希尼爾水庫灌區地下水埋深時間穩定性分析

徐繼紅

(新疆塔里木河流域管理局， 新疆 庫爾勒 841000)

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希尼爾水庫灌區地下水埋深時間穩定性分析

徐繼紅

(新疆塔里木河流域管理局， 新疆 庫爾勒 841000)

該研究基于2004—2013年對新疆希尼爾水庫灌區13個觀測井地下水埋深的長序列監測結果，利用相對差分法、Spearman秩相關系數法和Morlet小波變換的方法分析了研究區地下水埋深的時間穩定性和周期性特征。結果表明：在不同監測時間的地下水埋深均屬于中等變異，變異系數的范圍為44%～75%。地下水埋深表現出強烈的時間穩定性；小波分析表明研究區地下水埋深存在周期性變化。研究結果為灌區合理開發利用地下水資源以降低土壤鹽漬化風險提供了一定的參考。

地下水； 埋深； 時間穩定性； 希尼爾水庫

土壤鹽漬化是由自然或人類活動引起的重要環境問題，特別是在干旱和半干旱地區。在全球范圍內，每年大約有1000萬hm2灌溉土地因為土壤鹽漬化而荒棄。土壤鹽漬化降低了土壤質量，限制了作物生長，降低了農業生產力，且在嚴重的情況下會導致農地棄耕。土壤鹽漬化已經引起了全世界的極大關注，其分布、成因、危害及其預防措施都得到了很好的研究，一些新技術也被成功地用來識別和監測受鹽漬化威脅的地區。時間穩定性的概念被定義為土壤性質的統計參數和空間位置之間不隨時間變化的關聯性[1]。Vachaud等最先提出了時間穩定性的概念，假設特定位置可以在一段時間內代表一個試驗區的平均值[2]。其他研究人員隨后的研究支持了這一假設[3]。時間穩定性的概念可以極大地降低表征野外土壤水分含量所需的樣本數。鑒于土壤水分時間穩定性應用的巨大潛力，這個概念受到了極大關注。一些學者也把時間穩定性的概念應用到了土壤性質的其他方面，如Castrignanò研究了土壤電導率和鈉含量的時間穩定性[4]；Douaik分析了土壤鹽分空間格局的時間穩定性，發現低鹽點具有更好的時間穩定性，高鹽點具有最弱的時間穩定性[1]。

希尼爾水庫灌區是新疆尉犁縣重要的農業灌區，土壤鹽漬化始終是當地農業生產發展的潛在威脅。由于人類的過度開發和利用，當地的土壤鹽漬化和灌溉引起的土壤次生鹽漬化面積不斷擴大，威脅著可持續生產和耕地保護。地下水埋深是用來確定灌區是否會引起土壤鹽漬化的主要指標之一，目前為止，地下水埋深時間穩定性的相關研究鮮見報道。因此，評價地下水埋深的時間穩定性，對灌區地下水資源的監測、評價與開發具有重要意義。

1 研究區概況

希尼爾水庫灌區屬溫帶大陸性干旱氣候區，多年平均氣溫為11.5℃，多年平均降雨量為55mm，多年平均蒸發量為2150mm，年均地下水埋深為3～10m。灌區地下水補給來源主要是引水灌溉，地面20～30m以下的古湖沉積物中富集了大量的可溶鹽類，在水循環作用下，古湖沉積物中富集的可溶鹽上升，致使潛水礦化度偏高，有些地區水味咸苦，不能引灌。目前，灌區種植的主要是小麥、紅棗、棉花、蔬菜等作物。

2 研究方法

2004—2013年對希尼爾灌區13個觀測井的地下水埋深特征進行監測分析。

2.1 分析方法

兩種方法被用來檢驗地下水埋深的時間穩定性：相對差分法和Spearman秩相關系數法[2]。對于相對差分法，相對差分δij是基于測量點i(i=1,…,13)在時間j(j=1,…,10)的地下水埋深與時間j的所有測量值的均值的差，即

(1)

相對差分在時間上的均值(mean relative difference，MRD)，即平均相對差分和標準差(standard deviation of relative difference，SDRD)的計算公式分別為

(2)

(3)

式中m——測量的次數。

所有測量點按照MRD由小到大的順序排列起來，并標注出每一個樣點的SDRD。小的MRD值表示位置點有時間穩定性，大的MRD值表示位置點存在強的時間變異性。根據Vachaud等的結論，如果一個樣點的MRD接近于零并且SDRD也比較小，那么這個點就是代表性位置點。位置點MRD值在±0.05范圍內可以被認為是接近于0[5]。樣點的MRD值在±0.05之間變化是預測研究區地下水平均埋深狀況的一個必要條件，時間穩定性位置點要滿足的另一個條件是SDRD值較小。

第二種方法是基于非參數Spearman秩相關系數rs：

(4)

式中Rij——在位置點i和時間j觀測值的秩；

Rik——觀測值在同一個位置點i而不同時間k的秩；

n——觀測點總數。

所有觀測點在不同測量時間的這種相關性均被計算。rs是一個介于-1和+1之間的變量，rs值越接近于1說明時間穩定性越好，越接近于0說明時間穩定性越差。

不同時間尺度下的地下水埋深的周期性采用Morlet小波變換分析[6]。

3 結果與分析

3.1 地下水埋深的時間變化特征

2004—2013年10個時間點下不同觀測井點地下水埋深的統計特征見表1。變異系數(coefficient of variation,CV)可以用來定量確定空間變異的程度：弱變異CV≤10%，中等變異10%

3.2 地下水埋深的時間穩定性分析

Spearman秩相關系數法是一個可以表達同一變量在不同時間變化強度和方向的非參數檢驗方法[1]，主要反映測量樣點空間模式在時間上的相似性。井點地下水埋深在10個時間點的Spearman秩相關系數(rs)見表2。由表2可見，rs變化范圍為0.74～0.99，其值均在P<0.01水平極顯著相關且大部分rs值均接近于1，這說明研究區地下水埋深表現出強烈的時間穩定性。

表1 不同時間觀測井地下水埋深統計特征

表2 不同時間點的地下水埋深Spearman秩相關系數

3.3 地下水埋深的周期性

基于小波變換分析了研究區地下水埋深的周期性，2008年3月—2009年3月研究區典型井點(3號井與10號井)的地下水水位距平值Morlet小波變換見下頁圖。小波系數的大小代表了信號強弱。等值線顏色越淺，小波系數值越高，埋深值越大，反之則小波系數值越低。在200d之前，3號井的地下水埋深在120d尺度振動明顯；在200d之后，其在200d尺度振動明顯。地下水埋深振動周期隨著時間的推移逐漸變大。2008年3月—2008年9月期間，地下水埋深振動周期小，埋深變化較快；2008年9月—2009年9月期間，埋深振動周期大，埋深變化相對緩慢。根據地下水埋深小波系數求得相應尺度的小波方差，結果有3個峰值，分別對應于時間尺度90d、200d和310d。地下水水位最明顯的振動周期為250d，小波方差峰值對應的時間尺度為60d和300d。10號井地下水埋深在300d尺度振動明顯，小波方差有3個峰值，分別對應于時間尺度60d、90d和280d。地下水水位最明顯的振動周期為300d，小波方差峰值對應的時間尺度為60d、90d和360d。因此，3號井和10號井的地下水埋深在不同的時間尺度下均呈現出不同的周期性。

不同時間尺度下的地下水埋深距平小波變換圖

4 結 語

a.希尼爾水庫灌區地下水埋深在不同監測時間均屬于中等變異，其變異系數CV的范圍為0.64～0.75。

b.研究區地下水埋深數據的秩相關系數rs變化范圍為0.74～0.99，其值均在P<0.01水平極顯著相關且大部分rs值均接近于1，地下水埋深具有強烈的時間穩定性。

c.基于對研究區3號井和10號井地下水埋深的小波分析，表明研究區地下水埋深存在不同時間尺度下的周期性變化。

[1] Douaik A.Temporal stability of spatial patterns of soil salinity determined from laboratory and field electrolytic conductivity[J]. Arid Land Research and Management, 2006(20): 1-13.

[2] Vachaud G, De Silans A P, Balabanis P. Temporal stability of spatially measured soil water probability density function[J]. Soil Science Society of America Journal, 1985,49(4): 822-828.

[3] Grayson R B, Western A W. Towards areal estimation of soil water content from point measurements: time and space stability of mean response[J]. Journal of Hydrology, 1998, 207(1/2): 68-82.

[4] Castrignano A, Lopez G. Temporal and spatial variability of electrolytic conductivity, Na content and sodium adsorption ratio of saturation extract measurements[J]. European Journal of Agronomy,1993,3(3):221-226.

[5] Gao L, Shao M A. Temporal stability of shallow soil water content for three adjacent transects on a hillslope[J]. Agricultural Water Management, 2012(110): 41-54.

[6] Grossman A, Morlet J. Decomposition of Hardy functions into square integrable wavelets of constant shape[J]. SIAM J. Math. Anal., 1984, 15(4): 723-736.

[7] Nielsen D R, Bouma J. Soil spatial variability[M]. Pudoc:Wageningen, 1985.

Analysis on groundwater buried depth time stability in Xinier Reservoir irrigation district

XU Jihong

(Xinjiang Tarim River Basin Administration, Korla 841000, China)

The research is based on long series monitoring results of 13 observation well groundwater buried depth in Xinjiang Xinier Reservoir irrigation district from 2004 to 2013. Relative difference method, Spearman rank correlation coefficient method and Morlet wavelet transform method are utilized to analyze the time stability and periodic characteristics of groundwater buried depth in the study area. The results show that the buried depth of groundwater in different monitoring time belongs to medium variation. The range of variation coefficient is 44%～75%. Groundwater buried depth shows strong time stability. Wavelet analysis shows that the embedded depth of groundwater in the study area has cyclical change. The results of the study provide certain reference for reasonable exploitation and utilization of groundwater resources and reduce soil salinization risk in the irrigation district.

groundwater; buried depth; time stability; Xinier Reservoir

10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2016.07.020

TV213.4

B

2096- 0131(2016)07- 0070- 04