白宜斐, 王 弋, 陳亞寧， 梁建輝， 向燕蕓

(1.中國科學院 新疆生態(tài)與地理研究所, 荒漠與綠洲生態(tài)國家重點實驗室, 新疆 烏魯木齊 830011；2.中國科學院大學, 北京 100049； 3.喀什水文勘測局， 新疆 喀什 844000)

1 研究背景

地下水是水資源的重要組成部分，是世界上最大的淡水儲存庫，約占全球淡水資源的三分之一[1-2]。地下水具有分布廣泛、易于開采的特性，對于改善水資源供需不平衡起到積極的作用。我國的水資源相對匱乏，且時空分布不均，嚴重影響了我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)定。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展以及人口、耕地面積的增加，人們對水資源的需求日益增加[3]，水資源供需矛盾更加突出，目前，地下水是農(nóng)業(yè)活動和居民生活用水的重要來源，能解決近70%的城市和農(nóng)田的水需求問題，尤其是在干旱、半干旱地區(qū)，地下水資源的優(yōu)劣與當?shù)匕傩丈a(chǎn)生活以及城市的發(fā)展休戚相關(guān)[4-5]。

我國西北干旱區(qū)降水稀少，蒸發(fā)量大，水資源主要來源于山區(qū)，在綠洲盆地和平原內(nèi)得以開發(fā)利用[6]。在綠洲水資源中，地表水受自然因素影響，供給極不穩(wěn)定[7]，地表徑流的缺乏使當?shù)鼐用駥⒛繕宿D(zhuǎn)向地下水，過度開采地下水將導致地下水埋深增加，形成降落漏斗[8]，地下水埋深的增加也會導致植被覆蓋度減少，并對胡楊、檉柳等沙漠植物產(chǎn)生一定的影響[9-10]，破壞綠洲與沙漠間的生態(tài)平衡[11]，導致沙漠擴張。同時過度灌溉會導致局部的地下水位升高，在強烈的蒸發(fā)作用下，加速局部的土壤鹽漬化進程，惡化生產(chǎn)條件[12]。因此研究干旱區(qū)綠洲灌區(qū)地下水埋深變化對人類生產(chǎn)生活至關(guān)重要。綠洲地下水資源受到自然條件和人類活動的共同影響[13-14]，不同地區(qū)主要影響因素也不相同。新疆和田綠洲由于降水遠小于蒸發(fā)量，所以地下水埋深主要是受蒸發(fā)的影響，其次是溫度和風速[15]；甘肅民勤綠洲的地下水埋深與氣溫的相關(guān)性大，其次是降水和蒸發(fā)量[16]，此外，地下水開采量、灌溉用水量和上游來水量以及人口數(shù)量等人為因素也與地下水位的變化有較強的相關(guān)性[8,17-18]，是驅(qū)動地下水埋深變化的主要因素。

葉爾羌河流域灌區(qū)是新疆最大的綠洲和農(nóng)業(yè)灌區(qū)，地處中亞干旱地區(qū)，屬于典型的溫帶大陸干旱氣候。是新疆乃至全國最重要的優(yōu)質(zhì)糧食、棉花、水果生產(chǎn)基地[19]。與此同時，葉爾羌河流域是沙漠綠洲，位于塔克拉瑪干沙漠與布谷拉、托克拉克沙漠之間，生態(tài)系統(tǒng)脆弱，降雨量少蒸發(fā)強，并且干旱期顯著[20]。流域灌區(qū)農(nóng)業(yè)人口在整個流域中所占比例很大，農(nóng)業(yè)用水量大，生態(tài)環(huán)境脆弱[21]。同時，葉爾羌河流域人口和耕地面積近年來顯著增加，導致水資源和環(huán)境壓力加大，水資源短缺嚴重制約了該地區(qū)的發(fā)展[22]。 在這樣的環(huán)境中，地下水已成為該地區(qū)重要的水源和供水選擇[22-23]。相關(guān)研究表明，葉爾羌河流域的地下水動態(tài)變化，受氣溫變化的影響程度高于降水量，這是由于春季溫度回升后，冰川積雪融水補給量大，再加上大面積的灌溉，導致地下水埋深在春季有明顯的上升[24-25]。王建疆[26]認為地下水埋深的變化與灌溉面積和河道輸水有關(guān)。但是由于缺少長期完整的相關(guān)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)分析，目前針對葉爾羌河流域灌區(qū)地下水埋深變化的相關(guān)研究報道不多，且僅限于簡單的描述地下水埋深的變化趨勢以及與氣候因子間的關(guān)系，缺乏對影響地下水埋深變化的人為因素的全面分析以及對其變化的主導因子的討論。

本文選取了葉爾羌河流域灌區(qū)內(nèi)3個典型子灌區(qū)，對分布在3個子灌區(qū)內(nèi)共35口監(jiān)測井自2006-2017年逐月地下水埋深的觀測數(shù)據(jù)利用敏感性分析法以及相對貢獻率法，分析葉爾羌河流域灌區(qū)地下水埋深的時空變化特征、地下水埋深對各影響因子的敏感性以及各因子對地下水埋深變化的相對貢獻率。該研究試圖揭示葉爾羌河灌區(qū)地下水埋深對自然要素與人為要素的敏感性并確定主要影響因子，研究結(jié)果對該地區(qū)的地下水資源利用具有重要的參考價值和指導意義。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

本文選取葉爾羌河流域灌區(qū)作為研究區(qū)域。葉爾羌河流域灌區(qū)地下水資源量約32.58×108m3,占整個流域地下水資源量的72.3%，其中地下水的供應量約11.4×108m3，占灌區(qū)地下水資源總量的35%。研究區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)依賴于灌溉，以井渠結(jié)合灌溉方式為主。葉爾羌河流域灌區(qū)可劃分為7個子灌區(qū)：葉城子灌區(qū)、澤普子灌區(qū)、莎車子灌區(qū)、麥蓋提子灌區(qū)、巴楚子灌區(qū)、岳普湖子灌區(qū)、和前海灌區(qū)[26]。其中莎車灌區(qū)是位于徑流出山口后的第1個子灌區(qū)且境內(nèi)有產(chǎn)流，地表水資源相對豐富；巴楚灌區(qū)距離出山口位置較遠且境內(nèi)不產(chǎn)流，地表水資源主要是依靠引水；麥蓋提灌區(qū)自身境內(nèi)雖不產(chǎn)流，但地理位置較巴楚更有優(yōu)勢。因此，本文在綜合比較各個灌區(qū)的特性和地理位置后，選取了莎車子灌區(qū)、麥蓋提子灌區(qū)與巴楚子灌區(qū)(以下分別簡稱莎車、麥蓋提和巴楚)3個子灌區(qū)作為本文的代表性研究區(qū)(具體位置參見圖1)。

2.2 數(shù)據(jù)來源

本文根據(jù)數(shù)據(jù)資料的代表性，選取了葉爾羌河流域灌區(qū)共35口觀測井自2006-2017年間的月尺度地下水埋深觀測數(shù)據(jù)，其中16口位于巴楚，7口位于麥蓋提，12口位于莎車，具體觀測井分布詳見圖1。灌區(qū)影響地下水埋深的因素分為自然因素和人為因素兩部分，通過相關(guān)文獻并結(jié)合研究區(qū)實際情況，本文分別選取灌區(qū)水文觀測站點卡群站的年徑流量、各縣氣象站降水量以及實際蒸散發(fā)、地表水灌溉用水量和地下水開采量作為影響因子展開具體分析。其中實際蒸散發(fā)則是運用A-A模型[27-28]計算所得(A-A模型是基于互補相關(guān)理論的計算實際蒸散發(fā)量的方法，并在塔里木河流域進行模型率定，結(jié)果良好，其具體的原理與計算方法詳見參考文獻[27]和[28])，地表水灌溉用水量和地下水開采量等人為因素數(shù)據(jù)均來自于《喀什地區(qū)統(tǒng)計年鑒》和《喀什地區(qū)水資源公報》。

圖1 葉爾羌河流域、研究灌區(qū)及其地下水埋深觀測井分布圖

2.3 研究方法

2.3.1 敏感性分析 本文采用Wang等[29]提出的敏感性分析方法分析2006-2017年葉爾羌河流域灌區(qū)地下水埋深和其影響因子之間敏感系數(shù)，該方法可以定性確定對子灌區(qū)地下水埋深變化敏感性較強的影響因子[30-31]。其計算公式如下：

(1)

2.3.2 相對貢獻率 相對貢獻率可以定量地分析各影響因子對地下水埋深的貢獻率并確定主導因子。由于各影響因子與地下水埋深的量綱、范圍表現(xiàn)不一，需先對其進行標準化，然后運用多元線性回歸法分析各影響因子對相對地下水埋深變化的相對貢獻率[32-33]。方法如下：

(2)

(3)

(i=1,2,…,5)

3 結(jié)果分析

3.1 地下水埋深的時空變化特征

本文利用Thiessen多邊形建立多邊形網(wǎng)格來表示葉爾羌河流域灌區(qū)地下水埋深的空間變化，結(jié)果詳見圖2。由圖2可看出，葉爾羌河流域灌區(qū)東北部的地下水埋深大于西南部。在3個子灌區(qū)中，下游巴楚的地下水埋深在研究時段內(nèi)變化最為顯著，而上游莎車和麥蓋提的地下水埋深變化相對較小。

從年際變化看，灌區(qū)的地下水埋深呈現(xiàn)波動加深的趨勢(見圖2)。整體而言，2006-2010年間灌區(qū)地下水埋深以0.165 m/a速度逐漸加深，2011和2012年的地下水埋深略有回升，2013-2017年地下水埋深以0.3 m/a的速度加深。其發(fā)生變化可能由于從2004年開始山區(qū)來水量減少，使得地表水灌溉用水量減少，隨著地下水的開采力度加大，導致2013年后地下水埋深的增加速度要大于2010年以前。

分灌區(qū)而言，巴楚的地下水埋深變化最快，以0.13 m/a的速度加深，以巴楚東北部即下游部分加深速度最快，其次是麥蓋提(0.11 m/a)，莎車的地下水埋深變化最慢(0.097 m/a)。在空間上，巴楚子灌區(qū)下游末端的地下水埋深變化最大，主要是因為該灌區(qū)位于葉爾羌河下游，以荒漠河岸林和草地等天然植被為主，沒有灌溉下滲補給而且河水補給量少，因此地下水埋深要大于農(nóng)田灌溉地區(qū)。而莎車和麥蓋提主要是農(nóng)田灌溉區(qū)，且位于流域灌區(qū)上游，水量來源條件以及地理位置均優(yōu)于巴楚，因此地下水埋深變化相對較慢。

3.2 地下水埋深的年內(nèi)變化特征

對葉爾羌河流域巴楚、麥蓋提和莎車3個子灌區(qū)的年內(nèi)地下水埋深距平進行分析，結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看出，巴楚的地下水埋深在3月最小，6月最大，3-6月間地下水埋深逐漸變大，7月至次年2月地下水埋深逐漸變?。畸溕w提的地下水埋深3月最小，6月最大，3-6月間地下水埋深逐漸變深，7月至次年2月地下水埋深逐漸變?。幌鄬τ诎统望溕w提兩個子灌區(qū)的年內(nèi)地下水埋深變化幅度，莎車的地下水埋深年內(nèi)變幅最小，變化趨勢稍復雜，地下水埋深1月最小，6月最大，整體上也是從3月份開始地下水埋深逐漸增大，7-9月地下水位開始回升，10和11月再次增大后再慢慢減小，年內(nèi)呈雙峰的趨勢?？梢?個子灌區(qū)的多年月均地下水埋深均為6、7月份最大，在12月到次年5月小于其年內(nèi)平均值，5-11月地下水埋深大于其年內(nèi)平均值。原因可能由于5-10月是灌區(qū)農(nóng)作物的主要生長季節(jié)，因此灌區(qū)的地下水埋深受生長季農(nóng)作物自身用水需求的影響。

為了進一步分析灌區(qū)地下水埋深與農(nóng)作物生長季節(jié)規(guī)律之間的聯(lián)系，本文以5-10月為灌區(qū)生長季，11月-次年4月為非生長季，詳細比較了灌區(qū)地下水埋深變化和農(nóng)作物生長周期的關(guān)系，3個子灌區(qū)生長季和非生長季的地下水埋深變化見圖4。

圖2 2006-2017年葉爾羌河流域地下水埋深的時空變化

圖3葉爾羌河流域灌區(qū)巴楚子灌區(qū)、麥蓋提子灌區(qū)和莎車子灌區(qū)地下水埋深距平年內(nèi)變化 圖4巴楚子灌區(qū)、麥蓋提子灌區(qū)和莎車子灌區(qū)及全流域生長季和非生長季的地下水埋深變化

由圖4可看出，巴楚和麥蓋提生長季的地下水埋深大于非生長季的地下水埋深，而莎車在生長季和非生長季的地下水埋深沒有明顯變化，說明莎車在農(nóng)業(yè)生長季節(jié)對地下水的依賴并不明顯，可能與莎車境內(nèi)產(chǎn)流，且位于葉爾羌河出山口，有充足的地表水供應有關(guān)。而巴楚位于葉爾羌河流域灌區(qū)的末端，地表水供應不穩(wěn)定，因此巴楚農(nóng)業(yè)活動對地下水的依賴程度遠高于麥蓋提和莎車。

4 地下水埋深的影響因素分析

4.1 敏感性分析

通過上文介紹的敏感性分析方法，本文分別計算了各個子灌區(qū)地下水埋深與年徑流量、降水量、實際蒸散發(fā)、地表水灌溉用水量和地下水開采量5個影響因子的敏感性關(guān)系，并得出不同子灌區(qū)各影響因子的敏感系數(shù)，詳見表1。

表1 莎車子灌區(qū)、巴楚子灌區(qū)和麥蓋提子灌區(qū)地下水埋深對不同影響因子的敏感系數(shù)

由表1可知，各子灌區(qū)地下水埋深對各影響因子的敏感程度也各不相同。莎車地下水埋深變化對各影響因子的敏感程度依次為：實際蒸發(fā)量>地表水灌溉用水量>年徑流量>地下水開采量>降水量，說明莎車的地下水埋深對實際蒸發(fā)量變化的敏感性最高而對降水的敏感性最弱。麥蓋提對各影響因子的敏感程度依次為：實際蒸發(fā)量>地表水灌溉用水量>年徑流量>地下水開采量>降水量；由此可見，麥蓋提的地下水埋深同樣是對實際蒸發(fā)量的敏感性最強，對降水的敏感性最弱。巴楚對各影響因子的敏感程度依次為：地表水灌溉用水量>實際蒸發(fā)量>地下水開采量>降水量>年徑流量，說明巴楚地下水埋深對地表引水量的敏感性最強，對年徑流量和降水量的敏感性弱。

通過敏感性分析發(fā)現(xiàn)，3個子灌區(qū)中地下水埋深均對實際蒸發(fā)量的敏感性相對較強，而對地下水補給項中的降水量與徑流的敏感性弱，這與研究區(qū)的位置和氣候條件密切相關(guān)，葉爾羌河流域位于西北內(nèi)陸腹地，年降水量不足60 mm，而潛在蒸發(fā)量達2 200 mm左右，降水未來得及下滲已被蒸發(fā)，因此，降水對地下水埋深影響較小，蒸發(fā)量對其影響則較大。同時也有學者利用同位素分析該地區(qū)的地下水的水分來源發(fā)現(xiàn)研究區(qū)地下水不是來自降水的直接入滲，而是地表水(包括河水、渠道水、田間渠系灌溉水)的滲漏補給，可見，上游來水量、灌溉入滲補給以及地下水開采量是影響葉爾羌河流域灌區(qū)地下水埋深變化的重要影響因素。

4.2 貢獻率分析

各子灌區(qū)地下水埋深的影響要素對地下水埋深的相對貢獻率使用上文介紹的多元線性回歸法計算后結(jié)果如表2所示。從表2中可以發(fā)現(xiàn)，莎車灌區(qū)對地下水埋深貢獻最大的是地表水灌溉用水量(33.7%)。麥蓋提的地下水開采量是影響該地區(qū)地下水埋深變化最大的影響因子，貢獻率為36.9%，其次是地表水灌溉用水量，貢獻率為30.3%。巴楚的地下水開采量對地下水埋深變化的貢獻最為顯著，貢獻率達到42.2%。降水量對3個子灌區(qū)的影響可以忽略不計。

表2 莎車子灌區(qū)、巴楚子灌區(qū)和麥蓋提子灌區(qū)不同影響因子對地下水埋深變化的貢獻率 %

通過相對貢獻率分析發(fā)現(xiàn)，麥蓋提和巴楚地下水開采量對地下水埋深的影響要大于莎車，這可能與其在葉爾羌河流域的地理條件相關(guān)，葉爾羌河出山口位于莎車縣內(nèi)，莎車有充足的地表水資源，地表水灌溉用水量為地下水的補給項，而地下水開采是地下水的排泄項，地表水對地下水的補給緩解了地下水開采造成的埋深增加，因此莎車地區(qū)的地下水埋深增加速度要小于巴楚和麥蓋提地區(qū)。而麥蓋提和巴楚位于綠洲的中下游部分，經(jīng)過上游子灌區(qū)引水和河道損失后到麥蓋提和巴楚的水相對較少，有限的地表水灌溉用水量使得人們加大了地下水的開采力度，這也是巴楚和麥蓋提地下水埋深大于莎車的主要原因。

5 討 論

敏感性分析的實質(zhì)即地下水埋深與其影響因子之間的相關(guān)性分析。各個子灌區(qū)的地下水埋深對該地區(qū)降水量的敏感性均小于等于0.1且為正，這可能是因為本研究區(qū)降水稀少，蒸發(fā)量大，因而對地下水埋深的影響極弱；而與地下水埋深呈正相關(guān)的影響因子對地下水埋深的影響較大。另外，雖然3個灌區(qū)的地下水埋深變化對實際蒸散發(fā)的敏感性最高或者次高，但是實際蒸散發(fā)對地下水埋深變化的相對貢獻率卻不是最大，這是因為灌區(qū)蒸散發(fā)率很高并通過潛水層蒸發(fā)與地下水埋深形成高相關(guān)性。但是潛水蒸發(fā)的量還是小于灌溉水量和地下水開采量，所以實際蒸散發(fā)對地下水埋深的敏感性(相關(guān)性)最大，但是貢獻率卻不是最大。

有數(shù)據(jù)表明，2006-2017年間葉爾羌河灌區(qū)耕地面積增加7.015×104hm2，人口增加7.784×104人，地下水使用量占總用水量的比例從7.3%增加到18.4%，人口和耕地面積的增加間接導致地下水需求的增加，從而引起近10年莎車、麥蓋提和巴楚的地下水埋深的增加。

從2007年開始，葉爾羌河流域各子灌區(qū)的高效節(jié)水設(shè)備開始陸續(xù)投入使用，主要以滴灌和地下管道為主，因為地表水含有大量的泥沙，不適用于滴灌和地下管道，因此滴灌和地下管道的水全部來源于地下水，因此進一步加大了對地下水的開采。表3為巴楚、麥蓋提、麥蓋提和莎車3個子灌區(qū)的渠井用水系數(shù)(渠水引水量/井水用水量)，發(fā)現(xiàn)麥蓋提和莎車的渠井用水系數(shù)在2007年急劇變小，表明這兩個子灌區(qū)對地下水的利用量從2007年大幅增加，說明節(jié)水技術(shù)在節(jié)約水資源的同時也加大了對地下水的開發(fā)利用。雖然地膜覆蓋[34]、滴灌技術(shù)[35-36]、對渠道添加襯砌材料降低渠道中水下滲[37]等技術(shù)的實施能夠有效提高水資源的利用效率，在一定程度上也能夠緩解用水增長的速率，但與此同時灌溉用水對地下水的補給量也將減少。雖然高效節(jié)水設(shè)施對于優(yōu)化水資源利用效率存在一定可取性，但對地下水位變化的影響是存在風險還是起到積極的作用還有待研究。在未來的研究中，將對高效節(jié)水對地下水的影響開展相關(guān)研究，為更好地保護地下水、合理利用地下水資源提供可靠依據(jù)，制定合理的地下水資源利用規(guī)劃，找到合理的地下水開采閾值對控制該地區(qū)的地下水埋深加深具有重大意義。

表3 莎車子灌區(qū)、巴楚子灌區(qū)和麥蓋提子灌區(qū)2006-2013年渠井用水比例 %

6 結(jié) 論

本文選取了新疆葉爾羌河灌區(qū)的莎車子灌區(qū)、麥蓋提子灌區(qū)和巴楚子灌區(qū)共35口觀測井2006-2017年的地下水埋深數(shù)據(jù)，結(jié)合水文站點和氣象站點的觀測數(shù)據(jù)與《喀什地區(qū)統(tǒng)計年鑒》等相關(guān)數(shù)據(jù)資料，對灌區(qū)地下水埋深的時空變化特征進行分析，并分別探討了3個灌區(qū)的地下水位變化的主要影響因子。主要結(jié)論如下：

(1)葉爾羌河流域灌區(qū)的地下水埋深在沿河道方向上呈現(xiàn)出上游小(莎車子灌區(qū))、下游大(巴楚子灌區(qū))的趨勢；地下水變化最大為巴楚子灌區(qū)，莎車子灌區(qū)和麥蓋提子灌區(qū)的地下水位波動較小。

(2)巴楚和麥蓋提地下水埋深受農(nóng)業(yè)生產(chǎn)季節(jié)的影響顯著，莎車受農(nóng)業(yè)生產(chǎn)季節(jié)的影響相對較弱。

(3)地下水開采量是造成巴楚和麥蓋提地下水埋深加深的主要影響因子。莎車的地下水埋深變化受地下水開采量和地表水灌溉用水量共同的影響。