2005-2017年焉耆盆地平原区地下水时空演变规律及其与土地利用的关系

2021-04-16章文亭杨鹏年王环波玉素甫江如素力

水土保持通报 2021年1期

章文亭, 杨鹏年, 彭亮,王环波, 周龙, 李晴，玉素甫江·如素力

(1.新疆农业大学水利与土木工程学院, 新疆乌鲁木齐 830052; 2.新疆水利工程安全与水灾害防治重点实验室, 新疆乌鲁木齐 830052； 3.新疆师范大学地理科学与旅游学院，新疆乌鲁木齐 830054)

焉耆盆地是新疆重要的绿洲区，但生态环境较为脆弱，其发展依赖于地下水资源。近年来，随着地下水利用量的加大，改变了湖区区域水流系统，造成不同水流系统交汇区域的水质发生改变，间接制约生态环境与社会经济发展[1]。地下水矿化度对其所在地区的环境有一定的指示作用，可以反映当地的土地利用类型变化状况，土地利用的变化表征人地关系在时空变化中的模式和强度，对于规划地下水开采量都有重要意义[2]。

研究土地利用变化情况与TDS含量的关系，可以为焉耆盆地内地下水资源可持续利用和生态环境等方面提供有力的依据。随着社会进步及农村城镇一体化建设步伐加快，农田扩张和城市变化使得土地利用呈现多样化[3]。研究地下水矿化度的时空分布规律对于受人类活动影响，生态环境脆弱的内陆干旱区有重要的意义[4]。土地利用与水质有直接或间接的关系。方娜等[5]以鄱阳湖为例，发现居民用地与所有参数呈正相关，耕地与TN，TP呈正相关。吕志强等[6]，研究山地城市河流发现土地利用结构对各水质指标有影响，建设用地和农业用地对河流水质恶化具有明显作用。徐启渝等[7]，研究赣江支流发现居民建设用地是对水质影响最显著单一土地利用类型，林地、居民用地、农田是对水质影响最显著的土地利用组合。Christian等[8]研究土地利用与城市水源污染间的关系，发现向非正式定居对支流内的微生物和物理化学质量有负面的影响。Prita等[9]基于2010—2014年的水质和遥感数据，研究不同土地利用类型对西里翁河流域水质的影响，发现城市用地比例与氨氮浓度呈强正相关。综上所述，目前国内已有研究主要集中在平原区或南方地区关于干旱区的研究较少，大多是研究湖泊或者流域的水质变化情况与土地景观格局间的关联性。关于焉耆盆地等西部干旱区的水质与土地利用间的相关性研究较少。近年来由于人类活动因素的影响造成土地利用格局发生变化，地下水TDS空间分布差异性大。因此掌握研究区地下水TDS变化趋势和土地利用类型面积变化情况是分析各土地利用类型下地下水TDS含量的分布的重要前提。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于新疆巴音郭楞蒙古自治州境内，总面积13 612 km2，其平原区为6 501.47 km2，位于东经85°55′—87°26′,北纬41°40′—42°25′。包括和静县、焉耆县、和硕县、博湖县等县市和新疆生产建设兵团第2师21团等8个团场,区内拥有中国最大的淡水湖博斯腾湖，是特色的农业种植基地。研究区地势四周向盆地倾斜[12]，且从周边山脉向博斯腾倾斜，坡度由陡变缓，北部高南部低，岩性颗粒由粗变细。主要分为丘陵、冲洪积平原和三角洲平原及湿地[13]。

焉耆盆地属于温带大陆性干旱半干旱气候，多年平均气温在5.85 ℃，降雨集中在夏季。盆地的气候特征为热量足，日照时间长、昼夜温差大，空气较湿润，平均降雨量为50～70 mm，降水差异性大，山区降水大于平原区，年蒸发量达到2 000～2 500 mm[14]。焉耆盆地有大小十余条河流，主要的有开都河、乌拉斯台河、清水河等，也为博斯腾湖主要的水源[15-16]。地表径流形成于山区且分布不均，为地下水的储存提供了良好的条件，也是适宜种植的区域[17]。焉耆盆地主要为第四纪岩性结构，土壤以砂砾、粗砂、细沙、壤土、亚黏土为主，细土平原区受河流、湖泊和侧向径流的影响，埋深在5 m左右。其下覆地层为相对隔水的地质边界，总体有来自基岩裂隙水的补给，局部有河流和山区的侧向补给以及降水入渗和田间灌溉渗漏量等的补给[4]。其排泄主要是潜水蒸发、排碱渠、径流排泄和人工开采[17]。

1.2 数据获取与处理

1.2.1 LUCC数据的获取 LUCC数据来自中国科学院资源环境科学数据中心和欧空局ESA CCI land cover and website网站，下载2005，2014，2017年3期的30 m×30 m分辨率的土地利用数据。根据其土地资源及其利用属性，分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用土地，解译则是采用人机交互式目视判读的方式构建并在解译完成后开展精度检验以确保数据的准确性[18-19]。

1.2.2 地下水矿化度数据的获取本研究在焉耆盆地平原区四县内的乃门莫敦、五号渠乡、清水河、解放渠等地进行取样，2005年4月共收集64个样本，2014年4月共采集97个样本，2017年4月共采集71个样本，共计232个样本。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用转移矩阵在焉耆盆地内每种土地利用类型间会有不同程度的转化。通过转移矩阵可以计算土地利用类型相互转化的具体的量值、转移情况和转移种类，用GIS中的空间分析对土地利用的图进行叠加，计算土地利用类型转移矩阵，得到2005—2014，2014—2017年的土地利用转化关系。其表达式为：

(1)

式中：S为面积(km2)；Sij为研究初期第i类土地利用类型转移至研究末期第j类土地利用类型的面积(km2);n为土地利用的类型数。

1.3.2 GIS克里金插值 GIS是一种基于计算机的综合数据库管理系统，可以储存大量的数据及其属性，用于捕捉、检索、处理和分析探索地理空间的数据[20]。

其原理为:设研究区域为A区域化变量为{z(x)∈A},x表示空间位置，Z(x)在采样点xi(i=1,2,…,n)，根据克里金插值原理，待插点处的属性值Z(x0)插值结果是n个已知采样点属性值的加权和，即：

2.1 亲鱼培育试验中的催产亲体为F1代灰裂腹鱼，雌鱼5龄，最小个体850 g，最大个体1 050 g；雄鱼5龄以上，体重400 g左右。5龄的亲鱼95%左右个体达性成熟，本次繁殖试验选用的催产亲体为平均体质量达到900 g左右的雌鱼，选用标准为生长速度快、身体健康、线条流畅、无伤病或畸形现象。

(2)

式中：λi(i=1,2,…；n)为待求权系数；Z(xi)为采样点。

1.3.3 基于GIS的空间叠加计算方法通过一系列的叠加操作将两个数据进行空间上的对应，从而产生新的数据，根据GIS的数据类型和结构的差异，将叠加分析分为基于矢量数据的叠加分析和基于栅格数量的叠加分析两种。本研究采用的是基于矢量数据的网格覆盖的叠加分析。用输入数据建立网格，并给网格赋值再加到叠加的数据上，得出新的数据并进行分析。

2 结果与分析

2.1 典型年土地利用类型状况

由2005，2014，2017年研究区土地利用类型分布及地下水TDS含量权重结果(图1，表1)可知其各类土地利用类型的面积及比例。研究区内耕地、水域和未利用土地占主要部分；林地和草地面积逐年减少，水域面积变化不大，而耕地面积占焉耆盆地平原区总面积的30%～40%，且主要分布在北部、西部和西北部。林地从2005年的213.61 km2锐减到2014年的16.92 km2，同时草地也是从占比16.3%下降到占比12.8%，而耕地从1 893.6 km2直接增加到2 410.5 km2，这是由于大量开垦耕地导致林草地面积的减少。城镇建设用地从2005—2014年主要分布在开都河中下游、和静县的北部与和硕县的东北部，到2017年扩展至开都河的中游地区和博湖县的绿洲区。

图1 2005，2014，2017年土地利用分布及地下水TDS含量权重

表1 2005，2014，2017年焉耆盆地各土地利用类型面积及其比例

2.2 焉耆盆地土地利用转移矩阵

用GIS和SPSS统计数据[21]，得到2005—2014年和2014—2017年的焉耆盆地土地利用转移矩阵，分别见表2—3。由2005， 2014，2017年焉耆盆地各土地利用类型及其比例(表1)可知，2005—2014年土地转移发生在各种土地类型之间。2005—2014年主要发生转移的土地类型为耕地、未利用土地和草地。耕地有82.6 km2转化为草地，有36.7 km2转化为未利用土地；未利用土地有356.8 km2转化为耕地，215.1 km2转化为草地还有156.85 km2转化为城镇建设用地。草地有230.8 km2的土地向耕地转移，371.4 km2的土地向未利用土地转移。而2014—2017年土地利用仍在耕地、未利用土地和草地间转化。其中，草地主要是向水域转化，耕地向城镇建设用地转移了7.9 km2，向草地转移了6.6 km2，向未利用土地转移了6.5 km2；未利用土地有74.3 km2向水域转化，有20.7 km2向草地转化。耕地的面积在2005—2014年有大幅度增加，2014—2017年面积基本保持不变，2005—2017年耕地面积的增加主要是来自未利用土地、草地和林地的转化。林地减少了146.7 km2的面积，是由于林地中109.6 km2的面积转化为耕地，76.1 km2的面积转化为草地。经济的发展影响人们逐渐开垦耕地，从而村庄趋于城镇化，城镇建设用地面积增加了76 km2；水域面积没有变化和转化的趋势。

表2 2005-2014年焉耆盆地土地利用面积转移矩阵 km2

表3 2014-2017年焉耆盆地土地利用面积转移矩阵 km2

2.3 焉耆盆地地下水开采量量变化趋势与TDS分级

根据巴州水资源公报中焉耆盆地4县内农林牧渔的地下水用水量的变化情况(图2)，可以得出2005—2017年地下水开采量总体呈缓慢上升趋势，但在2016年略有下降，是由于2016年焉耆盆地受到退地减水和“三条红线”政策的影响，各地对用水量和地下水的开采有严格的控制，因此在2016年地下水开采量有所下降。

图2 焉耆盆地地下水开采量趋势

如表4所示，根据《地下水质量标准GB/T14848-2017》[22]可知，2005年采集的64个样本中，13个属于Ⅲ类水平(500 mg/L<Ⅲ类≤1 000 mg/L)，11个属于Ⅳ类水平(1 000 mg/L<Ⅳ类≤2 000 mg/L)，40个属于Ⅴ类水平(>2 000 mg/L)。2014年采集的97个样本中，18个属于Ⅰ类水平(≤300 mg/L)，28个属于Ⅱ类水平(300 mg/L<Ⅱ类≤500 mg/L)，31个属于Ⅲ类水平，17个属于Ⅳ类水平，3个属于Ⅴ类水平，2017年Ⅱ类和Ⅲ类占主要部分。2005年Ⅴ类水占主要部分，为62.5%；2014年Ⅱ类和Ⅲ类占主要部分为60.8%，2014年Ⅳ类的比例比2017年多4.5%，且有3.0 %为Ⅴ类水平。

表4 2005，2014，2017年焉耆盆地地下水TDS分级

2.4 焉耆盆地地下水TDS分布特征

根据2005，2014，2017年的TDS数据，利用GIS软件中的地统计模块中克里金插值得出研究区TDS含量分区结果(图3)，焉耆盆地平原区地下水是逐渐汇入最低点博斯腾湖。2005年沿着开都河逐渐升高，在开都河的南岸矿化度含量为最大值。在包尔海乡处地下水TDS均值达到2 000 mg/L，为Ⅴ类水的TDS含量；在黄水沟的南岸，北大渠乡处TDS值含量也在2 000 mg/L，以及博斯腾湖的北部和东北部水质均为Ⅴ类水的TDS含量。在和硕县的中部和焉耆县的本布图乡处水质较好，TDS均值在500 mg/L左右，为Ⅲ类水的TDS。

图3 2005，2014，2017年焉耆盆地地下水TDS分区

2014年地下水水质整体优于2005年，属于Ⅱ类水的TDS，最大的TDS含量在5 000 mg/L左右。研究区2005年水质较差的区域在2014年虽得到改善，但就整体而言地下水水质劣于2017年，在博斯腾湖南部的博斯腾湖乡和闹音呼都克村处TDS含量在1 000 mg/L以上。2017年TDS含量较2014年呈下降趋势，表现在Ⅱ类水TDS的占比从28.9%增加到53.2%，Ⅲ类水的TDS的占比从32.0%下降到28.6%。从2005，2014，2017年地下水TDS分布可知，和静县的开都河北岸乌拉斯台处的TDS含量由<300 mg/L增加到500 mg/L，可能是由于开垦耕地，导致地下水需水量增加，地下水位下降且含水层变薄，因此稀释盐的能力减弱从而造成地下水的TDS增加。

2.5 不同土地利用类型下TDS含量及分布状况

通过GIS中叠加分析模块，可以统计出不同TDS区间所累计的面积之和，见地下水TDS含量分区面积统计结果(表5)。2005年地下水TDS含量主要在>2 000 mg/L区间内，占总面积的81.60%，2005—2014年地下水TDS含量整体从>2 000 mg/L降至1 000～2 000 mg/L，2014—2017年，地下水TDS总体含量呈下降趋势。焉耆盆地平原区TDS含量在1 000～2 000 mg/L和>2 000 mg/L的面积在减小，其他含量的TDS的面积都在增大。2014年TDS含量在1 000～2 000 mg/L的面积最大，为6 352.4 km2，占总面积的97.8%，而2017年TDS含量在300～500 mg/L的面积最大，为4 473.2 km2，占到总面积的68.8%。

表5 2005，2014，2017年焉耆盆地地下水TDS含量分区面积统计结果

根据上述分析的焉耆盆地地下水TDS的分布特征，结合土地利用类型的分布特点，来分析两者之间的关系。将地下水TDS含量图进行网格化，并对网格赋值，将数据转为矢量数据，对两者进行叠加，可以得出各土地利用类型的TDS含量对比结果(表6)。从表格上可以看出2005年各个土地利用类型的TDS含量高于2014年，2014年的TDS均值含量都高于2017年，说明从2005—2014年水质整体矿化度较高，从2014—2017年，焉耆盆地的水质整体良好，部分地区水质有淡化的趋势。2014年TDS均值含量最高的土地利用类型为耕地，达708.6 mg/L，最低的为林地，达680.4 mg/L。2017年TDS均值含量最高的土地利用类型为城镇建设用地，达521.6 mg/L，最低的为未利用土地，达477.4 mg/L。且在每种土地利用类型上标出TDS的含量权重以便清晰的看出不同土地利用方式下地下水水质的差异。从图1可知，耕地的地下水TDS权重在2005—2017年都比较高，林地的地下水TDS权重较低；分布在清水河下游处和开都河南岸7个星附近的地下水TDS权重高于开都河上游与清水河下游乌什塔拉乡。

表6 2005，2014，2017年焉耆盆地各土地利用类型的TDS含量对比

3 讨论

3.1 土地利用分布和转移的趋势

土地利用的变化与农业规模、人口增长、社会发展等因素有关[23]。2005—2017年，由于城镇化的进程加快，人们开始发展农业并种植经济作物从而耕地面积在2005—2014年增加了516.9 km2，同时这几年里随着采伐、农业用地和建设用地的扩张使得林草地的面积由占比3.3%和16.3%下降到占比0.3%和12.8%。2014年后人们有意识保护环境逐渐减少开垦林草地，故耕地和林草地的面积没有较大的变化[24]。水域和未利用土地的面积变化趋势不大，城镇建设用地的面积在2005—2014年增幅为0.8%，在2014—2017年其面积持续增加到179.0 km2。在2005—2014年里，有374.1 km2的草地转化为未利用土地，主要是由于焉耆盆地的暖干气候影响[25]，加之人类活动的增强，使得草地逐渐向荒漠化发展从而转化为未利用土地。2014—2017年焉耆盆地的荒漠化与绿洲化在时间和空间上互存和互转。由于自然和人为因素等原因，耕地与林草地互相转化，同时耕地上有农业的灌溉与排碱，严重时会导致土地盐碱化从而无法进行种植沦为未利用土地[24]，参照CJ/T340-2016《绿化种植土壤》[26]中满足正常种植的土壤EC含量在0.15～0.9 ms/cm，根据之前采集的土样数据发现近年来焉耆盆地内部分土壤的EC值已达到10 ms/cm，不能作为常规耕地正常使用，导致耕地转化为未利用土地，可见草地—耕地—未利用土地三者的互传趋势较为明显[25]。

3.2 地下水TDS的变化趋势

地下水质量类别按照TDS的含量分为Ⅰ—Ⅴ类，2005年主要为Ⅴ类，2014年和2017年焉耆盆地主要为Ⅱ类和Ⅲ类水。由于焉耆盆地地势东高西低，而焉耆县的西南处正好位于开都河下游，接受来自地表和地下水的补给。由于焉耆盆地地势东高西低，而焉耆县的西南处正好位于开都河下游，接受来自地表和地下水的补给。开都河和孔雀河下游有来自上游的侧向补给、河道渗漏、田间渗漏和渠系的补给[27]，因此排泄较弱从而盐分会在此处累积导致水中的含盐量较高[28]，导致TDS含量大。焉耆县的北大渠乡的TDS含量从2014年的1 500～2 000 mg/L下降到800～1 000 mg/L，是由于此处在深层循环积极带上，地下水循环迅速且不断接受来自清水河的补给，所以TDS降低。博湖县的西北部矿化度逐渐下降是由于地下水开采量的增加在加速地下水循环的同时也有来自开都河的补给且各地逐渐开始实施退耕还林的政策，所以化肥等农业能源的投入逐渐减少，导致矿化度下降[23]。从2014—2017年研究区内地下水开采量持续上升，由于使用承压水而非地表水进行农业灌溉，所以带入耕地和下渗到地下水的盐分较少，地下水矿化度的含量逐渐降低，且水域面积逐年增大，地下水补给也在增强，地下水开采量增大造成地下水流系统循环快，更替频繁导致水质淡化[29]。

3.3 土地利用与地下水TDS的相关性

2014年TDS含量在1 000～1 500 mg/L中面积最大，为5 451.9 km2，占总面积的83.9%，大部分属于灌区，说明TDS含量总体高是源于人类农业活动的影响，地下水排泄减弱土壤盐分增高渗入地下水中，产生高矿化度含量的地下水。而2017年TDS含量在300～500 mg/L中面积最大，占比为68.8%。且大部分为未利用土地，说明未利用土地因为荒漠化的影响，所以人类活动减少从而人工排泄降低，盐分积累在表层土壤并未渗透到深层地下水中。将6种类型的土地面积变化量与均值TDS的含量进行Spearman秩相关性分析，结果表明土地利用面积与存在显著正相关(R2=0.7，p<0.05)，从各土地利用类型TDS含量均值表中得出耕地的TDS含量是所有土地利用类型中较高的，因为农田在施肥时会促进地下水盐分的积累造成耕地的地下水TDS增加[30]。林地的地下水TDS含量自2005—2017年在所有土地利用类型中始终最低，因为林地主要分布在乌拉斯台河的附近接受来自河水的补给且林地基本未与其他的土地类型发生转化。