張京京，魏曉妹，降亞楠

(西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院， 陜西 楊凌 712100)

?

渠井結(jié)合灌區(qū)地下水位動(dòng)態(tài)對(duì)變化環(huán)境的響應(yīng)及敏感性分析

張京京，魏曉妹，降亞楠

(西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院， 陜西 楊凌 712100)

以陜西省涇惠渠灌區(qū)為研究區(qū)，運(yùn)用線(xiàn)性趨勢(shì)分析法及Spearman秩次相關(guān)檢驗(yàn)法分析了灌區(qū)地下水系統(tǒng)外部環(huán)境因子的變化特征，建立了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的灌區(qū)地下水位動(dòng)態(tài)對(duì)變化環(huán)境的響應(yīng)模型，并應(yīng)用通徑分析方法，進(jìn)行了灌區(qū)地下水位動(dòng)態(tài)的敏感性分析。結(jié)果表明：近30多年來(lái)，灌區(qū)降水量呈顯著減少趨勢(shì)，其線(xiàn)性?xún)A斜率為2.09 mm·a-1，蒸發(fā)量減少趨勢(shì)不明顯，其線(xiàn)性?xún)A斜率為0.04 mm·a-1；地表水灌溉引水量呈減小趨勢(shì)，渠首農(nóng)灌引水量20世紀(jì)90年代之前減少了41.6%；地下水開(kāi)采量減少了39.7%，渠井用水比例減小了33.9%；地下水位埋深不斷增大，近31 a來(lái)地下水位累計(jì)下降了11.88 m；地下水位埋深模擬的平均相對(duì)誤差為4.52%，檢驗(yàn)的平均相對(duì)誤差為2.23%，誤差均在可接受范圍之內(nèi)；敏感性變化環(huán)境因子最大為渠井用水比例，最小為降水量。

涇惠渠灌區(qū)；地下水位；環(huán)境變化；響應(yīng)；通徑分析

地下水位動(dòng)態(tài)是地下水循環(huán)過(guò)程中，自然和人為因素對(duì)地下水系統(tǒng)綜合作用的結(jié)果[1]。地下水位動(dòng)態(tài)變化既是地下水系統(tǒng)對(duì)變化環(huán)境的響應(yīng)，也是地下水均衡的外部表現(xiàn)，直接反映著灌區(qū)地下水資源開(kāi)發(fā)利用的合理程度。近年來(lái)，在變化環(huán)境的大背景下，北方渠井結(jié)合灌區(qū)由于地表水資源不足、種植結(jié)構(gòu)調(diào)整及管理制度不完善等方面的原因，出現(xiàn)了地下水位下降、地下水調(diào)蓄能力衰減、機(jī)井吊泵、地下水環(huán)境惡化等諸多問(wèn)題，嚴(yán)重影響著灌區(qū)水資源的高效安全利用[2-3]。因此，研究灌區(qū)地下水位動(dòng)態(tài)對(duì)變化環(huán)境的響應(yīng)，并對(duì)影響地下水位動(dòng)態(tài)的變化環(huán)境因子進(jìn)行敏感性分析，對(duì)地下水資源的合理利用顯得尤為重要。

關(guān)于地下水位動(dòng)態(tài)響應(yīng)方面的研究，Brouyere等[4]建立了基于土壤水與地下水相互作用的地下水模型，用以預(yù)測(cè)不同氣候情景下的地下水動(dòng)態(tài)；周維博[5]根據(jù)地下水位與其影響因素之間的關(guān)系，建立了地下水位動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)模型；陳皓銳等[6]運(yùn)用GMS-Modflow模型，模擬了基準(zhǔn)情景、氣候變化和人類(lèi)自主活動(dòng)3種情景下未來(lái)40年華北平原吳橋縣潛水位對(duì)氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)的響應(yīng)。目前，有關(guān)灌區(qū)地下水位動(dòng)態(tài)敏感性分析的研究尚未形成一個(gè)完善的理論體系。張冠儒等[7]將正交試驗(yàn)與地下水動(dòng)態(tài)建模相結(jié)合，進(jìn)行了地下水位動(dòng)態(tài)敏感性方法分析的研究；于國(guó)強(qiáng)等[8]采用改進(jìn)的灰色斜率關(guān)聯(lián)法分析了各影響因子與地下水位埋深的敏感關(guān)系；謝正輝等[9]利用陸面水文模型開(kāi)展黃淮海平原淺層地下水埋深對(duì)氣候變化敏感性分析的縱向研究。北方渠井結(jié)合灌區(qū)地下水位的動(dòng)態(tài)變化與氣候因素及人類(lèi)活動(dòng)密切相關(guān)，地下水的循環(huán)過(guò)程往往比較復(fù)雜，而有關(guān)灌區(qū)地下水動(dòng)態(tài)對(duì)變化環(huán)境響應(yīng)的研究相對(duì)較少[3]。因此，本文以陜西省涇惠渠灌區(qū)為研究區(qū)，建立灌區(qū)地下水位動(dòng)態(tài)對(duì)變化環(huán)境的響應(yīng)模型，并識(shí)別地下水位動(dòng)態(tài)變化的敏感性因子，旨在為灌區(qū)地下水資源的合理開(kāi)發(fā)利用和科學(xué)管理提供依據(jù)。

1　研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1研究區(qū)概況及其地下水系統(tǒng)

涇惠渠灌區(qū)地處陜西省關(guān)中平原中部(N34°25′20″～34°41′40″，E108°34′34″～109°21′35″)，東西長(zhǎng)70 km，南北寬20 km，總面積約1 180 km2，屬于大陸型半干旱半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均降水量為533 mm，蒸發(fā)量為1 212 mm，是一個(gè)自涇河自流引水、渠井雙灌、灌排結(jié)合，以農(nóng)業(yè)灌溉為主的典型渠井結(jié)合型灌區(qū)。灌區(qū)設(shè)施灌溉面積9.69萬(wàn)hm2，渠井雙灌面積7.33萬(wàn)hm2。灌區(qū)轄西安、咸陽(yáng)、渭南三市的涇陽(yáng)、三原、高陵、臨潼、閻良和富平六個(gè)縣(區(qū))，糧食作物主要以小麥、玉米為主，經(jīng)濟(jì)作物則以蔬菜、果樹(shù)為主，糧經(jīng)比為7∶3，是陜西省重要的糧食生產(chǎn)基地。

灌區(qū)地下水系統(tǒng)是指淺層地下水在時(shí)空分布上有共同的演變規(guī)律與水文地質(zhì)特征的一個(gè)整體，與外界進(jìn)行著頻繁的物質(zhì)與能量交換，其輸入量有降雨入滲補(bǔ)給，河道及渠系滲漏補(bǔ)給，田間灌溉入滲補(bǔ)給及井灌回歸補(bǔ)給；輸出量有人工開(kāi)采，潛水蒸發(fā)及河道側(cè)向排泄。涇惠渠灌區(qū)地處平原區(qū)，側(cè)向徑流微弱，地下水主要以垂向水量交換為主。已有的相關(guān)研究[3,10]表明20世紀(jì)70年代末80年代初，降水入滲補(bǔ)給量和灌溉滲漏補(bǔ)給量約占總補(bǔ)給量的85%，是地下水系統(tǒng)重要的補(bǔ)給來(lái)源；地下水開(kāi)采和潛水蒸發(fā)分別占總排泄量的47%和26%，是地下水系統(tǒng)主要的排泄途徑。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，灌區(qū)補(bǔ)給量較上世紀(jì)末期減少45.26%；隨著地下水資源的大量開(kāi)采，灌區(qū)自然排泄作用減弱，地下水位埋深逐漸超出潛水蒸發(fā)極限埋深(7 m)[3]，導(dǎo)致地下水的蒸發(fā)排泄能力減弱，僅占排泄總量的3.2%，因此認(rèn)為潛水蒸發(fā)量可忽略不計(jì)。外界環(huán)境因素即氣候因素(降水及蒸發(fā))與人類(lèi)活動(dòng)因素(灌溉引水及地下水開(kāi)采等)通過(guò)對(duì)地下水系統(tǒng)的輸入與輸出影響地下水循環(huán)，最終表現(xiàn)為地下水位的動(dòng)態(tài)變化。綜上所述，灌區(qū)地下水系統(tǒng)的外部環(huán)境因素主要為降水、蒸發(fā)、渠首農(nóng)灌引水、田間灌溉用水、渠井用水比例及地下水開(kāi)采等。

1.2數(shù)據(jù)來(lái)源

本文所用的反映灌區(qū)變化環(huán)境因素的氣候資料和人類(lèi)活動(dòng)資料，通過(guò)陜西省涇惠渠管理局統(tǒng)計(jì)及實(shí)地調(diào)研獲得，地下水位埋深資料通過(guò)陜西省地下水管理監(jiān)測(cè)局獲得。其中，降水和蒸發(fā)資料序列共計(jì)56 a(1955—2010年)，灌溉引水及地下水開(kāi)采資料序列共計(jì)31 a(1980—2010年)，地下水位埋深資料序列共計(jì)31 a(1980—2010年)。經(jīng)分析與審查，符合可靠性、一致性及代表性的要求。

2　灌區(qū)地下水系統(tǒng)外部環(huán)境因素變化趨勢(shì)分析

2.1氣候因素及其變化趨勢(shì)

圖1　灌區(qū)降水量變化趨勢(shì)

圖2灌區(qū)蒸發(fā)量變化趨勢(shì)

Fig.2Evaporation variation trend of the irrigation area

2.2人類(lèi)活動(dòng)因素及其變化趨勢(shì)

涇惠渠灌區(qū)以占全省2.4%的耕地，生產(chǎn)了全省5.7%的糧食，是陜西省重要的糧食生產(chǎn)基地。灌區(qū)農(nóng)事活動(dòng)十分發(fā)達(dá)，農(nóng)業(yè)用水量占灌區(qū)用水總量的90%左右。近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)速度的加快，灌區(qū)的人類(lèi)活動(dòng)更加密集，對(duì)整個(gè)灌區(qū)的地下水動(dòng)態(tài)的影響也更加明顯[1,13]。圖3和圖4分別是灌區(qū)1980—2010年地表水灌溉引水量、地下水開(kāi)采量及渠井用水比例變化趨勢(shì)圖。

圖3渠首農(nóng)灌引水量及田間灌溉用水量變化趨勢(shì)

Fig.3Variation trends of irrigation intake water from canal head and field irrigation water use

圖4灌區(qū)地下水開(kāi)采量及渠井用水比例變化趨勢(shì)

Fig.4Variation trends of groundwater exploitation and water ratio of channel vs. well in the irrigation area

從圖3中可以看出，20世紀(jì)80年代，渠首農(nóng)灌引水量較大，最大值為3.92×108m3(1982年)，灌區(qū)10年平均(1980—1989年)為2.59×108m3，90年代以后，渠首農(nóng)灌引水量明顯減少，平均為1.51×108m3，減少了41.6%；灌區(qū)多年平均(1980—2010年)田間灌溉用水量為1.06×108m3，其中，20世紀(jì)80年代，田間灌溉用水量較大，最大值為2.19×108m3(1982年)，10年(1980—1989年)平均值為1.36×108m3；90年代以后，田間灌溉用水量明顯減少，平均為0.93×108m3，減少了32.1%。經(jīng)分析知，近31 a來(lái)，渠首農(nóng)灌引水量和田間灌溉用水量均呈顯著下降趨勢(shì)。灌區(qū)地表灌溉水的入滲是地下水補(bǔ)給的主要來(lái)源之一，隨著灌區(qū)地表灌溉引水量的減少，地下水補(bǔ)給量也隨之減少，進(jìn)而導(dǎo)致灌區(qū)地下水位的下降。

分析圖4知，灌區(qū)多年平均地下水開(kāi)采量為1.41×108m3，近年來(lái)，灌區(qū)地下水開(kāi)采量略有下降，由2.14×108m3(1980年)減少為1.29×108m3(2010年)，減少了39.7%，較渠首農(nóng)灌引水量而言，減小幅度相對(duì)較小，趨勢(shì)不明顯；渠井用水比例呈逐年遞減趨勢(shì)，由1.68(1980年)減少為1.11(2010年)，減少了33.9%，其中1980—1985年，渠井用水比例相對(duì)較高，最高達(dá)到2.73，1985年之后渠井用水比例顯著下降，2000年達(dá)到最小值0.73，之后渠井用水比例略有回升，這說(shuō)明灌區(qū)灌溉水源已由地表水灌溉為主逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榍制降墓喔雀窬帧?/p>

3　灌區(qū)地下水位動(dòng)態(tài)對(duì)變化環(huán)境的響應(yīng)

根據(jù)所收集的地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)資料，對(duì)灌區(qū)內(nèi)21眼觀測(cè)井的地下水位動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采用空間插值的方法，分析近31 a來(lái)灌區(qū)年均地下水位埋深變化趨勢(shì)。由圖5可以看出，灌區(qū)地下水位埋深整體呈增大趨勢(shì)。其中，最小值為1982年的3.48 m，最大值為2010年的15.36 m。近31 a間，灌區(qū)地下水位累計(jì)降幅為11.88 m，年均降速為0.38 m·a-1。1980—1985年間，灌區(qū)地下水位埋深變化不大，1986年以后，地下水位埋深變化較大。其中，1986—1994年，年均降速為0.50 m·a-1，1996—2003年，年均降速為0.55 m·a-1，地下水位下降速度在增大。近些年來(lái)，由于灌區(qū)地下水位不斷下降，出現(xiàn)了機(jī)井吊泵、地下水環(huán)境惡化等諸多問(wèn)題，嚴(yán)重影響著灌區(qū)的健康發(fā)展。

圖5灌區(qū)地下水位埋深變化趨勢(shì)

Fig.5Variation trend of groundwater depth in the irrigation area

灌區(qū)地下水位動(dòng)態(tài)既是對(duì)地下水系統(tǒng)外部環(huán)境響應(yīng)的結(jié)果，也是地下水均衡的外部表現(xiàn)，直接反映著灌區(qū)地下水資源開(kāi)發(fā)利用的合理程度。因此，通過(guò)建立灌區(qū)地下水位動(dòng)態(tài)對(duì)變化環(huán)境的響應(yīng)模型，研究灌區(qū)地下水位動(dòng)態(tài)對(duì)變化環(huán)境的響應(yīng)，可為灌區(qū)地下水資源的合理開(kāi)發(fā)和科學(xué)管理提供依據(jù)。灌區(qū)地下水位動(dòng)態(tài)受多種變化環(huán)境因素的影響表現(xiàn)出明顯的非線(xiàn)性特征，而人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型以其良好的處理非線(xiàn)性模式識(shí)別的特性，對(duì)地下水位動(dòng)態(tài)的模擬計(jì)算有較強(qiáng)的適用性。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種誤差反向傳播的多層前饋型人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，由輸入層、隱含層和輸出層組成，是使用最多也較成功的模型之一[14]。因此本文選用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型用以模擬灌區(qū)地下水位的動(dòng)態(tài)變化。

考慮到進(jìn)入20世紀(jì)80年代以后，灌區(qū)地下水位埋深逐漸超出潛水蒸發(fā)極限埋深，因此可忽略蒸發(fā)對(duì)地下水位動(dòng)態(tài)的影響[3]。所以，本文根據(jù)灌區(qū)1980—2010年的氣象、灌溉引水及地下水開(kāi)采資料，以年降水量(x1)、渠首農(nóng)灌引水量(x2)、田間灌溉用水量(x3)、地下水開(kāi)采量(x4)和渠井用水比例(x5)作為模型的輸入，年地下水位埋深(y)作為模型的輸出，并選定1980—2006年共27 a作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練樣本，2007—2010年作為模型的測(cè)試樣本。網(wǎng)絡(luò)輸入層神經(jīng)元數(shù)為5，輸出層神經(jīng)元數(shù)為1，隱含層為1層。經(jīng)調(diào)試，當(dāng)隱含層神經(jīng)元數(shù)為12時(shí)，網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)果最好。灌區(qū)地下水位埋深的模擬值和實(shí)測(cè)值擬合結(jié)果見(jiàn)圖6，BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

圖6　地下水位埋深擬合

由圖6可以看出，模型的模擬值與實(shí)測(cè)值變化趨勢(shì)基本一致，擬合效果良好。綜合分析圖6和表1可知，模擬多年平均相對(duì)誤差為4.52%，檢驗(yàn)值平均相對(duì)誤差為2.23%，誤差均在可接受的范圍內(nèi)[15]。說(shuō)明所建立的模型反映了灌區(qū)地下水位動(dòng)態(tài)與變化環(huán)境因素之間的關(guān)系，可以用于灌區(qū)地下水位動(dòng)態(tài)對(duì)變化環(huán)境響應(yīng)的的模擬計(jì)算。

4　灌區(qū)地下水位動(dòng)態(tài)敏感性分析

灌區(qū)地下水系統(tǒng)是一個(gè)開(kāi)放性的自然人工復(fù)合系統(tǒng)，變化環(huán)境因子對(duì)水位動(dòng)態(tài)既有直接作用，也有間接作用，也就是說(shuō)水位動(dòng)態(tài)對(duì)變化環(huán)境因子響應(yīng)的敏感性不盡相同。對(duì)灌區(qū)而言，識(shí)別出敏感性因子對(duì)地下水位動(dòng)態(tài)的合理調(diào)控十分重要。目前，常用的地下水位動(dòng)態(tài)敏感性分析方法有單因素敏感性分析法、灰色關(guān)聯(lián)分析法、缺省因子檢驗(yàn)法等，通經(jīng)分析法相對(duì)于其它的敏感性分析方法來(lái)說(shuō)，可以更為直觀地區(qū)分因子的直接影響與間接影響，并通過(guò)逐步剔除敏感性較弱自變量的方法，最終確定因子敏感性的大小次序[16-19]。因此，本文嘗試運(yùn)用通徑分析方法，進(jìn)行灌區(qū)地下水位動(dòng)態(tài)敏感性分析。

4.1通徑分析的基本原理

通徑分析是在相關(guān)分析與回歸分析的基礎(chǔ)上，應(yīng)用通徑系數(shù)分析方法，研究因變量與自變量之間的數(shù)量關(guān)系，并將相關(guān)系數(shù)分解為直接通徑系數(shù)和間接通徑系數(shù)，以揭示各個(gè)因素對(duì)因變量的相對(duì)重要性[20]。通徑系數(shù)是通經(jīng)分析的基礎(chǔ)性評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，其計(jì)算是從簡(jiǎn)單的相關(guān)系數(shù)矩陣開(kāi)始，通過(guò)求解通徑系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化正規(guī)方程，進(jìn)而求出直接通徑系數(shù)和間接通徑系數(shù)。

設(shè)在p個(gè)自變量x1，x2，…，xp中，每?jī)蓚€(gè)變量之間與因變量y之間的簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)可以構(gòu)成求解通徑系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化正規(guī)方程，見(jiàn)式(1)。

r11ρ1+r12ρ2+…+r1pρp=r1y

r21ρ1+r22ρ2+…+r2pρp=r2y

……………………………………

(1)

rp1ρ1+rp2ρ2+…+rppρp=rpy

式中，ρ1，ρ2，…，ρp為直接通徑系數(shù)，可通過(guò)求解上述相關(guān)矩陣的逆矩陣獲得。假設(shè)Cij為相關(guān)矩陣rij的逆矩陣，那么直接通徑系數(shù)ρi(i=1,2,…,p)可由式(2)得到。

(2)

4.2變化環(huán)境因子的通徑分析

根據(jù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中的1980—2010年的輸入數(shù)據(jù)系列即降水量(x1)、渠首農(nóng)灌引水量(x2)、田間灌溉用水量(x3)、地下水開(kāi)采量(x4)和渠井用水比例(x5)為自變量，基于DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件平臺(tái)，進(jìn)行通徑分析。選用的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)有相關(guān)系數(shù)、通徑系數(shù)、決定系數(shù)，對(duì)回歸方程R2的總貢獻(xiàn)[21]。求解結(jié)果見(jiàn)表2及表3。

表2　自變量對(duì)地下水位埋深的通徑分析

表3　自變量對(duì)地下水位埋深的決定系數(shù)和R2的總貢獻(xiàn)

分析表3和表4可知，各因子對(duì)地下水位動(dòng)態(tài)均有不同程度的影響，但從其直接作用和間接作用來(lái)說(shuō)，有一定的差異。就直接影響程度而言依次為渠井用水比例(x5)、田間灌溉用水量(x3)、地下水開(kāi)采量(x4)、渠首農(nóng)灌引水量(x2)、降水量(x1)。x3與x5對(duì)y的綜合決定系數(shù)絕對(duì)值最大，為2.4459，說(shuō)明二者的相互作用對(duì)y的影響最大；此外，x3，x5對(duì)y的單獨(dú)決定系數(shù)分別1.4113、2.1486，對(duì)R2的總貢獻(xiàn)分別為-0.7138、1.0244，直接通徑系數(shù)分別為1.1880、-1.4658，相較于其他因子數(shù)值最大，這說(shuō)明x3，x5是影響y的重要人類(lèi)活動(dòng)因子；x2與x3，x2與x5，x3與x4及x4對(duì)y的決定系數(shù)也較大，而x1的單獨(dú)或與其他因素綜合的決定系數(shù)均不大，且直接通徑系數(shù)及R2均較小，這說(shuō)明x1對(duì)y的影響程度較小。

4.3地下水位動(dòng)態(tài)敏感性因子分析

利用逐步剔除敏感性較弱自變量的方法，進(jìn)行敏感性分析。在5個(gè)指標(biāo)對(duì)R2的貢獻(xiàn)表中，降水量x1的貢獻(xiàn)最小，且x1的直接和間接通徑系數(shù)的絕對(duì)值也較小，因此首先考慮剔除x1。以此類(lèi)推，表4是逐步剔除不敏感因子的直接通徑系數(shù)和對(duì)R2的總貢獻(xiàn)的計(jì)算結(jié)果。

表4　逐步剔除不敏感因子對(duì)地下水位埋深的通徑分析

剔除x1后，渠首農(nóng)灌引水量x2和地下水開(kāi)采量x4對(duì)R2的總貢獻(xiàn)均較小，但x4的直接通徑系數(shù)絕對(duì)值為0.9274較x2的0.4408大，因此考慮剔除x2；剔除x2后，在剩余的x3，x4和x5對(duì)地下水位埋深y的通徑分析中，x4對(duì)R2的總貢獻(xiàn)和直接通徑系數(shù)均較小，因此繼續(xù)剔除x4；x3和x5對(duì)y的通徑分析結(jié)果顯示，x5的直接通徑系數(shù)和對(duì)回歸方程的總貢獻(xiàn)均大于x3。綜上計(jì)算和分析可知，5個(gè)變化環(huán)境因子對(duì)地下水位埋深y影響的敏感性大小為x5>x3>x4>x2>x1，即渠井用水比例>田間灌溉用水量>地下水開(kāi)采量>渠首農(nóng)灌引水量>降水量。

5　結(jié)　論

1) 降水量、蒸發(fā)量、渠首農(nóng)灌引水量、田間灌溉用水量、地下水開(kāi)采量及渠井用水比例是影響灌區(qū)地下水動(dòng)態(tài)的主要外部環(huán)境因子。趨勢(shì)分析法及Spearman秩次檢驗(yàn)法表明，灌區(qū)降水量下降趨勢(shì)顯著，其線(xiàn)性?xún)A斜率為2.09 mm·a-1，蒸發(fā)量減少趨勢(shì)不明顯，其線(xiàn)性?xún)A斜率為0.04 mm·a-1；地表水灌溉引水量呈減小趨勢(shì)，渠首農(nóng)灌引水量較90年代之前減少了41.6%，地下水開(kāi)采量減少了39.7%，渠井用水比例減小了33.9%；灌區(qū)地下水位埋深呈增加趨勢(shì)，近31 a間，灌區(qū)地下水位累計(jì)降幅為11.88 m，年均降速為0.38 m·a-1。

2) 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的地下水位動(dòng)態(tài)對(duì)變化環(huán)境的響應(yīng)模型模擬結(jié)果表明，地下水位埋深模擬的平均相對(duì)誤差為4.52%，檢驗(yàn)的平均相對(duì)誤差為2.23%，誤差均在可接受范圍之內(nèi)，所建模型能夠用于地下水位動(dòng)態(tài)對(duì)變化環(huán)境響應(yīng)的模擬計(jì)算。

3) 5個(gè)因子的通徑分析結(jié)果表明，人類(lèi)活動(dòng)因子是灌區(qū)地下水位動(dòng)態(tài)的最敏感影響因子；逐步剔除不敏感因子的通徑分析表明，敏感性最大為渠井用水比例，最小為降水量，其次為田間灌溉用水量、地下水開(kāi)采量、渠首農(nóng)灌引水量。

[1]劉燕.涇惠渠灌區(qū)地下水位動(dòng)態(tài)變化特征及成因分析[J].人民長(zhǎng)江,2010,41(8):100-107.

[2]韓業(yè)珍.基于變化環(huán)境的灌區(qū)地下水動(dòng)態(tài)時(shí)空變異規(guī)律研究[D].楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué),2010.

[3]李萍，魏曉妹，降亞楠，等.關(guān)中平原渠井雙灌區(qū)地下水循環(huán)對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2014,30(18):123-131.

[4]Serge Brouy ère, Guy Carabin, Alain Dassargues. Climate change impacts on groundwater resources: modelled deficits in a chalky aquifer, Geer basin, Belgium[J]. Hydrogeology Journal, 2004,12(2):123-134.

[5]周維博.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論在井渠結(jié)合灌區(qū)地下水動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用[J].西北水資源與水工程,2003,14(2):5-9.

[6]陳皓銳，高占義，王少麗，等.基于Modflow的潛水位對(duì)氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)改變的響應(yīng)[J].水利學(xué)報(bào),2012,43(3):344-362.

[7]張冠儒，魏曉妹.基于變化環(huán)境的地下水動(dòng)態(tài)敏感性分析方法研究[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,39(2):223-228.

[8]于國(guó)強(qiáng)，李占斌，張霞，等.洛惠渠灌區(qū)地下水動(dòng)態(tài)敏感因子研究[J].水土保持通報(bào),2009,29(5):137-141.

[9]謝正輝，梁妙玲，袁星，等.黃淮海平原淺層地下水埋深對(duì)氣候變化響應(yīng)[J].水文,2009,29(1):30-35.

[10]劉燕，朱紅艷.涇惠渠灌區(qū)水環(huán)境劣變特征及地下水調(diào)蓄能力分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2011,27(6):19-24.

[11]王德麗.全球變暖環(huán)境下陜北、關(guān)中、陜南氣候變化對(duì)比研究[D].西安:陜西師范大學(xué),2011.

[12]陳太根，董婕.關(guān)中平原近49年來(lái)氣候變化特征分析[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2009,23(12):76-81.

[13]姜鵬，劉俊民，黃一帆，等.涇惠渠地下水對(duì)氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)的響應(yīng)[J].人民黃河,2014,36(5):45-51.

[14]楊忠平，盧文喜，龍玉橋，等.兩種隨機(jī)地下水位動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型在吉林西部的應(yīng)用與對(duì)比[J].水文,2008,28(2):49-54.

[15]李鵬.變化環(huán)境對(duì)灌區(qū)水循環(huán)的影響研究[D].楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué),2014.

[16]高志永，汪有科，周玉紅，等.微觀時(shí)間尺度氣象因子影響露水量的通徑分析[J].西北林學(xué)院學(xué)報(bào),2014,30(5):12-18.

[17]譚靜，陳洪梅，韓學(xué)莉，等.玉米雜交種產(chǎn)量與產(chǎn)量構(gòu)成因素的相關(guān)和通徑分析[J].華北農(nóng)學(xué)報(bào),2009,24(Z2):155-158.

[18]蔡甲冰，劉鈺，許迪，等.基于通徑分析原理的冬小麥缺水診斷指標(biāo)敏感性分析[J].水利學(xué)報(bào),2008,39(1):83-90.

[19]邵光成，俞雙恩，劉娜，等.通徑分析在冬小麥?zhǔn)軡n脅迫診斷指標(biāo)敏感性分析中的應(yīng)用[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào),2011,19(4):527-534.

[20]唐啟義，馮明光.DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng):實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、統(tǒng)計(jì)分析及數(shù)據(jù)挖掘[M].北京:科學(xué)出版社,2007:631-636.

[21]明道緒.通徑分析—基本步驟[J].四川農(nóng)學(xué)院學(xué)報(bào),1983,1(1):129-136.

Groundwater dynamic response and sensitivity analysis to the changing environment in the canal-well combined irrigation area

ZHANG Jing-jing, WEI Xiao-mei, JIANG Ya-nan

(College of Water Resources and Architectural Engineering, Northwest A&F University, Yangling, Shaanxi 712100, China)

This study analyzed variations of characteristics of external environment factors for groundwater system of Jinghui canal irrigation area using the Linear trend analysis and Spearman ranking test. A response model of groundwater dynamic affected by external environment was established based on the BP artificial neural network. The sensitivity of the groundwater dynamic of the irrigation area was analyzed by path analysis. The results showed that precipitation was declined significantly, with a linear slope rate of 2.09 mm·a-1. Evaporation was raised by 0.04 mm·a-1, which was not obvious in over 30 years. Surface irrigation became decreased. Irrigation intake water from canal head went decreased by 41.6% from that in 1990s. Groundwater exploitation and water ratio of channel vs. well were decreased by 39.7% and 33.9%, respectively. Groundwater depth became increased gradually, and groundwater level cumulative was declined by 11.88m in recent 31 years. The simulation and test average relative errors were 4.52% and 2.23%, reaching acceptable levels. The most sensitive environment factor was water ratio of channel vs. well, and the least was precipitation.

jinghui canal irrigation area; groundwater level; environmental change; response; path analysis

1000-7601(2016)05-0215-07

10.7606/j.issn.1000-7601.2016.05.33

2015-10-30

水利部公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)(201301016)；陜西省水利科技計(jì)劃項(xiàng)目資助(2011-07)；國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAD08B01)

張京京(1989—)，女，河南商丘人，碩士研究生，研究方向?yàn)樗Y源利用與保護(hù)。E-mail: 971887350@qq.com。

魏曉妹(1957—)，女，甘肅甘谷人，教授，博士，主要從事水量轉(zhuǎn)化理論與調(diào)控技術(shù)研究。E-mail: weixiaomei57@tom.com。

S273.4

A