沈乌灌域深度节水改造前后地下水环境时空变化规律

为探究河套灌区沈乌灌域在深度节水改造前后地下水环境的演变规律，针对地下水埋深、矿化度以及二者关系，通过区域布井、定位长期监测方式，采用经典地统计学理论，分析地下水埋深和矿化度的时空变化规律。结果表明：(1)深度节水改造后，沈乌灌域地下水埋深呈增大趋势，平均地下水埋深由节水改造前1.83 m增大到节水改造后3.36 m,增长率为83.9%。灌域中心和南部埋深偏大，局部产生漏斗，最大埋深至9.37 m,灌域北部埋深变化为0.6 m以下。(2)节水改造工程实施，使地下水矿化度显著增高，由节水改造前的1 296 mg/L增长为节水改造后的2 634 mg/L,增长103.47%。沈乌灌域地下水矿化度在东南、西北地区表现较高，而在中部地区则表现较低，随着节水改造工程的实施，淡水面积逐渐减少，微咸水面积逐渐增大。(3)研究区内地下水埋深和矿化度的变化呈指数关系，地下水矿化度随着地下水埋深的增大而减小，二者的决定系数为0.170 8。从空间上看，地下水埋深较小的地区，对应地下水矿化度大，地下水埋深大的区域对应矿化度小，摸清灌区地下水水位和水质变化规律，为土壤盐渍化防治提供科学依据。     

季节性冻融区井渠结合灌域地下水动态预报

该文以河套灌区永济灌域为研究对象,建立考虑冻融影响的分段式水均衡模型,预报12种井渠结合节水情景的地下水动态响应。结果表明:冻融期间气温对地下水埋深的影响在时间上滞后46.5 d,两者相关关系明显;地下水开发利用越多、秋浇采用黄河水的比例越小,节水规模越大,同时地下水位下降越明显。12种节水情景中,节水规模占现状引水量的5.7%~15.5%,全灌域平均地下水埋深增加0.05~0.24 m,井渠结合区地下水埋深增加0.16~0.38 m;灌域引黄水量与地下水埋深关系用二次函数进行拟合,决定系数R~2达到0.88以上;灌溉水利用效率的提高以及地下水位下降引起潜水蒸发的减小是井渠结合节水的实质。分析结果表明,考虑冻融影响的水均衡模型简单实用,可为中国西北干旱半干旱地区开展井渠结合地下水响应预报提供参考。     

盐渍化灌区土壤水盐时空变异特征分析及地下水埋深对盐分的影响

针对盐渍化灌区土壤盐渍化问题,以河套灌区下游乌拉特灌域为研究区,通过野外实测与室内试验分析结合,采用统计学方法地质统计学原理分析表层土壤(0-20,20-40 cm)及深层土壤(40-100 cm)含水率与盐分(EC值)时空分布和变异规律,以及探求地下水埋深对土壤盐分的影响。结果表明:(1)除6月0-20 cm(9.779%)外,表层土壤含水率变异系数均在12.384%~19.667%,属于中等变异性,深层土壤含水率变异系数较小,在3.513%~9.757%,属于弱变异性;表层土壤盐分(EC值)变异系数在100.845%~129.279%,属于强变异性,深层土壤盐分变异系数均在83.685%~98.853%,属于中等变异性;随着土壤深度的增加,含水率和盐分的变异性都相对减弱。(2)不同时期土壤含水率和盐分在一定范围内具有空间结构特征,均可用高斯模型模拟,各层土壤含水率空间相关度在0.038%~20.408%,各层土壤盐分空间相关度在0.043%~8.374%,均小于25%,说明具有强烈的空间相关性,可以认为主要是受结构性因素的影响,其自相关引起的空间变异性较强。(3)试验区土壤盐分主要集中在北侧盐荒地,由于蒸发强烈,包气带毛细水上升,把深层土壤以及地下水中的可溶性盐类带到土壤表层,致使盐分升高,属于典型的盐分表聚型土壤,需及时防治与治理,同时土壤盐分受地下水埋深的影响较大,随着地下水埋深减小而增大,荒地地下水埋深与土壤盐分满足线性关系,耕地地下水埋深与土壤盐分满足指数关系。荒地0-20 cm土壤盐分含量随地下水埋深变化趋势较大,20-40,40-100 cm土壤盐分含量随地下水埋深变化趋势较小,耕地地下水埋深在1~1.6 m时,土壤盐分含量随着地下水埋深变化趋势较大,当地下水埋深大于1.6 m时,土壤盐分含量随着地下水埋深变化趋势较小。研究结果为河套灌区下游盐渍化土壤的防治与改良提供了重要的理论基础和参考依据。     

基于SWAP模型的耕地-盐荒地-沙丘-海子水盐动态分析

为探讨盐荒地、沙丘和海子对耕地排盐的作用和机理,于2013—2016年在内蒙古河套灌区张连生研究区展开试验,利用土壤水分、盐分以及地下水盐分、埋深变化的观测数据,经SWAP模型率定和验证,对试验区水盐动态变化进行模拟和分析。结果表明,SWAP模型能够较好地反映试验区各地土壤水盐的垂直动态变化规律。模型验证结果显示,土壤水分的均方根误差均小于0.03 cm~3·cm~(-3),土壤盐分均方根误差均小于0.12 g·kg~(-1),且二者平均相对误差均小于16%。地下水动态分析表明试验区地下水走向基本为从西北流向东南。研究表明,耕地含水量受灌水影响较大,水分逐渐向深层渗漏并侧向补给盐荒地和沙丘。沙丘表层含水量低,而深层水分可侧向补给耕地、盐荒地。耕地盐分在灌溉期向盐荒地和沙丘运移,最终汇集到海子,盐荒地在作物的生育期积累盐分,而盐分在秋浇期流失。耕地和盐荒地的地下水在灌溉期侧向补给沙丘和海子,非灌溉期由沙丘的地下水侧向补给耕地、盐荒地及海子。     

河套灌区解放闸灌域植被指数与地下水埋深的定量关系

干旱荒漠地区地下水补给是地表植被水分消耗的主要补给源,地下水埋深与植被指数(NDVI)关系密切。针对植被指数与地下水埋深响应关系研究的不足,分析了基于河套灌区解放闸灌域植被指数(NDVI)与地下水埋深(H)的定量关系。采用2016年3—9月的10个时相的landsat8遥感影像数据与同时期的57眼地下水埋深观测数据,经NDVI遥感提取与地下水埋深(H)的地统计分析,建立NDVI与H的时空相关关系,并做显著性检验与密切程度的划分,进一步分析不同地下水埋深分区下H与NDVI的关系。结果表明:NDVI与地下水埋深(H)存在显著线性关系,二者的密切程度以中度和高度相关为主,负相关区域在地下水浅埋区居多,正相关区域在地下水深埋区居多。从空间上看,具有统计学意义的线性关系约占灌域总面积的40%。当H≤2.5 m时,不同的埋深分区对灌域的NDVI均值的影响为埋深(H)越小,NDVI均值越大,呈负相关关系变化;当H>2.5 m时,NDVI均值较大,地下水不再对作物生长进行水分补给,此时NDVI均值的增大与埋深(H)分区的变化关系不大。从空间上进行NDVI与地下水埋深(H)的点对点的相关性分析,增强了二者相关性的空间可视性,为灌区灌溉管理提供理论支撑,有助于节水增产措施的深入规划与落实。     

不同灌期对农田氮素迁移及面源污染产生的影响

通过分析从秋灌到秋浇后河套灌区乌拉特灌域典型区不同类型土壤剖面（0～160 cm）、浅层地下水中和沟道中氮素质量分数的变化过程,以便为灌区氮素污染控制提供相应的理论指导。研究结果表明：秋灌期深层土壤剖面（120～160 cm）中NO-3-N累积不明显,秋浇后3种类型土壤剖面（80～160 cm）中NO-3-N平均质量分数分别增加了1.25、2.72和2.89 mg/kg。土壤剖面中的NH+4-N质量分数分布相对较均匀。3种耕地土壤剖面中NO-3-N和NH+4-N质量分数的变化具有季节性的增高或降低。盐荒地土壤剖面中NO-3-N和NH+4-N都处于积累状态,对整个灌区农业面源污染物的排泄有减缓作用。浅层地下水中NO-3-N和NH+4-N质量分数在秋浇期的增幅大于秋灌期。农田土壤、浅层地下水和沟道中的氮素质量分数有着较好的时间相关性,秋浇期河套灌区土壤中NO-3-N最易发生淋洗,且是灌区产生农业面源污染最严重的时期。     

考虑季节性冻融的井渠结合灌区地下水位动态模拟及预测

该文以季节性冻融灌区内蒙古河套灌区为研究对象,建立灌区冻融期地下水补排模型,与三维地下水数值模型相结合,构建适用于季节性冻融灌区的生育期-冻融期全周年地下水动态模拟模型。采用河套灌区2006—2013年灌区实测地下水埋深对模型进行了率定和验证,并针对河套灌区不同地下水矿化度可开采区(分别为2.0、2.5及3.0g/L)、不同渠井结合比设置了18种井渠结合节水情景,对其地下水动态进行了预测。结果表明,该文构建的冻融期模型能准确反映其地下水动态过程;井渠结合后地下水埋深变化与井渠结合区地下水开采利用的矿化度上限和渠井结合比有关,井渠结合区地下水矿化度上限越大,渠井结合比越小,地下水埋深增加越多;实施井渠结合后,灌区生育期平均地下水埋深增加0.103~0.445 m,秋浇期增加0.076~0.243 m,冻融期增加0.096~0.216 m;从空间上看,全灌区年均地下水埋深增加0.096~0.316 m,井渠结合区增加0.346~0.635 m,非井渠结合区变化较少,一般不足7 cm。该文为季节性冻融灌区开展大规模井渠结合灌溉提供参考。     

基于ArcGIS空间插值的河套灌区土壤水盐运移规律与地下水动态研究

为探明河套灌区盐渍化半封闭小型灌域作物生育期土壤盐分和地下水变异规律,选取巴彦淖尔市五原县盐渍化土壤典型区域作为研究区。采用区域土壤—地下水信息定点监测法,选取149个采样点,30口地下水观测井,获得各项指标数据,并结合经典统计学、空间插值、相关性回归分析等方法,研究了土壤盐分及地下水动态空间变异性、不同深度土壤空间变化特征及其与地下水埋深相关性。结果表明:4—10月各土层土壤含盐量平均降幅为5.53%,研究区1 m深土壤处于脱盐状态,耕作层土壤盐分向深层土壤运移。地下水埋深主要影响因子为引黄灌溉水量、蒸发作用和研究区地势;在春灌期(4—6月)地下水矿化度平均值由2.81 g/L降至2.38 g/L,6—10月地下水矿化度平均值逐渐增加至2.66 g/L,地下水矿化度一般在春灌前期4—5月较大,春灌期较小,秋收后在二者之间。在春灌和作物生长双重抑盐作用影响下,0—20 cm土壤盐分平均值秋收后较春播前下降32.08%,生育期内土壤盐分向深层土壤(40—100 cm)运移,土壤盐分含量与土层深度成反比,且随土层深度增加对土壤盐分分布变化的影响逐渐减弱。0—20,20—40 cm土壤盐分在同时期大于4.0 g/kg的盐分分布面积在4月分别为85.63%,9.71%,在10月分别为42.37%,15.86%,40—100 cm随土层深度增加土壤盐分减小的趋势趋于平缓。随浅层地下水埋深的增大土壤盐分逐渐减小,采取有效措施将地下水埋深降低0.2 m,控制在1.8～2.2 m更佳。     

河套灌区年内地下水埋深与矿化度的时空变化

该文以内蒙古河套灌区为研究区域,应用统计学方法、普通Kriging、Arc GIS9.0和GS+等工具,分析2003年3个不同特征季节的地下水位埋深和矿化度的时空分布规律。分析表明：在3月份灌区浅层地下水埋深平均为2.5 m,且绝大部分区域地下水矿化度＜4 000 mg/L;随着夏灌、秋灌、秋浇后,在11月时浅层地下水埋深减小为1.0 m,且大部分区域地下水矿化度＞5 000 mg/L。灌区浅层地下水埋深由灌区西南向东逐渐递减,且自南向北逐渐递增。灌区西北和东南部的地下水矿化度相对较高,中间部分相对较低。浅层地下水埋深与矿化度之间线性关系不明显,但是在特定地区浅层地下水埋深的时空分布规律能够定性地反映出矿化度的时空分布规律,即浅层地下水埋深较大时,相应的矿化度较小;浅层地下水埋深较浅时,相应的矿化度较大。     

呼图壁县地下水位动态对土地利用变化响应

研究干旱缺水地区地下水位(埋深)时空动态特征及对土地利用变化的响应,对于加强农业地区土地利用和地下水资源管理具有重要意义。以呼图壁县平原灌区为研究区,基于地统计学和GIS结合技术,应用普通克里金插值拟合研究区2000年、2010年及2018年地下水埋深时空分布,并且利用同期遥感数据解译生成了土地利用类型图,叠加分析不同时期地下水埋深变化与对应时期的土地利用类型转移之间的响应关系。结果表明:呼图壁县地下水埋深的空间变化主要是由地形地貌、气候等结构性自然因素引起的,空间相关性逐年增强,空间异质性逐渐减弱;地下水埋深在空间上主要表现为从南向北逐渐变浅,时间动态上为2000—2010年地下水埋深值10 m的面积减小比例高达86.61%,2010年后控制耕地面积的大幅扩张,但由于耕地本身基数较大,地下水开采量在2014年达到最大值后开始减少,局部地区地下水位开始恢复;研究区主要土地利用类型为耕地,地下水中农业用水占比高达84.68%,地下水埋深动态变化与耕地面积变化高度相关。     

不同地下水埋深与灌水量对玉米生长效应及产量的影响

为探究不同地下水埋深与灌水量对玉米生长效应调控及产量的影响,在河套灌区开展了2年的田间试验。试验通过设置地下埋深1.4 m(S1)、1.8 m(S2)、2.2 m(S3)和灌水量90 mm(W1)、110 mm(W2)、135 mm(W3)2个因素,共9种处理,对玉米生长指标、产量及水分利用效率等进行分析。结果表明,玉米株高和茎粗在生育期前期增速最快,拔节期株高较苗期平均提高近3倍,茎粗增加31.5%～46.8%;叶面积指数在整个生育期呈快速增长到相对平缓、再到衰减的趋势,各处理间差异显著(P<0.05);S2W2处理整体效果较好,水分利用效率提高8.9%～34.4%,增产7.8%～26.4%;通径分析表明,百粒质量是玉米产量的主要决策因子,茎粗是限制因子,地下水埋深与灌水量通过增加叶面积指数、促进光合作用从而提高百粒质量促使玉米增产,并基于地下水埋深与灌水量对水分利用效率和玉米产量影响的分析,建议河套灌区玉米生育期平均地下水埋深控制在1.75～1.85 m之间,灌水量为107.3～116.5 mm。研究成果可为河套灌区及类似地区不同地下水埋深条件下节水灌溉和提高作物产量提供科学依据。     

基于指示Kriging法的土壤盐渍化与地下水埋深关系研究

在北方干旱、半干旱的地下水浅埋区,土壤盐渍化是土地资源退化的主要原因,防治土壤盐渍化是农业和生态环境可持续发展的重要保障。该文以内蒙古河套灌区解放闸灌域为例,运用指示Kriging法绘制并比较了不同阈值下地下水位埋深和土壤表层含盐量的概率分布图,从概率空间分布的角度分析研究了土壤盐渍化与地下水位埋深之间的关系,从而将这方面的研究从通常的农田尺度扩大到灌域尺度。结果表明:1)土壤盐分和地下水位埋深空间变异强度均为中等,且具有中等的空间自相关性,球状模型拟合变异函数的效果较好;2)在灌域尺度上,解放闸灌域4月底土壤表层发生中度、轻度盐渍化时地下水位临界埋深分别为2.0、2.5m,西南及中东部地下水位埋深小于临界埋深的概率较大,是土壤返盐的高风险区;3)3月底地下水位埋深对土壤返盐的影响比4月底更大一些,这表明地下水位埋深对土壤返盐的影响具有一定滞后效应,只有地下水位埋深小于临界深度的状态维持一段时间,才会造成土壤中度或轻度盐渍化。     

地下水埋深与控肥对夏玉米氮素吸收和产量的影响

为探明地下水埋深与减施氮肥对夏玉米氮素吸收利用及产量的影响,基于大型地中渗透仪,研究了地下水埋深和施氮量对夏玉米氮素利用效率、植株氮素积累量、产量及其形成要素的影响,其中地下水埋深设2 m(G1),3 m(G2)和4 m(G3)3个水平,施氮量设减氮20%处理(240 kg/hm²,N1)、常规施氮处理(300 kg/hm²,N2)2个水平,不控水不施氮处理(G0N0)作为对照,共计7个处理。结果表明:(1)减氮20%条件下,夏玉米产量随地下水埋深增加呈减小趋势,氮素收获指数在埋深2 m下显著高于埋深3,4 m,分别增加5.71%,7.22%;(2)常规施氮条件下,埋深2 m处理茎、叶吸氮量显著高于埋深3~4 m处理,增幅为19.52%~50.31%,但产量、籽粒吸氮量和氮素收获指数埋深2 m处理显著低于埋深3~4 m处理,降幅为17.28%~29.28%;(3)地下水埋深2 m下,产量、氮肥农学效率、氮肥生理利用率、籽粒氮肥吸收利用率和氮素收获指数减氮20%处理均显著高于常规施氮处理,增幅为22.18%~115.35%。地下水埋深2 m条件下,施氮240 kg/hm²显著提升氮肥的增产效果,以及施氮后氮素转化为产量和干物质的效率,同时还增强氮素向籽粒的转移率,从而保持产量不致降低,因此埋深2 m条件下减氮20%有一定可行性。研究结果可为地下水浅埋地区控施氮肥提供理论参考依据。     

盐渍化改造区土地利用变化对地下水资源的影响 --以河北省曲周县为例

运用GIS空间分析功能、柯布—道格拉斯生产函数以及曲周县统计资料和地下水资料,分析了近20年来土地利用变化及其对地下水资源的影响,研究结果表明,作为盐渍化改造区以农业为主的曲周县,土地利用变化速度不快且土地用途转移主要是耕地转变为农村居民点和城镇用地;耕地灌溉率、复种指数、耕地灌溉面积、粮食产量不断提高;粮食和蔬菜产量对地下水资源的高度依赖性,是引起地下水埋深变化的主要原因;依据河北省地下水超采区划分标准,曲周县浅层地下水开采区是基本平衡区,深层开采区属于中度超采区。为实现盐渍化改造区水土资源的可持续利用,必须调整种植业结构,适当降低土地利用集约度,大力发展节水农业。     

克拉玛依地区减排林地下水动态变化及合理生态水位分析

基于对克拉玛依地区减排林地下水水位及水质的监测结果,分析了减排林地下水动态变化特征,探讨了减排林地下水的合理生态水位.结果表明,减排林区地下水埋深出现了规律性分布,减排林区地下水埋深已由2005年的7.8 m减小为2009年的4.6 m,呈减小趋势.减排林地下水的矿化度由2005年的22.67 g/L变化为2009年的5.35 g/L.并统计了减排林地下水理化性质特征,表明地下水的水溶性盐的空间变化明显.根据减排林区主要植被生长状况与地下水埋深关系,得出减排林区地下水合理生态水位为2.5～5.0 m.     

节水改造后盐渍化灌区区域地下水埋深与土壤水盐的关系

以内蒙古河套灌区临河研究区为例,探讨节水改造后盐渍化灌区区域土壤水盐与地下水埋深的内在联系。结果表明:地下水作用对灌区0-100cm深度土壤体积含水率都有影响,并且对60-100cm深度土壤含水率的影响尤为突出;随着地下水埋深水平的变化(浅→中→深),0-100cm各层土壤体积含水率总体逐渐降低;在地下水矿化度基本不变的情况下,根层土壤电导率与地下水埋深存在较好的指数关系;在0-20cm、20-40cm和40-60cm 3个土层中,土壤表层(0-20cm)盐分受地下水埋深的影响最大,土壤表层(0-20cm)土壤含盐量对地下水矿化度变化最敏感。     

渠道衬砌前后输水对地下水化学特征及土壤盐分含量的影响

为探明渠道渗漏对两岸农田水土环境的影响,在东风分干渠两岸距渠道50、150、300、500 m处分别设置4个观测断面,选择夏灌和秋浇两次典型渠道输水过程,观测输水前后地下水埋深、离子组成和土壤盐分变化情况。结果表明:秋浇期间渠道输水前后地下水矿化度表现为显著性差异(P<0.05),渠道衬砌前、后地下水总溶解性固体分别上升33.17%和10.05%,衬砌后秋浇期埋深变化速率较衬砌前降低14.89%,夏灌期降低64.22%。由于灌溉水入渗淋洗和离子交换作用,地下水阳离子由Na+逐渐向Mg2+和Ca2+变化,阴离子由HCO3-和Cl-逐渐向SO42-变化,水化学类型由SO4·Cl-Mg·Na型逐渐向HCO3·SO4-Ca·Mg型变化。渠道输水对50～150 m半径内的土壤盐分影响最大,输水后耕作层(0～40 cm)土壤表现为积盐,积盐量约为0.30 g·kg-1,但深层土壤含盐量变化不大,渠道衬砌前夏灌期各土层(0～20、20～40、40～100 cm)积盐率分别为-10.82%、4.48%、     

浅层地下水埋深、矿化度及硝酸盐污染的空间分布特征

对银川平原101个观测井取样分析,测定了其浅层地下水位埋深、矿化度及硝酸盐含量。应用地统计学方法结合GIS技术对数据进行了分析。结果表明,地下水埋深服从正态分布,而矿化度和硝酸盐服从对数正态分布。银川平原地下水位埋深、矿化度和硝酸盐含量的平均值分别为1.78m,1.81g/L和3.17mg/L。三者在一定范围内均存在空间相关性,它们的空间相关距离分别为23.7、13.3和12.6km。运用Kriging方法对未测点进行了估值,绘制了三者的空间分布图。银川平原地下水埋深总体较浅,研究区约有75.1%的地区地下水埋深为1.5～2.0m,发现在平原中部的银川地区一带形成了以新旧城区为中心的地下水位降落漏斗区。地下水矿化度在整个平原内自西南向东北呈逐渐升高的趋势,其中66.4%的区域达到了农田灌溉水质标准。仅有3.7%的局部地区的地下水硝酸盐含量超过了饮用水水质标准。     

毛乌素沙区地下水对植被盖度空间格局影响分析

通过在榆溪河流域沿地下水埋深增大方向设置植被调查样带,基于植被盖度、地下水埋深及土壤含水量等数据,利用多元经验模态分解(MEMD)获取植被盖度及其影响因子所表征的空间尺度,结构方程解析植被盖度空间分布的驱动因素,并结合聚类分析划分了植被群落自然恢复演替空间格局状态变化特征。结果表明：(1)MEMD将空间多元数据分解为3个本征模态函数,经希尔伯特转换得到各模态函数相应的空间尺度分别为14,27,38 km;(2)结构方程模型和MEMD分解后的最大表征尺度相关分析表明,地下水埋深与植被盖度在整个样带尺度上呈显著负相关(R²=-0.95,p<0.001);土壤含水量与植被盖度以地下水埋深5 m空间尺度为分界点,<5 m的区域呈显著正相关(路径系数为0.68,p<0.001),>5 m的区域呈显著负相关(路径系数为-0.43,P<0.01);(3)在此基础上,结合系统聚类分类结果将植被盖度划分为核心区(地下水埋深0～3 m)、过渡区(地下水埋深3～4 m)、稳定区(地下水埋深4～5 m)、外围区(地下水埋深5～10 m)及边缘区(地下水埋深1...     

基于多变量时间序列CAR模型的地下水埋深预测

为准确估计内蒙古河套灌区地下水埋深的变化规律,根据河套灌区沙壕渠灌域1988－2007年实测的地下水埋深、降雨、蒸发及引水量资料,基于多变量时间序列CAR（Controlled Auto-regressive）模型建立了地下水埋深的预测模型,并对模型进行了验证,并将模型在不同方案条件下进行了地下水埋深预测的应用。结果表明：河套灌区地下水埋深受到气候条件、引水量的影响较大。CAR模型预测效果良好,模型在沙壕渠灌域具有较好的适用性。预测方案显示,当区域蒸发量增加25%,降雨量减少34%,年引水量减少18%时,地下水埋深将达到2.21 m。提出的研究方法和结果可为灌区灌溉用水管理提供参考。