變化環(huán)境下瑪納斯河流域綠洲區(qū)地下水位變化特征及影響因素分析

王淑虹，王吉偉，楊 廣，李小龍，喬長錄，劉 兵，武亞閣，王文贊

(1.新疆兵團勘測設(shè)計院(集團)有限責任公司，新疆 石河子 832000；2.第八師石河子市水文水資源管理中心，新疆 石河子 832000；3.石河子大學水利建筑工程學院，新疆 石河子 832000；4.現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團重點實驗室，新疆 石河子 832000)

地下水作為水文系統(tǒng)中重要儲存成分，與河流、湖泊、土壤、雪、冰和植物中的其他陸地水成分相互作用[1-2]，對于維持干旱區(qū)陸生生態(tài)系統(tǒng)具有重要作用。水文年的地下水位、地下水開采量和降雨時間序列數(shù)據(jù)可以確定地下水開采模式，地下水位的變化對降雨入滲和地下水位開采表現(xiàn)出一定的滯后效應(yīng)[3-4]。土壤滲透性、土地利用條件、地形、降水量和融雪時間等多種因素對地下水補給量的影響使其在時間和空間上表現(xiàn)出不同程度波動[5]。水田面積的減少導致地下水補給量的減少，進而影響地下水位的變化[6]。同時，地下水開采也會改變地下水位降落漏斗核心區(qū)的地下水流路徑和地表土壤含水量，并且減小含水層的地下水年齡[7]。開采量增加與補給的減少導致地下水位下降[8]。為灌溉而過度開采地下水是導致研究區(qū)地下水位下降的主要原因[9]。地下水位過度下降至臨界水位之下，會產(chǎn)生一系列不利影響[10-11]。

地形、土壤特征和植被覆蓋情況確定的補給和排泄區(qū)可以表征地下水流動系統(tǒng)的有效性[12]。人類活動對研究區(qū)地下水成分的影響主要包括過度開采、畜牧業(yè)和農(nóng)業(yè)，這些活動可能改變地下水的補給和排泄條件，導致地下水水位發(fā)生變化，對地下水系統(tǒng)產(chǎn)生復(fù)雜的影響[13]。Jiang X等[14]建立了水流系統(tǒng)，并分析與地下水年齡的關(guān)系，指出流域下游地下水在淺循環(huán)深度的局部水系中是年輕的，在深循環(huán)深度的區(qū)域流動系統(tǒng)中是老的。地下水開采會引起強烈的向下水力梯度，導致淺層高TDS等高濃度地下水向深部半細粒含水層滲漏補給[15]，引起水質(zhì)變差。瑪納斯河流域位于干旱半干旱地區(qū)，水資源的分配是決定該地區(qū)土地、農(nóng)業(yè)和經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)鍵因素，其中地下水是衡量區(qū)域生態(tài)與環(huán)境狀況和質(zhì)量的重要指標[16]。地下水過量開采造成地下水位不斷下降可能對陸生生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生破壞性影響[9]。因此，研究地下水位變化規(guī)律及影響因素是非常必要的，不但可以為地下水的合理開采提供合理化建議，還可以緩解地下水位的不斷下降帶來的一系列生態(tài)問題。

綜上，為了分析變化環(huán)境下區(qū)域地下水開采影響下流域地下水變化規(guī)律分析，闡明流域地下水位變化的影響因子，本文采用襯度系數(shù)方差分析和ArcGIS空間插值分析的方法研究瑪納斯河流域地下水位的動態(tài)變化規(guī)律，運用因子分析和線性回歸分析的方法分析地下水位變化的影響因素，為區(qū)域地下水可持續(xù)利用提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

瑪納斯河流域位于84°55′～86°59′E， 43°4′～45°20′N，地處亞歐大陸腹地(圖1)，獨特的山盆系統(tǒng)決定了其水文過程的特殊性：發(fā)源于山區(qū)，在綠洲區(qū)利用與運轉(zhuǎn)，耗散于荒漠。該流域由源于山地的一系列間隙性小河組成，大致沿SSE—NNW方向流經(jīng)山前綠洲。主要有4個灌區(qū)：金安、石河子、下野地、莫索灣。流域?qū)儆诘湫偷臏貛Т箨懶詺夂?，干旱指?shù)在4.0～10.0，年平均降水量115～200 mm，年均蒸發(fā)量1 500～2 100 mm，年均氣溫11.1～13.6℃。流域地勢由東南向西北傾斜，平均海拔400 m，高海拔地區(qū)終年積雪覆蓋是徑流主要補給源[20]。地下水水位由南向北逐漸下降，其分布大體上與地表的地貌地形相適應(yīng)，且人口密集的石河子市、瑪納斯縣等，地下水開采量大、較為集中。流域自然生態(tài)環(huán)境脆弱，地表水是地下水的主要補給源，地表水與地下水轉(zhuǎn)換頻繁[21-23]。

1.2 水文地質(zhì)條件

瑪納斯河流域?qū)俚湫偷母呱?平原-沙漠地形地貌體系，地下水位由南向北也有所下降，綠洲平原區(qū)在含水層劃分上分為多層承壓水和弱承壓潛水。研究區(qū)主要為平原區(qū)，在含水層劃分上分為多層承壓水和弱承壓潛水。多層承壓含水層根據(jù)其水文地質(zhì)特性(圖2)，主要劃分為:①上更新統(tǒng)承壓水含水巖組，形成時間最近，埋藏最淺，此含水層組成物質(zhì)的主要為細砂，有一定透水性；②中更新統(tǒng)承壓水含水巖組，位于淺層承壓含水層巖組之下，南部有顆粒較大的中粗砂沉積，上層為細沙，北部砂顆粒更細，在分層以及厚度上，北部更加均勻性，該層富水性較好；③下更新統(tǒng)中層含水巖組，位于中承壓含水層巖組之下。該層巖組主要由古湖泊細沙沉積而成。細沙層在東南較多，西北較少，兩地間細砂層逐漸變薄消失，各層總厚度減小。該層承壓水水頭較高，能夠自流，從孔井涌水量看，此層富水性中等。

圖1 瑪納斯河流域地理位置

圖2 研究區(qū)水文地質(zhì)剖面

潛水含水巖組與地表最接近，由于黏性土夾雜粉細砂層在表層不連續(xù)分布，使得水平上厚度變化較大，該層的富水性、礦化度方面各地區(qū)差別也較大，且在黏土較厚地區(qū)有微弱的承壓性。平原區(qū)各地潛水的埋深較小，水頭差小，水力坡度小，含水層滲透性較小，使得水交替微弱。由于農(nóng)業(yè)灌溉和較大蒸發(fā)，潛水礦化度較高。這些水文地質(zhì)特征，使?jié)撍诶蒙想y度增大，也使得土壤鹽堿化加大。潛水厚度差別較大，在灌區(qū)較厚，埋深較淺，一般在3～7 m，非灌區(qū)埋深較深，一般在9～14 m，潛水底板距地表一般在11～23 m。

1.3 數(shù)據(jù)來源

收集了2012—2019年瑪納斯河流域4個灌區(qū)(圖3)地下水位監(jiān)測數(shù)據(jù)的地下水相關(guān)資料，土地利用類遙感影像數(shù)據(jù)，耕地面積統(tǒng)計數(shù)據(jù)，瑪納斯河流域水資源利用量、地下水使用量和地表水使用量數(shù)據(jù)。

圖3 研究區(qū)灌區(qū)分布

地下水位數(shù)據(jù)來源于瑪納斯河流域31眼地下水常觀井水位觀測資料，觀測井位置見圖1，主要包括觀測孔經(jīng)緯度、地表標高、水位標高、地下水埋深等；土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學院資源與環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn)；水資源利用數(shù)據(jù)來源于《瑪納斯河流域規(guī)劃水文地質(zhì)勘探報告》《新疆維吾爾自治區(qū)石河子市地下水資源開發(fā)利用規(guī)劃報告》《新疆水資源公報》[24-29]。

1.4 研究方法

通過對研究區(qū)2012—2019年地下水水位標高數(shù)據(jù)整理分析，應(yīng)用空間差值和襯度系數(shù)方差法分析研究區(qū)地下水位空間分布及變幅特征；結(jié)合土地利用遙感解譯及用水量分析，從自然因素和人為因素2個角度出發(fā)，采用因子分析和多元線性回歸分析研究地下水位主要影響因素。

1.4.1襯度系數(shù)方差分析

襯度系數(shù)是一種評判變量波動性的評判指標，反映樣本值與樣本均值的比較，其值可以反映出每個樣本值異常程度，襯度系數(shù)方差分析需先求每個變量的襯度系數(shù)值[30]。

離散型變量方差計算公式：

(1)

(2)

1.4.2因子分析與多元線性回歸分析

因子分析模塊提取公因子主要運用主成分方法；回歸分析模塊主要是運用多元線性回歸分析，用特定的線性回歸模型來擬合因變量與自變量的數(shù)據(jù)，通過確定模型參數(shù)來得到回歸方程[31]。

數(shù)學模型：

Y=β0+β1X1+β2X2+…+βpXp+ε

(3)

回歸方程：

E(y)=β0+β1X1+β2X2+…+βpXp

(4)

式中Y——線性回歸模型假設(shè)回歸因子；β0、β1、β2…βp——參數(shù)；X1、X2…Xp——回歸量；ε——誤差項。

2 結(jié)果與分析

2.1 地下水位動態(tài)變化分析

2.1.1地下水水位年際變化

選取研究區(qū)31眼觀測井對研究區(qū)地下水位的變化規(guī)律進行分析，見圖4。31眼觀測井記錄了2012—2019年的地下水數(shù)據(jù)，包括有孔口標高、地面標高、水位標高、水位埋深、溫度、氣壓值、數(shù)據(jù)采集時間等研究分析所需要的數(shù)據(jù)，研究區(qū)域年際水位采用整個區(qū)域所有觀測井的年均水位再平均得到的。研究區(qū)地下水位變化分為3個階段：先下降后上升然后再逐年波動下降，下降趨勢逐漸變緩。①下野地灌區(qū)2012—2015年地下水位處于波動下降趨勢，2015—2016年水位回升，2016—2019年水位又開始下降，下降趨勢變緩；②莫索灣灌區(qū)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趨于穩(wěn)定；③金安灌區(qū)2012—2015年地下水水位波動下降，2015—2016年水位回升，2016—2019年逐漸下降，下降趨勢越來越緩；④石河子灌區(qū)2012—2015年地下水水位逐漸下降，2015—2018年水位上升，2018—2019年水位有所下降。

圖4 2012—2019年瑪納斯河流域地下水位年際變化規(guī)律

2.1.2地下水水位年內(nèi)變化

研究區(qū)水位年內(nèi)變化分3個階段：波動上升期、逐漸下降期、水位回升期。各灌區(qū)地下水位年內(nèi)變化特征為：①下野地灌區(qū)1—4月水位波動上升，4—8月水位逐月下降，8—12月水位回升；②金安灌區(qū)1—3月水位上升，3—8月水位逐漸下降，8—12月水位逐月回升；③莫索灣灌區(qū)1—4月水位波動上升，4—9月水位逐漸下降，9—12月水位回升；④石河子灌區(qū)除個別井外，1—3月水位平穩(wěn)上升，3—7月逐漸下降，7—12月逐月回升，個別井1—4月處于波動狀態(tài)，4—7月逐漸下降，7—12月逐月回升。研究區(qū)在4—9月為農(nóng)業(yè)灌溉期，地下水位由于農(nóng)業(yè)灌溉對地下水的開采開始下降；10月至次年3月為研究區(qū)非灌溉期，地下水位開始逐漸回升，見圖5。

圖5 2012—2019年瑪納斯河流域地下水位年內(nèi)變化規(guī)律

圖6 地下水位襯度系數(shù)方差空間分布

2.1.3襯度系數(shù)方差

運用襯度系數(shù)方差公式對瑪納斯河流域31眼觀測井進行統(tǒng)計分析，見表1，由于數(shù)值比較小，為便于對比分析，將地下水水位襯度系數(shù)方差值擴大105倍。從表1可以看出，研究區(qū)4個灌區(qū)30眼觀測井地下水位襯度系數(shù)方差為0.01～44.97。下野地灌區(qū)為0.05～18.77，金安灌區(qū)為0.16～9.02，莫索灣灌區(qū)為0.01～44.97，石河子灌區(qū)為0.04～26.68。地下水水位波動幅度最小的灌區(qū)是金安，波動幅度最大的是莫索灣。對地下水水位襯度系數(shù)方差值進行ArcGIS插值處理，見圖6。研究區(qū)地下水位波動呈明顯的空間分異特征，形成3個較大和好幾個較小的地下水位波動變化區(qū)域；大變化區(qū)中心為石河子、莫索灣和下野地，變化區(qū)中心最大襯度系數(shù)方差分別為26.68、44.97和18.77，東部和西北部地下水位波動幅度明顯大于西南部地區(qū)。

表1 地下水位襯度系數(shù)方差

2.2 地下水水位動態(tài)變化影響因素分析

2.2.1土地利用類型與水資源利用量變化

2012—2019年，耕地面積增長了6.63%；林地面積減少了10.18%；草地面積減少了5.64%；水域面積減少了8.51%；城鄉(xiāng)、居民、工礦用地面積增加了16.74%；未利用土地面積未利用土地面積減少了0.67%，見圖7。

圖7 土地類型面積變化

流域地表水使用量在2012—2014年不斷下降，2014—2016年處于波動下降狀態(tài)，2016年以后地表水使用量有所上升并趨于穩(wěn)定。地下水使用量2012—2013年6月呈上升趨勢，2013年6月至2017年處于波動下降的趨勢，2017年至今，地下水使用量有微小波動并處于穩(wěn)定。水資源總利用量2012—2013年變化量不大，2013—2017年處于波動下降狀態(tài)，2017年至今，水資源量開始上升最后趨于穩(wěn)定，見圖8。

圖8 研究區(qū)水資源使用量變化特征

2.2.2因子分析與線性回歸分析

根據(jù)瑪納斯河流域水文地質(zhì)條件和干旱區(qū)特有的用水特點，選取年降雨量X1、年蒸發(fā)量X22個氣候因子，耕地面積X3、水資源利用量X4、地下水使用量X5、地表水使用量X64個人類活動因子，共6個影響因子定量化驗證分析瑪納斯河流域平原區(qū)地下水水位動態(tài)變化的影響因素。采用SPSS25軟件的相關(guān)分析工具計算瑪納斯河流域平原區(qū)地下水水位Y及各影響因子間相關(guān)系數(shù)，見圖9。

圖9 地下水位與各影響因素間相關(guān)系數(shù)

瑪納斯河流域平原區(qū)地下水位與耕地面積、水資源利用量和地下水使用量呈顯著負相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為-0.79、-0.65、-0.68，地下水水位與水資源利用量和地下水使用量相關(guān)性顯著，這說明水資源的利用量和地下水使用量增加導致地下水水位下降；耕地面積與水資源利用量相關(guān)性顯著，相關(guān)系數(shù)為0.85，這說明耕地面積的增加使得水資源利用量增加。通過SPSS25軟件的主成分分析方法提取成分，將多個影響因子通過線性變換濃縮為少數(shù)幾個主成分指標，重新整合為一組不相關(guān)的新的綜合指標代替原來的影響因子以降低數(shù)據(jù)重疊性，見表2。

表2 主成分特征值和貢獻率

前3個主成分的特征值均大于1，且累計貢獻率已經(jīng)達到92.538%，說明已經(jīng)包含原有6個驅(qū)動因子的大部分信息，故此提取這3個主成分并計算其特征值對應(yīng)的特征向量(表3)。

表3 主成分特征值荷載矩陣

可以看出主成分Z1中耕地面積、水資源利用量、地下水使用量、地表水使用量等人為因子的系數(shù)較大，即可將Z1、Z3看作人為因子；同理，可將Z2看作自然因子，見式(5)。

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

(5)

經(jīng)計算，式(5)回歸方程的相關(guān)系數(shù)R為0.952，確定系數(shù)R2為0.907，F(xiàn)檢驗值為12.978，顯著性概率P=0.016<0.05，說明式(5)的回歸效果好。同時對式(5)的系數(shù)進行t檢驗，結(jié)果顯示Z1的顯著性P=0.033<0.05，Z3的顯著性P=0.022<0.05，這說明人為因子對地下水水位具有顯著影響；Z2的顯著性P=0.023<0.05，這說明氣候因子對地下水水位有一定影響。但由上述因子相關(guān)性分析知，相關(guān)性并不顯著。根據(jù)回歸分析原理可剔除對地下水水位影響較小的自然因子，得到最終回歸方程為：

Y=313.874-0.378Z1+0.781Z3

(6)

綜上，人為活動是影響瑪納斯河流域地下水水位變化的主要因素，其中耕地面積、水資源利用量、地下水使用量對地下水水位的影響較大。

2.3 討論

2.3.1地下水位變化

陳伏龍等[33]通過對瑪納斯河流域地下水埋深進行分析得出，1998—2010年流域地下水埋深持續(xù)下降，年變化先有增有減，然后逐漸增大，這與本研究的結(jié)果不同。造成這種差異的主要原因是近年來該研究區(qū)大面積實施的節(jié)水灌溉措施，對水資源的嚴格控制和高效的節(jié)水措施減少了水資源的使用，減少了不必要的浪費，進而使了地下水的開采有下降的趨勢。隨著節(jié)水灌溉措施和水資源“三條紅線”的實施，地下水位有所回升，最后趨于平穩(wěn)。即使對于地下水的開采量相較于以往有所下降，但由于基本每年的地下水處于超采的情況，地下水的補給不及消耗，地下水位也是呈持續(xù)下降的趨勢，見圖10。

圖10 1998—2019年瑪納斯河流域地下水開采量與埋深變化

2.3.2灌溉用水對地下水位的影響

Mustafa S等[9,15,35]發(fā)現(xiàn)抽取地下水進行灌溉所用水量的增加是地下水位下降的主要原因，這與本研究的結(jié)果一致。1998—2010年，瑪納斯河流域灌溉用水量是影響地下水埋深的主要因素。隨著瑪納斯河流域灌溉面積的增加，加大了對水的使用，該地區(qū)水資源有限，地表水不足以滿足該地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展，地下水成為重要的使用水資源之一。

2.3.3蒸發(fā)對地下水位的影響

研究區(qū)大陸性干旱氣候使得蒸發(fā)作用對地下水位埋深小的區(qū)域的影響較大。由于炎熱干燥的氣候條件，使得水的蒸發(fā)量加劇，土壤相對干燥，使得無論灌溉還是降水，地下水得不到充分的入滲補給，加上一直以來對地下水的過度開采，使得地下水位持續(xù)下降。蒸發(fā)對地下水埋深的影響僅次于灌水量和抽水量[33-34]。潛水蒸發(fā)是地下水位變化的一個重要因素。當埋深大于6 m時，潛水蒸發(fā)值為0。

3 結(jié)論

對瑪納斯河流域平原地區(qū)2012—2019年的地下水位數(shù)據(jù)進行研究分析，探究了該地區(qū)的地下水位變化特征以及地下水位變化的影響因素，結(jié)論如下。

a)瑪納斯河流域平原區(qū)地下水位年際變化可分為3個階段：先下降后上升然后再逐年波動下降，其中逐年波動下降趨勢變緩；年內(nèi)變化也可分為3個時期：波動上升期、逐漸下降期、水位回升期，地下水位年內(nèi)變化為3、4月到8、9月水位在不斷下降，8、9月到次年的3、4月地下水水位處于回升狀態(tài)。

b)人為因子和自然因子是瑪納斯河流域平原區(qū)地下水水位變化的兩大主要影響因子，共同影響地下水位。相較于自然因子，人為因子是該研究區(qū)地下水位變化的主要因素，占據(jù)了主導的作用；人為活動是影響瑪納斯河流域地下水位變化的主要因素，其中耕地面積、水資源利用量、地下水使用量對地下水位的影響較大。