干旱灌區地下水位動態變化及驅動因素分析

張 葉，劉 兵，何新林，張少博，彭 飛

(石河子大學水利建筑工程學院，新疆 石河子 832003)

0 引 言

地下水埋深變化是地下水動態的重要內容之一，是一個復雜的水文變化過程，是地下水對各種自然因素和人為因素的一種響應[1]。地下水開采、農田灌溉、水利工程的修建等人為因素會引起地下水位的相應變化，降水、蒸發、氣溫等自然因素的周期性變化也會引起地下水位的改變[2]。由于地下水埋深動態變化的復雜性，氣候變化和人類活動影響下的水文響應一直是水科學中研究的熱點。

研究氣候變化和人類活動對水文的響應主要有分項調查法和水文模型模擬法[3]。前者是基于大量的已有數據，將氣候變化和人類活動進行分類統計再疊加計算，得到流域的水文驅動因素[4,5]；后者則是利用計算機語言來計算數學模型，利用已有水文氣象資料來率定水文模型參數，然后保持參數不變，再將不同情況輸入模型進行預測[6]。王貴忠[7]等人在民勤綠洲多年地下水實測數據的基礎上，分析了地下水埋深動態變化，并進行了地下水位變化的驅動因素分析。陳皓銳[8]等人采用了GMS-MODFLOW構建華北平原的潛水運動模型，研究氣候變化和人類活動影響下未來40年該地區的潛水位變化。楊廣[9]、陳伏龍[10]等人在多年統計的基礎上分析了人類活動影響下瑪納斯河流域的地下水位變化規律。

這些研究多著眼于流域整體的地下水位變化，缺乏對地下水總量、變化規律及其影響因素的系統分析。針對此問題，本文在前人研究的基礎上，定量的分析研究區地下水的演變規律，并采用主成分分析的方法進行研究區地下水的驅動力分析，揭示地下水變化的規律，分析研究區地下水位變化的主要驅動因素，為干旱區地下水資源的可持續開發及保護提供參考。

1 資料來源和研究方法

1.1 研究區概況

瑪納斯河流域位于新疆天山北麓(圖1)，流域面積約3.1 萬km2，年平均徑流量12.8 億m3。流域內最大河流瑪納斯河發源于天山北坡，長約400 km，是天山北麓最長、流量和流域面積最大的內陸河流，流域分為山地、山前平原和沙漠三大地貌類型[11]。

圖1 研究區位置圖

本文的研究區是瑪納斯河流域中游灌區的147團，地理位置為東經85°56′～86°21′，北緯44°24′～44°46′，南北長26 km，東西寬8.5 km，占地224 km2，現有耕地10 400 hm2，是瑪納斯河流域重要的糧棉基地。

研究區潛水礦化度較高，潛水含水層以粗中砂、砂礫石為主，承壓含水層以細砂為主，局部為粗砂礫石。區內水平徑流較微弱，主要以垂向徑流和越層交換為主，由于地形東南高、西北低，從而產生由東南向西北的水平地下水流。研究區的渠系分布及地下水觀測井布置如圖2所示。

圖2 研究區水系及觀測井位置圖

1.2 研究方法

1.2.1 水均衡法

水均衡法也稱水量平衡法或水量均衡法，是全面研究某一地區(或均衡區)在一定時間段內(均衡期)地下水的補給量(Q總補)、儲變量(△W)和消耗量(Q總排)之間的數量轉化關系的平衡計算[12]。各量的計算式如下：

Q總補-Q總排±△W=X

(1)

Q總補=Q降+Q河滲+Q庫+Q渠系+

Q渠灌+Q井灌+Q側補

(2)

Q總排=Q蒸+Q側出+Q開采

(3)

(4)

式中：Q降為降水入滲補給量；Q河滲為河道滲漏補給量；Q庫為庫塘滲漏補給量；Q渠系為渠系滲漏補給量；Q渠灌為渠灌田間滲漏補給量；Q井灌為井灌回歸補給量；Q側補為地下水側向補給量；Q蒸為潛水蒸發量；Q側出為地下水側向流出量；Q開采為地下水開采量；X為絕對均衡誤差；δ為相對均衡誤差；|X|值或δ值的大小可以判斷計算精度的高低。

1.2.2 主成分分析法

主成分分析法是一種降維統計方法，它是因子分析法的一種。它把具有錯綜復雜關系的多個指標化為少數幾個綜合指標，使這些因子盡可能地反映原來變量的信息量，而且彼此之間互不相關，從而達到簡化的目的。

1.3 數據來源

本文研究的主要數據有1996-2010年147團地下水埋深、降雨量、蒸發量、開采量、灌水量等數據，數據均來源于農八師水利局，具有一定的可靠性。

2 結果與分析

2.1 埋深變化分析

根據147團1996-2010年統計資料分析得出，研究區地下水埋深為3～5 m，局部地區地下水埋深小于3 m。

2.1.1 年內變化分析

選擇豐水年2002年、枯水年2004年、平水年2006年以及2010年作為典型年進行地下水位埋深與用水量分析。從不同年的地下水位埋深與用水量的變化中可以看出，研究區的潛水水位動態受灌溉、地下水開采的共同影響，表現出灌溉-開采混合型特征。從圖3可以看出，研究區地下水埋深與灌溉、開采的動態變化相一致。最高水位出現在4-5月，積雪融化，地表水大量入滲補給地下水，且春灌剛開始，作物的需水量較小，地下水開采量較小，因此地下水位持續上升，使得4-5月出現最高水位；6-8月氣溫上升，蒸發量增大，加之此時為作物需水的高峰期，大量的開采地下水，使得地下水位不斷地下降，至8、9月出現最低水位；隨著側向徑流的補給以及秋灌后作物需水的減少，地下水開采量明顯減少，地下水位開始逐漸回升，每年的12月至次年5月為相對的高水位期。此外，由于20世紀90年代末期開始大量推行滴灌和覆膜技術，精確灌水減少了水量的浪費和無效蒸發，因此近十年來研究區的地下水埋深年內變化不斷減小。

圖3 147團地下水埋深與用水量變化關系

2.1.2 年際變化分析

根據近十幾年的地下水位動態監測資料，從圖4中可以看出，147團地下水位整體呈現出上升的趨勢，2002年以前上升趨勢較為明顯，在2001年-2002年有一個明顯的大幅度上升，這是因為從21世紀開始研究區進行農業種植結構優化，加之膜下滴灌的推廣，作物耗水量減少，地下水開采量也隨之下降，因此地下水位呈現明顯的上升趨勢；2002年以后種植結構相對穩定，地下水埋深在3.5 m左右進行波動。這種趨勢表明研究區地下水開采和農業灌溉基本處于一個相對穩定的狀態，維持現有的開采模式和農業種植面積，不會對研究區的地下水位造成明顯的影響，合理的灌溉方式、優化種植結構、水資源的優化配置可以減少地下水的開采，改善該地區的生態環境。

圖4 147團1996-2010年地下水位埋深動態變化

2.2 水量平衡分析

選取1996年-2010年為計算期，研究區水均衡計算結果如表1所示。

由地下水均衡計算結果可知，研究區地下水總補給量為2 837.949 萬m3/a，總排泄量為2 591.627 萬m3/a，地下水補排差為246.322 萬m3/a，地下水處于正均衡狀態，與地下水動態長期觀測結果一致；相對均衡誤差為2.96%，滿足《供水水文地質勘察規范》(GB50027-2002)對地下水資源計算精度的要求(|δ|<10%)。

在地下水補給中，最主要的補給來源是灌溉入滲補給量和河道滲漏補給量，占總補給量的25.94%和22.51%，其次是渠系入滲補給量和庫塘滲漏補給量，分別占總補給量的16.62%和15.10%。在地下水排泄中，主要的排泄方式是地下水開采，占總排泄量的56.24%，蒸發量次之，占36.37%。分析發現，灌溉和開采在地下水均衡中占有較大的比重，當灌溉和開采量發生較大改變時，地下水均衡狀態也會發生相應的變化。

表1 研究區地下水均衡計算結果

2.3 驅動因素分析

采用主成分分析法對147團1996-2010年共180個月各影響因素的時間序列值進行分析。在主成分分析中，KMO值為0.753>0.6，sig值為0.000<0.05，表明其適合做因子分析，提取值均大于0.6，表明信息的損失量較小。求得主成分的特征值及貢獻率以及成分荷載矩陣，如表2和表3。

本文提取了兩個主成分，第1主成分的特征值2.573>1，第2主成分的特征值0.968接近1，且他們的累計貢獻率88.539%>85%，說明提取的兩個主成分能較好地代表所有的影響因素。其主成分的表達式為：

F1=0.542 X1-0.049 X2+0.589 X3+0.580 X4 (5)

表3 主成分荷載矩陣

F2=-0.049X1+0.980X2- 0.172X3-0.015X4

(6)

從表2、表3的結果可以看出，第1主成分對灌水量、開采量和蒸發量有較大的相關系數，它們均在成分1的方向上起正的作用，第2主成分對降雨量有較大的相關系數。在第1主成分的所有荷載中，灌水量和開采量具有比較大的正貢獻率，分別為0.945、0.930，這表明第1主成分主要反映了人為因素的影響。第2主成分中降水量的荷載為0.964，其他因素的荷載均較小，它主要反映自然因素的作用效果。從表2可以看出，第1主成分的貢獻率為64%，說明人為因素的影響比自然因素大。綜合分析表明，自然因素對地下水埋深的影響比較復雜，因為自然因素會左右人為因素，當降雨量減少時，相應的灌溉量就大，地下水位就會上升；同時，降雨量較少的年份徑流也相對較少，因此地下水開采量和蒸發量增大，又可能導致地下水位降低，自然因素的影響較人為因素要復雜得多。

3 結 論

本文通過水均衡法和主成分分析法，綜合分析147團地下水的變化規律，研究影響147團地下水位變化的驅動因素，得出以下結論：

(1)147團地下水埋深為3～5 m，地下水動態表現為灌溉-開采混合型。地下水位年際變化整體呈現上升的趨勢，地下水動態為正均衡狀態，均衡差為246.322 萬m3/a，年內4-5月地下水埋深最小，8-9月地下水埋深最大，呈現出明顯的時空差異性，但這種差異性隨著灌溉技術的進步以及合理的水資源配置而不斷的減小。

(2)研究區地下水位受人為因素和自然因素的共同作用而發生變化，人為因素的影響為64%，是影響147團地下水埋深的主要因素，其中灌水量和開采量的荷載分別為0.945和0.930，是影響地下水埋深最主要的兩個因子，在地下水均衡中，灌溉量和開采量也占有較大比重。自然因素對地下水埋深的影響相對較小，但它的影響比人為因素要復雜得多，也是地下水埋深的重要影響因子。

(3)地下水是干旱灌區重要的水資源，地下水的埋深變化對干旱區綠洲農業發展和生態系統具有重要作用，本文的研究結果可以為研究區地下水的合理開發利用提供一定的參考。但地下水埋深變化是自然因素和人為因素共同作用的結果，是一個復雜的過程，不同的研究方法對研究區的各要素有不同的考慮，由于資料條件的限制，對干旱區地下水動態變化的研究還需進行深入探討。

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