陳相坤

(和田水文勘測局，新疆 和田 848000)

水資源供應是制約區(qū)域發(fā)展的關(guān)鍵因素，并且與干旱半干旱地區(qū)的人民生產(chǎn)和生計密切相關(guān)。珍貴地下水資源的可持續(xù)管理對生態(tài)系統(tǒng)至關(guān)重要，特別是在干旱地區(qū)對于此類資源嚴重依賴。合理地開發(fā)和利用稀缺的水資源是滿足區(qū)域發(fā)展需求的重要課題，而且是全球性的重要課題。為了更合理地利用地下水，研究地下水水文過程的機理及其影響因素具有重要意義。在大多數(shù)情況下，干旱和半干旱地區(qū)的地下水對氣候變化和農(nóng)業(yè)活動非常敏感，研究發(fā)現(xiàn)溫度、降水和蒸散等氣候因素對地下水位有顯著影響。近年來，地下水開采已占全球總用水量的絕大部分。在許多地區(qū)，地下水開采已成為影響區(qū)域地下水資源和區(qū)域地下水水質(zhì)的主要因素。不合理的農(nóng)業(yè)活動會嚴重破壞區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)。因此，我們將研究重點放在氣候、土地利用和地下水開采的三個因素上[1]。目前，用于分析地下水資源影響因素的方法主要集中在統(tǒng)計和數(shù)值模型模擬方法上，例如主成分分析、多元回歸和copula函數(shù)已在許多領(lǐng)域得到廣泛使用。這些方法具有計算速度快和所需數(shù)據(jù)量少的優(yōu)點。但是，這些方法都無法從水文過程本身的機制來描述整個地下水過程，這在很大程度上反映了空間差異。從綜合水文系統(tǒng)的角度來看， MIKE-SHE模型[2]在模擬水平衡、流域水文過程、地下水地表水等方面的能力更強。同時，這種方法可以在飽和區(qū)域進行的灌溉模擬和抽水井模擬非常適合于農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)域的地下水模擬。同時對于數(shù)據(jù)稀缺的干旱地區(qū)，受大量數(shù)據(jù)需求的限制，使用這種分布式水文模型建模的研究仍然非常匱乏。

1 研究區(qū)域

焉耆盆地位于新疆塔里木盆地東北側(cè)，是天山山脈中的一個山間盆地，因盆地中的焉耆縣而得名。焉耆盆地是介于天山主脈及其分支之間的中生代斷陷盆地。東西長170 km，南北寬80 km，面積約1.3×104km2。由西北向東南傾斜，邊緣高程約1 200 m，最低博斯騰湖面1 047 m。焉耆盆地年均氣溫8.5℃，日平均氣溫≥10℃，平均無霜期185 d，極端最高氣溫為38.8℃，最熱月平均氣溫23.2℃，極端最低氣溫為-30.7℃，最冷月平均氣溫-11.2℃，年平均氣溫日較差14.8℃，年日照時數(shù)2 980 h，年平均降水量79.8 mm，年平均蒸發(fā)量1 876.7 mm，年平均相對濕度57%。

焉耆盆地是新疆南北部氣候交錯帶，冬季嚴寒，春季升溫快，夏季氣候溫和，秋季降溫快。具有日照充足、熱量充沛、日溫差大、降水量少、蒸發(fā)量大、空氣干燥等典型的綠洲氣候特征。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)收集

根據(jù)研究目的和MIKE-SHE水文模型的要求，所需數(shù)據(jù)主要包括地形、氣象、土地利用、水文、土壤和灌溉數(shù)據(jù)，水文數(shù)據(jù)包括地表水和地下水。地表水資料主要來源于BLSM水文站的水文資料。就地下水而言，該數(shù)據(jù)是從三個觀測井L46，L47和L48收集。

2.2 研究方法

根據(jù)本文的目的需要對歷史氣候變化趨勢進行分析。Mann-Kendall非參數(shù)趨勢檢驗，以下簡稱M-K方法，是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法[3]。這是世界氣象組織推薦的環(huán)境數(shù)據(jù)時間序列趨勢分析的主要方法。該方法計算了序列時間序列的標準正態(tài)分布UF和逆序列時間序列的標準正態(tài)分布UB，繪制了曲線并與標準臨界值進行了比較。非常適合于非正態(tài)分布數(shù)據(jù)的分析，不需要樣本遵循特定的分布，并且受異常值的干擾較小。是判斷一個系列(上升或下降)發(fā)展趨勢的一種測試方法。具體方法如下[4]：

對于具有n個樣本量的長時間序列，構(gòu)造一個秩序列：

(1)

式中：當Xi>Xj時，ri=1；當Xi

在原序列相互獨立且相同連續(xù)分布條件下，定義統(tǒng)計量：

(2)

式中：UFk表示標準正態(tài)分布組成的曲線，同理按照Xn，Xn-1，…，X1，可以求出時間序列的逆序列UBk。Sk表示累計值，E(Sk)表示累計值Sk的均值，Var(Sk)累計值Sk的方差，所以UF1=0。

對于相互獨立且連續(xù)分布的時間序列X1，累計值Sk的均值和方差計算公式為：

(3)

(4)

將Ufk和UBk統(tǒng)計曲線與給定的顯著性水平α組合在同一圖表上：

(1) 如果UF或UB的值大于0，則表明測定順序有上升趨勢，否則為下降趨勢；

(2)若超過臨界線±1.96(α=0.05)，表明上升或下降趨勢顯著，超出范圍的部分確定為突變的時間區(qū)域；

(3) 如果UF和UB兩條曲線相交，且相交點在臨界線之間，則相交點對應的時間為突變開始時間；

(4) 如果曲線UF超過交點后的臨界線，則表示數(shù)據(jù)的突變，α<0.05時顯著性檢驗通過，否則不通過。

2.3 研究結(jié)果

2.3.1 土地利用變化情景分析

根據(jù)統(tǒng)計分析，近20 a中，耕地向其他土地利用類型的轉(zhuǎn)化最大，耕地主要轉(zhuǎn)化為居住用地，中密度草地和高密度草地，轉(zhuǎn)化量為分別為10.5、9和8 km2。第二個最顯著的轉(zhuǎn)換是在8.66 km2處從低覆蓋度草轉(zhuǎn)換為中覆蓋度草。綜合所有變化，該時期變化的土地利用面積約為72.59 km2，占總面積的26.5%。該地區(qū)土地利用變化的主要特征是，隨著區(qū)域城市化速度的加快和退耕還林還草政策的實施，耕地大大減少。

圖1 20a前(左)和20a后(右)的土地利用對比圖

2.3.2 對主要因素進行定量分析影響區(qū)域地下水位

使用MIKE-SHE模型來模擬全年的地下水變化。結(jié)果表明，在過去的幾年中，隨著氣候，土地利用和地下水開采量的變化，整個區(qū)域的地下水位趨于穩(wěn)定，并且地下水組成的結(jié)構(gòu)沒有改變。一般而言，該地區(qū)的地下水位分布從東北到西南逐漸減少。區(qū)域地下水變化反映了非常強烈的季節(jié)性。研究區(qū)域中河東部支流和西部支流之間的三角形中的地下水變化在7月最為明顯。由于河流的供應，當七月份的水位最低時，河流周圍的水位略高于遠離河流的位置。這一發(fā)現(xiàn)可以間接反映出河流補給地下水的能力可能會在7月達到頂峰這一事實。

通過使用單因素分析方法比較兩種方案，計算了每個影響因素的平均離散度和平均范圍。下表顯示了不同點位的結(jié)果。分散程度越大，該因素對地下水的影響越大，如表1所示。

表1 不同特征點對地下水位變化影響因子的離散度和范圍

對于整個地下水水文過程，這三個因素的影響在不同地區(qū)有所不同。但是，在這些區(qū)域中，提取的地下水量是影響的主要因素，平均分散度為0.883。地下水提取的影響程度明顯大于其他兩個因素。氣候因子為次，分散度為0.094，土地使用對區(qū)域地下水位變化的影響很小，分散度僅為0.025。同時，范圍的計算結(jié)果與分散度結(jié)果基本一致。地下水開采水量的變化導致整個區(qū)域的平均地下水位最大變化為2.3 m，而氣候變化僅引起0.24 m的變化，而土地利用引起的變化為0.068 m。該結(jié)果基本上與先前的定性判斷是一致的。即地下水提取量的變化是研究區(qū)域地下水變化的最重要原因。因此地下水開采控制了該地區(qū)的整體地下水趨勢。氣候變化和土地利用變化對此趨勢做出了貢獻但影響較小。

3 結(jié)語

本文通過M-K檢驗方法中MIKE-SHE模型，定量分析了土地利用、氣候和地下水開采變化對區(qū)域地下水位的影響。根據(jù)地下水位變化的綜合趨勢以及地下水與河流的相互作用，得出以下結(jié)論：

(1)MIKE-SHE模型建立分布式水文模型是可行的。在數(shù)據(jù)稀缺區(qū)域具有完全的物理意義，建立參數(shù)物理模型將加深我們對地下水循環(huán)機制的理解，并有助于干旱灌溉地區(qū)的地下水管理；

(2)該地區(qū)的地下水變化表現(xiàn)出強烈的季節(jié)性；

(3)抽取地下水是造成區(qū)域地下水位時空變化的主要原因，地下水抽取對研究區(qū)域的10%產(chǎn)生了很大的影響。

因此，根據(jù)地下水開采變化對地下水影響的范圍和程度，對敏感地區(qū)地下水水位與地下水開采之間的關(guān)系進行二次擬合，為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供建議。但是，結(jié)果仍然有局限性。為了更好地進行地下水資源的可持續(xù)管理，在干旱灌區(qū)進行可持續(xù)地下水管理的研究應綜合多學科，了解地下水循環(huán)機制，建立生態(tài)環(huán)境與地下水的關(guān)系。