平羅縣地下水埋深動態變化特征及驅動因素分析

吳 霞，張永宏，樊麗琴，李 磊

(寧夏農林科學院農業資源與環境研究所，銀川 750002)

平羅縣位于銀川平原北部、黃河青銅峽灌區下游，介于東經105°57′42″至106°58′2″，北緯38°36′18″至39°5′13″之間，東西分別與內蒙古自治區鄂托克旗、阿拉善左旗接壤，南鄰銀川市興慶區、賀蘭縣，北與石嘴山市大武口區、惠農區毗鄰，土地總面積2 086.13 km2，總人口28.4 萬人，其中農業人口21.2萬人[1]。平羅縣得益于黃河灌溉，農業生產水平較高，同時由于長期不合理的灌溉和排水，致使地下水位上升，土壤鹽漬化問題嚴重，成為制約經濟社會發展的“瓶頸”[2]。近年來，隨著引黃水量的減少，土壤鹽漬化問題更為突出，如何有效利用淺層地下水、控制地下水位、進而減輕土壤鹽漬化成為眾多學者研究的熱點[3,4]。研究表明，干旱、半干旱區地下水位變化受氣候、水文、地質、人類活動等多種因素影響，席海洋等利用地統計學方法分析了額濟納盆地地下水位時空變化特征，結果表明受干旱氣候影響額濟納盆地地下水位整體呈下降趨勢[5]；李生潛等對石羊河流域地下水位的研究表明，石羊河流域地下水動態變化是氣候因素和人類活動共同影響的結果，自流域治理以來石羊河流域地下水位有所回升并趨于穩定[6]。魏建成對銀川平原地下水位動態變化的研究表明人為因素是銀川平原地下水位變化的主要因素，包括農業灌溉以及地下水開采等[7]。本文以銀川平原的平羅縣為研究區域，利用2007-2017年地下水觀測資料，研究平羅縣近年來的地下水埋深動態變化特征及其影響因素，為進一步合理開發利用地下水資源等提供理論依據。

1 數據和方法

1.1 數據來源

本文研究數據來源于寧夏水文水資源勘測局提供的2007-2017年平羅縣61眼觀測井的地下水位觀測資料，根據平羅縣地貌地形、水文水系、灌排條件以及農作物種植結構等特征選取典型觀測井分析平羅縣地下水埋深時空變異特征及其影響因素。

1.2 分析方法

2 地下水埋深時空變異特征分析

2.1 時間變化特征

選擇平羅縣西部賀蘭山山前洪積平原區(A平5-1)、西大灘碟形洼地(A平5-3)、南部水稻種植區(A平6-6)、城鎮區(S平-11)、黃河河灘區(A平3-5)以及北部低洼區(A平1-4)作為典型觀測井，分析平羅縣2007-2017年地下水埋深年際、年內變化情況。

2.1.1 年際變化特征

從圖1看出，2007-2017年平羅縣地下水埋深整體呈升高趨勢，賀蘭山山前洪積平原區和城鎮區地下埋深較深，受降雨量及引黃灌溉水量影響較??；其他地區地下水埋深較淺，隨降雨量及引黃灌溉水量波動較大。與2007年相比，2017年賀蘭山山前洪積平原區和城鎮區地下埋深分別下降8.14和3.42 m，下降率達到191.53%和80.85%，其中2007-2015年下降最為迅速，2015年后地下水埋深趨于穩定且略有回升。西大灘蝶形洼地和北部地勢低洼區地下水埋深處于波浪式下降趨勢，11年來降深分別為0.14 m和0.34 m，其中北部低洼地區受引黃灌溉水量逐年減少影響，地下水埋深下降更為明顯。黃河河灘區和南部水稻種植區11年來平均地下水埋深分別為1.17 m和0.75 m，地下水埋深相對較淺，且變化趨勢不明顯，多年來隨著降雨量和黃河水量的豐缺上下波動。

圖1 代表性觀測井地下水埋深年際變化Fig.1 Interannual variation of groundwater depth in representative observation wells

2.1.2 年內變化特征

典型觀測井多年月平均地下水埋深年內變化如圖2所示，通過分析可以看出，平羅縣地下水埋深年內波動較大，變幅在0.51～1.19 m之間，除賀蘭山山前洪積平原區地下水埋深在年內呈現先快速下降再緩慢回升趨勢外，其他地區地下水埋深年內均呈雙峰型波動。

(1)賀蘭山山前洪積平原區地下水是農業用水的主要來源，春、夏季農作物生長需水量較大，因此，地下水埋深呈快速下降趨勢，7月份達到最低，為8.69 m，8-12月份隨著農業需水量的減少及降雨量的增多，地下水埋深開始緩慢回升。

(2)西大灘碟形洼地、南部水稻種植區、黃河河灘區以及北部低洼區年內地下水埋深波峰出現在5-7月和11月，波谷出現在2月和10月，這主要與降雨量季節分布、黃河水量、作物生長周期、種植結構以及灌溉制度等密切相關。3-10月份是平羅縣主要農作物的生長周期，地下水埋深變化與農作物生長周期需水規律一致，呈先升高再降低趨勢；受土壤鹽漬化影響，平羅縣大部分耕地需進行冬灌洗鹽，故11月份地下水埋深出現明顯回升；12月至翌年2月，大部分耕地休閑裸露，受地面蒸發影響，地下水埋深不斷下降。其中，南部水稻種植區表現最為明顯，地下水埋深年內波動最大，變幅達到1.19 m。

式中，因變量Scitechemys是企業年報中披露的技術人員；Tangibility代表無形資產占總資產比例；Employee是企業年報中披露的員工數量；其他變量定義參見表2。

(3)城鎮區地下水埋深年內隨季節變化輕微波動，變幅為0.51 m，是平羅縣地下水埋深年內波動最小的地區。受城鎮工業用水、生活用水、園林綠化用水以及農業灌溉等多重影響，地下水埋深波峰出現在5月和10月，埋深最淺為5月的5.97 m，波谷出現在2月和8月，最深為8月的6.48 m。

圖2 代表性觀測井地下水埋深年內變化Fig. 2 Annual variation of groundwater depth in representative observation wells

2.2 空間分布特征

利用ArcGIS軟件的反距離加權插值(IDW)法繪制2007年、2010年、2014年和2017年平羅縣地下水埋深等值線分布圖(圖3)，由圖3可知平羅縣地下水埋深的空間分布特點如下：

(1)從整體空間分布來看，平羅縣地下水埋深從東向西遞增，南北差異不明顯。黃河自南向北流經平羅縣東部，沿岸得益于黃河灌溉之便，是平羅縣主要糧食產區，同時，受黃河水常年灌溉影響，地下水埋深較淺，大多在1.0～1.5 m之間。西部賀蘭山地區地勢較高，地下水埋深較深，多在3.0 m以上。從局部位置來看，受深層地下水開采影響，崇崗鎮-汝其溝附近以及平羅縣城西部形成一個面積較大的地下水深埋區域；通伏鄉-姚伏鎮一帶因多年種植水稻，地下水埋深較淺，多在1.0 m以下；受地勢低洼以及排水不暢影響，分別在西大灘前進農場附近、黃渠橋鎮附近形成一定面積的淺埋區域，地下水埋深多在0.5～1.5 m之間。

(2)從地下水空間變化趨勢來看，2007-2017年平羅縣地下水埋深呈下降趨勢。從圖4可以看出，地下水埋深1.0～1.5 m區域面積占比下降最為明顯，面積占比從2007年的63.15%下降至2017年的46.63%。受地下水開采影響，平羅縣城區及西部地下水埋深顯著下降，地下水埋深大于4 m的區域面積占比由2007年的1.09%增加至2017年的14.25%。平羅縣中部及東部地區以種植小麥、玉米、油葵等旱作農業為主，受引黃灌溉水量逐年減少影響，地下水埋深近年來有所下降，2007年多集中在1.0～1.5 m，至2017年地下水埋深則多介于1.5～2.0 m。平羅縣南部常年種植水稻，北部地勢低洼排水較困難，因此地下水埋深較淺，且多年來變化不明顯。

圖3 平羅縣地下水埋深分布圖Fig.3 Groundwater burial depth distribution map in Pingluo County

圖4 平羅縣不同地下水埋深面積變化圖Fig.4 Variation of groundwater buried area in Pingluo County

3 地下水埋深動態變化影響因素分析

有研究表明，地下水埋深動態變化是環境變化和人類活動共同作用的結果，平羅縣地下水埋深受氣候、地形、農業生產以及人口經濟等多因素影響[14-16]，降雨、入滲、蒸發量等自然條件的變化，地下水開采、農業灌溉、排泄等人類活動對地下水系統均產生影響，最終引起地下水的動態變化。本文根據平羅縣統計資料及實地調查資料，選取年降雨量(X1)和年平均氣溫(X2)2個氣候因子，農作物種植物面積(X3)、水稻種植面積(X4)、糧食總產量(X5)、總取水量(X6)、黃河水引水量(X7)和地下水取水量(X8)6個人類活動因子，共8個影響因子定量化分析平羅縣地下水分布動態變化的原因。采用SPSS 25軟件的相關分析工具計算平羅縣年平均地下水埋深(Y)及各影響因子的相關系數(表1)。

從表1可知，平羅縣年平均地下水埋深與水稻種植面積和糧食總產量呈極顯著正相關關系，相關系數分別為0.784和0.810，與農作物總種植面積相關性顯著，這說明農作物種植面積的擴大及糧食總產量的提升導致地下水消耗量增加，從而引起地下水埋深增加。年平均地下水埋深與總取水量和黃河水引水量呈極顯著負相關關系，相關系數分別為-0.771和-0.750，且總取水量和黃河水引水量相關系數為0.860，說明黃河水引水量是平羅縣地下水埋深減少的重要因素，這主要是因為平羅縣農業生產灌溉以黃河水為主，引黃灌溉是平羅縣地下水的主要補給方式。平羅縣地處西北內陸，干旱少雨，降雨量和蒸發量對地下水埋深影響較小，相關系數僅為-0.064和0.097。

同時，從表1相關系數矩陣可以看出，影響地下水埋深變化的各驅動因子之間存在不同程度的相關性， 其中，驅動因子X3、X4、X6和X7之間存在顯著或極顯著相關關系，說明因子之間存在多重共線性，進一步采用主成分分析法提取主成分，降低數據重疊性。從分析結果看(表2)，前3個主成分的特征值均大于1，且累計貢獻率達已經達到85.005%，說明已經包含原有8個驅動因子的大部分信息，因此只需提取這3個主成分并計算其特征值對應的特征向量。

表1 各影響因子的相關系數矩陣Tab.1 Coefficient matrix of each influencing factor

注：*表示在P<0.05水平顯著相關，**表示在P<0.01水平顯著相關。

根據主成分特征值荷載矩陣(表3)建立主成分綜合方程如下：

Z1= 0.040X1+0.120X2+0.201X3+0.192X4+

0.169X5-0.206X6-0.205X7-0.151X8

(1)

Z2= -0.645X1-0.058X2+0.080X3+0.221X4+

0.311X5+0.066X6+0.044X7+0.371X8

(2)

Z3= -0.304X1+0.781X2-0.201X3+0.155X4-

0.391X5+0.003X6+0.125X7-0.143X8

(3)

表2 特征值及主成分貢獻率Tab.2 Eigenvalues and principal component contribution rate

表3 主成分特征值荷載矩陣Tab.3 Principal component eigenvalue load matrix

主成分Z1中農作物種植面積、總取水量、地下水取水量等人為影響因子的系數較大，因此可將Z1看作人為因子；同理，可將Z2和Z3分別解釋為降雨因子和氣溫因子。以重新提取的人為因子Z1、降雨因子Z2和氣溫因子Z3為自變量，以地下水埋深Y為因變量進行多元線性回歸分析，得回歸方程為：

Y= 1.163+0.118Z1+0.049Z2-0.043Z3

(4)

經計算，該回歸方程相關系數R為0.890，確定系數R2為0.792，F檢驗值為8.862，顯著性概率P=0.009<0.05，說明該方程的回歸效果較好。同時對該方程的系數進行t檢驗，結果顯示Z1的顯著性P=0.003<0.05，說明人為因子對地下水埋深具有顯著影響；Z2、Z3的顯著性概率P>0.05，說明降雨因子和氣溫因子對地下水埋深影響并不顯著。根據回歸分析原理可剔除對地下水埋深影響較小的降雨因子Z2和氣溫因子Z3，得到最終回歸方程為：

Y= 1.163+0.118Z1

(5)

從上述分析可知，人為活動是影響平羅縣地下水埋深變化的主要因素，其中總取水量、黃河水引水量、農作物種植面積以及水稻種植面積對地下水埋深影響較大，說明農作物及水稻種植面積的變化，引起總取水量及黃河水引水量的變化，最終導致地下水埋深的變化。分析表明年降雨量和年平均氣溫單獨作用時對地下水埋深具有一定影響，但與人為因素共同作用時其影響可忽略不計，表明氣候因素對平羅縣地下水埋深影響較小。

4 結 語

綜合以上分析可知， 2007-2017年平羅縣地下水埋深動態變化呈現如下特點：

(1)年際變化：平羅縣地下水埋深11年來整體呈下降趨勢，賀蘭山附近受地下水開采影響，下降較為明顯，西大灘蝶形洼地及北部地勢低洼區受引黃灌溉水量逐年減少影響，地下水埋深略有下降，其他地下水淺埋區年際變化不明顯。

(2)年內變化：平羅縣地下水埋深年內波動幅度在0.51～1.19 m之間，呈雙峰型波動。第一個波動周期是3-10月份，地下水埋深隨作物需水規律呈先升高再降低趨勢；此外，受平羅縣耕地冬灌制度影響，11月份地下水埋深大幅回升，12月至翌年2月是地下水埋深的第二個下降期。

(3)空間分布：平羅縣地勢東部低、西部高，地下水埋深隨地形由東向西呈遞增趨勢，受黃河及黃河水灌溉影響，平羅縣地下水埋深南北差異性較小，部分地勢低洼地區存在一定面積的淺埋區。

(4)對平羅縣地下水埋深動態變化驅動因素的研究表明人為活動是引起地下水埋深變化的主導因素，包括總取水量、黃河水引水量、農作物種植面積以及水稻種植面積等；年降雨量和年平均氣溫對地下水埋深有一定影響，但與人為因素相比其作用非常有限。

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