泾惠渠灌区地下水动态变化特征及人工调蓄研究

泾惠渠灌区地下水动态变化特征及人工调蓄研究

刘　燕^[1]

作者简介:刘燕（1978－），女，湖北监利人。长安大学副教授，博士，主要从事环境水文及水资源开发利用方面的科研和教学工作，发表学术论文10余篇。

（长安大学水与发展研究院，陕西西安710054）

【摘　要】泾惠渠是我国典型的大型井渠双灌灌区，自20世纪80年代起地下水位持续大幅下降，累计下降10174m，年均降幅0442m/a，且90年代是最主要的下降发生期，在此期间，年均降幅达062m。本文从自然和人为两个方面，分析了可能引起灌区地下水位持续下降的原因，指出地表引水灌溉量大幅减少导致地下水长期采补失衡，大量的地下水含水地层被超采疏干，是灌区地下水位持续大幅下降的最直接的原因，此外90年代以来的降水减少、蒸发增大以及相应地质因素的改变也对地下水位下降起到一定的作用。在此基础上，对灌区实行地下水人工调蓄的可行性进行了定性分析评价，指出灌区具有得天独厚的有利条件开展地下水调蓄工作。最后结合灌区的实际水资源条件现状，提出加大地表水灌溉水量，适时适地地对灌区地下水进行人工涵养是有效缓解灌区地下水位下降、保障灌溉水资源供水安全、实现水资源持续利用的最佳途径。

【关键词】地下水动态，下降，成因，地下水人工调蓄，泾惠渠灌区

Groundwater Dynamic Characteristic and Artificial

Recovery in Jinghuiqu Irrigation District

Liuyan

（Research Institute for Water and Development，Chang’an University，China，71005）

【Abstract】Jinghuiqu Irrigation District is a large typical scale irrigation district with groundwater and surface water.Groundwater table decreased dramatically and continuously since 1980s，which is up to 10174m and 0442m for each year.The key period is 1990s when groundwater table drop 062m during this stage.The reasons for groundwater table drop were discussed in terms of nature and anthropogenic factors.The results showed that surface water irrigation reduction destroyed water balance，causing aquifer drained and local groundwater level drop.Moreover，precipitation decreasing，evaporation increasing and geological condition variation also played roles in groundwater drop.The quantitative analysis for feasibility of artificial recovery of groundwater was carried out.The results showed that it is possible to conduct groundwater recovery in research area.We concluded that increasing surface irrigation and artificial ground water recharge are the best way to relieve groundwater drop，secure irrigation resources safety and sustainable use water resource.

【Key words】groundwater dynamic，drop，cause，artificial recovery，Jinghuiqu Irrigation District

1.研究区概况

泾惠渠灌区位于34°25′20″～34°41′40″N、108°34′34″～109°21′35″E，地处陕西省关中平原中部，是一个从泾河自流引水的大（Ⅱ）型灌区，灌区东西长约70km。南北宽约20km，总面积为1180km²。区内地势自西北向东南倾斜，海拔高程为350～450 m，地面坡降1/300～1/600，为一典型的北方平原灌区。包括了咸阳、西安、渭南三市的泾阳、三原、高陵、临潼、阎良和富平六县区。灌区设计面积9.7×10² km²，有效面积9×10² km²。灌区占有全省2.4%耕地，却生产出了全省5.7%的粮食，是我省粮食主要产区之一，也是咸阳、西安两市农副产品的主要供给地^［1－2］。

灌区属温带大陆性半干旱气候区，夏季高温，雨量集中，冬季寒冷干燥，雨量稀少，蒸发作用强烈。多年平均降雨量538.9mm，气温13.4℃，蒸发量1212mm。灌区为一大型井渠双灌灌区，其中渠灌水源自灌区东部泾惠渠渠首工程引取的泾河河水，泾河多年径流量21.4亿m³，中等干旱年（P＝75%）引水量约为6.5亿m³，可以满足农业灌溉需水量6亿m³的要求。由于泾河径流含沙量高，径流变差大，时空分布不均，而渠首引水期、引水量与需水期、需水量不同步，加之渠首水库为日调节水库，调节能力极为有限，致使泾河水不引则弃，造成灌区水资源供需矛盾突出。为了解决用水问题，当地大规模开采使用地下水进行灌溉，同时由于各种原因，灌区逐年地表引水灌溉量也急剧缩减，致使灌区地下水长期“采补失调，补排失衡”，地下水动态变化特征发生了巨大变化。

2.地下水动态变化特征

在20世纪70年代，灌区潜水动态主要受灌溉、降水和开采因素的影响，呈双峰型。高水位期一般出现在3月下旬至4月中旬，低水位一般出现在8月中下旬。当时泾河年均引水灌溉量为4.389亿m³，地下水开采量不足1.7亿m³，且由于当时灌区地下水埋深普遍较浅（平均埋深不足4m），易于接受大气降水及灌溉水下渗补给，地下水处于动态平衡，年际动态变化无显著的上升或下降趋势。

进入20世纪80年代以后，在各种因素的共同作用下，灌区地下水位出现了持续的大规模下降趋势，许多地区都出现了泵吊井枯问题。由图1可见，自灌区上游至下游（自西向东）所选水井地下水位受地形控制，西高东低。而在时间上地下水位发生了不同程度的下降，其中上游云抽观测井地下水位下降了1064m（自1978年至2001年），三原申家下降了905m，中游的高陵关市村下降了12.71m，陂西仁村下降了13.66m，下游的栎阳下降较少，降了4.66m。经计算（依靠全灌区300余眼水位观测井水位，利用面积平均法计算），灌区平均地下水位下降了10174m，年均下降0442m/a。在1978～1990年间下降了3.36m，年均下降028m/a；1990～2001年间，下降了6.81m，年均下降062m/a。由此可推断，20世纪90年代是灌区地下水位大幅下降发生的主要时期。

图1　灌区地下水位动态变化图

Fig.1　The variation of groundwater table in Jinghuiqu Irrigation District

利用常见的M－K趋势检验法，对灌区高陵站、泾阳站、栎阳站等13个站点的60个测井，从1991年～2001年的地下水位时间序列分别进行趋势检验，如果显著性水平取005时，序列平稳接受域为（－1.96，1.96）；如果显著性水平取001时，序列平稳接受域为（－2.575，2.575）。Mann－Kendall趋势检验结果如图2所示（篇幅所限，仅列出部分结果）。

图2　灌区地下水位M－K趋势检验结果图

Fig.2　M－K calculating results of groundwater level in Jinghuiqu Irrigation District

检验结果表明，灌区所检验测井除个别测井外，几乎全部通过了趋势检验，其中大部分又都通过了显著性水平为001的接受域，表明灌区地下水位动态变化趋势十分显著。其z值都小于0，表明灌区地下水位动态变化的整体趋势是下降的，这与灌区的实际情况吻合。

3.成因分析

地下水动态是地下水在循环过程中，在自然和人为因素综合作用下产生的结果。其中天然因素主要包括:气象、地质、水文、生物等方面；而人为因素则包括:人类开采利用水资源、水土保持活动等，这些因素自身在不断变化，且影响因素之间也有着密不可分的关联，这就大大的增加了研究地下水动态的复杂性。

泾惠渠灌区是一个典型的人类活动密集且频繁的地区，水事活动类型繁多，主要包括:引取泾河水进行灌溉，抽取大量地下水灌溉，农作物的耕种以及化肥、农药的施用等，对灌区的潜水动态（水位动态及其水质动态）产生了广泛的影响。下面就从自然和人为影响因素这两个角度出发，从以下几个方面分别进行探讨。

3.1　自然因素

（1）气象因素。

气象因素对潜水动态的影响最为普遍。降水的数量及其时间分布，影响着潜水的补给，从而使含水层的水量增加、水位抬升、水质变淡；气温、湿度、风速等与其他条件结合，在一定程度上影响着潜水的蒸发与排泄，从而使含水层的水量减少、水位降低、水质变咸。

降水作为灌区地下水主要补给来源之一，若发生较大变化，将对地下水动态产生较大影响。由图3可知:20世纪50年代灌区平均降水量为584.95mm/a，60年代为542.37mm/a，90年代与其相比分别减少了149mm和107mm；在20世纪80年代以来，年降水量与蒸发量的差值不断增大，由80年代的近400mm增加到90年代的近700mm，这种差值变化的综合效应，造成该区地下水补给减少、排泄增加，也驱使当地农业开采地下水量剧增。

图3　灌区降水与蒸发量变化过程线图

Fig.3　The variation of precipitation and evaporation in Jinghuiqu Irrigation District

（2）地质因素。

地质因素是影响输入信息变换的因素。包气带厚度和岩性控制着地下水位对降水的响应；含水层的透水性、厚度和给水度影响着河水补给地下水，引起的地下水动态变化。

图4为灌区不同地下水埋藏深度时，大气降水入渗补给系数和灌溉水入渗补给系数的变化情况。由图可以看出:当地下水埋深较小时，降水入渗补给系数及灌溉入渗补给系数都比较大，分别为022和03；随着埋藏深度的增大，两入渗补给系数都有所减小，但在埋深＜7m时，减小幅度较小；当地下水埋藏深度超过7m以后，随着补给水源到达地下水面的入渗补给路径的增大，在此过程中所消耗的水量快速增大（其中包括润湿土壤颗粒、克服蒸发等），能对地下水形成有效补给的水量则大幅减少了；当地下水埋深达到10m时，降水入渗补给系数和灌溉入渗补给系数分别为埋深在3～5m时的1/2和1/3。由此可推断，单从补给方面来看，灌区地下水埋藏深度的大幅增大，在一定程度上减小了地下水的补给。但由于地质条件对地下水的补给、排泄都发生了具有深刻的影响，因此，地下水埋藏深度的变化对地下水系统的真实影响还需进一步研究。

图4　灌区不同埋深条件下降水入渗补给系数及灌溉水入渗补给系数变化曲线图

Fig.4　The variation of coefficients of rainfall infiltration and irrigation infiltration at different depths of groundwater

3.2　人为因素

人工开采或补给地下水都会使地下水动态发生变化，随着人类对地下水开发利用规模和程度的日益扩大，人为因素对区域的地下水系统的补给、排泄条件的影响也要变得越来越突出。

泾惠渠灌区是一个井渠双灌的大型灌区，灌区农事活动十分发达，农业用水占到全灌区用水总量的90%左右，其供水水源由泾惠渠渠首引泾河水和抽取当地下水来承担。由此可见，这两部分供水配比关系对灌区地下水的动态特征起着至关重要的作用。

由图5可知，灌区由泾惠渠渠首引水灌溉的水量，随着时间的推移正在大幅度的减少，上世纪70年代末年均引水量都超过了5亿m³，而到了90年代仅有1.5亿m³（不到70年代引水量的30%），而地表灌溉水的下渗补给是灌区地下水补给的一个主要来源，因此，近几十年内灌溉引水量的大幅减少，导致地下水补给水量随之大幅减少，是灌区地下水位剧烈下降的主要诱因之一。

图5　灌区历年地表引水灌溉量图

Fig.5　The variation of surface irrigation

图6　灌区历年地下水与地表水灌溉比例图

Fig.6　The ratio of groundwater to surface water in irrigation

抽取地下水是对地下水排泄最为直接、影响最显著的人类活动，与此同时，被抽取的地下水又通过灌溉将一部分作为补给水源，对当地地下水进行了有效补给。而从灌区地下水与地表水灌溉比例图（图6）可看出，灌区已从20世纪70～80年代的以表水灌溉为主，转化为目前的以地下水灌溉为主，这样，在地下水的抽取量并没有发生巨大变化的情况下，它在地下水的补给、排泄份额上所占的比例却相对增大，其产生的负面效应也具有放大的作用。由此可以推断:正是由于灌区这种地下水抽取、排泄量相对增大、灌溉补给相对减小，其综合作用使得灌区地下水长期采大于补，从而导致地下水位的持续下降。

4.灌区地下水人工调蓄的可行性分析

基于上面的分析可以看出，要实现灌区水资源可持续供给，对灌区地下水进行人工调蓄势在必行！只有当满足取水条件、地下库容、蓄水水源、蓄水方法都具备适当可行且经济合理的前提时，才可对地下水进行调蓄，并根据灌区实际的水文地质条件和工程设施条件对当地地下水调蓄的可行性进行初步分析。

（1）取水条件:对地下水进行调蓄的目的就是为了更好地开采利用地下水，因此，首先应该考虑的是取水条件。灌区地下水的开发利用历史久远，区内广泛分布着大量的机井。据不完全统计灌区现拥有机井超过20000眼，但长期处于超采状态，大量的地下水储水空间被腾出，这样便为地下水的调蓄提供了足够的空间，而现存的大量机井又为调蓄后地下水的开采利用提供了现成的取水工程，经济便捷。

（2）地下库容:只有足够大的地下库容才能进行地下调蓄。根据灌区水文地质勘测资料，灌区潜水含水层主要由第四系地层构成，多为亚砂土、砂砾卵石层，另夹有亚黏土、粉细砂层，含水层透水性能良好，含水层厚度在10～80m之间。在近几十年来，灌区潜水含水层被严重超采疏干，据以体积疏干法估算自1978年至2001年间，灌区由于超采而疏干的地下水量达6.46亿m³，因此腾空库容巨大。

（3）蓄水水源:蓄水水源指在需要调蓄的地下水附近存在一定数量的蓄水水源（季节性水源或常年水源）。泾河作为灌区的地表灌溉水源，其年引水量远没有达到可引水量（多年平均引水量仅占灌区可引地表水量的66.77%），而且在不同季节用于灌溉的水量也是十分有限的。在春夏两季灌溉引水量仅占当季的50%左右，秋季由于泾河河水含沙量大限制了灌溉引水，冬季灌溉引水也仅占当季引水的62%。所以，在春、夏和冬季可以充分利用泾河蓄水水源对灌区的地下水进行回灌，从而达到调蓄地下水之目的。

（4）蓄水方法:灌区本是井渠双灌灌区，具有十分良好的渠系灌溉系统，是灌区进行地下水调蓄得天独厚的工程条件，可以利用现有的渠系系统，引用泾河河源水体进行灌溉，从而在最大范围内对地下水进行有效补给，以此种形式进行地下水人工回灌易于控制且经济合理。

综上所述，在泾惠渠灌区引用地表水源，依靠现有灌溉系统对当地地下水进行人工调蓄具有十分优越的基础条件，且实施起来十分经济，操作方便，可以达到灌溉、地下水涵养和改善环境的多重目的。

5.对策研究

灌区地下水位持续大幅下降的主要的原因，基本可以认定是由于地表引水灌溉的大幅减少导致的地下水长期采补失衡，以及大量地下水含水地层被疏干的缘故。据此，对灌区灌溉水资源的合理开发利用提出以下几点建议:

（1）适当加大地表引水灌溉水量，泾河作为地表水灌溉水源还存在很大的利用空间，可引水量远大于目前灌区的实际引水灌溉量，为此一方面应提供大量供水水源，另一方面还应在很大程度上对当地的地下水进行人工涵养，使长期缺乏有效补给的地下水含水层得到补给，确保地下水的有效持续利用。

（2）泾河是一多泥沙河流，且泥沙相对集中，汛期输沙量占到全年60%以上，限制了农用灌溉水的引用，因此，在此时段应适当加大地下水的开发利用，以确保灌溉需水的多途径充足供给，最终做到:“宜渠灌期”、“宜井灌期”、“以渠养井，以井补渠”^［3］的科学灌溉模式。

（3）大力推广节水作物，结合旱作农业种植技术，深耕改土，蓄水保墒，增大和发挥土壤水的抗旱增产作用。

（中译英:刘燕，王金凤检）

参考文献（Reference）

［1］陕西省泾惠渠灌区地下水调查研究组.泾惠渠灌区地下浅层地下水资源调查研究成果报告［R］.1983.

［2］《泾惠渠志》编写组.泾惠渠志［M］.西安三秦出版社.1991.

［3］李佩成.关于水源问题及其解决途径的商榷［J］.灌溉科技1975.（3）:10－20.

【注释】

[1]基金项目:国家教育部和外专局联合资助“111”引智计划项目（B08039）。