黄土丘陵区淤地坝作用下地下水位动态演化特征

来源 :人民黄河 | 被引量 : 0次 | 上传用户:cwdsy
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
  摘 要:以黄土丘陵区典型淤地坝刀劳庆骨干坝为例,采用野外原位观测及相关分析的方法,研究淤地坝作用下地下水位时空分布格局和动态演化特征,揭示上下游补排关系及驱动因素,为淤地坝坝区地下水资源保护与高效利用提供理论依据。结果表明:①淤地坝下游和坝区地下水位年最大变幅分别为1.82 m和1.27 m,坝下游地下水位整体呈下降趋势,而坝区内地下水位呈上升趋势;②淤地壩区和下游两观测点地面高差9 m,直线距离478 m,淤地坝地下水位比下游地下水位高7.51 m,淤地坝坝区内地下水补给坝下游地下水;③淤地坝下游地下水位变化具有明显的季节性,形成高峰(非雨季)与低谷(雨季),降雨补给地下水具有时滞性,坝内夏季地下水位上升、其他季节下降;④农业灌溉用水量增加是地下水位变化的重要驱动力,其对坝下游地下水位的影响大于坝区。
  关键词:淤地坝;地下水位;降雨;动态演化特征;黄土丘陵区
  Abstract:Taking Daolaoqing key dam of typical warping dam in loess hilly area as an example, the spatial and temporal distribution pattern and dynamic evolution characteristics of groundwater level under the action of warping dam were studied by field in-situ observation and correlation analysis. The relationship between upstream and downstream recharge and discharge and driving factors were revealed, which provided theoretical basis for the protection and efficient utilization of groundwater resources in warping dam area. The results show that a) the maximum variation of groundwater level in the downstream of the warping dam and the dam area is 1.82 m and 1.27 m respectively. The overall trend of the groundwater level in the downstream of the warping dam is downward and the groundwater level in the dam area has an upward tendency; b) the ground elevation difference between warping dam area and downstream two observation points is 9 m, straight line distance is 478 m, the groundwater level of warping dam is 7.51m higher than that of downstream water level and the groundwater of the dam area recharges the downstream groundwater; c) the variation of groundwater level in the downstream of warping dam has obvious seasonality, forming peak (non-rainy season) and trough (rainy season), and rainfall recharge groundwater has time delay. The groundwater level in spring and autumn of the dam falls in winter and rises in summer and; d) the increase of agricultural irrigation water consumption is an important driving force of groundwater level change and its influence to the groundwater level in dam area is not as good as that in downstream dam.
  Key words: warping dam; groundwater level; rainfall; dynamic evolutionary characteristics;loess hilly region
  淤地坝是黄土高原水土保持的关键措施,大规模淤地坝建设在发挥拦沙蓄水、调节径流[1-4]、改善生态环境等综合功能的同时,对地下水文循环产生了深刻影响,给地下水资源保护和生态治理带来新的挑战。地下水位是地下水循环的“脉搏”,是衡量区域地下水资源开发合理与否的重要判据。黄土高原水资源短缺、生态环境脆弱,大规模淤地坝建设对地下水位动态特征的影响,已逐步成为水文、环境、生态等学科研究的热点。
  众多学者从淤地坝对地下水的影响机理、补排关系、影响比例等方面进行研究,例如:高海东等[5-7]阐述了淤地坝作为障碍性节点,对径流过程和地下水产生影响;袁水龙等[8]指出淤地坝建设明显改变坝前坝后的水动力过程,而且改变了沟道的侵蚀动力分布,进而对地下水循环产生影响;毕慈芬等[9]研究指出淤地坝建设可形成地下水库,调节区域水环境。Huang等[10-12]研究表明黄土高原地下水补给主要发生在7—9月的雨季;綦俊谕等[13]运用3种计算方法研究淤地坝减水作用,结果表明淤地坝等工程措施对岔巴沟流域减水作用仅为7%左右,但流域内地下水占比增加约20%;黄金柏等[14]开发了淤地坝系统水力计算模型,计算结果表明淤地坝系统对水资源再分布的影响主要体现在减少地表径流、增加入渗补给等方面。   综上,学者们主要通过研究淤地坝建设对地表径流的影响,进而分析其对基流量或地下水补给及占比变化的影响[15-19],专门研究淤地坝作用下地下水位动态变化特征的较少。因此,本文以黄土丘陵区典型淤地坝刀劳庆骨干坝为例,选取淤地坝下游和淤地坝坝区两个观测点,通过原位监测淤地坝作用下的地下水位变化,揭示地下水位时空分布格局和动态演化特征,以期为淤地坝坝区地下水资源保护与高效利用提供参考,也为淤地坝生态治理效益评价提供科学依据。
  1 研究区概况及数据来源
  1.1 研究区概况
  西柳沟是内蒙古“十大孔兑”之一,发源于鄂尔多斯市东胜区柴登镇宗兑村张家山,向北注入黄河。西柳沟河道全长106.5 km,流域面积1 356 km2。流域多年平均降水量305.9 mm,主要集中在6—9月(约占年降水量的80.4%),以7月、8月降水最为集中(分别约占年降水量的28.4%、27.8%)。流域年均水面蒸发量2 200 mm,干旱指数>7,属典型的干旱大陆性季风气候区。西柳沟淤地坝建设开始于2000年,至2016年有淤地坝106座,大规模的淤地坝建设对地下水位的影响已显现。
  刀劳庆骨干坝位于西柳沟流域哈他土沟右岸支沟刀劳庆,地貌地形属典型的黄土丘陵沟壑区。刀劳庆坝址以上流域面积3.27 km2,总库容78.3万m3,最大坝高14 m,坝长350 m。沟道呈宽浅式,沟底比降1.2%,沟床覆盖第四系冲积洪积砂壤土,沟底砂砾石层为地下水的渗流通道,地下水埋深5~8 m。该坝于2006年年底建成,设计淤积年限20 a。
  1.2 数据来源
  降雨量数据通过安置在研究区的HOBO小型自动气象站获得,记录时间间隔为10 min,监测时间为2019年6月21日—2020年9月30日。两个地下水位观测点分别选在刀劳庆淤地坝下游和淤地坝坝区内,分别记为J1点(高程1 327 m)和J2点(高程1 336 m)。J1和J2井深分别为7 m和10 m,观测井井口高程超出地面高程0.5 m。J1点位于J2点下游,两观测点直线距离478 m,高差9 m。地下水埋深数据通过安装在监测井中的Diver自动水位记录仪获得,每30 min记录一次,监测时段为2019年6月26日—2020年9月30日。安置在淤地坝坝区的J2监测井中的水位计2019年8月15—22日堵孔,其间数据通过插补获取。
  2 地下水位时空分布和动态演化特征
  2.1 年尺度地下水位动态特征
  淤地坝下游地下水位监测井J1水位波动幅度较大,年最大变幅1.82 m左右,地下水埋深表现为波动增大—持续减小—波动较快增大—急剧减小,春夏季水位降低,秋冬季水位逐步回升,地下水位总体呈下降趋势。坝区地下水位监测井J2水位变化较小,年最大变幅1.27 m左右,地下水埋深呈现减小—缓慢增大—快速减小—波动减小的变化趋势,总体变化不大(见图1)。
  2.2 季尺度地下水位动态变化特征
  春季(3—5月)随着气温逐渐回升,淤积冻层在垂向上沿自上而下和自下而上2个方向同步融化,冻层中部消融具时滞性[21],坝下游地下水位缓慢下降。夏季(6—8月)降雨、蒸发和灌溉用水量增加,坝下游地下水位下降,与春季相比,地下水位下降0.88 m。秋季(9—11月)农灌用水量减少,蒸发减弱,地下水位较夏季回升了0.46 m(见图2)。冬季(12月至次年2月)为土壤冻结期,随着气温持续降低,土壤由表层向下逐渐冻结,水分向冻结锋面迁移,发生“冻后聚墒”现象,地下水位持续回升。
  春季淤地坝坝区内地下水位亦呈小幅降低趋势;夏季随降雨量增加,地下水位升高;秋冬季地下水埋深分别增大到7.31 m和7.37 m,这可能与其侧向排泄有关。
  2.3 汛期与非汛期地下水埋深变化特征
  (1)淤地坝下游地下水埋深变化特征。2019年汛期(6—9月)降雨量226.6 mm,坝下游地下水埋深由6.18 m减小为5.80 m,地下水位上升了0.38 m;2020年汛期降雨量312.7 mm,较上年增加38%,汛期地下水埋深由6.25 m减小到5.44 m,减小0.81(见图3(a))。2020年汛期地下水位升幅大于2019年同期,但淤地壩下游平均地下水埋深由2019年的6.04 m增加到6.14 m,地下水位仍呈下降趋势。非汛期(2019年10月到2020年5月),地下水埋深由5.84 m减小到5.34 m(见图3(b))。
  (2)淤地坝坝区地下水埋深变化特征。2019年汛期(6—9月)淤地坝坝区地下水埋深由7.74 m减小为7.31 m,水位上升0.43 m。2020年汛期坝区地下水埋深由7.51 m减小到6.67 m,水位上升0.84 m(见图3(a))。与2019年相比,2020年汛期降雨量增加38%,而平均地下水埋深由7.48 m减小到6.93 m,水位抬升0.55 m。因此,地下水位随着降雨量增加而抬升的同时,仍受到用水增加的影响,地下水位上升幅度较小。非汛期(2019年10月到2020年5月)降水少,坝区地下水埋深由7.34 m增大到7.46 m,增加0.12 m(见图3(b))。
  2.4 月尺度地下水埋深动态特征
  (1)淤地坝下游地下水位变化特征。2019年7—8月降雨量97.2 mm,地下水埋深由5.80 m增大到6.18 m(见图4),降雨量增加,地下水埋深增大。这一时期蒸发强烈,农灌次数增加导致地下水开采量增加,一定程度上抑制了地下水位抬升。9月蒸发和开采量减少,水位小幅回升。10月到次年3月,降水减少、气温降低、蒸散发减弱、地下水开采量减少,地下水位回升0.50 m。4—5月随着天气回暖,蒸散发增强,而降雨量仅6.4 mm,地下水得不到补充,地下水位下降0.27 m。6—7月总降雨量162 mm,地下水埋深继续增大至6.41 m,地下水开采量增加是地下水位降低的主要原因。   (2)淤地坝坝区地下水埋深特征。2019年7月坝区地下水埋深为7.74 m,之后随着降雨量增加,地下水埋深逐步减小,到10月减小至7.29 m。2019年11月到2020年6月地下水埋深呈缓慢增大趋势,最大埋深7.51 m,该时期降水稀少(除2020年6月降水量84.4 mm),蒸散发作用由弱变强,蒸发是影响地下水位变动的主要原因。2020年7月,随着降雨量持续增加,地下水埋深减小到6.86 m,比6月(7.51 m)减小0.65 m,减幅8.66%。8—9月总降雨量150.7 mm,随着气温逐渐降低,蒸散发作用减弱,地下水得到补充,埋深减小至6.67 m。
  3 地下水补排关系及影响因素分析
  3.1 地下水补排关系分析
  淤地坝下游监测井位于排泄区,潜水含水层赋存于第四系冲积洪积层中。岩性以冲积砂、砂砾石为主,主要接收大气降水的入渗补给,其次接收农业灌溉回归水补给,地下径流条件好[21],故淤地坝下游监测井的地下水位可代表其附近第四系的地下水位。淤地坝坝区监测井揭露的第四系潜水含水层分布较连续,其水位可代表淤地坝坝区和附近区域地下水位变化趋势。
  监测区内淤地坝坝区与淤地坝下游监测井地面高差为9 m,井深分别为7 m和10 m。坝区和淤地坝下游地下水位分别为1 328.72 m和1 321.21 m,坝区内地下水位比下游高7.51 m。水头差的存在导致淤地坝内地下水补给坝下游地下水,与淤地坝下游地下水位恢复较快的事实相吻合。坝区地下水位和淤地坝下游地下水位差值非汛期(1.86 m)大于汛期(1.15 m),进一步说明坝区地下水补给坝下游地下水[22]。
  3.2 地下水位变化驱动因素分析
  研究区第四系潜水含水层具有埋藏浅、透水性好的特点,地下水位变化受地形地貌的控制,在不同时间尺度和空间分布上表现出不尽相同的动态特征。汛期降雨量增加38%,坝下游地下水埋深增大1.27%,坝区地下水埋深减小7.35%。在其他因素保持不变的条件下,农业灌溉用水量增加是影响坝区和下游地下水位变化的重要因素,下游受影响更明显,这与下游农民大量种植玉米等农作物密切相关。淤地坝下游地下水位变化基本上遵循大气降水量增加地下水位抬升的规律,但农灌用水量增幅大于降水量增幅,表现为6—8月(汛期)降雨量增大,地下水位降低,汛期过后地下水位逐步回升。因此,淤地坝下游地下水位变化是降水入渗补给、蒸发排泄、农业灌溉等多种因素综合作用的结果[21],降水量增加是坝区地下水位抬升的主要原因,农业灌溉用水量增加是地下水位降低的重要影响因素,而蒸发量增加在一定程度上抑制了地下水位抬升。坝区地下水位受农业灌溉的影响不及下游大。
  4 结 论
  (1)淤地坝下游监测井地下水位年最大变幅为1.82 m左右,地下水位呈下降趋势。淤地坝坝区监测井地下水位变化较小,年最大变幅为1.27 m左右,地下水位呈上升趋势。
  (2)汛期淤地坝下游和淤地坝坝区地下水位分别回升0.81 m和0.84 m,但淤地坝下游地下水位仍呈下降趋势。非汛期淤地坝下游地下水埋深由5.84 m减小到5.34 m,地下水位有所回升;坝区地下水埋深由7.34 m增大到7.46 m,地下水位略有下降。
  (3)淤地坝坝区地下水位比下游地下水位高7.51 m,淤地坝坝区地下水补给坝下游地下水。两者地下水位差值非汛期大于汛期,进一步说明坝区地下水补给坝下游地下水。
  (4)淤地坝下游地下水位变化基本上遵循降水量增加地下水位抬升的规律,形成高峰(非雨季)与低谷(雨季),雨季过后水位逐步回升,且降雨补充地下水具有明显的时滞性。淤地坝下游及坝区地下水位变化是降水入渗补给、蒸发排泄、农业灌溉等多种因素综合作用的结果,农业灌溉是地下水位变化的重要影响因素,其对淤地坝下游地下水位的影响大于对坝区的影响。
  参考文献:
  [1] LI B, LIANG Z, ZHANG J, et al. Attribution Analysis of Runoff Decline in a Semiarid Region of the Loess Plateau, China[J].Theoretical and Applied Climatology,2018,131(1-2):845-855.
  [2] HASHEMI A, GHAZARIYAN S. The Effect of Sedimentation in Rock Check Dam Reservoirs on the Peak of Flood in Small Watersheds[J].European Journal of Nuclear Medicine & Molecular Imaging, 2014,39(S):386-387.
  [3] YAZDI J. Check Dam Layout Optimization on the Stream Network for Flood Mitigation: Surrogate Modelling with Uncertainty Handling[J].Hydrological Sciences Journal, 2017,62(10):1669-1682.
  [4] 高云飞,郭玉涛,刘晓燕,等.黄河潼关以上现状淤地坝拦沙作用研究[J].人民黄河,2014,36(7):97-99.
  [5] 高海东,贾莲莲,李占斌,等.基于图论的淤地坝对径流影响的机制[J].中国水土保持科学,2015,13(4):1-8.
  [6] CALLOW J N, SMETTEM K R. The Effect of Farm Dams and Constructed Banks on Hydrologic Connectivity and Runoff Estimation in Agricultural Landscapes [J].Environmental Modelling & Software,2009,24: 959-968.
  [7] 吴凯,殷会娟,何宏谋,等.基于水文连通特征的黄土高原淤地坝系[J].应用基础与工程科学学报,2020,28(3) :717-726.
  [8] 袁水龙,李占斌,李鹏,等.基于MIKE模型的不同淤地坝型组合情景对小流域侵蚀动力和输沙量的影响[J].水土保持学报,2019,33(4):30-36.
  [9] 毕慈芬,郑新民,李欣,等.黄土高原淤地坝建设对水环境的调节作用[J].人民黄河,2009,31(11):85-86.
  [10] HUANG T M,PANG Z H, EDMUNDS W M. Soil Profile Evolution Following Land-Use Change: Implications for Groundwater Quantity and Quality[J].Hydrological Processes,2013,27(8) :1238-1252.
  [11] GAO Z, ZHANG L, CHENG L, et al. Groundwater Storage trends in the Loess Plateau of China Estimated from Streamflow Records[J].Journal of Hydrology,2018,53(1):281-290.
  [12] LIANG W, BAI D, WANG F, et al. Quantifying the Impacts of Climate Change and Ecological Restoration on Streamflow Changes Based on a Budyko Hydrological Model in China’s Loess Plateau[J].Water Resources Research, 2015,51(8):6500-6519.
  [13] 綦俊諭,蔡强国,方海燕,等.岔巴沟流域水土保持减水减沙作用[J].中国水土保持科学,2010,8(1):28-33.
其他文献
摘 要:受料场人工采砂影响,前坪水库人工扰动料储量占砂砾料料场总储量的80%,这种筑坝材料的力学特性成为影响大坝填筑质量的关键因素。通过开展人工扰动砂砾石料室内三轴剪切试验、流变试验、尺寸效应分析、数值模拟等,对其物理力学性质等进行了深入分析。结果表明,细粒含量低于最佳含量的砂砾石料压实后能满足设计要求,该种坝料是一种合格的筑坝材料。大坝填筑完成后,经过一个汛期蓄水运行,大坝沉降、水平位移、坝基坝
期刊
黄河是我们的母亲河,是中国的第二大河,发源于青藏高原的巴颜喀拉山北麓约古宗列盆地,一路蜿蜒东流,经过青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西、河南、山东共九个省份,孕育、滋养了伟大的中华民族,形成了灿烂的中华文明。但是我们真的了解黄河吗?真的了解随着种族延续而诞生的民族文化吗?真的读懂了时代背景下黄河所具有的时代价值吗?  “黄河之水天上来”,黄河究竟起源于哪里?为什么对于华夏儿女如此重要?黄河
期刊
摘 要:祁连山区水电站建设改变了下游河道的水文条件,枯水期减水河段出现断流,河流自净能力减弱,河道污染加剧,为了恢复祁连山区水生生物的生态环境,运用改进的Tennant法评价标准对年内展布法、改进年内展布法、逐月最小生态流量、NGPRP法4种常用的生态流量计算方法进行合理性检验,选用评价结果较好的NGPRP法与改进年内展布法,计算了莺落峡站各月最小生态流量,在此基础上,结合水文比拟法计算了黑河干流
期刊
公共艺术是一种看得见的、外在的艺术表现形式,将艺术与社会环境进行了连接。目前,景观设计在公共艺术中占有重要的一席之地。其中,水体景观主要是围绕水来进行视觉设计的景观,运用水来开展环境空间艺术创作,而水生植物在水体景观设计中发挥着不可替代的作用,加入植物的设计会柔化现代公共环境给人带来的硬质感,使各类水体景观的空间艺术效果显得尤为丰富,在景观设计师建造城市独特空间景观环境上也发挥了很大的作用。《水体
期刊
摘 要:为探究空气罐对泵站水锤的防护效果,以北方某泵站工程为背景,根据水锤计算基本原理,建立空气罐数学模型,通过数值模拟泵站发生停泵水锤时无阀防护、液控蝶阀、液控蝶阀+空气阀、液控蝶阀+空气阀+空气罐联合防护工况下水锤压力水头变化规律,提出利用液控蝶阀+空气阀+一定体积的空气罐联合防护泵站水锤的新思路。通过进一步模拟空气罐高度直径比、初始气体压力水头对水锤防护效果的影响,得出了综合消除水锤最优方案
期刊
申明亮、何金平编著的《水利水电工程管理》一书是按照水利水电建设项目的全过程进行编写的。全书共分为十二章,详细介绍了我国水利水电工程的特点,并从工程建设项目前期准备、工程建设投资控制、工程建设项目评价、工程建设招标投标、工程建设进度控制、质量管理与环保安全、合同与信息管理、水利水电工程安全监测、水利水电工程老化病害及其防治、水利水电工程安全管理、水利信息化等方面进行阐述。该书具有良好的指导性、实用性
期刊
摘 要:为了评估大清河流域整体气象干旱状况,采用该流域1961—2015年逐日气象数据,基于CI干旱指数和面积阈值法识别区域气象干旱事件,提取历时、干旱面积等指标,分析研究区域气象干旱时空变化特征,并基于Copula函数进行多维干旱特征变量的联合概率分析和重现期计算。结果表明:研究区各地干旱频率相差不大;区域气象干旱程度总体有减轻趋势;冬旱发生的频数最多,春旱多于秋旱,跨季节连旱(尤其是冬春连旱和
期刊
自古以来,我国人民大多是傍水而居。水是大自然的重要元素,有着动静结合的灵动美感,与周围的景色相互衬托,是城市景观设计的重要组成部分。城市滨水景观设计就是专门围绕水这一元素展开设计的。《滨水景观设计》是景观设计专业的一门基础课程,对学生提升设计能力和应用能力具有重要的作用。该书主要从滨水景观设计概述、设计要素、设计类型等方面讲解,并涉及滨水景观设计与亲水设施、滨水景观设计与生态可循环、滨水景观设计的
期刊
摘 要:为在淄博大武水源地遭受污染地区合理布置治理工程,在堠皋试验区进行裂隙岩溶水示踪试验,分析试验区地下水流向,了解金岭断裂两侧水力联系。结果表明:示踪剂运移方向主要为12°和104°方向,优势主流方向为104°;示踪剂浓度与水力坡度、速度、观测孔距离无明显相关关系,试验区岩溶介质具有非均质各向异性特征;地下水视流速大多超过100 m/d,说明研究区地下水流动迅速,污染物运移以对流为主;研究区灰
期刊
摘 要:为实现地区产业结构升级及水资源高效利用,利用相关分析理论与灰色系统理论,研究产业结构同用水量之间的关系,在确定产业结构优化方向基础上,构建考虑水资源承载力的郑州市产业结构优化模型,对不同水平年的区域产业结构进行优化,确定产业优化方案并进行分析。2025年、2030年郑州市第一、第二、第三产业产值比优化后分别为1.28∶36.78∶61.94、1.13∶35.88∶62.99。模型优化结果表
期刊