气候变化和人类活动对灌区地下水埋深的影响

张 彦，程 锐，邹 磊，梁志杰，吕 伟，窦 明，李 平，胡艳玲，齐学斌*

(1.中国农业科学院 农田灌溉研究所，河南 新乡 453002；2.中国水利学会，北京 100053；3.中国科学院 地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程院重点实验室，北京 100101；4.郑州大学 水利科学与工程学院，郑州 450001；5.农业农村部 农产品质量安全水环境因子风险评估实验室，河南 新乡 453002；6.浙江大禹信息技术有限公司，杭州 310002）

0 引 言

【研究意义】地下水作为灌区绿色可持续发展的稳定水源，为灌区经济社会的快速发展提供了保障[1]。地下水埋深作为体现地下水储存量的动态指标，其受到气候条件和人类活动的影响较大[2]，而灌区地下水埋深增加将制约灌区工农业的绿色高质量发展，因此开展气候变化和人类活动对灌区地下水埋深的影响可为灌区地下水合理开发利用及可持续发展提供一定的理论基础。【研究进展】地下水埋深不仅受降水量、蒸发量、气温等气候条件的影响，还受到灌溉水量、作物种植面积、用水结构以及人工开采地下水等人类活动的影响[3-7]；地下水埋深增加会引起熔岩塌陷、地面沉降、作物产量降低以及地下水污染等问题[8-9]。针对以上问题相关学者做了一定的研究，如孙标等[10]、郑倩等[11]和张晨晨等[12]分别研究了地下水埋深与土地利用类型变化、植被指数和降水间的响应关系；姚玲等[13]、李治军等[14]和陈彬鑫等[15]利用地统计学方法、ArcGIS 和SPSS 等工具分别分析了内蒙古河套灌区、肇州县和莫索湾灌区地下水埋深的时空差异性；张文鸽等[1]和高宇阳等[16]利用灰色关联度分别识别了内蒙古河套灌区和乌苏市地下水埋深变化的主要驱动因素；白宜斐等[17]基于敏感性分析和相对贡献率识别了影响灌区地下水埋深变化的主导因子；李鸿雁等[18]通过建立地下水数值模型对未来气候变化下的地下水位动态进行预测；陈永金等[19]分析了塔里木河下游地下水埋深的时空变化及对生态输水的响应。【切入点】由于灌区地下水埋深变化受到的制约因素较多，故需加强气候变化和人类活动对灌区地下水埋深影响的研究，并明确其主要影响因素。【拟解决的关键问题】本文利用年代波动性分析、突变检验分析、灰色关联分析、敏感性分析、双累积曲线法和相对贡献率等方法全方面地剖析人民胜利渠灌区1952—2013年地下水埋深及其影响因素年际变化和突变特征，进而识别地下水埋深与各影响因素间的响应特征，以期促进人民胜利渠灌区水资源的开发利用。

1 材料与方法

1.1 研究区及数据来源

人民胜利渠灌区位于河南省黄河北岸（东经113°31′—114°25′，北纬35°0′—35°30′），为典型的井渠结合引黄灌区，灌区南起黄河北至卫河，总控制面积约为1 486.84 km2，灌溉水源主要包括引黄水、降水和地下水，目前存在水资源分布不合理和地下水超采等问题[20]。灌区降水量年内分布不均，年际变化较大，多年平均降水量为578 mm，水面蒸发量为1 048 mm[21]。

本研究所用数据主要为人民胜利渠灌区1952—2013年的地下水埋深（GD）、降水量（P）、蒸发量（ET）、平均气温（T）及灌溉水量（IR），其中气候因素主要为降水量、蒸发量、平均气温（包括新乡、封丘、朱付村、官山、辉县、汲县、获嘉、合河、大宾、大车集等10 个气象站，具体分布情况如图1所示），人类活动主要因素为灌溉水量，主要包括引黄水量和地下水开采量。数据来自河南省人民胜利渠管理局和中国气象数据网（http://data.cma.cn/）。

图1 灌区及气象站点分布示意Fig.1 The topographic map of the irrigation district and meteorological stations

1.2 研究方法

1.2.1年代波动性分析

年代波动性分析主要通过经典统计学中变异系数（Cv）的大小确定灌区地下水埋深、气象因子以及灌溉水量的年代变异程度，变异系数的大小反映各指标的离散程度，其中当Cv＜10%时呈弱变异性，当10%≤Cv≤100%时呈中等变异性，当Cv＞100%时呈强变异性[22-23]。

1.2.2 Mann-Kendall 突变检验法

Mann-Kendall（M-K）突变检验法是一种对长序列数据变化进行非参数突变检验的方法，目前被广泛应用在径流、降水、气温等水文水环境要素序列的趋势或突变检验，其具有操作简单，结果精确的优点[24-25]。

通过分析UF和UB的变化可以分析序列xt的趋势变化和突变点，当UF和UB的曲线超过置信区间[-1.96，1.96]时，说明灌区各指标数据序列上升或下降的趋势比较显著；当UF和UB的曲线在置信区间的内部相交的时候，表示该点所对应的时刻是序列突变开始的时刻。

1.2.3 有序聚类突变检验法

有序聚类突变检验法[26-27]是通过寻求灌区各指标数据系列同类之间离差平方和最小而不同类间离差平方和最大的最优分割点来推求最可能显著的干扰点τ0。其原理是：设序列xt(t=1，2，···，n)的可能分割点为τ，计算式为：

则满足条件的τ，即为可能的变异点τ0。

1.2.4 Pettitt 突变检验法

Pettitt 突变检验法是一种非参数突变点检测的方法，计算简单且受异常值影响较小，广泛用于水文气象数据系列的突变分析，可用于灌区地下水埋深、降水量、蒸发量、平均气温以及灌溉水量数据系列的突变点检验，具体计算过程[28-29]如下：

给定灌区指标数据n个样本的时间序列xi，i=1，2，3， ···，n，定义统计变量Ut：

Pettitt 定义统计量Kt获取最显著的可能突变点：

利用统计量P判定突变点是否满足给定显著性水平：

当P＜0.05 时表示存在统计上的显著突变点。

1.2.5 灰色关联分析

灰色关联分析法是基于系统各因素时间序列曲线间相似相异程度来衡量其关联度大小的量化方法，通过关联度表征各因素的密切相关程度，从而识别其的主要因素[1，3，16]，灰色关联度越大说明因素之间的密切程度越高。本研究通过灰色关联度法计算降水量、蒸发量、平均气温和灌溉水量等影响因素与地下水位埋深的关联度，分析地下水埋深变化的响应特征。其主要步骤如下：

式中：ζ0i为灌区指标各比较数列在第i个时刻的灰色关联系数；Δ(min)和Δ(max)分别为灌区指标无量纲化后各比较数列与参考数列的最小和最大绝对值差；ρ为分辨系数，通常取0.5；Δ0i(k)为灌区指标无量纲化后各比较数列与参考数列在第i个时刻的绝对值差；r0i为灌区指标各比较数列第i个时刻的关联度的平均值；N为参考数列的时刻数；ζi(k)为各比较数列在第i个时刻的灰色关联系数。

1.2.6 敏感性分析

采用Wang等[30]提出的敏感性分析方法分析灌区地下水埋深（GD）和降水量、蒸发量、平均温度以及和灌溉水量之间的敏感系数，可以定量的确定对灌区地下水埋深变化敏感性较强的影响因素。具体的计算式[17，31]为：

式中：ε值为该影响因子的敏感系数；Fi为影响因素数据序列的第i个值；GDi为地下水埋深数据序列的第i个值；和分别为影响因素和地下水埋深的数据系列的多年平均值。当ε＞0 时说明地下水埋深随着影响因素的增加而增大，当ε＜0 时说明地下水埋深随着影响因素的增加而减小；敏感系数的绝对值越大，敏感性越强。

1.2.7 双累积曲线法

双累积曲线法是检验指标间关系是否具有一致性的常用方法，双累积曲线的斜率发生突变说明指标间发生了改变，斜率发生突变点所对应的年份即为指标累积关系出现突变的时间[32-33]。通过双累积曲线法计算和量化人民胜利渠灌区气象因素和人类活动对地下水埋深变化的影响情况，影响因素－地下水埋深双累积曲线法是以同一时期内的累积和累积地下水埋深分别为直角坐标系的x轴、y轴，其中每个时期的累积地下水埋深与累积影响因素存在以下线性回归关系：

1.2.8 相对贡献率

相对贡献率主要是定量地分析各影响因素对地下水埋深的贡献率，进而确定主导因子。由于各影响因素与地下水埋深的量纲、范围表现不一，需先对其进行标准化，然后运用多元线性回归法分析各影响因素对相对地下水埋深变化的相对贡献率[17，34]。方法如下：

2 结果与分析

2.1 地下水埋深变化特征

根据人民胜利渠灌区地下水埋深变化趋势（图2）可知，1952—2013年人民胜利渠灌区地下水埋深多年平均值为3.37 m，地下水埋深呈明显的增加趋势，其增加速率为0.8 m/10 a。根据3、5 a 和10 a 滑动平均曲线可知，人民胜利渠灌区地下水埋深呈明显的波动状态，即“减小-增加-减小-增加”的趋势，而在1979年左右之后地下水埋深呈较快的增加趋势。地下水埋深距平值有38 a 为负，最小距平值出现在1960年，地下水埋深距平值有24 a 为正，最大距平均值出现在2013年。

图2 地下水埋深变化趋势Fig.2 Variation trend of groundwater depth

2.2 地下水埋深及影响因素年际变化特征

人民胜利渠灌区地下水埋深及其影响因素年代变化特征如表1 所示。对于地下水埋深，各年代地下水埋深平均值呈增加趋势，1952—1959年地下水埋深平均值最小为1.99 m，2000—2013年地下水埋深平均值最大为5.96 m；地下水埋深极差和变异系数呈先减小后增大的趋势，其中1970s 的地下水埋深极差和变异系数最小分别为0.53 m 和9.11%，说明地下水埋深在1970s 呈弱变异性；其余年代地下水埋深均呈中等变异性，其中1952—1959年的变异系数最大为27.33%。对于降水量，各年代降水量平均值呈波动状态，即“减小-增加-减小”趋势，1980s 降水量平均值最小为492.87 mm，1952—1959年降水量平均值最大为634.75 mm；各年代降水量均呈等变异性，1980s降水量的极差和变异系数最小分别为262.2 mm 和17.01%，1960s 降水量的极差和变异系数最大分别为807.3 mm 和38.78%。对于蒸发量，各年代蒸发量平均值变波动较小，均处于1 000 mm 上下；各年代蒸发量均呈弱变异性，1970s 蒸发量的极差和变异系数最小分别为109.04 mm 和3.29%，1960s 蒸发量的极差和变异系数最大分别为270.28 mm 和7.39%。

表1 地下水埋深及影响因素年代变化特征Table 1 Temporal variation characteristics of groundwater depth and influencing factors

对于平均气温，各年代平均气温呈略微增加的趋势，且各年代平均气温均呈弱变异性，1970s 平均气温的极差最小为1.02 ℃，2000—2013年平均气温变异系数最小为2.43%，1960s 平均气温的极差和变异系数最大分别为1.79 ℃和3.71%。对于灌溉水量，各年代灌溉水量均呈中等变异性，1980s 灌溉水量的极差和变异系数最小分别为1.92 亿m3和17.22%，1960s 灌溉水量的极差和变异系数最大分别为5.65亿m3和55.48%。

2.3 地下水埋深及影响因素突变特征分析

灌区地下水埋深及其影响因素的变化趋势及突变点情况见图3 和表2。对于灌区地下水埋深，3 种突变检验方法得到的地下水埋深突变年份差别较大，由于M-K 突变检验的UF和UB的曲线的交叉点在置信区间之外说明地下水埋深的突变点不显著，而Pettitt 突变检验的统计量P＜0.05 说明其结果具有显著突变点，因此将1984年作为地下水埋深的明显突变年份，这可能是由于突变后地下水开采量增加使得地下水埋深增大趋势更为显著。对于降水量，M-K 突变检验、有序聚类突变检验和Pettitt 突变检验的突变年份分别为1973年和1999年、1964年和1977年、1978年，则降水量在1970s 发生突变的可能性最大，这可能是由于突变前后水汽输送和地面感热通量的变化所致，相关研究表明1970s 中国东部的西南水汽输送由强转弱[35]。灌区蒸发量发生明显突变在1972年前后，灌溉水量发生明显突变在1973年前后。对于平均气温，M-K 突变检验、有序聚类突变检验和Pettitt 突变检验的突变年份分别为1995年、1993—1996年和1994年，则平均气温在1993—1996年发生突变的可能性最大。

表2 地下水埋深及影响因素序列突变点诊断Table 2 Diagnosis of groundwater depth and sequence mutation points of influencing factors

图3 地下水埋深及影响因素突变检验Fig.3 Catastrophe test chart of groundwater depth and influencing factors

2.4 地下水埋深与影响因素间响应特征

2.4.1 灰色关联度及敏感性分析

人民胜利渠灌区地下水埋深与各影响因素间的灰色关联度变化趋势如图4 所示。地下水埋深与降水量、蒸发量、平均气温和灌溉水量间的灰色关联度呈波动状态，而地下水埋深与降水量和灌溉水量间的灰色关联度整体上呈减小趋势，地下水埋深与降水量和灌溉水量之间的密切程度在降低；地下水埋深与蒸发量和平均气温间的灰色关联度整体上呈略微的增加趋势，可见地下水埋深与蒸发量和平均气温之间的密切程度在增加。从年际尺度来看，在1980s 地下水埋深与降水量、平均气温和灌溉水量间的灰色关联度最大分别为0.835 9、0.735 4 和0.795 4，在1970s 地下水埋深与蒸发量间的灰色关联度最大为0.744 9；在2000—2013年地下水埋深与降水量和灌溉水量间的灰色关联度最小分别为0.560 9 和0.501 3，在1960s地下水埋深与蒸发量间的灰色关联度最小为0.462 4，在1990s 地下水埋深与平均气温间的灰色关联度最小为0.669 6。

图4 各影响因素灰色关联度变化趋势Fig.4 Variation trend of grey correlation degree of each influencing factor

人民胜利渠灌区地下水埋深与各影响因素间整体的灰色关联度和敏感系数如表3 所示。1952—2013年地下水埋深与降水量、蒸发量、平均气温和灌溉水量间的色关联度分别为0.690 7、0.599 4、0.698 1 和0.667 9，说明这4 个因素对地下水埋深的影响程度大小为平均气温＞降水量＞灌溉水量＞蒸发量，即平均气温对灌区地下水埋深的影响最大，而蒸发量对灌区地下水埋深的影响最小。另外，地下水埋深与降水量、蒸发量、平均气温和灌溉水量间的敏感系数分别为-0.377 5、1.003、7.716 4 和-0.153 5，说明灌区地下水埋深随降水量和灌溉水量的增加而减小，而随着蒸发量和平均气温的增加而增大；根据敏感系数的绝对值可知，灌区地下水埋深与各影响因素的敏感程度为平均气温＞蒸发量＞降水量＞灌溉水量，说明人民胜利渠灌区地下水埋深对平均气温的敏感性最高而对灌溉水量的敏感性最低。

表3 灰色关联度和敏感系数计算结果Table 3 Calculation results of grey correlation degree and sensitivity coefficient

2.4.2 相对贡献率分析

人民胜利渠灌区地下水埋深变化受到气象因素和人类活动的共同影响，人民胜利渠灌区地下水埋深-影响因素的累积变化趋势如图5 所示，气候变化和人类活动对地下水埋深变化的贡献率如表4 所示。由图5 可知，人民胜利渠灌区地下水埋深-影响因素累积数据系列在1963年和2002年前后发生突变，将地下水埋深及其影响因素数据序列划分为1952—1963年、1964—2001年和2002—2013年3 个阶段，且灌区累积地下水埋深变化和各累积影响因素的线性拟合度较高，R2均达到了0.94 以上。

图5 地下水埋深与影响因素的双累积曲线Fig.5 Double cumulative curve of groundwater depth and influencing factors

由表4 可知，1952—1963年蒸发量对地下水埋深的贡献最大为37.73%，其次是灌溉水量为32.25%，平均气温对地下水埋深的贡献最小仅为1.22%；1964—2001年平均气温对地下水埋深的贡献最大为54.09%，其次是蒸发量为23.79%，灌溉水量对地下水埋深的贡献最小为8.33%；2002—2013年灌溉水量对地下水埋深的贡献最大为 47.05%，其次是平均气温为33.72%，降水量对地下水埋深的贡献最小为8.90%。总体上，1952—2013年各影响因素对地下水埋深的贡献大小呈现平均气温＞蒸发量＞灌溉水量＞降水量，其中平均气温的贡献率最大为38.16%，降水量的贡献率最小为17.40%。

表4 气候变化和人类活动对地下水埋深变化的贡献率Table 4 Contribution rate of climate change and human activities to groundwater depth change %

3 讨 论

灌区地下水埋深变化受到气候条件、水文条件、地质条件和人类活动等多方面因素的影响，其在各灌区对地下水埋深响应不同，降水量和灌溉水量作为补充地下水主要来源，其与地下水埋深负相关；平均气温和蒸发量作为水量消耗的主要因素，其与地下水埋深呈正相关关系。相关研究表明蒸发量和灌水量分别对内蒙古河套灌区解放闸域和玛纳斯河中游莫索湾灌区地下水埋深影响最大[35-36]，降水量和蒸发量对邢家渡灌区地下水动态变化的影响程度较大[37]，本研究根据灰色关联度分析，平均气温对人民胜利渠灌区的影响程度最大，而蒸发量对灌区地下水埋深的影响最小。

敏感性性分析实际上为灌区地下水埋深与各影响因子间的相关性特征，叶尔羌河流域莎车灌区、麦盖提灌区和巴楚灌区地下水埋深分别对蒸发量、蒸发量和地表水灌溉用水量变化的敏感性最高[17]。而本研究表明，人民胜利灌区的平均气温和蒸发量对地下水埋深的敏感性大于1 且为正，说明灌区地下水埋深变化受到平均气温和蒸发量变化的敏感程度较强；降水量和灌溉水量对地下水埋深的敏感性小于1 且为负，说明灌区地下水埋深变化受到降水量和灌溉水量变化的敏感程度较弱。

通过计算不同时间阶段各影响因素对人民胜利渠灌区地下水埋深的贡献率，发现在1952—1963年蒸发量对地下水埋深的贡献率最大，这与1952—1959年和 1960s 时段灌区平均蒸发量较大有关；在1964—2001年平均气温对地下水埋深的贡献率最大，说明平均气温是此时间段影响灌区地下水埋深变化的主导因素；在2002—2013年灌溉水量对地下水埋深的贡献率最大，说明此时段灌溉水量为影响灌区地下水埋深变化的主导因素，在一定程度上缓解了地下水埋深的增加；随着时间的迁移影响灌区地下水埋深变化从以气象因素为主导作用转变成了以人类活动为主导作用。

总体来说，人民胜利渠灌区处于暖温带大陆性季风气候区，年平均降水量相对较小，年平均蒸发量相对较大，地下水减少主要受蒸发的影响，增加主要受灌溉入渗和降水补给，其中引黄水量是灌区重要的水资源来源。地下水埋深增加会引起灌区各种生态环境问题，因此加强气候变化和人类活动对灌区地下水埋深影响的研究，剖析影响灌区地下水埋深的主导因素，为更好地保护灌区地下水、合理利用灌区地下水资源提供可靠依据，以保障灌区地下水资源可持续利用和绿色高效的发展。

4 结 论

1）人民胜利渠灌区地下水埋深呈明显的增加趋势，其增加速率为 0.8 m/10 a；地下水埋深在1952—1959年的变异系数最大为27.33%，为中等变异性；降水量、蒸发量、平均气温和灌溉水量在1960s的变异系数最大分别为38.78%、7.39%、3.71%和55.48%，其中降水量和灌溉水量为中等变异性，蒸发量和平均气温为弱变异性。

2）地下水埋深、降水量、蒸发量、平均气温和灌溉水量的突变年份分别发生在1984年、1970s、1972年前后、1973年前后以及1993—1996年；各影响因素对地下水埋深的影响程度大小为平均气温＞降水量＞灌溉水量＞蒸发量，敏感程度为平均气温＞蒸发量＞降水量＞灌溉水量。

3）1952—1963年蒸发量的贡献最大，1964—2001年平均气温的贡献最大，2002—2013年灌溉水量的贡献最大；总体上各影响因素对地下水埋深的贡献大小呈现平均气温＞蒸发量＞灌溉水量＞降水量，其中平均气温的贡献率最大为38.16%，降水量的贡献率最小为17.40%。