王淑虹，王吉偉，楊 廣，李小龍，喬長(zhǎng)錄，劉 兵，武亞閣，王文贊

(1.新疆兵團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)院(集團(tuán))有限責(zé)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(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832000；4.現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 832000)

地下水作為水文系統(tǒng)中重要儲(chǔ)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(duì)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(shí)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(duì)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(shí)間等多種因素對(duì)地下水補(bǔ)給量的影響使其在時(shí)間和空間上表現(xiàn)出不同程度波動(dòng)[5]。水田面積的減少導(dǎo)致地下水補(bǔ)給量的減少，進(jìn)而影響地下水位的變化[6]。同時(shí)，地下水開采也會(huì)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(bǔ)給的減少導(dǎo)致地下水位下降[8]。為灌溉而過(guò)度開采地下水是導(dǎo)致研究區(qū)地下水位下降的主要原因[9]。地下水位過(guò)度下降至臨界水位之下，會(huì)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(bǔ)給和排泄區(qū)可以表征地下水流動(dòng)系統(tǒng)的有效性[12]。人類活動(dòng)對(duì)研究區(qū)地下水成分的影響主要包括過(guò)度開采、畜牧業(yè)和農(nóng)業(yè)，這些活動(dòng)可能改變地下水的補(bǔ)給和排泄條件，導(dǎo)致地下水水位發(fā)生變化，對(duì)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(dòng)系統(tǒng)中是老的。地下水開采會(huì)引起強(qiáng)烈的向下水力梯度，導(dǎo)致淺層高TDS等高濃度地下水向深部半細(xì)粒含水層滲漏補(bǔ)給[15]，引起水質(zhì)變差?，敿{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(jì)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(biāo)[16]。地下水過(guò)量開采造成地下水位不斷下降可能對(duì)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(lái)的一系列生態(tài)問(wèn)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(dòng)態(tài)變化規(guī)律，運(yùn)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(xué)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(dú)特的山盆系統(tǒng)決定了其水文過(guò)程的特殊性：發(fā)源于山區(qū)，在綠洲區(qū)利用與運(yùn)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(gè)灌區(qū)：金安、石河子、下野地、莫索灣。流域?qū)儆诘湫偷臏貛Т箨懶詺夂颍珊抵笖?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(shì)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(bǔ)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(bǔ)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?jiǎng)澐譃?①上更新統(tǒng)承壓水含水巖組，形成時(shí)間最近，埋藏最淺，此含水層組成物質(zhì)的主要為細(xì)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(xì)沙，北部砂顆粒更細(xì)，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(xì)沙沉積而成。細(xì)沙層在東南較多，西北較少，兩地間細(xì)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(xì)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(lái)源

收集了2012—2019年瑪納斯河流域4個(gè)灌區(qū)(圖3)地下水位監(jiān)測(cè)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(jì)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(lái)源于瑪納斯河流域31眼地下水常觀井水位觀測(cè)資料，觀測(cè)井位置見圖1，主要包括觀測(cè)孔經(jīng)緯度、地表標(biāo)高、水位標(biāo)高、地下水埋深等；土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源與環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn)；水資源利用數(shù)據(jù)來(lái)源于《瑪納斯河流域規(guī)劃水文地質(zhì)勘探報(bào)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(bào)告》《新疆水資源公報(bào)》[24-29]。

1.4 研究方法

通過(guò)對(duì)研究區(qū)2012—2019年地下水水位標(biāo)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(gè)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(píng)判變量波動(dòng)性的評(píng)判指標(biāo)，反映樣本值與樣本均值的比較，其值可以反映出每個(gè)樣本值異常程度，襯度系數(shù)方差分析需先求每個(gè)變量的襯度系數(shù)值[30]。

離散型變量方差計(jì)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(yùn)用主成分方法；回歸分析模塊主要是運(yùn)用多元線性回歸分析，用特定的線性回歸模型來(lái)擬合因變量與自變量的數(shù)據(jù)，通過(guò)確定模型參數(shù)來(lái)得到回歸方程[31]。

數(shù)學(xué)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(xiàng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 地下水位動(dòng)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(cè)井對(duì)研究區(qū)地下水位的變化規(guī)律進(jìn)行分析，見圖4。31眼觀測(cè)井記錄了2012—2019年的地下水?dāng)?shù)據(jù)，包括有孔口標(biāo)高、地面標(biāo)高、水位標(biāo)高、水位埋深、溫度、氣壓值、數(shù)據(jù)采集時(shí)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(gè)區(qū)域所有觀測(cè)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(gè)階段：先下降后上升然后再逐年波動(dòng)下降，下降趨勢(shì)逐漸變緩。①下野地灌區(qū)2012—2015年地下水位處于波動(dòng)下降趨勢(shì)，2015—2016年水位回升，2016—2019年水位又開始下降，下降趨勢(shì)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(dòng)下降，2015—2016年水位回升，2016—2019年逐漸下降，下降趨勢(shì)越來(lái)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(gè)階段：波動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(gè)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(gè)別井1—4月處于波動(dòng)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(duì)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(yùn)用襯度系數(shù)方差公式對(duì)瑪納斯河流域31眼觀測(cè)井進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，見表1，由于數(shù)值比較小，為便于對(duì)比分析，將地下水水位襯度系數(shù)方差值擴(kuò)大105倍。從表1可以看出，研究區(qū)4個(gè)灌區(qū)30眼觀測(cè)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(dòng)幅度最小的灌區(qū)是金安，波動(dòng)幅度最大的是莫索灣。對(duì)地下水水位襯度系數(shù)方差值進(jìn)行ArcGIS插值處理，見圖6。研究區(qū)地下水位波動(dòng)呈明顯的空間分異特征，形成3個(gè)較大和好幾個(gè)較小的地下水位波動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(zhǎng)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(dòng)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(shì)，2013年6月至2017年處于波動(dòng)下降的趨勢(shì)，2017年至今，地下水使用量有微小波動(dòng)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(dòng)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(diǎn)，選取年降雨量X1、年蒸發(fā)量X22個(gè)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(gè)人類活動(dòng)因子，共6個(gè)影響因子定量化驗(yàn)證分析瑪納斯河流域平原區(qū)地下水水位動(dòng)態(tài)變化的影響因素。采用SPSS25軟件的相關(guān)分析工具計(jì)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(fù)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(shuō)明水資源的利用量和地下水使用量增加導(dǎo)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(shuō)明耕地面積的增加使得水資源利用量增加。通過(guò)SPSS25軟件的主成分分析方法提取成分，將多個(gè)影響因子通過(guò)線性變換濃縮為少數(shù)幾個(gè)主成分指標(biāo)，重新整合為一組不相關(guān)的新的綜合指標(biāo)代替原來(lái)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(xiàn)率

前3個(gè)主成分的特征值均大于1，且累計(jì)貢獻(xiàn)率已經(jīng)達(dá)到92.538%，說(shuō)明已經(jīng)包含原有6個(gè)驅(qū)動(dòng)因子的大部分信息，故此提取這3個(gè)主成分并計(jì)算其特征值對(duì)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(jì)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(yàn)值為12.978，顯著性概率P=0.016<0.05，說(shuō)明式(5)的回歸效果好。同時(shí)對(duì)式(5)的系數(shù)進(jìn)行t檢驗(yàn)，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(shuō)明人為因子對(duì)地下水水位具有顯著影響；Z2的顯著性P=0.023<0.05，這說(shuō)明氣候因子對(duì)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(duì)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(dòng)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(duì)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(guò)對(duì)瑪納斯河流域地下水埋深進(jìn)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(lái)該研究區(qū)大面積實(shí)施的節(jié)水灌溉措施，對(duì)水資源的嚴(yán)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(fèi)，進(jìn)而使了地下水的開采有下降的趨勢(shì)。隨著節(jié)水灌溉措施和水資源“三條紅線”的實(shí)施，地下水位有所回升，最后趨于平穩(wěn)。即使對(duì)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(bǔ)給不及消耗，地下水位也是呈持續(xù)下降的趨勢(shì)，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(duì)地下水位的影響

Mustafa S等[9,15,35]發(fā)現(xiàn)抽取地下水進(jìn)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(duì)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(jì)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(duì)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(duì)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(duì)干燥，使得無(wú)論灌溉還是降水，地下水得不到充分的入滲補(bǔ)給，加上一直以來(lái)對(duì)地下水的過(guò)度開采，使得地下水位持續(xù)下降。蒸發(fā)對(duì)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(gè)重要因素。當(dāng)埋深大于6 m時(shí)，潛水蒸發(fā)值為0。

3 結(jié)論

對(duì)瑪納斯河流域平原地區(qū)2012—2019年的地下水位數(shù)據(jù)進(jìn)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(gè)階段：先下降后上升然后再逐年波動(dòng)下降，其中逐年波動(dòng)下降趨勢(shì)變緩；年內(nèi)變化也可分為3個(gè)時(shí)期：波動(dòng)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(dǎo)的作用；人為活動(dòng)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(duì)地下水位的影響較大。