磴口縣地下水空間異質(zhì)性分析及其對景觀格局變化的響應(yīng)

劉建華 于 強(qiáng) YANG Di 岳德鵬 張啟斌 武英達(dá)

(1.中國社會科學(xué)院數(shù)量經(jīng)濟(jì)與技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所， 北京 100732； 2.北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院， 北京 100083；3.弗羅里達(dá)大學(xué)地理系， 蓋恩斯維爾 FL 326113； 4.中國消防救援學(xué)院， 北京 102200)

0 引言

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《水文地質(zhì)術(shù)語》，地下水指的是埋藏在地表以下各種形式的重力水。作為地球上重要的水體，地下水與人類社會關(guān)系密切[1-2]。在地下水資源較為豐富的地區(qū)，貯存于地下的水資源往往能為當(dāng)?shù)靥峁┝己玫乃Y源支持，與地表流水相比，地下水具有供水條件穩(wěn)定、水質(zhì)良好等優(yōu)點，因此農(nóng)業(yè)灌溉、工礦企業(yè)以及城市生活用水常以地下水作為重要水源[3]。尤其對于缺水的干旱與半干旱地區(qū)，有水則成綠洲，無水則成荒漠，水資源對當(dāng)?shù)厣a(chǎn)生活與生態(tài)建設(shè)至關(guān)重要，而地下水以其自身的明顯優(yōu)點，往往成為當(dāng)?shù)氐闹匾础?/p>

地下水埋深是描述地下水資源量的重要指標(biāo)，往往受多種因素影響，地表景觀格局作為人類活動對生態(tài)系統(tǒng)影響的綜合反映，對地下水埋深的影響有著不可忽視的作用[4]。以往對于干旱半干旱區(qū)地下水的分析往往以人為開采為目標(biāo)，研究內(nèi)容主要集中于地下水開采利用的強(qiáng)度與合理性方面。如胡汝驥等[4]對中國西北干旱區(qū)的地下水資源及其特征進(jìn)行了分析，張鴻義等[5]對中國干旱區(qū)地下水資源及開發(fā)潛力進(jìn)行了分析，樊自立等[6]對中國西北干旱區(qū)生態(tài)地下水埋深適宜深度進(jìn)行了確定。然而針對地下水埋深對景觀格局演變響應(yīng)的研究相對較少[7-9]。

烏蘭布和沙漠位于內(nèi)蒙古自治區(qū)西部，屬于典型的干旱區(qū)[10]。磴口縣處于烏蘭布和沙漠與河套平原交接的地區(qū)，東依黃河，西接狼山，地理位置關(guān)鍵，生態(tài)環(huán)境脆弱，是生態(tài)建設(shè)與防沙治沙的前沿地帶。水資源對于維持縣域正常的生產(chǎn)生活具有極為重要的作用。研究磴口縣地下水埋深對景觀格局演變的響應(yīng)，對合理利用地下水資源、合理規(guī)劃縣域景觀布局具有重要意義[11-12]。本文借助地統(tǒng)計學(xué)與地理信息系統(tǒng)等多種分析手段，分析縣域地下水埋深的空間異質(zhì)性變化，研究其景觀格局演變規(guī)律，并對兩者進(jìn)行耦合，分析地下水埋深對景觀格局演變的響應(yīng)機(jī)制。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市磴口縣(107°5′E，40°13′N)，地處內(nèi)蒙古自治區(qū)西南部，面積4 166.6 km2[13]。縣域西緣為狼山山脈，東緣為黃河，河套平原與烏蘭布和沙漠在縣域內(nèi)由東北向西南逐漸過渡，縣域沙化風(fēng)險較高，屬典型的荒漠綠洲交錯區(qū)，生態(tài)區(qū)位極為關(guān)鍵。磴口縣大陸性氣候特征顯著，年均降雨量144.5 mm，年均蒸發(fā)量2 397.6 mm，地下水資源儲量為5.258×108m3，黃河水年側(cè)滲量4.9×108m3，可開采量2.11×108m3，水資源較為豐富[14-15]。縣域工農(nóng)業(yè)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境建設(shè)受地下水影響較為明顯，研究地下水對不同土地利用類型的響應(yīng)具有重要意義。磴口縣區(qū)位圖如圖1所示。

圖1 磴口縣區(qū)位圖Fig.1 Location map of Dengkou County

2 數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理

研究區(qū)地下水埋深數(shù)據(jù)來自沙林中心、黃灌局、水務(wù)局的100個常年觀測井，土地利用數(shù)據(jù)由2008、2016年夏季少云的遙感影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源解譯而來，其中2008年的影像來自Landsat-5 TM 傳感器，2016年的影像來自Landsat-8 OLI傳感器。影像經(jīng)預(yù)處理后進(jìn)行監(jiān)督分類，本研究根據(jù)《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范》中的土地利用一級分類體系，結(jié)合研究區(qū)特點，建立分類體系如表1所示。對分類后的數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲數(shù)據(jù)消除、錯分地區(qū)修改，得到研究區(qū)30 m×30 m分辨率圖像,最終分類結(jié)果如圖2所示，解譯結(jié)果經(jīng)實地驗證，分類結(jié)果精度良好。

表1 磴口縣景觀分類體系Tab.1 Dengkou County landscape classification system

圖2 磴口縣景觀格局分布圖Fig.2 Landscape type distribution maps of Dengkou County

3 研究方法

3.1 半變異函數(shù)

空間自相關(guān)是地統(tǒng)計學(xué)中一種測量某位置的觀察值與其相鄰空間內(nèi)的觀察值是否相關(guān)以及相關(guān)程度的空間數(shù)據(jù)分析方法[16]。半方差函數(shù)是空間相關(guān)性分析中最常用的工具，它不僅能體現(xiàn)空間變量的隨機(jī)變異，又能體現(xiàn)其空間相關(guān)變異。半變異函數(shù)是一個關(guān)于數(shù)據(jù)采樣點的空間距離與其半變異值的函數(shù)，假設(shè)區(qū)域化變量滿足二階平穩(wěn)假設(shè)和本征假設(shè)，其計算公式為[17]

(1)

式中γ(h)——半方差函數(shù)

h——采樣點空間距離

N(h)——空間距離為h的采樣點個數(shù)

Z(X1)——區(qū)域化變量Z(x)在空間位置X1處的觀測值

Z(X1+h)——區(qū)域化變量Z(x)在空間位置X1+h處的觀測值

本研究采用高斯模型擬合研究區(qū)地下水埋深的空間自相關(guān)特性，該模型的一般公式如下

(2)

式中C0——塊金值，地下水埋深的隨機(jī)變化值(不受空間變異影響)

f(x)——半變異函數(shù)

C——偏基臺值，表示地下水埋深由空間結(jié)構(gòu)引起的變異程度[19]

a——變程，表示變異函數(shù)達(dá)到基臺值時的采樣點間隔距離，反映了地下水埋深的空間自相關(guān)尺度[20]

一般的變異函數(shù)曲線如圖3所示，其主要參數(shù)包括塊金值C0、基臺值C0+C和變程a[18]。基臺值隨h的增大而增大，從C0達(dá)到一個相對穩(wěn)定的值，它表示地下水埋深的空間變異，基臺值越高，表示系統(tǒng)總的空間異質(zhì)性越強(qiáng)。

圖3 半變異函數(shù)曲線示意圖Fig.3 Schematic of half variation function curve

3.2 克里金插值

克里金插值法又稱空間自協(xié)方差插值法，它是由南非礦業(yè)工程師KRIGE提出的一種最優(yōu)內(nèi)插法[21]，在地下水模擬、土壤制圖等方向有廣泛的應(yīng)用。該方法首先以半變異函數(shù)考慮某一空間變量在空間位置上的變異分布，確定對一個待插值點有影響的距離范圍，然后以該范圍內(nèi)的樣點來估計待插值點的屬性值[22]?？死锝鸩逯档囊话愎娇杀硎救缦?/p>

(3)

式中Z(si)——影響范圍內(nèi)第i個位置處的測量值

γi——第i個位置處的測量值的未知權(quán)重

s0——預(yù)測位置

n——影響范圍內(nèi)的測點個數(shù)

si——第i個測量位置

3.3 景觀格局動態(tài)演變分析

采用GIS空間分析方法對景觀演變進(jìn)行分析，包括景觀格局轉(zhuǎn)移矩陣、景觀格局動態(tài)度。其中，利用景觀格局轉(zhuǎn)移矩陣分析兩個時間節(jié)點間各景觀類型的相互轉(zhuǎn)移情況，景觀格局動態(tài)度用來分析各景觀類型和區(qū)域整體的景觀格局演變劇烈程度。

4 結(jié)果與分析

4.1 磴口縣地下水埋深空間異質(zhì)性分析

在ArcMap 10.2平臺下，利用Geostatistical analysis模塊，對研究區(qū)100個地下水常年觀測井在2008、2016年的平均三維空間趨勢分析，結(jié)果如圖4所示，其中X軸正方向為正東方向，Y軸正方向為正北方向，Z軸垂直XY平面。

圖4 地下水埋深趨勢分析Fig.4 Trend analyses of groundwater depth

由圖4可知，磴口縣地下水埋深數(shù)據(jù)的分布表現(xiàn)出較為明顯的空間趨勢。在東西方向上，2008、2016年地下水埋深均呈現(xiàn)出由東向西逐漸加深的趨勢， 2016年磴口縣西部地下水埋深較2008年稍有變小，對比兩年的土地利用數(shù)據(jù)可知，2016年磴口縣西部水體面積增加較為明顯，且沙漠邊緣人工草地面積也有所擴(kuò)張，這反映出磴口縣西部生態(tài)環(huán)境的改善是地下水位上升的重要原因。在南北方向上，地下水位在2008、2016年均呈現(xiàn)由北向南逐漸升高的趨勢，然而2016年與2008年相比，磴口縣南部地下水位下降較為明顯，分析可知，2006年建筑用地相比2008年有所增加，且磴口縣南部的黃河河道有較大面積被開墾為耕地，這種土地利用上的變化對地下水埋深的變化產(chǎn)生了明顯影響，使得縣域南部地下水位變深。

通過GS+軟件對地下水埋深測點數(shù)據(jù)采用半變異函數(shù)建模，并實現(xiàn)其空間插值預(yù)測及精度驗證[23]。半變異函數(shù)的擬合采用高斯模型完成[24]，通過多次模擬試驗調(diào)整函數(shù)步長，最終擬合結(jié)果如圖5所示，2008、2016年模型擬合的決定系數(shù)R2分別為0.975和0.938，均達(dá)到了較高的精度。

圖5 地下水埋深半變異函數(shù)擬合曲線Fig.5 Semivariograms of groundwater depth

由圖5可知，2008、2016年磴口縣地下水埋深的偏基臺值分別為0.440和0.933，2016年升高較為明顯，基臺值越高，表明地理變量由隨機(jī)因素引起的空間異質(zhì)性越高，因此與2008年相比，地下水埋深受人為隨機(jī)影響的程度有所加深。塊金值與基臺值之比(C0/(C0+C))稱為基底效應(yīng)，該指數(shù)常用來衡量由隨機(jī)部分引起的空間變異，按照區(qū)域化變量空間相關(guān)性程度的分級標(biāo)準(zhǔn), 當(dāng)C0/(C0+C)<25%時，空間變量的相關(guān)性強(qiáng)烈，當(dāng)25%≤C0/(C0+C)<75%時，空間變量的相關(guān)性中等，當(dāng)C0/(C0+C)≥75%時，空間相關(guān)性很弱，經(jīng)計算可知，2008年與2016年磴口縣地下水埋深的基底效應(yīng)分別為12.2%和25%，表明研究時段內(nèi)磴口縣地下水埋深具有較強(qiáng)的空間相關(guān)性，但是2016年的基底效應(yīng)有所升高，說明地下水埋深的空間異質(zhì)性增強(qiáng)，隨機(jī)權(quán)重逐漸增大。2008、2016年地下水埋深半變異函數(shù)的變程分別為20.74 km與23.90 km，空間的最大相關(guān)距離略有增大。

利用高斯模型對2008年和2016年磴口縣地下水埋深進(jìn)行空間插值，結(jié)果如圖6所示，對插值結(jié)果進(jìn)行交叉驗證，結(jié)果如圖7所示，圖7表明地下水埋深的空間預(yù)測精度基本滿足研究需要，證明模型選取與參數(shù)設(shè)定均較為合理，擬合效果良好。

圖6 磴口縣地下水埋深空間插值Fig.6 Spatial interpolation of groundwater depth

圖7 插值結(jié)果交叉驗證Fig.7 Cross validation of interpolation results

4.2 磴口縣景觀格局演變分析

基于研究區(qū)2008年與2016年景觀格局分布圖(圖2)，本研究利用GIS分析工具制作了研究區(qū)2008—2016年景觀格局轉(zhuǎn)移矩陣如表2所示，并分析了不同景觀格局類型的轉(zhuǎn)移動態(tài)度，如表3所示。

由分析可知，在研究時段內(nèi)，研究區(qū)最主要的景觀類型為林地，占縣域面積的30%以上，其次為沙地、裸地與水體，占縣域面積的20%左右，耕地與建筑用地面積相對較小，此種景觀格局構(gòu)成充分表現(xiàn)了磴口縣防沙治沙與生態(tài)保護(hù)對河套平原起到了重要的屏障作用。分析2008—2016年的景觀格局演變可知，研究時段內(nèi)，建筑用地與水體發(fā)生了最為劇烈的變化，其中建筑用地變化速率為69.79%，轉(zhuǎn)移速率為12.22%，新增速率為57.57%，增加明顯。由轉(zhuǎn)移矩陣可知，建筑用地最大的轉(zhuǎn)入來源為耕地，

表2 2008—2016年景觀格局轉(zhuǎn)移矩陣Tab.2 Transfer matrix of landscape pattern in 2008—2016 km2

表3 2008—2016年土地利用動態(tài)度Tab.3 Dynamic degrees of landscape in 2008—2016 %

由耕地轉(zhuǎn)為建筑用地的面積達(dá)到43.10 km2，超過了其他景觀類型的轉(zhuǎn)移面積之和，這表明在城鎮(zhèn)化過程中，建筑用地對耕地產(chǎn)生了較明顯的侵占，當(dāng)?shù)馗丶t線的保持可能面臨一定壓力；在研究時段內(nèi)水體的總體動態(tài)度為54.99%，其中轉(zhuǎn)移速率為10.43%，新增速率為44.56%，該時段內(nèi)水體面積急劇增加，主要是由于政府大力開展引黃與水土保持工程，尤其以磴口縣東南部奈倫湖的建設(shè)為代表，灌溉工程的大力建設(shè)有效改善了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，然而灌區(qū)土地同樣面臨土壤鹽堿化等問題，當(dāng)?shù)卣畱?yīng)注意治理。研究時段內(nèi)，耕地面積減少較為明顯，由研究初期的591.06 km2減少到研究末期的66.91 km2，耕地景觀的轉(zhuǎn)出方向主要為水體(525.07 km2)和林地(35.53 km2),此種景觀格局變化充分反映了當(dāng)?shù)貨Q策者對荒漠綠洲區(qū)生態(tài)保護(hù)與防沙治沙工作的重視。研究時段內(nèi)，林地面積基本保持不變，而沙地面積有所減少，由838.03 km2減少到683.11 km2，反映了研究時段內(nèi)防沙治沙工作的成效。裸地景觀在研究時段內(nèi)基本沒有變化。

為了進(jìn)一步分析研究時段內(nèi)景觀格局演變對地下水埋深的驅(qū)動作用，本研究用2016年地下水埋深插值數(shù)據(jù)減去2008年地下水埋深插值數(shù)據(jù)，得到兩年間的埋深變動，如圖8a所示。利用ArcMap 10.2空間疊加分析功能，提取研究時段始末景觀格局產(chǎn)生轉(zhuǎn)移的區(qū)位，如圖8b所示。

圖8 2008—2016年磴口縣地下水埋深與景觀 格局時空耦合變異分析Fig.8 Spatial and temporal coupling analysis on evolution of groundwater depth and landscape pattern of Dengkou County from 2008 to 2016

相比2008年，2016年地下水埋深在磴口縣城、當(dāng)前奈倫湖外圍附近以及狼山山前有較為明顯的加深。結(jié)合景觀格局演變分析可知，研究時段內(nèi)磴口縣城發(fā)生了明顯擴(kuò)張，使得大量人口與生產(chǎn)活動向其聚集，造成了較大的用水壓力，因此在縣城附近形成了地下水漏斗。縣域南部奈倫湖周邊地下水位有明顯上升，然而外圍地區(qū)卻下降明顯，此種變化產(chǎn)生的原因可能是奈倫湖提供了較為充足的水源，使得當(dāng)?shù)匕l(fā)展了耗水較大的生產(chǎn)活動，反而使得地下水位有所下降。山前地下水埋深的加深最為明顯，結(jié)合景觀格局演變分析可知，此地東部耕地與建筑用地的擴(kuò)張較為明顯，用水量較之前有所增加，對地下水抽取使得山前地下水向東部補給，山前地下水位下降明顯?？h域西南部、沙金套海蘇木周圍、呼吉日忽熱附近以及奈倫湖臨近地區(qū)地下水位上升明顯(圖8)。從景觀格局的演變分析可知，縣域西南發(fā)生了大量林草地向耕地的轉(zhuǎn)移，實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)耕地的擴(kuò)張伴隨了大量的水渠與灌溉設(shè)施的建設(shè)，耕地的灌溉水下滲，使當(dāng)?shù)氐叵滤玫搅说乇硭?黃河引水)的補充；沙金套海蘇木周圍與呼吉日呼熱附近情況與縣域西南較為相似，同樣是灌溉設(shè)施的完善使得灌渠引水在澆灌耕地的同時對當(dāng)?shù)氐叵滤M(jìn)行了補充。

對比研究時段始末的地下水分布格局可知，伴隨時間的推移，磴口縣對水資源的利用效率有所升高，地下水位埋深本就較深的山前與沙漠腹地進(jìn)一步加深，而具有生態(tài)與生產(chǎn)潛力的地區(qū)，地下水得到了明顯補給，由此可得，當(dāng)前磴口縣地下水的利用方式較為合理。

5 結(jié)論

(1)磴口縣地下水埋深大體遵循由東北向西南逐漸加深的趨勢，縣域中部沙漠分布區(qū)位也有較深的地下水埋深。磴口縣地下水埋深空間相關(guān)性較強(qiáng)，研究時段內(nèi)地下水埋深空間異質(zhì)性中的隨機(jī)擾動增強(qiáng)，基臺值與變程均有所增加，空間異質(zhì)性總體呈上升趨勢。

(2)磴口縣主要的景觀類型為林地，其次為沙地、裸地與水體，研究時段內(nèi)建筑用地與水體增加明顯，耕地與沙地略有減少，景觀格局的演變反映了磴口縣防沙治沙工作的成效。

(3)從景觀格局演變對地下水埋深的影響來看，建筑用地的擴(kuò)張使得相應(yīng)地區(qū)地下水位明顯加深，而地表灌溉系統(tǒng)的不斷完善使得耕地附近地下水位有所上升，在研究時段內(nèi)，磴口縣地下水資源的利用效率有較明顯的提高。