井灌区典型区域地下水位时空分布及对灌溉用水响应分析

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华北平原是我国重要的粮食和蔬菜生产基地,该地区灌溉以地下水为主。由于长期无序开采,地下水位持续下降,引起了地面沉降裂缝、咸水界面下移入侵深层淡水、机井报废加快、生态退化和地下水污染等一系列环境和地质问题。唐山市丰南区作为华北平原一个典型的地下水开采区,通过探究丰南区地下水时空分布现状,建立丰南区地下水数值模型,分析不同农业用水方案下地下水位的变化规律,为丰南区地下水资源的合理利用提供参考。主要研究结果如下:(1)分别针对丰南区的淡水区和咸水区进行研究,采用统计学方法分析了淡水区和咸水区地下水位时间变化特征,应用地统计学法结合ArcGIS和GS+探究了其地下水位空间变化特征。1984-2014年间淡水区和咸水区平均地下水位分别下降了 6.28m和10.78m;地下水位年内均呈现季节性变化。1984-2014年间以降水量为546.96mm/a(平水年)的条件下地下水开采量应为252.29mm/a。枯水年,淡水区和咸水区地下水开采程度分别为151.35%和141.78%;丰水年地下水开采程度分别为108.89%和104.75%。(2)丰南淡水区作为农业活动的主要区域,基于丰南淡水区钻孔资料及其他相关资料,利用GMS建立起丰南淡水区非均质、各向同性二维流数值模型。模拟结果表明:模拟期和验证期地下水流场与研究区内潜水动态变化规律基本一致;模型模拟精度可靠。(3)基于丰南区水资源综合规划报告和"三条红线",结合丰南区1984-2014年各行业用水资料,运用灰色模型GM(1,1)和灰色摆动模型GM(1,1,sinw)模型预测了规划年2020年和2030年的工业、生活和第三产业需水量,其中2020年分别为3317.15万m3,2133.80 万 m3、600.42 万 m3,2030 年分别为 2709.64 万 m3,2578.40 万 m3 和 466.93万m3。基于种植结构资料及构建的农业种植结构优化模型,2020年在丰水年、平水年、枯水年和特枯年条件下农业最优种植结构为:夏收粮、秋收粮、油料、棉花、蔬菜和瓜果的种植面积比例分别为 16:27:2:2:0:53、25:33:1:2:14:25、23:32:1:2:15:27、19:27:2:2:18:32;2030年在丰水年、平水年、枯水年和特枯年条件下农业最优种植结构为:夏收粮、秋收粮、油料、棉花、蔬菜和瓜果的种植面积比例分别为17:26:2:3:1:51、25:35:1:2:13:24、26:36:1:2:12:23、19:26:2:3:17:33。(4)运用GMS建立的地下水模型对2020年和2030年的设置丰水年、平水年、枯水年和特枯年最优作物种植结构下农业需水量4种情景进行模拟,从时间和空间两个维度对结果进行分析表明:规划年研究区地下水埋深年内随降水和灌溉呈现季性的变化规律;各模拟情景下的年平均地下水埋深、枯季和丰季平均地下水埋深较现状年均有所回升;其中各个模拟情景下的年平均地下水埋深较现状年分别回升了 2.3m、2.27m、2.07m、1.81m、2.65m、2.34m、2.15m和1.92m,且地下水埋深空间分布稳定。因此,以最严格水资源管理制度为限定,进行最优作物种植,有利于缓解地下水位的下降趋势,涵养水源。
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