變化環境下新疆沙灣縣灌區地下水動態趨勢及驅動因素

劉 婕 ，楊鵬年，闞 建，高宇陽

(新疆農業大學水利與土木工程學院，烏魯木齊 830052)

沙灣縣位于新疆維吾爾自治區西北部，是塔城地區的東大門。隨著沙灣縣社會經濟的發展，各行業用水量劇增，尤其是農業灌溉用水達總用水量的94%(2013年)，用水結構不合理，水資源分布不均，且缺少關鍵性的調蓄工程，灌區經常出現春秋干旱缺水而夏季富余的工程性缺水問題[1]。縣境內自東向西有5條河流，主要來自于天山冰川融雪水，徑流年內分配很不均勻，高溫季節的6～9月徑流量占年徑流總量的80%，由于人口持續增長、社會經濟發展以及氣候變化，地表水資源出現嚴重緊缺的態勢，地下水資源已成為沙灣縣不可或缺的供水水源[2,3]。灌區地下水主要接受來自河流及渠道的滲漏補給，其次是田間灌溉、春融水、平原水庫和降水等的入滲補給，河水和田間的地下水補給量隨水利設施的大規模興建以及新型滴灌節水技術的推廣和應用而明顯減少[4]。沙灣縣屬于資源性缺水縣市，截止到2015年平原區地下水已超采2 億m3/a，且還在逐年增加，水資源供不應求[5]。

變化的環境，如地表水灌溉量的減少、地下水較為嚴重的采大于補以及節水灌溉技術的應用會導致灌區水資源的不穩定和供需矛盾，嚴重影響水循環[6-9]。作為灌區水資源的重要組成部分，地下水的動態變化是判斷地下水是否均衡，開發利用是否合理的重要標志。因此對變化環境下地下水埋深的動態變化及其驅動因素的研究將對灌區地下水資源的開發利用與可持續利用產生重要的作用。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區概況

沙灣縣灌區位于新疆天山北坡經濟發展帶中部、準噶爾盆地南緣，地理坐標84°57′～86°09′E，43°29′～45°20′N，是一個自瑪納斯河、巴音溝河、大南溝河、金溝河、寧家河引水、灌排結合，并以農業灌溉為主的井渠雙灌灌區。沙灣縣境內的5條河流，同屬于瑪納斯河水系，均發源于天山北麓依連哈比爾尕山北坡，流向自南向北。地形整體由東南向西北傾斜，大體分南部山區、中部傾斜平原區、北部沙漠區三大部分。據2017年《新疆統計年鑒》，全縣共有人口20.61萬，機電井6 448 眼，農作物種植面積15.761 萬hm2，其中糧食占22%，棉花占67.2%。目前全縣廣泛采用膜下滴灌、微灌等技術來減少灌溉用水量，截止2017年節水灌溉面積達11.4 萬hm2。灌區地表水引水灌溉量2.17 億m3，地下水開采量2.77 億m3。沙灣縣泉水主要分布在南部低山丘陵區的寧家河灌區內以及金溝河灌區下游泉水溢出帶區的集泉河-沙灣河，該泉水量大多被引入千泉湖以及海子灣水庫，用于農業灌溉。然而沙灣河上游大量開采地下水致使沙灣河水量逐年減少，20世紀60年代沙灣河年徑流量1.41 億m3，到2010年僅有0.365 億m3。隨著經濟的快速發展，社會各業用水量逐年增大，灌區內地下水水位逐年下降，水資源供需矛盾日益突出。

1.2 數據來源

本文所用的反映灌區變化環境因子的氣候因素資料(1998-2017年)來源于沙灣縣烏蘭烏蘇氣象站，地下水埋深(1998-2018年)及人為活動(2008-2017年)資料來自于灌區調研、塔城地區水利局、沙灣縣水利局及2008-2017年水利公報、統計年鑒等。通過對這些數據的分析和審查，認為具有一定的代表性和可靠性。

1.3 研究方法

以沙灣縣灌區為研究區，采用Pearson、Kendall和Spearman秩次相關檢驗[10,11]等方法分析各影響因子變化趨勢的顯著性。本文采用主成分回歸分析法定量分析地下水位動態變化的驅動因子及其影響程度，該方法可以解決因子之間的多重共線性問題，能夠用彼此獨立的新變量替換原來彼此相關或共線的變量，且損失較少的信息量，目前已在多個領域應用[12,13]。

2 地下水動態的影響因素及其響應

灌區地下水動態主要是氣候因素和人為活動因素共同作用的結果，它們通過改變地下水循環的補給、徑流、排泄等條件對地下水系統及地下水均衡產生影響，最終引起地下水動態的變化。

2.1 氣候因素對地下水埋深的影響

沙灣縣地處歐亞大陸腹地，具有降水量少，蒸發量大，氣候干燥，地表水與地下水轉化頻繁等典型大陸性干旱氣候的特點，對地下水的循環產生直接影響。由于灌區地下水埋深較大，其直接蒸發可忽略。

灌區多年年均氣溫與地下水埋深變化如圖1(a)，年均氣溫在7.18～9.13 ℃之間波動，年最高氣溫出現在7月，最低氣溫出現在1月，平均氣溫7.9 ℃，整體呈上升趨勢，變化率為0.035 1 ℃/a，近10 a年均氣溫比1998-2007年均氣溫升高0.21 ℃。一般情況下，氣溫與水資源量成反比關系，氣溫升高使得用水需求及蒸發量加大，既暖又干的氣候會加劇地下水資源的緊缺，表現為地下水位整體呈下降趨勢，但其年際變化不同步[14,15]。

圖1 沙灣縣年均氣溫、年降水量與地下水位變化Fig.1 Annual average temperature、annual precipitation and groundwater level change in Shawan County

灌區多年降水與平均地下水埋深變化如圖1(b)，多年年均降水量為244.23 mm，降水量年際變化較大，最大降水量發生在2010年，為351.8 mm，最小降水量發生在2012年，為158.5 mm。近20 a年降水量呈波動下降趨勢，變化率為-1.349 2 mm/a，降水的減少會引起地下水補給量減少，同期地下水埋深在逐年的增大。

利用Pearson、Kendall和Spearman秩次相關檢驗3種方法對研究區年平均氣溫及年降水量的變化趨勢與地下水埋深進行顯著性分析，結果見表1。表1顯示，3種檢驗方法的結果是一致的，即：沙灣縣灌區1998-2017年氣溫、降水量多年來雖有較大的年際變化，但長期變化趨勢不明顯。即使氣溫與地下水埋深呈正相關，降水量與埋深呈負相關，但氣溫和降水變化對地下水埋深的影響很小。

表1 灌區氣溫、降水量變化趨勢識別結果Tab.1 The districts temperature and precipitation change trend identification results

2.2 人為活動對地下水埋深的影響

人為活動主要通過地表水灌溉、地下水開采及田間入滲補給等影響地下水系統的補給與排泄，對地下水動態產生影響。沙灣縣多年灌溉面積、節水灌溉面積、地表水灌溉量、地下水開采量變化如圖2所示。灌區多年平均灌溉面積11.9 萬hm2，近10a灌溉面積呈顯著增加趨勢，增長率為6 863 hm2/a，尤其是在2013年在農業種植面積快速增長的驅動下，灌溉面積突增，直至2015年起退地減水政策的實施使灌溉面積略微減少，但2017年末仍是2008年的1.41倍。灌溉面積的逐年增大使灌溉用水逐年增多，加之灌區農業灌溉水有效利用系數僅為0.63(2016年)，在研究區干旱的氣候條件下，灌溉水量主要依靠抽取地下水，在灌區經過蒸發及作物蒸騰后，僅有很少部分重新滲入地下，導致灌區地下水位下降。

圖2 沙灣縣地表水灌溉量、地下水開采量、灌溉面積及節水灌溉面積變化趨勢Fig.2 The Shawan county surface water irrigation, groundwater exploitation, irrigation area and water-saving irrigation area variation trend

灌區多年平均地表水灌溉量為2.611 億m3，且近10 a呈顯著減少的趨勢，減少率為0.145 億m3/a，2017年的地表水灌溉量是2008年的62%，對水資源本來就不富有的沙灣縣來說，開采地下水是維持經濟發展的重要舉措。

沙灣縣地下水開采方式包括水源地集中開采、農業灌溉開采、工業及生活開采等，其中農業灌溉井數及開采量占絕大部分，遠大于其余開采。沙灣縣機電井數量從2008年的895眼增加到2017年的6 448眼，相應的地下水開采量也從1.21 億m3增加到2.77 億m3。即使近年封井、退地、減水等政策使沙灣縣機電井近幾年略微減少，但地下水開采量也僅在2017年較其他年份有小幅下降。總體在a=0.01的顯著水平下，地下水開采量是顯著增加的，變化率為0.184 億m3/a，地下水持續開采直接造成了地下水位的持續下降。

2007年開始全縣大力推動高效節水農業建設，田間灌溉由大水漫灌改為滴灌，防滲渠道逐步完善，截止2017年節水灌溉面積占總灌溉面積的77%，增長率為4 906 hm2/a，對提高農田灌溉效率，減少灌溉用水有一定的作用。然而在西北干旱地區，地表水資源時空分布不均且水質較差，滴灌等節水技術基本依靠地下水進行灌溉，在節水灌溉面積持續增長的情況下，地下水開采量同期持續增長。這種以地下水為主要水源的節水灌溉面積的增加是造成灌區地下水位持續下降的主要原因。

3 變化環境下地下水動態演化趨勢

地下水埋深的上升或下降直接反映了地下水補給與消耗的變化，也直接反映了含水層中地下水資源量變化[16]。根據沙灣縣水系，將灌區分為瑪河灌區、金溝河灌區、巴音溝河灌區、寧家河灌區、大南溝灌區。選取4個灌區7眼長觀井作為典型井，利用1998-2014以及2018年的年均地下水埋深值繪制各觀測井的地下水埋深動態曲線，其中東灣鎮1998-2002年無觀測數據。各灌區典型井的地下水埋深動態曲線如圖3。

圖3 灌區地下水位平均埋深變化曲線Fig.3 The irrigation districts average buried depth variation curve

由圖3(a)可知，瑪河灌區烏蘭烏蘇鎮地下水位整體波動不大，降幅較小，年均水位下降速率為0.14 m/a；柳毛灣鎮地下水位波動起伏，在1998-2005年期間，地下水埋深從5.93 m逐年變化到17.82 m，水位下降了11.89 m，而在2006-2014年地下水位年際變化較大，整體水位下降了16.2 m。近20 a地下水位平均下降速率為1.72 m/a，水位下降較快。老沙灣鎮在1998-2017年水位下降了32.61 m，下降速率為1.58 m/a，水位降幅較大，尤其是在2007年以后，地下水位下降高達5～6 m/a。瑪河灌區早在2010年就被劃定為嚴重超采區，近年來地下水埋深逐年升高，這與日益頻繁的人類活動有密不可分的關系，對灌區地下水資源產生重大影響。

金溝河灌區地下水主要接受金溝河河水入滲及西側巴音溝河礫質平原區地下水的側向補給。2010年沙灣縣地下水資源保護與規劃報告中將大泉鄉劃為嚴重超采區，金溝河鎮為未超采區。由圖3(b)可知，2010年以后，大泉鄉地下水位呈波動下降趨勢，近20 a間水位下降了9.19 m，下降速率為0.85 m/a；金溝河鎮年均下降速率為0.12 m/a，在1998-2014年地下水位呈波動上升趨勢，17 a間水位上升2.71 m，但2018年4月實測水位為19.53 m，4 a下降了11.9 m，下降速度較快。

近20 a實測資料對比分析表明：巴音溝河灌區安集海鎮地下水位下降了16.26 m，下降速率0.74 m/a，水位動態曲線如圖3(c)。其中1998-2007年地下水位下降平緩，從2007年開始，地下水位逐年下降速度開始加快，這是因為安集海鎮大量種植辣椒、玉米、小麥等特色農作物帶動經濟發展，然而地表水灌溉水量的逐年減少使得地下水開采量遠大于巴音溝河的補給量，致使地下水位下降。

圖3(d)為寧家河灌區東灣鎮2003-2018年地下水埋深變化圖，灌區僅接受少量的寧家河河水(集泉河)的入滲補給。由圖可知，東灣鎮在2003-2007年間，地下水位呈下降趨勢，而從2008年開始，地下水位呈波動上升趨勢，15 a間地下水位整體上升了2.24 m，上升速率0.20 m/a。東灣鎮地下水位最低，這是因為該灌區為寧家河出山口后形成的沖洪積扇，南部為第二排構造背斜褶皺帶，由于組成背斜的巖層為透水性較差或不透水的泥巖、砂巖、礫巖互層，相對阻截了來自“南山洼地”的地下水徑流到平原區。

綜合分析，沙灣縣寧家河灌區地下水埋深最大，水位略有回升，其次是金溝河灌區的大泉鄉與瑪河灌區的老沙灣鎮和柳毛灣鎮，地下水位整體下降最快，巴音溝河灌區的安集海鎮則是從2008年開始地下水埋深下降較快。

4 地下水埋深變化的驅動因素分析

綜合考慮氣候及人為活動對地下水埋深的影響，本文采用主成分回歸分析法定量分析各驅動因子的影響程度。

從地下水均衡方程式來看，含水層中地下水量的變化取決于其中的補給項和排泄項。根據現有的沙灣縣灌區資料，地下水補給來源主要有大氣降水入滲、河流水入滲和灌溉入滲，因此選取沙灣縣2008-2017年的年降水總量、地表水灌溉量、灌溉面積、節水灌溉面積這4個指標。灌區地下水排泄主要有蒸發排泄和人為開采，因此選取2008-2017年的年平均氣溫、地下水開采量這2個指標。這6個影響因子中的地表水灌溉量(X1)、地下水開采量(X2)、灌溉面積(X3)、節水灌溉面積(X4)為人為活動，降水總量(X5)、年平均氣溫(X6)屬于氣候因素，將7眼長觀井地下水位埋深均值(y)作為氣候變化和人為活動對地下水動態響應的定量指標，確定地下水位動態變化的主要影響因素。

將原始數據作標準化處理[17]，并進行相關分析以獲得相關系數矩陣(表2)。從表2可以看出，各指標存在較高的相關性，尤其是地表水灌溉量與地下水開采量及灌溉面積之間的相關系數較其他因子高，這說明他們之間存在多重共線性。

由表3可以看出，特征值最大的3個主成分的累計貢獻率高達96.33%，提取了原指標基本全部的信息，因此用這3個主成分代替原來的6個影響因子。根據主成分的特征值對應的特征向量(表4)，建立主成分綜合方程如下式：

Z1=-0.279X1+0.400X2+0.240X3+

0.272X4-0. 061X5-0.080X6

(1)

表2 各指標的相關系數矩陣Tab.2 Correlation coefficient matrix of each indicator

表3 相關系數矩陣特征值及貢獻率Tab.3 Correlation coefficient matrix eigenvalue and contribution rate

Z2=0.085X1-0.327X2+0.236X3+0.145X4-

0.032X5+0.728X6

(2)

Z3=-0.184X1-0.004X2-0.111X3-0.149X4+

0.950X5+0.002X6

(3)

表4 特征值對應的特征向量Tab.4 The eigenvector corresponding to the eigenvalue

從式(1)～(3)來看，構成Z1當中地下水開采、地表水灌溉、灌溉面積、節水灌溉面積的系數最大，對主成分Z1起主導作用，可將Z1解釋為人為因子；構成Z2當中氣溫的系數最大，是Z2變化的主導因子，將其解釋為氣溫因子；構成Z3當中降水因子起主導作用，將Z3解釋為降水因子。這樣，重新提取的人為因子、氣溫因子、降水因子之間兩兩相互獨立，不存在共線性，并且代表了原指標基本全部的信息，可進行下一步的回歸分析。

以人為因子Z1、氣溫因子Z2和降水因子Z3為自變量，以地下水埋深y為因變量進行多元線性回歸，并使用最小二乘法進行參數估算，得回歸方程為：

y=-4.594×10-16+0.876Z1+0.316Z2+0.047Z3

經計算，該方程相關系數R為0.876，確定系數R2為0.738，F檢驗值為26.305，顯著性概率P=0.001<0.05，回歸方程的回歸效果較好并有顯著意義。對方程中的系數進行t檢驗，結果Z1的顯著性概率P<0.05，對地下水埋深y有顯著影響，Z2、Z3的顯著性概率P>0.05，對地下水埋深y的影響作用不顯著。根據逐步回歸的觀點，氣候因子單獨可能對地下水動態有作用，但與人為因子放在一起，其作用就被人為因子所取代，使之對多元回歸方程的貢獻很小，甚至會增加方程的誤差，引起回歸方程的不穩定[9]。因此將作用不明顯的氣候因子Z2、Z3剔除，得回歸方程：

y=-4.594×10-16+0.876Z1

表明沙灣縣灌區地下水埋深主要受人為活動的影響，驅動因子從大到小依次為地下水開采、地表水灌溉、節水灌溉及總灌溉面積的變化。氣候因素雖然對地下水埋深的影響作用不顯著，但進一步加劇了地下水資源的緊缺。

5 結 語

(1)灌區變化環境中的氣候因素主要為氣溫和降水，人類活動主要有地表水灌溉、地下水開采、灌溉面積及節水灌溉。在20 a間氣溫呈不顯著增加的趨勢，降水量整體呈不顯著減少的趨勢；而近10 a在a=0.01水平，地表水灌溉水量呈顯著減少趨勢，灌溉面積、節水灌溉面積及地下水開采量在a=0.01水平上均呈顯著增加趨勢。

(2)灌區多年地下水埋深變化趨勢表明，瑪河灌區三眼井地下水水位除烏蘭烏蘇鎮外其余兩眼井降幅較大，烏蘭烏蘇鎮井在20 a間下降了2.83 m，年均下降速率為0.14 m/a，柳毛灣鎮、老沙灣鎮地下水位年均下降速率分別為1.72、1.58 m/a；金溝河灌區大泉鄉井年均地下水位下降速率為0.85 m/a，金溝河鎮井年均地下水位下降速率0.12 m/a，1998-2014年水位略微上升，但到2018年的4 a間下降11.9 m，降幅較大；巴音溝河灌區安集海鎮地下水位呈波動下降趨勢，20 a間水位下降16.26 m，年均下降速率為0.74 m/a；寧家河灌區東灣鎮地下水水位呈波動上升趨勢，年均上升速率為0.20 m/a。

(3)沙灣縣灌區地下水埋深與各影響因子的關系用主成分回歸法分析，得到3個主成分，其累計貢獻率高達96.33%。影響地下水動態的驅動因子由大到小依次為地下水開采、地表水灌溉、節水灌溉、灌溉面積，影響程度呈逐年增大的趨勢。這表明近年來人為活動在地下水動態變化過程中起主導作用，尤其是以地下水為主要水源的節水灌溉面積的增加是造成地下水位下降的主要原因，氣候因素作用雖然不顯著，但進一步加劇了水資源的緊缺。

(4)近年來，地下水超采已成為沙灣縣面臨的主要水資源問題，通過高效節水、退地減水等措施在一定程度上減少地下水的用水量，有利于沙灣縣地下水超采區的治理。但目前以地下水為主要水源的節水灌溉面積的增加是造成灌區地下水位持續下降的主要原因。因此研究區在治理超采區的同時還需要通過調整農業結構，提高農灌效率并置換節水灌溉用水水源來實現地下水資源的可持續利用。