变化环境下新疆沙湾县灌区地下水动态趋势及驱动因素

刘 婕 ，杨鹏年，阚 建，高宇阳

(新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052)

沙湾县位于新疆维吾尔自治区西北部，是塔城地区的东大门。随着沙湾县社会经济的发展，各行业用水量剧增，尤其是农业灌溉用水达总用水量的94%(2013年)，用水结构不合理，水资源分布不均，且缺少关键性的调蓄工程，灌区经常出现春秋干旱缺水而夏季富余的工程性缺水问题[1]。县境内自东向西有5条河流，主要来自于天山冰川融雪水，径流年内分配很不均匀，高温季节的6～9月径流量占年径流总量的80%，由于人口持续增长、社会经济发展以及气候变化，地表水资源出现严重紧缺的态势，地下水资源已成为沙湾县不可或缺的供水水源[2,3]。灌区地下水主要接受来自河流及渠道的渗漏补给，其次是田间灌溉、春融水、平原水库和降水等的入渗补给，河水和田间的地下水补给量随水利设施的大规模兴建以及新型滴灌节水技术的推广和应用而明显减少[4]。沙湾县属于资源性缺水县市，截止到2015年平原区地下水已超采2 亿m3/a，且还在逐年增加，水资源供不应求[5]。

变化的环境，如地表水灌溉量的减少、地下水较为严重的采大于补以及节水灌溉技术的应用会导致灌区水资源的不稳定和供需矛盾，严重影响水循环[6-9]。作为灌区水资源的重要组成部分，地下水的动态变化是判断地下水是否均衡，开发利用是否合理的重要标志。因此对变化环境下地下水埋深的动态变化及其驱动因素的研究将对灌区地下水资源的开发利用与可持续利用产生重要的作用。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区概况

沙湾县灌区位于新疆天山北坡经济发展带中部、准噶尔盆地南缘，地理坐标84°57′～86°09′E，43°29′～45°20′N，是一个自玛纳斯河、巴音沟河、大南沟河、金沟河、宁家河引水、灌排结合，并以农业灌溉为主的井渠双灌灌区。沙湾县境内的5条河流，同属于玛纳斯河水系，均发源于天山北麓依连哈比尔尕山北坡，流向自南向北。地形整体由东南向西北倾斜，大体分南部山区、中部倾斜平原区、北部沙漠区三大部分。据2017年《新疆统计年鉴》，全县共有人口20.61万，机电井6 448 眼，农作物种植面积15.761 万hm2，其中粮食占22%，棉花占67.2%。目前全县广泛采用膜下滴灌、微灌等技术来减少灌溉用水量，截止2017年节水灌溉面积达11.4 万hm2。灌区地表水引水灌溉量2.17 亿m3，地下水开采量2.77 亿m3。沙湾县泉水主要分布在南部低山丘陵区的宁家河灌区内以及金沟河灌区下游泉水溢出带区的集泉河-沙湾河，该泉水量大多被引入千泉湖以及海子湾水库，用于农业灌溉。然而沙湾河上游大量开采地下水致使沙湾河水量逐年减少，20世纪60年代沙湾河年径流量1.41 亿m3，到2010年仅有0.365 亿m3。随着经济的快速发展，社会各业用水量逐年增大，灌区内地下水水位逐年下降，水资源供需矛盾日益突出。

1.2 数据来源

本文所用的反映灌区变化环境因子的气候因素资料(1998-2017年)来源于沙湾县乌兰乌苏气象站，地下水埋深(1998-2018年)及人为活动(2008-2017年)资料来自于灌区调研、塔城地区水利局、沙湾县水利局及2008-2017年水利公报、统计年鉴等。通过对这些数据的分析和审查，认为具有一定的代表性和可靠性。

1.3 研究方法

以沙湾县灌区为研究区，采用Pearson、Kendall和Spearman秩次相关检验[10,11]等方法分析各影响因子变化趋势的显著性。本文采用主成分回归分析法定量分析地下水位动态变化的驱动因子及其影响程度，该方法可以解决因子之间的多重共线性问题，能够用彼此独立的新变量替换原来彼此相关或共线的变量，且损失较少的信息量，目前已在多个领域应用[12,13]。

2 地下水动态的影响因素及其响应

灌区地下水动态主要是气候因素和人为活动因素共同作用的结果，它们通过改变地下水循环的补给、径流、排泄等条件对地下水系统及地下水均衡产生影响，最终引起地下水动态的变化。

2.1 气候因素对地下水埋深的影响

沙湾县地处欧亚大陆腹地，具有降水量少，蒸发量大，气候干燥，地表水与地下水转化频繁等典型大陆性干旱气候的特点，对地下水的循环产生直接影响。由于灌区地下水埋深较大，其直接蒸发可忽略。

灌区多年年均气温与地下水埋深变化如图1(a)，年均气温在7.18～9.13 ℃之间波动，年最高气温出现在7月，最低气温出现在1月，平均气温7.9 ℃，整体呈上升趋势，变化率为0.035 1 ℃/a，近10 a年均气温比1998-2007年均气温升高0.21 ℃。一般情况下，气温与水资源量成反比关系，气温升高使得用水需求及蒸发量加大，既暖又干的气候会加剧地下水资源的紧缺，表现为地下水位整体呈下降趋势，但其年际变化不同步[14,15]。

图1 沙湾县年均气温、年降水量与地下水位变化Fig.1 Annual average temperature、annual precipitation and groundwater level change in Shawan County

灌区多年降水与平均地下水埋深变化如图1(b)，多年年均降水量为244.23 mm，降水量年际变化较大，最大降水量发生在2010年，为351.8 mm，最小降水量发生在2012年，为158.5 mm。近20 a年降水量呈波动下降趋势，变化率为-1.349 2 mm/a，降水的减少会引起地下水补给量减少，同期地下水埋深在逐年的增大。

利用Pearson、Kendall和Spearman秩次相关检验3种方法对研究区年平均气温及年降水量的变化趋势与地下水埋深进行显著性分析，结果见表1。表1显示，3种检验方法的结果是一致的，即：沙湾县灌区1998-2017年气温、降水量多年来虽有较大的年际变化，但长期变化趋势不明显。即使气温与地下水埋深呈正相关，降水量与埋深呈负相关，但气温和降水变化对地下水埋深的影响很小。

表1 灌区气温、降水量变化趋势识别结果Tab.1 The districts temperature and precipitation change trend identification results

2.2 人为活动对地下水埋深的影响

人为活动主要通过地表水灌溉、地下水开采及田间入渗补给等影响地下水系统的补给与排泄，对地下水动态产生影响。沙湾县多年灌溉面积、节水灌溉面积、地表水灌溉量、地下水开采量变化如图2所示。灌区多年平均灌溉面积11.9 万hm2，近10a灌溉面积呈显著增加趋势，增长率为6 863 hm2/a，尤其是在2013年在农业种植面积快速增长的驱动下，灌溉面积突增，直至2015年起退地减水政策的实施使灌溉面积略微减少，但2017年末仍是2008年的1.41倍。灌溉面积的逐年增大使灌溉用水逐年增多，加之灌区农业灌溉水有效利用系数仅为0.63(2016年)，在研究区干旱的气候条件下，灌溉水量主要依靠抽取地下水，在灌区经过蒸发及作物蒸腾后，仅有很少部分重新渗入地下，导致灌区地下水位下降。

图2 沙湾县地表水灌溉量、地下水开采量、灌溉面积及节水灌溉面积变化趋势Fig.2 The Shawan county surface water irrigation, groundwater exploitation, irrigation area and water-saving irrigation area variation trend

灌区多年平均地表水灌溉量为2.611 亿m3，且近10 a呈显著减少的趋势，减少率为0.145 亿m3/a，2017年的地表水灌溉量是2008年的62%，对水资源本来就不富有的沙湾县来说，开采地下水是维持经济发展的重要举措。

沙湾县地下水开采方式包括水源地集中开采、农业灌溉开采、工业及生活开采等，其中农业灌溉井数及开采量占绝大部分，远大于其余开采。沙湾县机电井数量从2008年的895眼增加到2017年的6 448眼，相应的地下水开采量也从1.21 亿m3增加到2.77 亿m3。即使近年封井、退地、减水等政策使沙湾县机电井近几年略微减少，但地下水开采量也仅在2017年较其他年份有小幅下降。总体在a=0.01的显著水平下，地下水开采量是显著增加的，变化率为0.184 亿m3/a，地下水持续开采直接造成了地下水位的持续下降。

2007年开始全县大力推动高效节水农业建设，田间灌溉由大水漫灌改为滴灌，防渗渠道逐步完善，截止2017年节水灌溉面积占总灌溉面积的77%，增长率为4 906 hm2/a，对提高农田灌溉效率，减少灌溉用水有一定的作用。然而在西北干旱地区，地表水资源时空分布不均且水质较差，滴灌等节水技术基本依靠地下水进行灌溉，在节水灌溉面积持续增长的情况下，地下水开采量同期持续增长。这种以地下水为主要水源的节水灌溉面积的增加是造成灌区地下水位持续下降的主要原因。

3 变化环境下地下水动态演化趋势

地下水埋深的上升或下降直接反映了地下水补给与消耗的变化，也直接反映了含水层中地下水资源量变化[16]。根据沙湾县水系，将灌区分为玛河灌区、金沟河灌区、巴音沟河灌区、宁家河灌区、大南沟灌区。选取4个灌区7眼长观井作为典型井，利用1998-2014以及2018年的年均地下水埋深值绘制各观测井的地下水埋深动态曲线，其中东湾镇1998-2002年无观测数据。各灌区典型井的地下水埋深动态曲线如图3。

图3 灌区地下水位平均埋深变化曲线Fig.3 The irrigation districts average buried depth variation curve

由图3(a)可知，玛河灌区乌兰乌苏镇地下水位整体波动不大，降幅较小，年均水位下降速率为0.14 m/a；柳毛湾镇地下水位波动起伏，在1998-2005年期间，地下水埋深从5.93 m逐年变化到17.82 m，水位下降了11.89 m，而在2006-2014年地下水位年际变化较大，整体水位下降了16.2 m。近20 a地下水位平均下降速率为1.72 m/a，水位下降较快。老沙湾镇在1998-2017年水位下降了32.61 m，下降速率为1.58 m/a，水位降幅较大，尤其是在2007年以后，地下水位下降高达5～6 m/a。玛河灌区早在2010年就被划定为严重超采区，近年来地下水埋深逐年升高，这与日益频繁的人类活动有密不可分的关系，对灌区地下水资源产生重大影响。

金沟河灌区地下水主要接受金沟河河水入渗及西侧巴音沟河砾质平原区地下水的侧向补给。2010年沙湾县地下水资源保护与规划报告中将大泉乡划为严重超采区，金沟河镇为未超采区。由图3(b)可知，2010年以后，大泉乡地下水位呈波动下降趋势，近20 a间水位下降了9.19 m，下降速率为0.85 m/a；金沟河镇年均下降速率为0.12 m/a，在1998-2014年地下水位呈波动上升趋势，17 a间水位上升2.71 m，但2018年4月实测水位为19.53 m，4 a下降了11.9 m，下降速度较快。

近20 a实测资料对比分析表明：巴音沟河灌区安集海镇地下水位下降了16.26 m，下降速率0.74 m/a，水位动态曲线如图3(c)。其中1998-2007年地下水位下降平缓，从2007年开始，地下水位逐年下降速度开始加快，这是因为安集海镇大量种植辣椒、玉米、小麦等特色农作物带动经济发展，然而地表水灌溉水量的逐年减少使得地下水开采量远大于巴音沟河的补给量，致使地下水位下降。

图3(d)为宁家河灌区东湾镇2003-2018年地下水埋深变化图，灌区仅接受少量的宁家河河水(集泉河)的入渗补给。由图可知，东湾镇在2003-2007年间，地下水位呈下降趋势，而从2008年开始，地下水位呈波动上升趋势，15 a间地下水位整体上升了2.24 m，上升速率0.20 m/a。东湾镇地下水位最低，这是因为该灌区为宁家河出山口后形成的冲洪积扇，南部为第二排构造背斜褶皱带，由于组成背斜的岩层为透水性较差或不透水的泥岩、砂岩、砾岩互层，相对阻截了来自“南山洼地”的地下水径流到平原区。

综合分析，沙湾县宁家河灌区地下水埋深最大，水位略有回升，其次是金沟河灌区的大泉乡与玛河灌区的老沙湾镇和柳毛湾镇，地下水位整体下降最快，巴音沟河灌区的安集海镇则是从2008年开始地下水埋深下降较快。

4 地下水埋深变化的驱动因素分析

综合考虑气候及人为活动对地下水埋深的影响，本文采用主成分回归分析法定量分析各驱动因子的影响程度。

从地下水均衡方程式来看，含水层中地下水量的变化取决于其中的补给项和排泄项。根据现有的沙湾县灌区资料，地下水补给来源主要有大气降水入渗、河流水入渗和灌溉入渗，因此选取沙湾县2008-2017年的年降水总量、地表水灌溉量、灌溉面积、节水灌溉面积这4个指标。灌区地下水排泄主要有蒸发排泄和人为开采，因此选取2008-2017年的年平均气温、地下水开采量这2个指标。这6个影响因子中的地表水灌溉量(X1)、地下水开采量(X2)、灌溉面积(X3)、节水灌溉面积(X4)为人为活动，降水总量(X5)、年平均气温(X6)属于气候因素，将7眼长观井地下水位埋深均值(y)作为气候变化和人为活动对地下水动态响应的定量指标，确定地下水位动态变化的主要影响因素。

将原始数据作标准化处理[17]，并进行相关分析以获得相关系数矩阵(表2)。从表2可以看出，各指标存在较高的相关性，尤其是地表水灌溉量与地下水开采量及灌溉面积之间的相关系数较其他因子高，这说明他们之间存在多重共线性。

由表3可以看出，特征值最大的3个主成分的累计贡献率高达96.33%，提取了原指标基本全部的信息，因此用这3个主成分代替原来的6个影响因子。根据主成分的特征值对应的特征向量(表4)，建立主成分综合方程如下式：

Z1=-0.279X1+0.400X2+0.240X3+

0.272X4-0. 061X5-0.080X6

(1)

表2 各指标的相关系数矩阵Tab.2 Correlation coefficient matrix of each indicator

表3 相关系数矩阵特征值及贡献率Tab.3 Correlation coefficient matrix eigenvalue and contribution rate

Z2=0.085X1-0.327X2+0.236X3+0.145X4-

0.032X5+0.728X6

(2)

Z3=-0.184X1-0.004X2-0.111X3-0.149X4+

0.950X5+0.002X6

(3)

表4 特征值对应的特征向量Tab.4 The eigenvector corresponding to the eigenvalue

从式(1)～(3)来看，构成Z1当中地下水开采、地表水灌溉、灌溉面积、节水灌溉面积的系数最大，对主成分Z1起主导作用，可将Z1解释为人为因子；构成Z2当中气温的系数最大，是Z2变化的主导因子，将其解释为气温因子；构成Z3当中降水因子起主导作用，将Z3解释为降水因子。这样，重新提取的人为因子、气温因子、降水因子之间两两相互独立，不存在共线性，并且代表了原指标基本全部的信息，可进行下一步的回归分析。

以人为因子Z1、气温因子Z2和降水因子Z3为自变量，以地下水埋深y为因变量进行多元线性回归，并使用最小二乘法进行参数估算，得回归方程为：

y=-4.594×10-16+0.876Z1+0.316Z2+0.047Z3

经计算，该方程相关系数R为0.876，确定系数R2为0.738，F检验值为26.305，显著性概率P=0.001<0.05，回归方程的回归效果较好并有显著意义。对方程中的系数进行t检验，结果Z1的显著性概率P<0.05，对地下水埋深y有显著影响，Z2、Z3的显著性概率P>0.05，对地下水埋深y的影响作用不显著。根据逐步回归的观点，气候因子单独可能对地下水动态有作用，但与人为因子放在一起，其作用就被人为因子所取代，使之对多元回归方程的贡献很小，甚至会增加方程的误差，引起回归方程的不稳定[9]。因此将作用不明显的气候因子Z2、Z3剔除，得回归方程：

y=-4.594×10-16+0.876Z1

表明沙湾县灌区地下水埋深主要受人为活动的影响，驱动因子从大到小依次为地下水开采、地表水灌溉、节水灌溉及总灌溉面积的变化。气候因素虽然对地下水埋深的影响作用不显著，但进一步加剧了地下水资源的紧缺。

5 结 语

(1)灌区变化环境中的气候因素主要为气温和降水，人类活动主要有地表水灌溉、地下水开采、灌溉面积及节水灌溉。在20 a间气温呈不显著增加的趋势，降水量整体呈不显著减少的趋势；而近10 a在a=0.01水平，地表水灌溉水量呈显著减少趋势，灌溉面积、节水灌溉面积及地下水开采量在a=0.01水平上均呈显著增加趋势。

(2)灌区多年地下水埋深变化趋势表明，玛河灌区三眼井地下水水位除乌兰乌苏镇外其余两眼井降幅较大，乌兰乌苏镇井在20 a间下降了2.83 m，年均下降速率为0.14 m/a，柳毛湾镇、老沙湾镇地下水位年均下降速率分别为1.72、1.58 m/a；金沟河灌区大泉乡井年均地下水位下降速率为0.85 m/a，金沟河镇井年均地下水位下降速率0.12 m/a，1998-2014年水位略微上升，但到2018年的4 a间下降11.9 m，降幅较大；巴音沟河灌区安集海镇地下水位呈波动下降趋势，20 a间水位下降16.26 m，年均下降速率为0.74 m/a；宁家河灌区东湾镇地下水水位呈波动上升趋势，年均上升速率为0.20 m/a。

(3)沙湾县灌区地下水埋深与各影响因子的关系用主成分回归法分析，得到3个主成分，其累计贡献率高达96.33%。影响地下水动态的驱动因子由大到小依次为地下水开采、地表水灌溉、节水灌溉、灌溉面积，影响程度呈逐年增大的趋势。这表明近年来人为活动在地下水动态变化过程中起主导作用，尤其是以地下水为主要水源的节水灌溉面积的增加是造成地下水位下降的主要原因，气候因素作用虽然不显著，但进一步加剧了水资源的紧缺。

(4)近年来，地下水超采已成为沙湾县面临的主要水资源问题，通过高效节水、退地减水等措施在一定程度上减少地下水的用水量，有利于沙湾县地下水超采区的治理。但目前以地下水为主要水源的节水灌溉面积的增加是造成灌区地下水位持续下降的主要原因。因此研究区在治理超采区的同时还需要通过调整农业结构，提高农灌效率并置换节水灌溉用水水源来实现地下水资源的可持续利用。