临河区位于河套平原腹地, 属于河套灌区(图1), 中温带干旱— 半干旱大陆性气候, 四季变化明显。该区降水量少, 蒸发量大, 风大沙多, 无霜期短, 昼夜温差大, 日照时间长。气象资料显示, 该区多年平均降水量为145.95 mm, 多集中在7— 9月; 多年平均蒸发量为2 183 mm; 冻土层厚度为100~138 cm。

图1

Fig.1

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	图1 研究区地理位置Fig.1 Location of the study area

该区面积约1 400 km², 地势自西南向东北微倾, 开阔平坦, 局部有一定起伏, 形成岗丘和洼地。黄河是研究区内唯一的长年地表水流, 是河套平原农田灌溉的主要水源。研究区内干、支、斗、农、毛各级人工渠系纵横分布, 渠系渗漏及农田灌溉补给地下水。由于灌溉不合理, 地下水中的盐分沿土壤毛管孔隙上升并在地表积累, 研究区普遍存在土地盐渍化现象^[9]。

研究区所在的河套平原为形成于中生代的断陷盆地。盆地内沉积巨厚的第四系, 厚度达数千米, 主要由冲湖积粉砂、粉细砂、细砂、中砂互层组成。浅层地下水含水层由上更新统至全新统组成, 岩性为黄褐、灰褐色中细砂、粉细砂, 局部粉土夹层, 结构松散, 分选均匀。顶部大部分为粉土, 局部有黏性土覆盖层, 形成“ 上细下粗” 的二元结构, 为潜水-微承压水含水层。该含水层厚度大, 分布稳定, 埋深浅, 地下水补给条件好, 水质佳, 供水意义较好^{[10, 11, 12]}(图2, 图3)。

图2

Fig.2

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	图2 研究区富水性分区及水文地质剖面位置图Fig.2 Distribution of hydrogeological sections and water rich zone in the study area

图3

Fig.3

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	图3 研究区水文地质剖面图Fig.3 Hydrogeological sections in the study area

引黄灌溉水入渗对研究区地下水的补给作用突出, 其包括渠道行水过程中渠道渗漏与灌溉水进入田间后的入渗。灌溉期从2012年5月上旬至11月中旬, 地下水动态严格受灌溉控制。张志杰等^[14]通过试验及模拟计算, 得出灌溉入渗补给地下水系数为0.15~0.3, 入渗补给量与灌溉水量直接相关。大气降水入渗补给地下水是该区地下水的补给源之一。大气降水主要集中在7月、8月和9月, 此期间正是灌溉期, 地下水位埋深一般< 2 m, 表层土渗透性较好, 为大气降水入渗创造了良好条件。由野外渗水试验^[12]可知, 该区表层土渗透系数一般为0.18~0.65 m/d, 入渗补给较容易。

降水入渗系数: 结合以往降水入渗数据, 对临河地区降水入渗系数进行校正, 根据岩性及埋深不同, 降水入渗系数取值范围为0.07~0.42。

给水度: 以样品测定值为基础, 参考地下水动态资料, 水位变动带岩性、水位变动带沉积环境等水文地质条件, 综合得出研究区的给水度范围为0.14~0.18。

渠道入渗补给量: 参考内蒙古自治区水事监理服务中心《内蒙古巴彦淖尔市临河区水资源调查与评价报告》中关于临河区灌域渠系渗漏模数的相关试验数据。

灌溉入渗系数: 以2010— 2011年在杭锦后旗实验场获取的粉土、粉质黏土、粉砂在0.5 m、1 m、1.5 m、2 m、3 m的灌溉入渗系数为基础, 依据河套平原的灌溉方式、包气带岩性、水位埋深等, 灌溉入渗系数取值范围为0.132~0.385。

渗透系数: 对研究区7个双孔孔组(1抽水孔+1观测孔)和1个多孔孔组(1抽水孔+7观测孔)进行非稳定流抽水试验, 得出取值范围为5~10 m/d。

通过计算得出研究区地下水补给量见表1。

表1

Tab.1

表1(Tab.1)

表1 研究区地下水补给量表 Tab.1 Groundwater recharge in the study area 补给项 补给量/(104m3· a-1) 占比/% 降水入渗补给 10 147.85 33.66 引黄田间灌溉入渗 8 405.05 27.88 渠道入渗补给 10 335.66 34.28 井灌回渗补给 998.68 3.31 黄河侧渗补给 116.73 0.39 地下水侧向流入 145.62 0.48

表1 研究区地下水补给量表 Tab.1 Groundwater recharge in the study area

研究区地下水由西南流向东北。由于地形平坦, 含水岩组岩性颗粒较细, 地下水径流滞缓, 其水力坡度为0.1‰ ~0.15‰ , 渗透系数为5.20~16.61 m/d^[10]。近年来, 由于地下水开采量的增加, 临河市区及附近逐渐形成地下水降落漏斗, 漏斗分布面积在2013年枯水位期时达153.72 km²。临河地下水降落漏斗的形成, 导致地下水流向发生变化, 漏斗中心水位较周围低5~6 m, 漏斗中心水力坡度达2.0‰ 。在漏斗区, 地下水流向漏斗中心。由于总干渠渠底低于地下水位2~3 m, 研究区总干渠周围地下水排向总干渠, 在流经临河区段, 与临河漏斗连成一片, 此段总干渠水也渗向漏斗。地下水水动力条件的变化加速了该区地下水的循环(图4)。

图4

Fig.4

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	图4 城区漏斗流场Fig.4 Funnel flow field of groundwater in urban areas

该区地下水排泄主要有以下4个途径。

(1) 蒸发排泄。浅层地下水蒸发量计算式为:

Q_蒸发= C× F× ε ₀× 10^-5 (1)

式中: Q_蒸发为浅层地下水蒸发量, 10⁸m³/a; C为潜水蒸发系数; F为计算区面积, km²; ε ₀为水面实际蒸发强度, mm/a, 水面蒸发观测数据乘以折算系数0.62(根据《内蒙古自治区水资源利用调查评价》), 转换成E601型蒸发皿水面蒸发值。

将全年分为灌溉期和非灌溉期, 通过计算获得灌溉期浅层地下水蒸发量为0.79× 10⁸m³/a, 非灌溉期浅层地下水蒸发量为0.13× 10⁸m³/a, 研究区全年浅层地下水蒸发量为0.92× 10⁸m³/a。

(2) 人工开采。城区范围由于工业和生活用水的需要, 集中开采地下水, 已逐渐形成较稳定的降落漏斗(图4)。本次调查结果显示集中供水水源现状开采量约为0.202× 10⁸m³/a。

(3) 排水沟排泄。为降低地下水位, 河套平原修建排水沟系统工程以达到改土治碱的目的。排水沟具有一定的排泄地下水的作用。

(4) 侧向流出。研究区有一定流量向北及东北方向侧向流出, 根据均衡分析, 研究时段内该区地下水侧向排泄量为0.027× 10⁸m³/a。

研究区地下水各项排泄量见表2。

表2

Tab.2

表2(Tab.2)

表2 研究区地下水各项排泄量 Tab.2 Groundwater drainage in the study area 排泄项 排泄量/(108m3· a-1) 占比/% 潜水蒸发 0.920 31.43 排干排泄 1.260 43.05 地下水开采 0.720 24.60 侧向排泄 0.027 0.92

表2 研究区地下水各项排泄量 Tab.2 Groundwater drainage in the study area

综上所述, 研究区地下水的补、径、排条件主要受人为因素控制。地下水的补给主要是人为引黄灌溉水的入渗, 其补给量的大小由人为控制。由于该区地下水径流滞缓, 埋深浅, 加之蒸发强烈, 该区地下水主要通过潜水蒸发和排沟排泄, 部分为人工开采。

研究区内沿用传统的灌溉方法, 每年4月开始春浇, 至5月结束。因此, 地下水位从4月底开始逐渐升高, 5月底达到峰值后水位开始回落, 6— 8月短暂放水灌溉农田导致地下水位小幅波动。9月底至10月是传统的秋浇, 地下水位11月达到最高值。12月至次年4月枯水期水位逐渐下降, 至3月底4月初降至最低值。研究区现状年地下水位动态曲线及蒸发量变化如图5所示, 由于现状年6月初降雨量过大, 导致地下水位在6— 7月略有升高。

图5

Fig.5

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	图5 灌溉区地下水位动态曲线(灌溉入渗-蒸发型)Fig.5 Dynamic curve of groundwater level in irrigated areas(irrigation infiltration-evaporation type)

由图5可知, 地下水位的变化与人类灌溉活动密切相关; 根据临河气象站提供的蒸发数据, 通过前述分析的研究区排泄量结果(表2)可知, 该区蒸发排泄占排泄总量的31.43%。4— 10月蒸发量所占比重较大, 这段时间内如果没有农田灌溉(6— 8月), 地下水位将缓慢下降, 11— 3月(来年)灌溉区几乎没有地下水开采活动, 地下水位将随着潜水的蒸发而缓慢下降。

临河城区地下水位动态受城区地下水开采、降水、蒸发以及侧向补给影响, 动态曲线与灌溉区地下水位动态(灌溉入渗-蒸发型)不同。城区地下水位动态曲线与地下水开采量对比如图6所示, 由于现状年6月临河区降雨量达80 mm(图5), 导致地下水位标高提升, 其他时间段地下水位标高基本随地下水开采量的增加而降低, 随地下水开采量的减少而升高。

图6

Fig.6

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	图6 城区地下水位动态曲线(开采型)及地下水开采量对比Fig.6 Dynamic curve of groundwater level (mining type) and groundwater exploitation in urban areas