干旱灌區(qū)地下水位動態(tài)變化及驅(qū)動因素分析

張 葉，劉 兵，何新林，張少博，彭 飛

(石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832003)

0 引 言

地下水埋深變化是地下水動態(tài)的重要內(nèi)容之一，是一個復(fù)雜的水文變化過程，是地下水對各種自然因素和人為因素的一種響應(yīng)[1]。地下水開采、農(nóng)田灌溉、水利工程的修建等人為因素會引起地下水位的相應(yīng)變化，降水、蒸發(fā)、氣溫等自然因素的周期性變化也會引起地下水位的改變[2]。由于地下水埋深動態(tài)變化的復(fù)雜性，氣候變化和人類活動影響下的水文響應(yīng)一直是水科學(xué)中研究的熱點(diǎn)。

研究氣候變化和人類活動對水文的響應(yīng)主要有分項(xiàng)調(diào)查法和水文模型模擬法[3]。前者是基于大量的已有數(shù)據(jù)，將氣候變化和人類活動進(jìn)行分類統(tǒng)計再疊加計算，得到流域的水文驅(qū)動因素[4,5]；后者則是利用計算機(jī)語言來計算數(shù)學(xué)模型，利用已有水文氣象資料來率定水文模型參數(shù)，然后保持參數(shù)不變，再將不同情況輸入模型進(jìn)行預(yù)測[6]。王貴忠[7]等人在民勤綠洲多年地下水實(shí)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，分析了地下水埋深動態(tài)變化，并進(jìn)行了地下水位變化的驅(qū)動因素分析。陳皓銳[8]等人采用了GMS-MODFLOW構(gòu)建華北平原的潛水運(yùn)動模型，研究氣候變化和人類活動影響下未來40年該地區(qū)的潛水位變化。楊廣[9]、陳伏龍[10]等人在多年統(tǒng)計的基礎(chǔ)上分析了人類活動影響下瑪納斯河流域的地下水位變化規(guī)律。

這些研究多著眼于流域整體的地下水位變化，缺乏對地下水總量、變化規(guī)律及其影響因素的系統(tǒng)分析。針對此問題，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，定量的分析研究區(qū)地下水的演變規(guī)律，并采用主成分分析的方法進(jìn)行研究區(qū)地下水的驅(qū)動力分析，揭示地下水變化的規(guī)律，分析研究區(qū)地下水位變化的主要驅(qū)動因素，為干旱區(qū)地下水資源的可持續(xù)開發(fā)及保護(hù)提供參考。

1 資料來源和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

瑪納斯河流域位于新疆天山北麓(圖1)，流域面積約3.1 萬km2，年平均徑流量12.8 億m3。流域內(nèi)最大河流瑪納斯河發(fā)源于天山北坡，長約400 km，是天山北麓最長、流量和流域面積最大的內(nèi)陸河流，流域分為山地、山前平原和沙漠三大地貌類型[11]。

圖1 研究區(qū)位置圖

本文的研究區(qū)是瑪納斯河流域中游灌區(qū)的147團(tuán)，地理位置為東經(jīng)85°56′～86°21′，北緯44°24′～44°46′，南北長26 km，東西寬8.5 km，占地224 km2，現(xiàn)有耕地10 400 hm2，是瑪納斯河流域重要的糧棉基地。

研究區(qū)潛水礦化度較高，潛水含水層以粗中砂、砂礫石為主，承壓含水層以細(xì)砂為主，局部為粗砂礫石。區(qū)內(nèi)水平徑流較微弱，主要以垂向徑流和越層交換為主，由于地形東南高、西北低，從而產(chǎn)生由東南向西北的水平地下水流。研究區(qū)的渠系分布及地下水觀測井布置如圖2所示。

圖2 研究區(qū)水系及觀測井位置圖

1.2 研究方法

1.2.1 水均衡法

水均衡法也稱水量平衡法或水量均衡法，是全面研究某一地區(qū)(或均衡區(qū))在一定時間段內(nèi)(均衡期)地下水的補(bǔ)給量(Q總補(bǔ))、儲變量(△W)和消耗量(Q總排)之間的數(shù)量轉(zhuǎn)化關(guān)系的平衡計算[12]。各量的計算式如下：

Q總補(bǔ)-Q總排±△W=X

(1)

Q總補(bǔ)=Q降+Q河滲+Q庫+Q渠系+

Q渠灌+Q井灌+Q側(cè)補(bǔ)

(2)

Q總排=Q蒸+Q側(cè)出+Q開采

(3)

(4)

式中：Q降為降水入滲補(bǔ)給量；Q河滲為河道滲漏補(bǔ)給量；Q庫為庫塘滲漏補(bǔ)給量；Q渠系為渠系滲漏補(bǔ)給量；Q渠灌為渠灌田間滲漏補(bǔ)給量；Q井灌為井灌回歸補(bǔ)給量；Q側(cè)補(bǔ)為地下水側(cè)向補(bǔ)給量；Q蒸為潛水蒸發(fā)量；Q側(cè)出為地下水側(cè)向流出量；Q開采為地下水開采量；X為絕對均衡誤差；δ為相對均衡誤差；|X|值或δ值的大小可以判斷計算精度的高低。

1.2.2 主成分分析法

主成分分析法是一種降維統(tǒng)計方法，它是因子分析法的一種。它把具有錯綜復(fù)雜關(guān)系的多個指標(biāo)化為少數(shù)幾個綜合指標(biāo)，使這些因子盡可能地反映原來變量的信息量，而且彼此之間互不相關(guān)，從而達(dá)到簡化的目的。

1.3 數(shù)據(jù)來源

本文研究的主要數(shù)據(jù)有1996-2010年147團(tuán)地下水埋深、降雨量、蒸發(fā)量、開采量、灌水量等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)均來源于農(nóng)八師水利局，具有一定的可靠性。

2 結(jié)果與分析

2.1 埋深變化分析

根據(jù)147團(tuán)1996-2010年統(tǒng)計資料分析得出，研究區(qū)地下水埋深為3～5 m，局部地區(qū)地下水埋深小于3 m。

2.1.1 年內(nèi)變化分析

選擇豐水年2002年、枯水年2004年、平水年2006年以及2010年作為典型年進(jìn)行地下水位埋深與用水量分析。從不同年的地下水位埋深與用水量的變化中可以看出，研究區(qū)的潛水水位動態(tài)受灌溉、地下水開采的共同影響，表現(xiàn)出灌溉-開采混合型特征。從圖3可以看出，研究區(qū)地下水埋深與灌溉、開采的動態(tài)變化相一致。最高水位出現(xiàn)在4-5月，積雪融化，地表水大量入滲補(bǔ)給地下水，且春灌剛開始，作物的需水量較小，地下水開采量較小，因此地下水位持續(xù)上升，使得4-5月出現(xiàn)最高水位；6-8月氣溫上升，蒸發(fā)量增大，加之此時為作物需水的高峰期，大量的開采地下水，使得地下水位不斷地下降，至8、9月出現(xiàn)最低水位；隨著側(cè)向徑流的補(bǔ)給以及秋灌后作物需水的減少，地下水開采量明顯減少，地下水位開始逐漸回升，每年的12月至次年5月為相對的高水位期。此外，由于20世紀(jì)90年代末期開始大量推行滴灌和覆膜技術(shù)，精確灌水減少了水量的浪費(fèi)和無效蒸發(fā)，因此近十年來研究區(qū)的地下水埋深年內(nèi)變化不斷減小。

圖3 147團(tuán)地下水埋深與用水量變化關(guān)系

2.1.2 年際變化分析

根據(jù)近十幾年的地下水位動態(tài)監(jiān)測資料，從圖4中可以看出，147團(tuán)地下水位整體呈現(xiàn)出上升的趨勢，2002年以前上升趨勢較為明顯，在2001年-2002年有一個明顯的大幅度上升，這是因?yàn)閺?1世紀(jì)開始研究區(qū)進(jìn)行農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化，加之膜下滴灌的推廣，作物耗水量減少，地下水開采量也隨之下降，因此地下水位呈現(xiàn)明顯的上升趨勢；2002年以后種植結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，地下水埋深在3.5 m左右進(jìn)行波動。這種趨勢表明研究區(qū)地下水開采和農(nóng)業(yè)灌溉基本處于一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，維持現(xiàn)有的開采模式和農(nóng)業(yè)種植面積，不會對研究區(qū)的地下水位造成明顯的影響，合理的灌溉方式、優(yōu)化種植結(jié)構(gòu)、水資源的優(yōu)化配置可以減少地下水的開采，改善該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境。

圖4 147團(tuán)1996-2010年地下水位埋深動態(tài)變化

2.2 水量平衡分析

選取1996年-2010年為計算期，研究區(qū)水均衡計算結(jié)果如表1所示。

由地下水均衡計算結(jié)果可知，研究區(qū)地下水總補(bǔ)給量為2 837.949 萬m3/a，總排泄量為2 591.627 萬m3/a，地下水補(bǔ)排差為246.322 萬m3/a，地下水處于正均衡狀態(tài)，與地下水動態(tài)長期觀測結(jié)果一致；相對均衡誤差為2.96%，滿足《供水水文地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50027-2002)對地下水資源計算精度的要求(|δ|<10%)。

在地下水補(bǔ)給中，最主要的補(bǔ)給來源是灌溉入滲補(bǔ)給量和河道滲漏補(bǔ)給量，占總補(bǔ)給量的25.94%和22.51%，其次是渠系入滲補(bǔ)給量和庫塘滲漏補(bǔ)給量，分別占總補(bǔ)給量的16.62%和15.10%。在地下水排泄中，主要的排泄方式是地下水開采，占總排泄量的56.24%，蒸發(fā)量次之，占36.37%。分析發(fā)現(xiàn)，灌溉和開采在地下水均衡中占有較大的比重，當(dāng)灌溉和開采量發(fā)生較大改變時，地下水均衡狀態(tài)也會發(fā)生相應(yīng)的變化。

表1 研究區(qū)地下水均衡計算結(jié)果

2.3 驅(qū)動因素分析

采用主成分分析法對147團(tuán)1996-2010年共180個月各影響因素的時間序列值進(jìn)行分析。在主成分分析中，KMO值為0.753>0.6，sig值為0.000<0.05，表明其適合做因子分析，提取值均大于0.6，表明信息的損失量較小。求得主成分的特征值及貢獻(xiàn)率以及成分荷載矩陣，如表2和表3。

本文提取了兩個主成分，第1主成分的特征值2.573>1，第2主成分的特征值0.968接近1，且他們的累計貢獻(xiàn)率88.539%>85%，說明提取的兩個主成分能較好地代表所有的影響因素。其主成分的表達(dá)式為：

F1=0.542 X1-0.049 X2+0.589 X3+0.580 X4 (5)

表3 主成分荷載矩陣

F2=-0.049X1+0.980X2- 0.172X3-0.015X4

(6)

從表2、表3的結(jié)果可以看出，第1主成分對灌水量、開采量和蒸發(fā)量有較大的相關(guān)系數(shù)，它們均在成分1的方向上起正的作用，第2主成分對降雨量有較大的相關(guān)系數(shù)。在第1主成分的所有荷載中，灌水量和開采量具有比較大的正貢獻(xiàn)率，分別為0.945、0.930，這表明第1主成分主要反映了人為因素的影響。第2主成分中降水量的荷載為0.964，其他因素的荷載均較小，它主要反映自然因素的作用效果。從表2可以看出，第1主成分的貢獻(xiàn)率為64%，說明人為因素的影響比自然因素大。綜合分析表明，自然因素對地下水埋深的影響比較復(fù)雜，因?yàn)樽匀灰蛩貢笥胰藶橐蛩?，?dāng)降雨量減少時，相應(yīng)的灌溉量就大，地下水位就會上升；同時，降雨量較少的年份徑流也相對較少，因此地下水開采量和蒸發(fā)量增大，又可能導(dǎo)致地下水位降低，自然因素的影響較人為因素要復(fù)雜得多。

3 結(jié) 論

本文通過水均衡法和主成分分析法，綜合分析147團(tuán)地下水的變化規(guī)律，研究影響147團(tuán)地下水位變化的驅(qū)動因素，得出以下結(jié)論：

(1)147團(tuán)地下水埋深為3～5 m，地下水動態(tài)表現(xiàn)為灌溉-開采混合型。地下水位年際變化整體呈現(xiàn)上升的趨勢，地下水動態(tài)為正均衡狀態(tài)，均衡差為246.322 萬m3/a，年內(nèi)4-5月地下水埋深最小，8-9月地下水埋深最大，呈現(xiàn)出明顯的時空差異性，但這種差異性隨著灌溉技術(shù)的進(jìn)步以及合理的水資源配置而不斷的減小。

(2)研究區(qū)地下水位受人為因素和自然因素的共同作用而發(fā)生變化，人為因素的影響為64%，是影響147團(tuán)地下水埋深的主要因素，其中灌水量和開采量的荷載分別為0.945和0.930，是影響地下水埋深最主要的兩個因子，在地下水均衡中，灌溉量和開采量也占有較大比重。自然因素對地下水埋深的影響相對較小，但它的影響比人為因素要復(fù)雜得多，也是地下水埋深的重要影響因子。

(3)地下水是干旱灌區(qū)重要的水資源，地下水的埋深變化對干旱區(qū)綠洲農(nóng)業(yè)發(fā)展和生態(tài)系統(tǒng)具有重要作用，本文的研究結(jié)果可以為研究區(qū)地下水的合理開發(fā)利用提供一定的參考。但地下水埋深變化是自然因素和人為因素共同作用的結(jié)果，是一個復(fù)雜的過程，不同的研究方法對研究區(qū)的各要素有不同的考慮，由于資料條件的限制，對干旱區(qū)地下水動態(tài)變化的研究還需進(jìn)行深入探討。

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