域以西為解放閘灌域，以東為義長灌域，灌溉總面積約11.60×105hm2，灌域土壤類型主要為灌淤土。區域屬溫帶大陸性干旱、半干旱氣候，年均氣溫6.9 ℃，年均降水量144.95 mm，年均蒸發量2 272.1 mm，年際蒸發量變化較為穩定，而年內蒸發量則呈季節性變化。光、熱、水同期，無霜期130 d左右，該灌域以農業為主，屬輕中度鹽堿地，主要種植玉米、向日葵。地下水主要由引黃灌溉補給，其次為降水入滲補給。地下水埋深在生育期內為1.5～2 m，非生育期內為1.3～2 m，呈凍融期和秋澆期逐漸變小，夏灌期和封凍期逐漸增加的季節性變化趨勢。

井渠雙灌區位于永濟灌域的中部及南部地區，面積約8.38×105hm2，農戶的灌溉管理模式較為混亂，主要灌溉方式有渠水灌溉、井水灌溉、渠水井水混合灌溉，一水主要是渠水灌溉，之后的灌水方式和灌水輪次均不固定。

1.2 試驗設計

在永濟灌域井渠雙灌區采用潘春洋等[14]提出的渠井渠（QJQ）灌溉模式。該灌溉模式為：播種前采用地表水灌溉，一水至三水采用QJQ灌溉模式。參照河套灌區節水灌溉制度研究成果，灌水定額設為 90 mm，灌水總量為270 mm，秋澆定額為150 mm。施用肥料采用尿素（46%N）和磷酸二銨（18%N，46%P2O5），其中氮肥施用量為225 kg/hm2，磷肥施用量為235 kg/hm2。觀測時段為2018—2019年，其中2018年未采用該灌溉模式，2019年采用該灌溉模式。將2018年作為對照，分析使用QJQ灌溉模式前后的地下水環境變化。在研究區內通過柵格法定位，按照上、中、下游分區設置了13眼地下水觀測井（圖1），其中10#、11#、12#和13#控制灌域上游段，5#、6#、7#、8#和9#控制灌域中游段，1#、2#、3#和4#控制灌域下游段。每年對觀測井監測4次，分別在夏灌前（4月）、夏灌2水后（6月）、夏灌后（8月）和秋澆前（10月）通過對比2年灌域地下水埋深及水質觀測數據，揭示QJQ模式對灌域地下水環境的影響。

圖1 永濟灌域試驗區采樣點位置

1.3 觀測項目與方法

地下水埋深采用繩測法人工測定水面至井口距離，地下水全鹽量采用重量法測定，地下水總氮采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，地下水總磷采用鉬酸銨分光光度測定法，地下水水質委托巴彥淖爾市水利科學研究所檢測中心檢測。地下水質觀測指標有全鹽量、地下水總氮和總磷。利用Microsoft Excel 2007對試驗數據進行處理，采用ArcGIS 10.5軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 地下水埋深變化

地下水埋深年內呈單峰狀變化，在夏灌開始后呈現上升趨勢，夏灌2水后（6月）逐漸下降，2年呈現的變化趨勢相似（圖2）。2018、2019年在作物生育期內降水量分別為166.7、126.7 mm，均屬于平水年，在常年土壤強烈蒸發條件下，降水對地下水埋深的影響較小。對比2年變化，夏灌前（4月）使用QJQ灌溉模式的地下水埋深比未使用深，經2輪灌溉后上升明顯，地下水埋深相近，使用QJQ的灌溉模式2水后至秋澆前地下水埋深下降幅度放緩。研究發現夏灌前（4月）地下水埋深較深，受影響較大，2019年較2018年地下水最大埋深上游段增加0.57 m，中游段增加0.26 m，下游段增加0.29 m，增加幅度在6.1%、2.92%、3.58%，灌域整體增加了0.37 m；上、中、下游段變幅分別增加0.35、0.02、0.4 m，上、中、下游變異系數分別增加2.83%、0.54%、1.07%。地下水波動變化增大（表1），對比夏灌2水后（6月）、夏灌后（8月）及秋澆前（10月）地下水埋深，使用QJQ灌溉模式后上、中、下地下水平均埋深分別減小0.27、0.04、0.09 m，由于使用QJQ灌溉模式前灌域上游段為井灌集中區，而中、下游段地下水主要來源于北部山區降水入滲，除此之外，由于灌域北端總排干溝的截滲，導致中、下游段地下水埋深較淺[24]。因而，使用QJQ灌溉模式后上游段在夏灌2水后（6月）和夏灌后（8月）導致上游段地下水埋深減小，地下水位升高。

圖2 地下水埋深

表1 不同年度地下水埋深

2.2 地下水鹽分時空動態

未使用QJQ灌溉模式前，灌域下游西北部和上游東南部地區地下水全鹽量較高，夏灌2水后（6月）和秋澆前（10月）灌域呈下降趨勢，使用QJQ灌溉模式后灌域上游東南部和下游西北部地下水全鹽量明顯下降，其余地區地下水全鹽量較低，同時有小幅下降。

不同時期地下水全鹽量在500～5 000 mg/L所占面積比較大，占永濟灌域井渠雙灌區總面積的90%以上。對比2年結果可知，使用QJQ灌溉模式后，大部分地區地下水全鹽量在500～3 500 mg/L之間，夏灌2水后（6月）、夏灌后（8月）和秋澆前（10月）地下水全鹽量在500～3 500 mg/L所占面積均有所增加，分別較未使用前增加了5.03%、30.39%和2.29%，夏灌前（4月）下降0.11%，使用QJQ灌水模式灌域高全鹽量地下水呈下降趨勢（見圖3）。

圖3 試驗區地下水全鹽量時空變化

2.3 地下水總氮時空動態

永濟灌域井渠雙灌區地下水總氮時空變化趨勢復雜，但秋澆前變化一致。未進行QJQ灌溉模式時，夏灌前（4月）中游及上游東南部地區地下水總氮量較高，夏灌后（8月）中游及下游東北部地區較高。進行QJQ灌溉后，地下水總氮量整體呈下降趨勢，但夏灌2水后（6月）中游地區呈上升趨勢，其原因為夏灌2水后正值施肥期，土壤中的氮肥隨著灌水和降水流失到地下。

未進行QJQ灌溉模式灌域地下水夏灌前（4月）總氮量大于1.5 mg/L的面積占灌域總面積的80%以上，雖在夏灌2水后（6月）下降明顯，但夏灌后（8月）大幅上升，大于1.5 mg/L的面積占灌域總面積又達到60%以上。進行QJQ灌溉模式后，灌域地下水中總氮量大部分維持在1～2 mg/L之間，地下水中總氮量趨近于穩定（見圖4）。主要原因為在施氮量相同的情況下，引黃水量的減少，可降低地下水氮磷污染物[25]。

圖4 試驗區地下水總氮的時空變化

2.4 地下水總磷時空動態

永濟灌域井渠雙灌區地下水總磷量在夏灌前（4月）灌域中游中部地區地下水總磷量較低，夏灌2水后（6月）整個灌域下降明顯，因為作物處于營養生長期和生殖生長旺盛期，根系吸收磷素能力提高，夏灌后（8月）較高，秋澆前（10月）灌域下游地區再次呈現下降趨勢。

對比未進行QJQ輪灌模式和進行QJQ輪灌模式的2年，灌域地下水中總磷量除夏灌2水后（6月）中部及中北部個別地區有小幅增加外其余地區呈下降趨勢。使用QJQ灌溉模式后，4個時期地下水中總磷量小于0.09 mg/L的面積占比分別增加6.98%、55.13%、14.5%、39.54%，大于0.21 mg/L的面積占比分別下降了8.52%、0%、12.13%、1.12%，使用QJQ灌溉模式對降低地下水中總磷量效果明顯。

圖5 試驗區地下水總磷的時空變化

3 討論

近年來，水資源供需矛盾是制約內蒙古河套灌區農業發展的重要因素，開采地下水資源作為補充灌溉水源是緩解這一矛盾的重要舉措[26-28]，但由于河套灌區地下咸水廣泛分布，地下水可利用率較低，采用井渠結合的方式進行灌溉勢必會對研究區農田土壤和地下水水鹽環境產生影響。本研究表明，井渠輪灌實施過程中地下水位下降0.15 m，其主要由于使用QJQ灌溉模式后引黃水量減少，地下水補給量減少。地下水全鹽量由500～5 000 mg/L降低至500～3 500 mg/L，上游東南部和下游西北部地下水全鹽量明顯下降，其可能由于引黃水量的減少，中南部地區地下水埋深增加且幅度較大（上游段），蒸發量也呈減小趨勢，使得蒸發濃縮作用對其影響減弱，部分地區地下水全鹽量減小。而北部為主排干溝分布地，排水量的逐年減少導致鹽分積聚在排水溝附近[24]，因此北部及東西邊緣部地下水全鹽量高，這與部分研究[29-30]結果一致。合理的開采地下水資源可以減少無效蒸發，緩解農業灌溉的水資源短缺，通過井灌結合渠灌模式可以起到以井代排的作用，有利于鹽堿化的防治[30]。本研究進一步分析了區域地下水環境的變化，高效的農業灌溉措施會影響灌區水鹽分布[31-33]，其中地下水埋深變化為主要影響因子。同時本研究發現井灌的應用增加了地下水埋深，減少了潛水蒸發，降低了土壤鹽分與地下水的交換，非灌溉期補水不足會導致次年播前地下水埋深較低，推廣使用QJQ的輪灌制度在生育期內地下水埋深下降幅度小于未使用前，因此，目前仍需確定合理的秋澆補水模式來保持地下水的可持續利用[31]。

目前農田土壤氮磷流失主要通過地表徑流、侵蝕、淋溶（滲漏或亞表層徑流）和農田排水進入地表河流或地下水中[34]，本研究結果表明井渠輪灌實施使地下水氮磷等養分在灌溉期有小幅降低，可能受地下水埋深下降使得淋溶至地下水中的養分減弱、灌溉水稀釋和井灌隨水返回地表等多重影響，這與裴承忠等[35]研究結果一致。說明在作物生育期施肥量相同的情況下通過優化灌溉方式來控制灌溉水量可以減小地下水中氮、磷等的累積從而降低地下水環境的污染。通過推廣QJQ的輪灌制度，既增強了灌區地下水的利用效率，也增強了地下水的循環，改善了地下水水質，對緩減水資源短缺有積極作用。但目前仍需確立地下水補給制度和確定地下水埋深閾值，以保證地下水的可持續利用，繼續完善QJQ灌溉模式是未來需要研究的方向。

4 結論

1）QJQ灌溉模式下，灌域地下水平均埋深減小0.15 m，平均變幅增加0.26 m，變異系數增加1.13%，地下水埋深波動幅度變大，對上游段地下水埋深影響最為明顯。

2）QJQ灌溉模式下，地下水全鹽量較高區域面積明顯減少，灌域地下水全鹽量由500～5 000 mg/L波動降低至500～3 500 mg/L波動。

3）QJQ灌溉模式下，灌域地下水氮磷養分小幅下降，地下水總氮量在1～2 mg/L之間變化；總磷含量小于0.09 mg/L的面積占比平均增加了29.04%，大于0.13 mg/L的面積占比平均減少15.58%。

（作者聲明本文無實際或潛在利益沖突）

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Assessing Groundwater Environment Changes in the Yongji Irrigation District under Rotational Well-canal Irrigation

WANG Lili1,2, DING Xuehua1*, HAN Tiankai3, YUAN Hongying1

(1. College of Water Conservancy and Civil Engineering of Inner Mongolia Agricultural University,Hohhot 010018, China;2.Inner Mongolia Autonomous Region Water Resources Development Center, Hohhot 010020, China;3.Bayannaoer Institute of Water Resources Sciences, Bayannaoer 015100, China)

【Objective】Yongji, located in the Hetao Irrigation district, has implemented a strategy of alternating between groundwater and surface water for irrigation to conserve water resources. This paper presents the outcomes of an experimental investigation into the repercussions of this practice on groundwater table change. 【Method】The experiment was carried out in the Jingqu area of the Yongji irrigation district from 2018 to 2019. It involved measurement of the changes in groundwater depth, total salt content, total nitrogen, and phosphorus levels at 13 boreholes distributed across the region. We analyzed their spatial distribution and overall impact on groundwater dynamics. 【Result】The alternating use of surface and groundwater for irrigation led to a reduction in the average groundwater depth by 0.15 meters. Simultaneously, it increased the average variation by 0.26 meters, and the coefficient of variation for groundwater depth by 1.13%, with the upper reaches of the irrigation district most affected. The decrease in irrigation area resulted in a reduction in areas with high salt content in groundwater, notably in the southeast of the upper reaches and northwest of the lower reaches, where the total salt content was reduced from 500 to 5 000 mg/L and 500 to 3 500 mg/L, respectively. Alternate irrigation also reduced the area with total nitrogen concentration exceeding 2 mg/L by an average of 14.38%, in addition to a marginal reduction in nitrogen and phosphorus in groundwater. The total nitrogen content in groundwater varied between 1 and 2 mg/L, while the area with total phosphorus content below 0.09 mg/L and 0.13 mg/L increased by 29.04% and 15.58%, respectively. 【Conclusion】Alternate groundwater and surface water for irrigation can improve the utilization efficiency of groundwater and groundwater circulation. It also improved groundwater quality and alleviated the shortage of water resources in this region.

well canal rotation irrigation; groundwater environment; space distribution

1672 - 3317（2023）10 - 0091 - 07

S27.1

A

10.13522/j.cnki.ggps.2023036

王麗麗, 丁雪華, 韓天凱, 等. 井渠輪灌條件下永濟灌域地下水環境的變化研究[J]. 灌溉排水學報, 2023, 42(10): 91-97.

WANG Lili, DING Xuehua, HAN Tiankai, et al. Assessing Groundwater Environment Changes in the Yongji Irrigation District under Rotational Well-canal Irrigation[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2023, 42(10): 91-97.

2023-02-05

2023-06-12

2023-10-18

國家自然科學基金項目（52069023，52179037）

王麗麗（1995-），女（蒙古），內蒙古興安盟人。碩士研究生，主要從事農田水土環境方面的研究。E-mail: 2992519373@qq.com

丁雪華（1963-），男，內蒙古呼和浩特人。教授，主要從事節水灌溉研究。E-mail: nmnddxh@126.com

@《灌溉排水學報》編輯部，開放獲取CC BY-NC-ND協議

責任編輯：趙宇龍