黄河流域城镇化对地下水的影响分析

管晓丹 沈晓涵 李梦雅 黄建平 魏志敏 马艳莉

摘要  黄河流域是我国重要的生态屏障，也是我国粮食作物的主要产区。近年来，随着城镇化的发展，当地水资源分配出现了显著变化。因此，厘清黄河流域城镇化作用下水循环的改变对制定黄河流域城镇化政策具有重要意义。本文利用资源环境科学与数据中心的黄河流域下垫面数据、世界人口数据集的人口密度和Gravity Recovery and Climate Experiment （Grace）的Center for Space Research （CSR）陆地总水储量格点数据，开展了黄河流域城镇化过程中地下水的变化特征分析工作。结果表明：黄河流域城镇化程度具有显著的空间差异，下游存在明显的城镇化加剧现象;全域人口密度整体呈上升趋势，其中下游的人口增长趋势最大;黄河流域的地下水呈下降趋势，以下游的地下水下降最为显著。通过对比黄河流域新增城镇、不变城镇和消失城镇的地下水变化差异，发现地下水下降幅度最小出现在消失城镇，新增城镇的地下水下降幅度小于不变城镇的区域。因此，黄河流域城镇化对地下水的减少具有显著的作用，新增城镇地下水并没有出现显著下降的结果也说明近年来城镇化后的地下水保护政策取得的效果良好。

关键词  黄河流域; 城镇化; 人口密度; 地下水

黄河流域是我国当前西部大开发的重要地区之一，流经青、川、甘、宁、蒙、陕、晋、豫、鲁九省，其流域大部分属于水资源短缺的半干旱和半湿润区（刘昌明，2004），以全国约2％的水资源量支撑了全国约15％的耕地以及12％的人口供水（黄建平等，2020;王国庆等，2020;叶培龙等，2020）。1961—2016年黄河流域无论是实测径流还是天然径流，都存在明显的下降趋势（马柱国等，2020），人类对水资源的需求已经远超流域水资源的承载力，造成地表水的过度利用和地下水的过度开采，人类用水已经显著改变了流域的水循环及水资源格局（张建云等，2013），黄河河川径流量呈现减少趋势、花园口近几年略有回升，但未来变动不明朗（贾绍凤和梁媛，2020）。

黄河流域作为我国的重要粮食产地，人口密度达到159人／km 2。随着经济的快速发展，黄河流域地区呈现出显著的城镇化现象。城镇化是指农村人口不断向城镇转移，第二、三产业不断向城镇集聚，从而使城镇数量增加，城镇人口、经济、建设用地、社会消费等规模不断扩大的过程，一般包括人口城镇化、经济城镇化、空间城镇化和社会城镇化等过程（Bao and Fang，2008）。其中，人口城镇化是其最基本和最核心的内涵（鲍超，2014），是人口向城镇集中并由此推动城镇发展的过程，这一过程伴随着国家的经济结构、社会结构和生产方式、生活方式的重大转变（陆大道和陈明星，2015）。同时也是一个国家（地区）实现工业化和现代化的必由之路（Guo et al.，2015）。因此，政府积极推进城镇化发展（国务院发展研究中心和世界银行联合课题组，2014），并为城镇化良性发展做好保驾护航（Guo et al.，2015;Bai et al.，2017）。城镇化也存在多种表现形式，在“多村一社区”模式建设的城镇化创新性实验中，“大村庄制”农村社区提出了使原本居住分散的村民实现集中居住（尹雷和王思贤，2020）的新形式。

党的十八大后，中央统筹谋划新型城镇化发展战略，明确提出新型城镇化发展要以人为核心。党的十九届五中全会再次指出“推进以人为核心的新型城镇化”的发展政策（方世南，2021）。人作为城镇化的核心，在城镇化推进过程中对我国经济社会发展起到了重要作用。相较于受经济增长方式影响的传统意义城镇化，新型城镇化更加注重城市规模的扩张（史玉丰，2019）。根据城镇化特征，在城镇化过程中农村地区的农民开始逐渐向城镇聚集，造成人口数量增加，人口数量的变化进一步改变城镇化地区的人类活动情况，人类活动一定程度反映了城镇化的程度。

城镇化的过程中，必然会影响局地水循环的改变。城镇化主要通过改变地下水的补给进而影响地下水，城镇地表水泥化减少了地下水的降雨入渗补给（Kim et al.，2001）。以坦桑尼亚的阿鲁沙为例，从2015年到2050年，阿鲁沙将迅速增长到2015年城市规模的179％。由于不透水地表面积的增加，地下水补给量将减少23％，建模地下水盆地（包括阿鲁沙西部和西南部城市的大部分地区以及周边地区）的地下水位预计最多将下降55 m（Olarinoye et al.，2020）。对于典型干旱半干旱地区的黄河流域，如何在城镇化过程中解决增长的水资源需求和地下水下降情况，是黄河流域城镇化持续发展必须要解决的问题。但同时我们需要认识到黄河流域未出现用水量激增或用水结构失调现象（刁艺璇等，2020），说明在黄河流域开展城镇化是可行的。因此，研究黄河流域城镇化的变化特征，厘清黄河流域城镇化带来的水资源变化，可以为黄河流域水资源的开发利用管理提供重要的理论依据，符合黄河流域生态保护与高质量发展的国家战略，有助于黄河流域亟待通过新旧动能转换、产业结构调整与转型升级、新兴产业培育来转变发展方式，加快推动工业化、城镇化与生态环境协调发展的实现（赵建吉等，2020）。

1 研究区域介绍、数据和方法

1 1 黄河流域介绍

黄河流域上、中、下游的划分，既是地形、地貌、水文等自然因素决定的，也是科学保护治理的需要。河口以上称为黄河上游，河口至河南郑州桃花峪区域称为黄河中游，黄河干流自桃花峪至渤海湾称为黄河下游。由于上游的源区具有特殊的地理位置、海拔高度等独特特性，导致该地区的环境特征独特，文中把位于青藏高原上的区域单独划分出来作为源区（图1）。

1 2 数据和方法

下垫面数据为中国多时期土地利用遥感监測数据集（徐新良等，2018）来自资源环境科学数据注册与出版系统，本文使用的是2000—2020年的年数据，空间分辨率为1 km×1 km。该数据集是基于美国陆地卫星Landsat TM影像，通过人工目视解译生成，土地利用类型包括耕地、林地、草地、水域、居民地和未利用土地6个一级类型以及25个二级类型。人口密度数据来自世界人口数据集（WorldPop and CIESIN，2018），使用的是2000—2020年的年数据，空间分辨率为1 km×1 km。

地下水数据采用Gravity Recovery and Climate Experiment （Grace）中Center for Space Research （CSR）数据（Save et al.，2016）中陆地总水储量距平月数据（2004—2009年平均）代替地下水的变化，空间分辨率为0 25°×0 25°，时间范围为2004年1月—2017年6月。陆地总水储量由地表雪、土壤中的蓄水变化，以及地下水（以及在较小程度上的地表水）组成，当土壤和雪中水储量变化已知时，GRACE重力测量可用于量化地下水储量变化（Chen，2014）。由于黄河流域大部分处于干旱半干旱地区，土壤水分变化相对较小，且雪覆盖较少，并有研究指出黄河流域陆地总水储量变化值与地下水储量变化值显著相关（r=0 72，p<0 01）（鲁晓娟等，2022）。因此，利用黄河流域陆地总水储量的变化代表地下水的变化开展分析。

本文采用一元线性回归计算人口密度和地下水的变化趋势，利用检验统计 量t分布，得到了一个假设检验的双侧p值，p值小于0 05大于0 01标记*，表示通过了置信度为95％的显著性检验，p值小于0 01标记 * * ，表示通过 置信度为99％的显著性检验。在文中定义地下水极差是计算地下水时间范围内的最大值减去最小值，是地下水在时间范围内变动的最大范围，量化地下水的下降幅度。

2  黄河流域城镇化、人口密度分布与趋势分析

2 1 黄河流域人口密度的分布和趋势

黄河流域全域2000—2020年人口密度的平均分布（图2）表明，黄河流域源区、上游、中游和下游人口密度区域平均值分别为25 49人·km  -2 ，103 30人·km  -2 ，220 10人·km  -2 和615 06 人·km   -2 （表1），空间分布呈现人口密度自源区、上游、中游、下游逐渐增大的特征。从2000—2020年，黄河流域源区、上游、中游和下游的人口密度趋势分别为0 26人·km  -2 ·a  -1 ，1 11人·km  -2 ·a  -1 ，1 12人·km  -2 ·a  -1 和2 07人·km  -2 ·a  -1 （表1， 图3 ），虽然黄河流域存在人口减少的区域，但黄河流域整体人口密度呈现增长趋势，且下游的人口增长趋势最为显著。

2 2 黄河流域城镇分布变化

人口密度一定程度上可以体现黄河流域城镇化，但更为直观的数据是城镇下垫面的占比变化。图4为黄河流域源区、上游、中游和下游2000年和2020年下垫面的对比，内圈为2000年的下垫面，外圈为2020年的下垫面，并给出2020年下垫面占比较多的前7种类型（占比小于3 8％的百分比数字不显示）。对比发现黄河流域源区、上游和中游草地和旱地的面积占比较大，合计占比超50％，城镇居民点的占比均小于3 8％，城镇化程度较低。黄河流域下游旱地的占比最大，达60％;2020年城镇用地的占比较2000年有明显增加，占比达3 87％，其余下垫面的变化较小。综上在2000—2020年黄河流域的四个区域内，黄河下游的城镇化的程度最大，且在2000—2020年間关于城镇化的变化最为明显，与下游的人口密度分布和增率最大相对应。

基于2000、2005、2010、2015、2020年的下垫面数据，把下垫面城镇数据分为消失，新增，不变城镇三种细类型，消失城镇定义为2000年下垫面是城镇，2005年下垫面不是城镇的格点;新增城镇定义为2000年下垫面不是城镇，2005年或2010年下垫面是城镇的格点;不变城镇定义为2000年至2020年下垫面城镇均是城镇的格点（其他情况的格点数目较少，不列入讨论）。再划分为三种格点细类型之后，统计三种城镇格点数据在地下水数据格点周围的数量，并计算它们分别占三种城镇细格点的百分比（图5），进一步根据地下水数据周围最高占比的城镇格点类型定义为该点地下水的城镇类型（图6）。根据图5我们发现三种城镇格点集中的范围不一致，消失城镇集中在上游和中游上半区域，新增城镇分布比较均匀，不变城镇集中在中下游区域，这与人口密度从源区向下游逐渐增加结果一致。

为了进一步对比黄河流域城镇格点数量变化的差异，计算了源区、上游、中游和下游地区新增城镇、不变城镇和消失城镇的数量对比（图6），发现中游的数量大于上游大于源区和下游;源区内的新增城镇的高数量一定程度上表示了2000—2020年间黄河源的人类活动有了很大的提高。除了源区外，其余三个区域内的不变城镇的数量最多，且新增城镇的数量要多于消失城镇，说明黄河流域在2000—2020年整体上是在推进城镇化进程的。下游城镇数量少是基于下游本身所占面积的，其城镇化的程度本身还是很高的（图4）。

3  黄河流域城镇化过程地下水变化差异

为了了解黄河流域城镇化对地下水的影响，计算了黄河流域基于2002—2017年的地下水趋势（图7）。图中黄河流域除源区外，上游、中游和下游的地下水距平呈下降趋势，且黄河流域下游的地下水距平下降最明显。这一结果与人口密度和城镇化的结果相匹配，人口密度大的区域城镇化程度高，地下水下降快。

为更进一步了解黄河流域城镇化与地下水关系，根据图5、图6的划分，将消失、新增、不变城镇类型的地下水变化特征进行对比（图8），发现消失城镇地下水距平比新增和不变城镇大;随着时间的推移，消失城镇的地下水距平与新增城镇和不变城镇逐渐拉开差距，说明地下水距平在下降的同时，消失城镇区域内的地下水距平相较不变和消失的区域有了一定的恢复情况。同时，发现消失城镇和新增城镇的差值小于消失和不变城镇地下水距平的差值，表明新增城镇的地下水距平高于不变城镇地下水距平，说明非城镇在转为城镇区域过程中，地下水距平在一段时间内不会表现出类似不变城镇地下水距平强烈的下降。

在了解黄河流域全域的消失城镇和新增城镇地下水变化的基础上，进一步探讨了黄河流域消失城镇和新增城镇对应的原下垫面（图9）。该图表明黄河流域内城镇化消失和新兴城镇化多发生在旱地下垫面，消失前下垫面旱地占比为57 14％，新增前下垫面旱地占比为59 09％。黄河流域消失城镇、新增城镇（原下垫面是旱地的格点）、不变城镇和旱地的2004—2018年地下水极差表明在全域、源区、上游和中游的不变城镇的地下水下降最大（图10），分别为28 4 cm、8 9 cm、11 4 cm和30 7 cm，大部分通过显著性检验的区域（全域，上游，中游）内也是不变城镇的地下水下降趋势最大（表2），说明城镇化导致了地下水的下降显著。消失城镇的地下水在黄河流域全域及各个分区内下降幅度（图10）均最小，这与前文图8的结论相一致。同时注意到新增城镇的地下水下降幅度（图10）和下降趋势（表2）与旱地差距不大，很大原因与城镇化过程中，科学的地下水保护政策有密切关系，城镇化后地下水没有发生明显的改变。

4 结论与讨论

利用资源环境科学与数据中心的黄河流域下垫面数据、 世界人口数据集的人口密度和Grace的CSR陆地总水储量的格点数据，探究黄河流域城镇化过程中人口密度和地下水的变化。得到以下结论：

1）黄河流域人口密度逐年增长，增长趋势和人口密度最大的区域主要分布在黄河流域下游。黄河流域地下水逐年减少，且下降趋势最明显的格点也大多分布在黄河流域下游。通过对比2000年和2020年的下垫面情况，黄河流域下游的城镇化程度显著。

2）将黄河流域城镇化分为三种变化类型：新增城镇、消失城镇和不变城镇。 根据对比三种城镇化类型的地下水变化特征，发现不变城镇的地下水下降幅度最大，消失城镇地下水的下降幅度最小，说明城镇化消失后会改善地下水的下降趋势。消失城镇和新增城镇转化前最多的下垫面是旱地，旱地转 化为 新增城镇后地下水无明显的下降趋势，一定程度上说明了近期城镇化更加注重对于生态环境的保护。

受限于地下水的时间长度和精度的限制，不能捕捉更长时间信号内的城镇化导致的地下水变化特征。此外，地下水变化同时受到多种因素影响，城镇化只是人类活动的一种表现方法，后续可能采用更加全面的人类活动数据和自然气候因子开展黄河流域的地下水的变化机制研究。

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Characteristics of urbanization in the Yellow River Basin

GUAN Xiaodan  1，2 ，SHEN Xiaohan 1，LI Mengya 3，HUANG Jianping  1，2 ，WEI Zhimin 1， MA Yanli 1

1College of Atmospheric Sciences/Key Laboratory of Semi-Arid Climate Change，Ministry of Education，Lanzhou University，Lanzhou 730000，China;

2Collaborative Innovation Center for Western Ecological Safety，Lanzhou University，Lanzhou 730000，China;

3School of geographic sciences/Key Laboratory of Spatial-temporal Big Data Analysis and Application of Natural Resources in Megacities，MNR，East China Normal University，Shanghai 200241，China

The Yellow River basin is an important ecological barrier in our country，as well as the main producing area for grain crops.In recent years，the distribution of local water resources has had a significant impact on the development of urbanization.As a result，it is critical to understand the impact of urbanization on the water cycle in the Yellow River basin.The characteristics of groundwater change in the Yellow River basin are analyzed using the Resource Environmental Science and Data Centers Yellow River basin underlying surface data，population density and Gravity Recovery and Climate Experiment （Grace） data from the world population data set，and grid data of total land water storage from the Center for Space Research （CSR）.The results show that there is a significant spatial difference in the degree of urbanization in the Yellow River basin，with urbanization intensifying in the lower reaches of the Yellow River and，in particular，the groundwater showing a downward trend.Comparing the difference of groundwater change among new urbanization，constant urbanization and disappearing urbanization in the Yellow River basin reveals that the decrease of groundwater is the smallest in the disappearing cities and towns;groundwater levels in new towns have fallen less than in areas that have always been urban.Therefore，as a typical arid and semi-arid region，the urbanization of the Yellow River basin plays a significant role in the reduction of groundwater，and the recent urbanization of groundwater protection has achieved good results.

Yellow River Basin;urbanization;population density;groundwater

doi：10 13878／j.cnki.dqkxxb.20221223002

（責任编辑：袁东敏）