变化环境下玛纳斯河流域绿洲区地下水位变化特征及影响因素分析

2022-04-20王淑虹王吉伟李小龙乔长录武亚阁王文赞

人民珠江 2022年4期

王淑虹，王吉伟，杨广，李小龙，乔长录，刘兵，武亚阁，王文赞

(1.新疆兵团勘测设计院(集团)有限责任公司，新疆石河子 832000；2.第八师石河子市水文水资源管理中心，新疆石河子 832000；3.石河子大学水利建筑工程学院，新疆石河子 832000；4.现代节水灌溉兵团重点实验室，新疆石河子 832000)

地下水作为水文系统中重要储存成分，与河流、湖泊、土壤、雪、冰和植物中的其他陆地水成分相互作用[1-2]，对于维持干旱区陆生生态系统具有重要作用。水文年的地下水位、地下水开采量和降雨时间序列数据可以确定地下水开采模式，地下水位的变化对降雨入渗和地下水位开采表现出一定的滞后效应[3-4]。土壤渗透性、土地利用条件、地形、降水量和融雪时间等多种因素对地下水补给量的影响使其在时间和空间上表现出不同程度波动[5]。水田面积的减少导致地下水补给量的减少，进而影响地下水位的变化[6]。同时，地下水开采也会改变地下水位降落漏斗核心区的地下水流路径和地表土壤含水量，并且减小含水层的地下水年龄[7]。开采量增加与补给的减少导致地下水位下降[8]。为灌溉而过度开采地下水是导致研究区地下水位下降的主要原因[9]。地下水位过度下降至临界水位之下，会产生一系列不利影响[10-11]。

地形、土壤特征和植被覆盖情况确定的补给和排泄区可以表征地下水流动系统的有效性[12]。人类活动对研究区地下水成分的影响主要包括过度开采、畜牧业和农业，这些活动可能改变地下水的补给和排泄条件，导致地下水水位发生变化，对地下水系统产生复杂的影响[13]。Jiang X等[14]建立了水流系统，并分析与地下水年龄的关系，指出流域下游地下水在浅循环深度的局部水系中是年轻的，在深循环深度的区域流动系统中是老的。地下水开采会引起强烈的向下水力梯度，导致浅层高TDS等高浓度地下水向深部半细粒含水层渗漏补给[15]，引起水质变差。玛纳斯河流域位于干旱半干旱地区，水资源的分配是决定该地区土地、农业和经济发展的关键因素，其中地下水是衡量区域生态与环境状况和质量的重要指标[16]。地下水过量开采造成地下水位不断下降可能对陆生生态系统产生破坏性影响[9]。因此，研究地下水位变化规律及影响因素是非常必要的，不但可以为地下水的合理开采提供合理化建议，还可以缓解地下水位的不断下降带来的一系列生态问题。

综上，为了分析变化环境下区域地下水开采影响下流域地下水变化规律分析，阐明流域地下水位变化的影响因子，本文采用衬度系数方差分析和ArcGIS空间插值分析的方法研究玛纳斯河流域地下水位的动态变化规律，运用因子分析和线性回归分析的方法分析地下水位变化的影响因素，为区域地下水可持续利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

玛纳斯河流域位于84°55′～86°59′E， 43°4′～45°20′N，地处亚欧大陆腹地(图1)，独特的山盆系统决定了其水文过程的特殊性：发源于山区，在绿洲区利用与运转，耗散于荒漠。该流域由源于山地的一系列间隙性小河组成，大致沿SSE—NNW方向流经山前绿洲。主要有4个灌区：金安、石河子、下野地、莫索湾。流域属于典型的温带大陆性气候，干旱指数在4.0～10.0，年平均降水量115～200 mm，年均蒸发量1 500～2 100 mm，年均气温11.1～13.6℃。流域地势由东南向西北倾斜，平均海拔400 m，高海拔地区终年积雪覆盖是径流主要补给源[20]。地下水水位由南向北逐渐下降，其分布大体上与地表的地貌地形相适应，且人口密集的石河子市、玛纳斯县等，地下水开采量大、较为集中。流域自然生态环境脆弱，地表水是地下水的主要补给源，地表水与地下水转换频繁[21-23]。

1.2 水文地质条件

玛纳斯河流域属典型的高山-平原-沙漠地形地貌体系，地下水位由南向北也有所下降，绿洲平原区在含水层划分上分为多层承压水和弱承压潜水。研究区主要为平原区，在含水层划分上分为多层承压水和弱承压潜水。多层承压含水层根据其水文地质特性(图2)，主要划分为:①上更新统承压水含水岩组，形成时间最近，埋藏最浅，此含水层组成物质的主要为细砂，有一定透水性；②中更新统承压水含水岩组，位于浅层承压含水层岩组之下，南部有颗粒较大的中粗砂沉积，上层为细沙，北部砂颗粒更细，在分层以及厚度上，北部更加均匀性，该层富水性较好；③下更新统中层含水岩组，位于中承压含水层岩组之下。该层岩组主要由古湖泊细沙沉积而成。细沙层在东南较多，西北较少，两地间细砂层逐渐变薄消失，各层总厚度减小。该层承压水水头较高，能够自流，从孔井涌水量看，此层富水性中等。

图1 玛纳斯河流域地理位置

图2 研究区水文地质剖面

潜水含水岩组与地表最接近，由于黏性土夹杂粉细砂层在表层不连续分布，使得水平上厚度变化较大，该层的富水性、矿化度方面各地区差别也较大，且在黏土较厚地区有微弱的承压性。平原区各地潜水的埋深较小，水头差小，水力坡度小，含水层渗透性较小，使得水交替微弱。由于农业灌溉和较大蒸发，潜水矿化度较高。这些水文地质特征，使潜水在利用上难度增大，也使得土壤盐碱化加大。潜水厚度差别较大，在灌区较厚，埋深较浅，一般在3～7 m，非灌区埋深较深，一般在9～14 m，潜水底板距地表一般在11～23 m。

1.3 数据来源

收集了2012—2019年玛纳斯河流域4个灌区(图3)地下水位监测数据的地下水相关资料，土地利用类遥感影像数据，耕地面积统计数据，玛纳斯河流域水资源利用量、地下水使用量和地表水使用量数据。

图3 研究区灌区分布

地下水位数据来源于玛纳斯河流域31眼地下水常观井水位观测资料，观测井位置见图1，主要包括观测孔经纬度、地表标高、水位标高、地下水埋深等；土地利用数据来源于中国科学院资源与环境科学数据中心(http://www.resdc.cn)；水资源利用数据来源于《玛纳斯河流域规划水文地质勘探报告》《新疆维吾尔自治区石河子市地下水资源开发利用规划报告》《新疆水资源公报》[24-29]。

1.4 研究方法

通过对研究区2012—2019年地下水水位标高数据整理分析，应用空间差值和衬度系数方差法分析研究区地下水位空间分布及变幅特征；结合土地利用遥感解译及用水量分析，从自然因素和人为因素2个角度出发，采用因子分析和多元线性回归分析研究地下水位主要影响因素。

1.4.1衬度系数方差分析

衬度系数是一种评判变量波动性的评判指标，反映样本值与样本均值的比较，其值可以反映出每个样本值异常程度，衬度系数方差分析需先求每个变量的衬度系数值[30]。

离散型变量方差计算公式：

(1)

(2)

1.4.2因子分析与多元线性回归分析

因子分析模块提取公因子主要运用主成分方法；回归分析模块主要是运用多元线性回归分析，用特定的线性回归模型来拟合因变量与自变量的数据，通过确定模型参数来得到回归方程[31]。

数学模型：

Y=β0+β1X1+β2X2+…+βpXp+ε

(3)

回归方程：

E(y)=β0+β1X1+β2X2+…+βpXp

(4)

式中Y——线性回归模型假设回归因子；β0、β1、β2…βp——参数；X1、X2…Xp——回归量；ε——误差项。

2 结果与分析

2.1 地下水位动态变化分析

2.1.1地下水水位年际变化

选取研究区31眼观测井对研究区地下水位的变化规律进行分析，见图4。31眼观测井记录了2012—2019年的地下水数据，包括有孔口标高、地面标高、水位标高、水位埋深、温度、气压值、数据采集时间等研究分析所需要的数据，研究区域年际水位采用整个区域所有观测井的年均水位再平均得到的。研究区地下水位变化分为3个阶段：先下降后上升然后再逐年波动下降，下降趋势逐渐变缓。①下野地灌区2012—2015年地下水位处于波动下降趋势，2015—2016年水位回升，2016—2019年水位又开始下降，下降趋势变缓；②莫索湾灌区2012—2013年地下水水位逐年下降，2013—2014年上升，2014—2019年水位逐年小幅下降并趋于稳定；③金安灌区2012—2015年地下水水位波动下降，2015—2016年水位回升，2016—2019年逐渐下降，下降趋势越来越缓；④石河子灌区2012—2015年地下水水位逐渐下降，2015—2018年水位上升，2018—2019年水位有所下降。

图4 2012—2019年玛纳斯河流域地下水位年际变化规律

2.1.2地下水水位年内变化

研究区水位年内变化分3个阶段：波动上升期、逐渐下降期、水位回升期。各灌区地下水位年内变化特征为：①下野地灌区1—4月水位波动上升，4—8月水位逐月下降，8—12月水位回升；②金安灌区1—3月水位上升，3—8月水位逐渐下降，8—12月水位逐月回升；③莫索湾灌区1—4月水位波动上升，4—9月水位逐渐下降，9—12月水位回升；④石河子灌区除个别井外，1—3月水位平稳上升，3—7月逐渐下降，7—12月逐月回升，个别井1—4月处于波动状态，4—7月逐渐下降，7—12月逐月回升。研究区在4—9月为农业灌溉期，地下水位由于农业灌溉对地下水的开采开始下降；10月至次年3月为研究区非灌溉期，地下水位开始逐渐回升，见图5。

图5 2012—2019年玛纳斯河流域地下水位年内变化规律

图6 地下水位衬度系数方差空间分布

2.1.3衬度系数方差

运用衬度系数方差公式对玛纳斯河流域31眼观测井进行统计分析，见表1，由于数值比较小，为便于对比分析，将地下水水位衬度系数方差值扩大105倍。从表1可以看出，研究区4个灌区30眼观测井地下水位衬度系数方差为0.01～44.97。下野地灌区为0.05～18.77，金安灌区为0.16～9.02，莫索湾灌区为0.01～44.97，石河子灌区为0.04～26.68。地下水水位波动幅度最小的灌区是金安，波动幅度最大的是莫索湾。对地下水水位衬度系数方差值进行ArcGIS插值处理，见图6。研究区地下水位波动呈明显的空间分异特征，形成3个较大和好几个较小的地下水位波动变化区域；大变化区中心为石河子、莫索湾和下野地，变化区中心最大衬度系数方差分别为26.68、44.97和18.77，东部和西北部地下水位波动幅度明显大于西南部地区。

表1 地下水位衬度系数方差

2.2 地下水水位动态变化影响因素分析

2.2.1土地利用类型与水资源利用量变化

2012—2019年，耕地面积增长了6.63%；林地面积减少了10.18%；草地面积减少了5.64%；水域面积减少了8.51%；城乡、居民、工矿用地面积增加了16.74%；未利用土地面积未利用土地面积减少了0.67%，见图7。

图7 土地类型面积变化

流域地表水使用量在2012—2014年不断下降，2014—2016年处于波动下降状态，2016年以后地表水使用量有所上升并趋于稳定。地下水使用量2012—2013年6月呈上升趋势，2013年6月至2017年处于波动下降的趋势，2017年至今，地下水使用量有微小波动并处于稳定。水资源总利用量2012—2013年变化量不大，2013—2017年处于波动下降状态，2017年至今，水资源量开始上升最后趋于稳定，见图8。

图8 研究区水资源使用量变化特征

2.2.2因子分析与线性回归分析

根据玛纳斯河流域水文地质条件和干旱区特有的用水特点，选取年降雨量X1、年蒸发量X22个气候因子，耕地面积X3、水资源利用量X4、地下水使用量X5、地表水使用量X64个人类活动因子，共6个影响因子定量化验证分析玛纳斯河流域平原区地下水水位动态变化的影响因素。采用SPSS25软件的相关分析工具计算玛纳斯河流域平原区地下水水位Y及各影响因子间相关系数，见图9。

图9 地下水位与各影响因素间相关系数

玛纳斯河流域平原区地下水位与耕地面积、水资源利用量和地下水使用量呈显著负相关关系，相关系数分别为-0.79、-0.65、-0.68，地下水水位与水资源利用量和地下水使用量相关性显著，这说明水资源的利用量和地下水使用量增加导致地下水水位下降；耕地面积与水资源利用量相关性显著，相关系数为0.85，这说明耕地面积的增加使得水资源利用量增加。通过SPSS25软件的主成分分析方法提取成分，将多个影响因子通过线性变换浓缩为少数几个主成分指标，重新整合为一组不相关的新的综合指标代替原来的影响因子以降低数据重叠性，见表2。

表2 主成分特征值和贡献率

前3个主成分的特征值均大于1，且累计贡献率已经达到92.538%，说明已经包含原有6个驱动因子的大部分信息，故此提取这3个主成分并计算其特征值对应的特征向量(表3)。

表3 主成分特征值荷载矩阵

可以看出主成分Z1中耕地面积、水资源利用量、地下水使用量、地表水使用量等人为因子的系数较大，即可将Z1、Z3看作人为因子；同理，可将Z2看作自然因子，见式(5)。

Y=313.874-0.378Z1+0.340Z2+0.781Z3

(5)

经计算，式(5)回归方程的相关系数R为0.952，确定系数R2为0.907，F检验值为12.978，显著性概率P=0.016<0.05，说明式(5)的回归效果好。同时对式(5)的系数进行t检验，结果显示Z1的显著性P=0.033<0.05，Z3的显著性P=0.022<0.05，这说明人为因子对地下水水位具有显著影响；Z2的显著性P=0.023<0.05，这说明气候因子对地下水水位有一定影响。但由上述因子相关性分析知，相关性并不显著。根据回归分析原理可剔除对地下水水位影响较小的自然因子，得到最终回归方程为：

Y=313.874-0.378Z1+0.781Z3

(6)

综上，人为活动是影响玛纳斯河流域地下水水位变化的主要因素，其中耕地面积、水资源利用量、地下水使用量对地下水水位的影响较大。

2.3 讨论

2.3.1地下水位变化

陈伏龙等[33]通过对玛纳斯河流域地下水埋深进行分析得出，1998—2010年流域地下水埋深持续下降，年变化先有增有减，然后逐渐增大，这与本研究的结果不同。造成这种差异的主要原因是近年来该研究区大面积实施的节水灌溉措施，对水资源的严格控制和高效的节水措施减少了水资源的使用，减少了不必要的浪费，进而使了地下水的开采有下降的趋势。随着节水灌溉措施和水资源“三条红线”的实施，地下水位有所回升，最后趋于平稳。即使对于地下水的开采量相较于以往有所下降，但由于基本每年的地下水处于超采的情况，地下水的补给不及消耗，地下水位也是呈持续下降的趋势，见图10。

图10 1998—2019年玛纳斯河流域地下水开采量与埋深变化

2.3.2灌溉用水对地下水位的影响

Mustafa S等[9,15,35]发现抽取地下水进行灌溉所用水量的增加是地下水位下降的主要原因，这与本研究的结果一致。1998—2010年，玛纳斯河流域灌溉用水量是影响地下水埋深的主要因素。随着玛纳斯河流域灌溉面积的增加，加大了对水的使用，该地区水资源有限，地表水不足以满足该地区的经济发展，地下水成为重要的使用水资源之一。

2.3.3蒸发对地下水位的影响

研究区大陆性干旱气候使得蒸发作用对地下水位埋深小的区域的影响较大。由于炎热干燥的气候条件，使得水的蒸发量加剧，土壤相对干燥，使得无论灌溉还是降水，地下水得不到充分的入渗补给，加上一直以来对地下水的过度开采，使得地下水位持续下降。蒸发对地下水埋深的影响仅次于灌水量和抽水量[33-34]。潜水蒸发是地下水位变化的一个重要因素。当埋深大于6 m时，潜水蒸发值为0。