葉爾羌河流域地下水動態(tài)變化研究

余姣

（新疆維吾爾自治區(qū)塔里木河流域喀什管理局，新疆 喀什 844700）

西北干旱區(qū)降雨量少，綠洲水資源屬于重要的水源，但由于地表水的影響，綠洲水資源供應缺乏穩(wěn)定性，人們將開采地下水作為補充水資源空缺的重要途徑。因生產(chǎn)需要，地下水開采量持續(xù)增加，地下水埋深加大，現(xiàn)狀水文條件日益變差，地表植被覆蓋率降低，影響生態(tài)平衡。部分地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)存在過度灌溉的情況，致使局部地下水位升高，而西北地區(qū)氣候干燥，水資源蒸發(fā)量大，隨時間推移而出現(xiàn)愈發(fā)明顯的土壤鹽漬化現(xiàn)象，破壞自然生態(tài)環(huán)境及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件?；诖?，深入研究地下水埋深變化的主導因素具有重要意義。

1 研究背景

葉爾羌河流域灌區(qū)地下水資源量約為32.58×108m3，地下水的供應量約為11.40×108m3。研究區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以井渠結(jié)合灌溉方式為主，此次對區(qū)域內(nèi)地下水動態(tài)變化的研究基于3 個具有代表性的子灌區(qū)進行，即莎車子灌區(qū)，地表水資源豐富，境內(nèi)有產(chǎn)流，屬于徑流出山口后的首個灌區(qū)；巴楚子灌區(qū)，境內(nèi)不產(chǎn)流，地表水資源以引水的方式為主，所處位置距出山口較遠；麥蓋提子灌區(qū)，境內(nèi)不產(chǎn)流，但相比巴楚子灌區(qū)而言擁有更加良好的地理位置優(yōu)勢。

2 研究方法

2.1 敏感性分析法

研究數(shù)據(jù)選取流域內(nèi)2006—2017 年的地下水位埋深數(shù)據(jù)及其影響因子間的敏感系數(shù)，經(jīng)過分析、對比后，從各項影響因子中選取對地下水位埋深較敏感的部分[1]。敏感性分析的計算公式：

式中：ε為影響因子的敏感系數(shù)，ε為負表明影響因子的增加將導致GWD的減小，ε為正表明影響因子的增加將導致GWD的增加，ε的絕對值越大則敏感性越強；F，GWD分別為影響因子和地下水埋深的多年平均值；Fi為某一影響因子序列的第i個值；GWDi為地下水埋深序列的第i個值。

2.2 相對貢獻率

各影響因子對地下水埋深的貢獻率可通過相對貢獻率予以反映，并根據(jù)此項指標確定地下水埋深的主導因素。首先對影響因子做標準化處理，避免分析對象量綱、范圍表現(xiàn)不一的情況，再用多元線性回歸分析的方法確定相對貢獻率，根據(jù)此項數(shù)據(jù)判斷各項影響因子的影響程度[2]。相對貢獻率計算方法：

式中：GWDO為地下水埋深標準化值；b0—b5為影響因子對應的回歸系數(shù)；Q，P，G，ETa，K分別為出山口年徑流量、降水量、地表水灌溉用水量、實際蒸散發(fā)及地下水開采量的標準化值；ηi為影響因子變化對GWD變化的相對貢獻率。

3 結(jié)果分析

3.1 地下水埋深的時空變化特征

為直觀分析，利用泰森多邊形建立多邊形網(wǎng)格，對比分析各子灌區(qū)多個年份的地下水埋深，從而判斷其時空變化特征，具體如圖1所示。根據(jù)圖1可知，流域內(nèi)東北部的地下水埋深大于西南部，總體上地下水埋深呈波動加深的變化趨勢。地下水埋深變化速度最快的是巴楚子灌區(qū)，以0.130 m/a的速度加深，其中又以北部（下游）最為明顯，原因在于所處位置為葉爾羌河下游，河水補給量較上游明顯減少，且缺乏灌溉下滲補給，因此，相比農(nóng)田灌溉地區(qū)而言，此處的地下水深埋更大。其他兩個子灌區(qū)雖然也有地下水埋深變化，但幅度較少[3]，其中，莎車子灌區(qū)的地下水埋深變化速度最慢，為0.090 m/a，麥蓋提子灌區(qū)的地下水埋深變化速度為0.110 m/a。莎車和麥蓋提子灌區(qū)的位置集中在流域灌區(qū)上游，由于區(qū)位優(yōu)勢，可獲得更加充足的水源，因此，水資源穩(wěn)定性相對良好，地下水埋深僅以較慢的速度變化，總體變幅不明顯[4]。

圖1 葉爾羌河流域地下水埋深的時空變化

2006—2010 年，葉爾羌河灌區(qū)地下水埋深增速約為0.165 m/a，2011 和2012 年埋深略有回升，但后續(xù)多年仍繼續(xù)加深，速度約為0.300 m/a。2004 年以來，山區(qū)來水量呈減少的變化趨勢，區(qū)域內(nèi)可使用的地表水灌溉用水量降低，且自2013 年以來，由于歷年地下水開采量的持續(xù)增加，之后的地下水埋深增速加大，尤其是相比2010 年以前有大幅度的增加[5]。

3.2 地下水埋深的年內(nèi)變化特征

本文以年內(nèi)地下水埋深距平為重點研究指標，探尋各子灌區(qū)該指標一年內(nèi)的變化特征，如圖2 所示。根據(jù)圖2 可知，巴楚子灌區(qū)地下水埋深變化最大的是3—6 月，呈遞增趨勢，7 月至次年2 月呈減小的變化趨勢；麥蓋提子灌區(qū)地下水位埋深的最小、最大月份及變化趨勢與巴楚子灌區(qū)類似；莎車子灌區(qū)年內(nèi)的地下水埋深距平變化相對復雜，其中，地下水埋深最小的是1 月，最大的是6月，地下水埋深在一年內(nèi)經(jīng)過多次增減，呈雙峰形狀。綜上，月平均地下水埋深最大的月份為6，7月，5—11 月地下水埋深超過年內(nèi)平均值，12 月至次年5 月小于年內(nèi)平均值，出現(xiàn)該變化規(guī)律與灌區(qū)農(nóng)作物生長特性有關，由于5—10 月是農(nóng)作物用水需求的高峰期，因此用水量增加，灌區(qū)的地下水埋深隨之受到影響[6]。

圖2 地下水埋深距平的年內(nèi)變化

灌區(qū)生長季為5—10 月，非生長季為11 月—次年4 月，根據(jù)各子灌區(qū)在這兩個時段的地下水位埋深變化，研究地下水埋深與農(nóng)作物生長季節(jié)的聯(lián)系，如圖3 所示。根據(jù)圖3 可知，3 個灌溉區(qū)在生長季和非生長季地下水埋深的變化較小，莎車子灌區(qū)的地下水埋深在這兩個時段僅存在較小的變化，在農(nóng)業(yè)生長季節(jié)對地下水的依賴性不強，此現(xiàn)象的出現(xiàn)可能與莎車子灌區(qū)位于葉爾羌河出山口的區(qū)位優(yōu)勢及境內(nèi)產(chǎn)流有關，灌區(qū)內(nèi)地表水供應量可觀，可減輕對地下水的依賴程度，而巴楚子灌區(qū)位于流域的末端，缺乏足量且穩(wěn)定的地表水供應條件，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高度依賴地下水[7]。

圖3 灌區(qū)地下水埋深在生長季和非生長季的變化

4 地下水埋深的影響因素分析

4.1 敏感系數(shù)分析

灌區(qū)地下水埋深的影響因子包含降水量、實際蒸散發(fā)、年徑流量、地下水開采量及地表水灌溉用水量，此處根據(jù)敏感系數(shù)分析地下水埋深與各影響因子的敏感性關系，如表1 所示。

表1 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，莎車、麥蓋提子灌區(qū)地下水埋深對各影響因子的敏感程度一致，由低到高：降水量、地下水開采量、年徑流量、地表水灌溉用水量、實際蒸發(fā)量，灌區(qū)地下水埋深對降水量的敏感性最弱，對實際蒸發(fā)量的敏感性最強；巴楚子灌區(qū)地下水埋深對各影響因子的敏感程度由低到高：年徑流量、降水量、地下水開采量、實際蒸發(fā)量、地表水灌溉用水量，地下水埋深對年徑流量的敏感性最弱，對地表水灌溉用水量的敏感性最強[8]。

各子灌區(qū)地下水埋深對影響因子的敏感強弱關系存在差異，但總體上降水量與徑流的敏感性較弱、實際蒸發(fā)量的敏感性較強，這與子灌區(qū)的氣候條件及區(qū)位條件有密切的關聯(lián)。葉爾羌河流域地處西北內(nèi)陸，具有降雨量少、干燥的氣候特征，年降水量不足60 mm，蒸發(fā)量約為2 200 mm，流域內(nèi)僅有的少量降水于短時間內(nèi)快速蒸發(fā)，降水難以下滲至土壤中，因此，地下水埋深基本不受降水的影響，蒸發(fā)量才是影響地下水埋深的重要因素。

4.2 貢獻率分析

本文通過多元線性回歸法分析降水量、實際蒸散發(fā)、年徑流量、地下水開采量、地表水灌溉用水量等影響因子對地下水埋深變化的貢獻率，確定主導因素。各子灌區(qū)影響因子的貢獻率如表2所示。

表2 影響因子對地下水埋深變化的貢獻率 %

根據(jù)表2 可知，莎車子灌區(qū)地表水灌溉用水量對地下水埋深的貢獻最大；對于麥蓋提子灌區(qū)、巴楚子灌區(qū)，對地下水埋深變化影響最大的均是地下水開采量，同時，地表水灌溉用水量對麥蓋提子灌區(qū)的地下水埋深也有明顯的影響；由于地區(qū)水資源蒸發(fā)量大，降水量對3 個子灌區(qū)的影響均較小，可忽略不計[9]。

麥蓋提和巴楚子灌區(qū)地下水開采量對地下水埋深的影響超過莎車子灌區(qū)，此現(xiàn)象的出現(xiàn)可能與葉爾羌河流域的區(qū)位條件有關，莎車子灌區(qū)的地表水資源相對充足，地下水可獲得源自于地表水灌溉用水的補給，緩解因地下水開采而引起埋深過度增加的現(xiàn)象，使得莎車子灌區(qū)的地下水埋深增加速度減小。相較而言，麥蓋提和巴楚子灌區(qū)位于綠洲的中下部分，地下水雖然可獲得部分地表水的補給，但僅有少部分的水流入子灌區(qū)，難以獲得足量的地表水灌溉用水量，使得當?shù)匦璐罅块_采地下水以滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的用水需求，開采量的增加和補給量的減少導致麥蓋提、巴楚子灌區(qū)的地下水埋深更大[10]。

5 結(jié)語

自2007 年以來，各子灌區(qū)陸續(xù)啟用地下管道和滴灌設施，以達到節(jié)約水資源的目的。然而，由于地表水中含有較多泥沙，并不適用于這兩種節(jié)水設施，因此，還需采用地下水來補充水資源，莎車和麥蓋提子灌區(qū)的渠井用水系數(shù)顯著減少，從側(cè)面反映了對地下水利用量的增加。從提高水資源利用率的角度來看，高效節(jié)水設施起著不可忽視的作用，應根據(jù)研究成果采取地下水保護措施和水資源高效利用措施，制定符合長期水資源發(fā)展的利用規(guī)劃，同時，準確測定地下水開采閾值，這是兼顧水資源開發(fā)利用和水資源保護的重要前提，需進行重點研究。