农业灌区对区域地下水时空分布的影响建模分析

邢青青

(江苏省射阳县海堤管理所，江苏 射阳 224300)

0 引 言

我国幅员辽阔，拥有众多的农业用地，是名副其实的农业大国。据国家统计局统计，2019年全国粮食单位面积产量5 720 kg/hm2(381 kg/亩)，比2018年增加98.4 kg/hm2(6.6 kg/亩)，增长1.8%。在如此大规模的农业种植下，对灌溉水源地需求量十分巨大。近几年，尤其在北方地区，降雨量较少，气候比较干旱，多数农田需要进行人工灌溉，因此很多农业灌区出现[1]。灌区农业由于水资源较为充足，所有作物生长的较好，但同时对区域地下水时空分布也产生了影响，破坏了地下水环境，长此以往，对灌区水资源的合理开发和可持续发展极为不利，继而影响区域农业发展，形成一个恶性循环。在此背景下，了解农业灌区对区域地下水时空分布的影响对于正确认识地下水系统演变规律，合理开发和利用地下水资源，保护地下水环境具有重要的现实意义[2]。

对于灌溉区中地下水时空分布研究，谭秀翠、杨金忠将研究区划分为栅格，然后利用区域水量平衡模型INFIL3.0分析了石津灌区的地下水时空分布分布规律；项英男、李长志结合改进的 WANN 模型对大凌河上游流域地下水进行动态预测，并对区域地下水时空演变进行分析。王水献、王云智、董新光采用地统计学经典理论对焉耆盆地浅层地下水埋深与TDS时空变异特征进行了分析；Nam-Won Kim，Hanna Na，Il-Moon Chung采用SWAT-MODFLOW地表地下水模型研究了济州岛韩池流域地下水变化特征；Ning L I, De-Peng Y, Qiang Y U等以荒漠绿洲区登口县17口监测井1988-2013年的月观测地下水埋深资料为基础，采用核K-均值和经验模式分解方法，探讨了研究区26年来地下水埋深的时空变化特征。

本文借鉴前人研究经验，从时间和空间两个方面进行农业灌区下区域地下水时空变化特征分析，然后建立地下水动态预测模型，正确认识地下水系统埋深演变规律。通过本文研究以期为农业灌区水资源的合理利用，保护地下水环境提供参考和建议。

1 农业灌区对区域地下水时空分布的影响分析

为保证农业种植区农作物的生长，水资源灌溉必不可少，因此对周围地下水环境会产生直接影响，主要体现在两个方面，即获取与补给，二者的循环往复，给地下水在空间以及时间上均带来相应的变化。为更好地提高地下水利用效率，保护地下水资源，有必要进行农业灌区下区域地下水时空变化特征分析[3]。本文将从时间和空间两个维度进行分析。

1.1 农业灌区下区域地下水时间变化特征分析

农业灌区下区域地下水时间变化特征分析是指分析随着时间尺度的推移，农业灌区下区域地下水埋深变化情况。根据时间划分尺度，分为月动态变化特征、季节动态变化特征以及年际动态变化特征3种形式[4]。地下水时间变化特征分析模型建立过程如下：

步骤1：选定研究区。

步骤2：统计研究区内地下水监测井以及布局，绘制灌区地下水位监测井分布图。

步骤3：数据采集并整理。若采集到的数据中个别数据丢失，则需要利用回归分析法进行填补。然后根据采集时间，构建水位观测序列H(t)。

步骤4：趋势项分析。利用最小二乘法对水位观测序列进行多项式拟合，求取多项式的特定系数，得到趋势项函数。

步骤5：对趋势项函数进行周期性分析，采用谐波分析法识别和提取周期项P′(t)。

步骤6：对周期项P′(t)进行显著性检测，当显著性水平超过5%，则认为水位观测序列为一个周期函数。

步骤7：采用平均移动自回归模型对周期性函数进行拟合。

步骤8：将上述步骤4-步骤7所拟合的不同时段的函数进行线性相加，最终得到一个有关监测点(地下水监测井)的时间序列模型。

步骤9：趋势检验。在时间序列模型建立后，还需要进行时间序列的趋势变化分析，这是农业灌区下区域地下水时间变化特征分析的关键。趋势检验方法主要有Mann-Kendall法、Spearman 秩次相关检验法和回归检验法3种[5]。在这里仅对Mann-Kendall法进行具体分析。

原假设H0：时间序列数据(x1,x2,…,xn)是n个独立的、随机变量同分布的样本。

备择假设H1是双边检验：对于所有的k,j

(1)

式中:xk和xj分别为第k月/季/年和第j月/季/年的观测量，且j>k。而:

(2)

随机序列Si(i=1,2,…,n)近似地服从正态分布,则Si的均值Y(S)和方差Z(S)为:

Y(S)=0

(3)

(4)

当n>10时，标准的正态统计变量P可用下式计算：

(5)

1.2 农业灌区下区域地下水空间变化特征分析

农业灌区下区域地下水空间变化特征分析是指分析农业灌区下区域地下水位的空间分布规律。在这里采用地统计学法和克里格插值法相结合的方式进行空间变化特征分析[7]。

定义1：前提假设。具体包括3个：

1)随机过程假设：认为所有结果都是随机过程产生的，因此不具有独立性。

2)正态分布假设：认为所有样本都是正态分布。若样本中有数据不符合正态分布，则需要进行变换。

3)平稳性假设：认为大部分空间数据具有平稳性。

定义2：区位变化量。区位变化量是指具有空间分布特点的变量[8]。在本文当中具体指灌区地下水位埋深值。

定义3：变异函数。其公式为：

(6)

式中:h为样本间距；N(h)为样本距离为的所有测点的对数；D(xi)和D(xi)分别为区域化变D(x)在空间位置xi和xi+h处的实测值，i=1,2,…,N(h)。

定义4：空间估值。流程包括数据显示、数据检查、模型拟合、模型诊断和模型比较。

定义5：插值。通过插值可以计算出被距离h分隔的每一点对相对应的位置，继而确定地下水位埋深随空间距离而变化的规律。在这里采用反距离权重插值方法进行，该方法基本思路如下：随机选取一个差值点，然后计算插值点与样本点(地下水监测井)之间的距离，并以此给样本点赋予权重，然后进行加权平均[9]。离插值点越近的样本点赋予的权重就越大。反距离权重插值方法公式描述如下：

(7)

其中：T为预测值；di为预测值与样本值之间的距离；Ti为第i(i=1,2,…,n)个样本值；m为预测值与样本值之间距离的幂。

2 实证分析

2.1 研究区概况

本文选取我国北方的一个省份作为研究区域，地处中国东北中部，面积18×104km2以上。地势由东南向西北倾斜，呈现明显的东南高、西北低的特征。该研究区属于温带湿润-干旱季风气候，年平均降水量为400～600 mm，但 80%集中在夏季，以东部降雨量最为丰沛，季节和区域差异较大[10]。

2.2 观测井点布局

农业灌区对区域地下水时空分布的影响分析需要基础数据，因此需要进行数据采集，而数据采集需要布设观测井点。本实例分析中，研究区内供布设19眼地下水位监测井作为样本点，具体见图1。

图1 观测井点布局

2.3 监测数据

各样本点的监测数据采集类型见表1。

表1 监测数据采集类型

2.4 地下水时间特征变化情况分析

按照1.1一节建立月/季/年时间序列模型，并进行缺失检验，最后进行归纳统计，得到农业灌区下区域地下水时间变化特征，结果如下。

2.4.1 月变化特征

见图2。

图2 2010-2019月平均地下水埋深变化特征

由图2可以发现，该省地下水埋深在6月份达到最大值，说明在6月份时该省份的水位下降到最低，这与当地正处于农作物种植和生长期有着直接作用，且对比当地降水量情况，虽然6月份降水量较多，但是由于需水量的增长量大于供给量，处于供不应求的状态；而在1和12月份，虽然雨量较少，但是由于灌区不需要灌溉，因此水位会通过其它途径自我补给，地下水埋深最低，水位达到最高[11]。通过农业灌溉的需求情况，可以将2010-2019月平均地下水埋深变化特征划分为3个时期，见表2。

表2 月变化特征分析

2.4.2 季变化特征

见图3。

图3 2010-2019季平均地下水埋深变化特征

由图3可以发现，4个季节地下水埋深变化趋势大体都呈现为W型。在10年内，该省地下水埋深最大值都集中在夏季，且2015年的夏季达到最大，说明地下水位最低，且在2015年的夏季达到最低值，2011全年气候较为干旱，其原因与当地农业灌溉以及气候条件的变化有着直接关系；而冬季是地下水埋深最小值的季节，且2010年的冬季达到最小，说明地下水位最高，且在2010年的冬季达到最大值，2010年全年较为湿润。冬季无农作物需要灌溉，且蒸发量较少，同时也有少量雨水补给。春秋季节地下水埋深情况大致相同，这与农作物灌溉量逐渐减少有着直接关系[12]。

2.4.3 年变化特征

见图4。

图4 2010-2019年平均地下水埋深变化特征

由图4可以发现，研究区内的年平均地下水埋深变化趋势为W型，但是从整体上看，呈现走高的趋势，说明10年间，研究区的水位逐渐下降，下降率达到0.19m/a。其中，2018-2019年变化幅度最大，这说明与前几年相比，这两年该区域灌溉量大幅度增大，同时通过调查也发现，这两年的降水量也大幅度降低，双重作用导致水位下降，地下水量减少；2011-2012年、2015-2018年这两个时间段则呈现地下水埋深下降趋势，地下水位升高、地下水量增多[13]。通过调查，因为这两个时间段降水量较多，其中2012年最多，因此地下水位达到最大值。

2.5 地下水空间特征变化情况分析

按照1.2一节中地统计学法和克里格插值法进行地下水空间特征变化分析。根据地下水空间特征变化曲线，选取其中几个有明显特征变化时间点，绘制地下水空间特征变化图，结果见图5。

图5 地下水空间特征变化

从图5中可以看出，在10年内研究区内大部分地区地下水埋深普遍增大，也就是地下水位降低，这与灌溉和气候有着直接关系[14]。此外，通过整体布局，水埋深呈现从西北部逐渐向中低部以及东南部逐渐增大的趋势，整体呈现三级阶梯形式。造成这一现象的原因主要有3个：一是地势原因，地势呈现西北低，东南高，也就是由东南向西北倾斜的情况，因此即使东部降雨量分配，但是受地势影响，地下水的流向为西北向东南流，所以西北地下水位较高，而东南方向水位较低的空间布局；二是西北地区有多条河流经过，因此可以给地下水充分的补给，因此地下水位较高；三是中部为平原地区，因此农业种植业十分发达，所以即使水量丰富，但是由于灌溉量大，所以较西北部地下水位低，但由于地势影响，水位又高于东南部[15]。

3 结 语

综上所述，为满足农业种植业灌溉的需要，尤其近几年较为干旱的情况下，水资源的需求量逐渐增大，对地下水环境产生了严重影响。为此，为合理开发和利用地下水资源，保护地下水环境，本文从时间和空间两个角度进行农业灌区对区域地下水时空分布的影响分析。时间上，通过建立时间序列来进行；空间上，利用地统计学法和克里格插值法相结合的方式进行。最后通过对某一研究区进行实证分析，验证了本文分析方法的有效性。