生態(tài)脆弱草原區(qū)地下水位對降水要素變化的響應(yīng)

崔英杰，魏永富，郭中小，廖梓龍，龍胤慧

(1.水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所，呼和浩特 010020，2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100044)

降水是流域水循環(huán)過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，降水入滲補(bǔ)給是地下水系統(tǒng)補(bǔ)給項的重要組成部分。近年來，在氣候干暖化和強(qiáng)人類活動背景下，地下水資源開發(fā)利用程度不斷增加，地下水位下降導(dǎo)致包氣帶增厚，延緩甚至改變了天然降水入滲補(bǔ)給過程，減弱了地下水位對不同降水要素的響應(yīng)程度，這一特征在中國北方半干旱的生態(tài)脆弱草原區(qū)尤為顯著。

地下水位對降水要素變化的響應(yīng)規(guī)律是水資源管理研究的熱點和難點[1,2]，如謝正輝[3]等利用陸面水文模型VIC驅(qū)動統(tǒng)計模型RTFN探討黃淮海平原地區(qū)淺層地下水埋深對降水等氣候因素變化的響應(yīng)；陸垂裕[4]等利用水循環(huán)模擬與地下水?dāng)?shù)值模擬緊密耦合的綜合性水文循環(huán)模型MODCYCLE為研究工具，探索通遼市水循環(huán)影響下的地下水補(bǔ)給與降水的相關(guān)關(guān)系；叢振濤[5]等用3種不同降水歷時分布的Poisson模型分析討論潮白河密云水庫上游流域降水時間變化趨勢、空間分布特征與模型適用性等問題。在中國北方內(nèi)陸干旱區(qū)，地下水位對降水要素變化的響應(yīng)不僅更為突出，而且更加復(fù)雜，僅從降水量宏觀年際變化趨勢把握地下水位響應(yīng)過程勢必會給水資源管理與決策帶來誤導(dǎo)。以錫林浩特市典型草原為代表的生態(tài)脆弱草原區(qū)多位于內(nèi)陸河流域，干旱少雨，蒸發(fā)量大[6]，地下水是該區(qū)域生產(chǎn)、生活和生態(tài)的關(guān)鍵供水水源，受地形地貌和降水時空分布差異性影響，降水要素變化存在一定的隨機(jī)性和不確定性，地下水位的響應(yīng)特征也呈現(xiàn)一定的突變性和跳躍性，因此，研究不同埋深時期地下水位對不同降水要素的響應(yīng)特征，對促進(jìn)生態(tài)脆弱草原區(qū)生態(tài)良性循環(huán)和資源永續(xù)利用具有一定的指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況

錫林浩特市(N43°02′～44°52′，E115°13′～117°06′)隸屬于內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟，是盟公署所在地，水資源總量為2.313 4 億m3，其中，地表水資源量為2 551.08 萬m3，地下水資源量為2.173 091 億m3。錫林浩特境內(nèi)最大河流為錫林河，屬于內(nèi)陸河，全長268.1 km，流域面積1.054 2 萬km2，錫林河多年平均徑流量1 878.96 萬m3，年降水量200～350 mm，年蒸發(fā)量1 500～2 600 mm。第四系松散沉積物廣泛分布于錫林河谷沖積平原區(qū)和丘間溝谷洼地中，新生代玄武巖分布于錫林浩特市南部區(qū)。沉積了上百米厚第四系松散層，儲藏著豐富的孔隙潛水，含水層一般厚度為30～60 m，最大可達(dá)95 m，上層潛水涌水量500～1 000 m3/d，下層微承壓水涌水量為1 000～3 000 m3/d。錫林浩特草原以典型草原為主，其面積為10 628.10 萬km2，為錫林浩特總草原面積的80.3%，其余為草甸草原和低平地草甸類。地下水是錫林浩特市最主要的供水水源，近十幾年來，在人類活動的影響下，研究區(qū)地下水的補(bǔ)排條件及水均衡要素均發(fā)生了變化，地下水開采量陡增，水位下降明顯，開采漏斗呈逐年增大趨勢(見圖1)。

圖1 研究區(qū)概況Fig.1 Overview of the study area

2 研究方法

2.1 Mann-Kendall趨勢突變檢驗方法

Mann-Kendall法(以下簡稱M-K法)是適用于水文、氣象等非正態(tài)分布的數(shù)據(jù)的評估檢測氣候要素時間序列趨勢的檢驗方法。基本原理如下[7, 8]。

時間序列數(shù)據(jù)(x1,x2,…,xn)是n個獨立同分布的樣本，檢驗統(tǒng)計量 的計算公式為：

(3)

Z為正值時表示序列有增加的趨勢，負(fù)值表示序列有減少的趨勢。Z的絕對值在大于1.28、1.64、2.32時表示分別通過置信度90%、95%、99%顯著性檢驗。

當(dāng)M-K法進(jìn)一步用于突變性檢驗時，檢驗統(tǒng)計量UFk計算公式為：

(4)

(5)

(6)

在逆序列中重復(fù)此法，并將計算值求反后得出UBk。當(dāng)|UFk|超過給定顯著性水平a0，表示序列的變化趨勢顯著，若UFk和UBk曲線的交點位于顯著性水平線之間，則此交點即為序列突變的開始時刻。

2.2 基于Poisson分布的降水模型

錫林浩特市位于中緯度西北風(fēng)氣流帶內(nèi)，屬中溫帶半干旱大陸性氣候，該區(qū)域年降水量在200～350 mm區(qū)間[8]，蒸發(fā)量為1 500～2 600 mm。考慮到研究區(qū)蒸發(fā)量大，降水量較少，降水間隔時間較長，降水強(qiáng)度波動較大，年降水量分析降水對地下水位響應(yīng)的規(guī)律不明顯。因此，本文通過符合Poisson分布的降水模型，對日平均降水量、日降水強(qiáng)度以及日均降水次數(shù)進(jìn)行模擬分析，討論上述降水要素對地下水位的響應(yīng)規(guī)律。

2.2.1 一般Poisson分布模型

假設(shè)隨機(jī)變量X的可能取值為0,1,2，…，而(X=k)的概率為：

(7)

式(1)即為Poisson分布的一般公式[9]。其中λ>0表示隨機(jī)事件的平均發(fā)生率，λ越小，偏態(tài)分布越顯著；λ越大，分布越趨于對稱。

降水過程可以看做是一種關(guān)于降水時間間隔tb、降水歷時tr、降水強(qiáng)度i等水文要素的隨機(jī)分布，其中泊松分布是最典型和應(yīng)用最廣的一種。假設(shè)降水事件連續(xù)且相互獨立，設(shè)Δt時間內(nèi)發(fā)生一次降水的概率為p，而在Δt時間內(nèi)發(fā)生超過一次降水的概率可忽略不計。可推得在總歷時t=nΔt內(nèi)發(fā)生θ=k場降水的概率pθ|t(k)的Poisson分布為：

(8)

其期望和方差分別為：

E[θ|t]=mv=ωt=λ,Var[θ|t]=σ2v=ωt=λ(9)

中國北方干旱半干旱地區(qū)，降水存在歷時短、日降水強(qiáng)度大等特點，本研究結(jié)合錫林浩特市降水實際特征，將研究單位時段劃分為日時段，則λ的物理意義即為單位時段降水場次[10]。

圖2表示實際降水過程的概化，其中圖2(a)為某一實際降水過程，圖2(b)顯示了簡化后第1場、第2場、…、第k場的獨立降水事件。本文的單位時段取為日，因此Poisson過程強(qiáng)度λ表述為日均降水場次。

圖2 獨立降水事件的模型概化Fig.2 Model generalization of independent precipitation events

2.2.2 白噪音Poisson矩形脈沖降水模型

當(dāng)單個場次的降水歷時tr較短，相對于降水時間間隔可以忽略不計時，可將圖2(b)中的矩形視作脈沖。降水強(qiáng)度和歷時(i，tr)2個參數(shù)簡化為一個，即次雨深α=itr[5]。這種降水特征模型稱為白噪音Poisson矩形脈沖模型[11](Rectangular Pulse Poisson Model with White Noise Distribution，RPPMW)，模型參數(shù)為日均降水場次λ和次雨深(即場次平均降水量)α。

研究時段為t，研究時段內(nèi)有降水的天數(shù)為t1，總降水量為P。則該時段內(nèi)的日均降水場次λ=t1/t，次雨深α=P/t1。

本模型物理概念清晰，計算漸變，得到了廣泛的應(yīng)用；但在降水場次計算上稍有不足，降水場次以日為單位分隔，會導(dǎo)致連續(xù)2 d的降水被視為2場降水。

3 地下水埋深變化規(guī)律分析

錫林浩特市屬于典型草原區(qū)，地表水比較匱乏，人類生活、生產(chǎn)以及草場灌溉對地下水依賴性很強(qiáng)，研究區(qū)內(nèi)地下水變化主要受降水、蒸發(fā)以及人工開采影響[12]。從1987-2014年的地下水位埋深時序演變規(guī)律來看，錫林浩特市地下水埋深逐年增加。

根據(jù)錫林浩特市水文地質(zhì)條件和地下水開發(fā)利用實際情況，本研究選取4眼具有長時序水位觀測數(shù)據(jù)的長觀孔作為代表性觀測井。通過Mann-Kendall 趨勢檢驗法[7, 13]對4個代表性觀測井(見表 1)多年水位埋深數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢分析和突變型檢驗，可以看出對1987-2014年期間，4個代表性觀測點的地下水埋深均呈增加趨勢，且增加趨勢均通過99%的顯著性檢驗，地下水埋深增加趨勢明顯(見表1)。分析Mann-Kendall 趨勢性檢驗曲線，可知各個觀測井埋深總體上呈現(xiàn)明顯增加趨勢，烏蘭圖嘎煤礦觀測井地下水埋深趨勢在1992年通過99%的顯著性檢驗，而其他3個觀測井則在2001年左右通過99%的顯著性檢驗(見圖3)。基于Mann-Kendall 趨勢性檢驗曲線，以各個觀測井地下水埋深通過顯著性檢驗的臨界點為節(jié)點，將地下水埋深在時間序列上劃分為淺埋期和深埋期(見表1)。

圖3 各地下水觀測井地下水埋深M-K統(tǒng)計量曲線Fig.3 M-K statistic curve of groundwater depth in groundwater observation wells

4 研究結(jié)果

4.1 降水要素變化規(guī)律識別與分析

本研究降水?dāng)?shù)據(jù)為錫林浩特市氣象站長時序逐日降水?dāng)?shù)據(jù)，是國家一級觀測站，氣象站編號為54102，數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)。

表1 地下水埋深趨勢檢驗及劃分Tab.1 Trend test and division of groundwater depth

注：**為數(shù)據(jù)通過99%的顯著性檢驗。

基于SPSS軟件進(jìn)行線性回歸分析，結(jié)果表明，受地形地貌和降水時空分布差異性影響，降水要素變化存在一定的隨機(jī)性和不確定性，日均降水場次λ、次雨深α與日平均降水量γ均有不同程度的波動，但變幅總體較為穩(wěn)定，其中日均降水場次λ與日平均降水量γ隨時間有微弱的增加趨勢，而次雨深α隨時間有不明顯的減少趨勢(見表2)。由此可見，錫林浩特市不同年份日降水場次波動明顯，并存在一定的周期性，不同年份的降水強(qiáng)度差別較大，不同年份的日平均降水量差別不大(見圖4)。

表2 降水要素線性回歸Tab.2 Linear regression of precipitation

圖4 各個降水要素模擬結(jié)果Fig.4 Simulation results of various precipitation element

4.2 地下水位對降水要素的響應(yīng)程度

錫林浩特市各個觀測井在地下水淺埋期，除了烏蘭圖嘎煤礦井，地下水位對降水要素的響應(yīng)均呈強(qiáng)相關(guān)特征，響應(yīng)程度由強(qiáng)至弱依次是日均降水強(qiáng)度、降水次數(shù)和次雨深，其中農(nóng)場三隊和欣康村監(jiān)測井的水位對降水要素變化最為敏感；2001年左右，區(qū)域地下水位步入深埋期，水位降幅顯著，埋深增加導(dǎo)致包氣帶增厚，延緩了降水入滲補(bǔ)給過程，地下水位對各個降水要素的響應(yīng)程度也不斷減弱，相關(guān)和復(fù)相關(guān)系數(shù)均有明顯降低，呈弱相關(guān)或不相關(guān)(見表3)。

表3 不同埋深地下水和降水因素相關(guān)關(guān)系Tab.3 Correlation between groundwater and precipitation in different depth

注：*表示在 0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；**表示在 0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

4.3 原因分析

下墊面條件變化是改變降水入滲補(bǔ)給地下水的最主要原因，主要體現(xiàn)在包氣帶厚度、城市化進(jìn)程、農(nóng)牧業(yè)現(xiàn)代化、草地退化等方面。

2001年以后，錫林浩特市地下水人工開采量顯著增加，生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水需求與區(qū)域水資源承載能力間的矛盾日益突出，農(nóng)場三隊和欣康村觀測井地下水位變化是最典型的代表，這2眼井所在區(qū)域已發(fā)展成為集中連片的大棚蔬菜種植區(qū)和城鎮(zhèn)人口集聚區(qū)，降水入滲補(bǔ)給地下水的途徑被襲奪，同時地下水開采激增，水位下降導(dǎo)致包氣帶增厚，地下水位的天然響應(yīng)程度也由強(qiáng)轉(zhuǎn)弱。

城市化和農(nóng)牧業(yè)現(xiàn)代化是錫林浩特市典型草原近十幾年的主要變化，城市路面硬化阻隔了建成區(qū)所在河谷平原的地下水天然補(bǔ)給通道，大型人工飼草料地的集中連片發(fā)展弱化了降水通過包氣帶入滲補(bǔ)給地下水的途徑，奶牛場觀測井是其中的典型代表，在作物生長期，降水首先被用于滿足大規(guī)模人工飼草料地需水。

草地植被退化是生態(tài)脆弱草原區(qū)地下水安全利用的最核心問題，根據(jù)相關(guān)研究成果，錫林浩特市典型草原區(qū)非地帶性植被的地下水適宜生態(tài)水位為1～3 m，潛水蒸發(fā)臨界水位為5 m，2001年后，4眼觀測井的埋深均大于5 m，非地帶性植被退化后，土壤儲水能力下降，導(dǎo)致一次短歷時弱降雨無法通過干土層直接補(bǔ)給地下水。烏蘭圖嘎煤礦有著幾十年的開采歷史，煤礦開采過程中忽略了草地生態(tài)與地下水的問題，烏蘭圖噶井整個長時序水位變化已基本不受降水過程變化的影響。

5 結(jié) 語

(1)錫林浩特市地下水埋深呈逐年增加趨勢，2001年左右，區(qū)域地下水位步入深埋期，水位降幅顯著；M-K法檢驗分析表明，2001年后錫林浩特市地下水位整體處于深埋期。

(2)降水要素變化存在一定的隨機(jī)性和不確定性，不同年份日降水場次波動明顯，并存在一定的周期性，不同年份的降水強(qiáng)度差別較大，不同年份的日平均降水量差別不大。

(3)地下水位對降水要素的響應(yīng)程度由強(qiáng)至弱依次是日均降水強(qiáng)度、降水次數(shù)和次雨深，其中農(nóng)場三隊和欣康村監(jiān)測井的水位對降水要素變化最為敏感。

(4)埋深增加導(dǎo)致包氣帶增厚，加之下墊面條件變化，延緩和改變了降水入滲補(bǔ)給地下水的過程，地下水位對各個降水要素的響應(yīng)程度也不斷減弱。

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