玛纳斯河流域平原区垂向交错带地下水的演变规律及驱动力的分析

杨广,陈伏龙,何新林,李俊峰,崔伟敏

(1石河子大学水利建筑工程学院/现代节水灌溉兵团重点实验室,石河子832003;2河北工程技术高等专科学校,沧州,061001)

玛纳斯河流域平原区垂向交错带地下水的演变规律及驱动力的分析

杨广1,陈伏龙1,何新林1,李俊峰1,崔伟敏2

(1石河子大学水利建筑工程学院/现代节水灌溉兵团重点实验室,石河子832003;2河北工程技术高等专科学校,沧州,061001)

干旱区内陆河流域的地下水具有重要的生态地质作用。以玛纳斯河流域平原区垂向交错带为研究对象,分析了人类活动影响下研究区地下水演变的规律及变化,并采用主成分分析法对研究区地下水的影响因子进行驱动力分析。研究结果表明:在人类活动的影响下,研究区地下水位有下降趋势,地下水水位年内变化幅度减小,灌溉用水和蒸发强度是影响研究区地下水位的主要因素。

玛纳斯河流域;垂向交错带;地下水;主成分分析

干旱区内陆河流域的地表水、地下水相互转化频繁,地表水为地下水的最主要补给来源,而地下水作为地表水资源不足时的补给水源,具有十分重要的生态地质作用[1-5]。因此,了解地下水资源的特征,对于地下水资源合理开发利用、社会经济的可持续发展以及改善生态环境具有重要意义。王浩[6]对我国西北地区水资源合理配置和承载能力研究;李文鹏[7]对西北内陆干旱盆地地下水排泄方式进行了分析;邵景力[8]对玛纳斯河流域山前平原地下水系统进行了分析,并建立数值模拟模型;张军民[9]在玛纳斯河流域水资源及水文循环二元分化研究中指出,平原区水循环发生了以人工水循环为主导的二元分化,人工绿洲水分垂向循环加强,天然绿洲及过渡带水平方向径流通量减少;刘志明[10]运用同位素混合模型对玛纳斯河流域平原区水资源组成和水循环进行了分析研究;此外,郭占荣(2001)、吕博(2006)、陈亚宁 (2007)、金晓媚 (2008)、张茂省(2008)等分别对玛纳斯河流域地下水资源合理开发与保护进行了研究[11-15]。

以上研究大多注重流域地下水资源的宏观分析,对流域地下水众多影响因素的深入分析研究较少。针对此科学问题,本研究在前人研究的基础上,定量分析了人类活动影响下研究区地下水演变规律,同时采用主成分分析对研究区地下水驱动力影响因子进行了深入分析,得出了影响平原区垂向交错带地下水的主要因素,以期为流域地下水资源的保护提供科学依据,进一步促进流域水资源可持续发展。

图1 莫索湾灌区地下水观测井网布置图Fig.1 Research area position and subarea

1 研究区概况

玛纳斯河流域位于新疆天山北麓,流域面积约3.1万 km2,年平均径流量12.8亿 m3。流域内最大河流玛纳斯河发源于天山北坡,长约400 km,是天山北麓最长、流量和流域面积最大的内陆河流[6]。流域分为山地、山前平原和沙漠三大地貌类型,其中山前平原区由南至北分为3种水文地质单元:水平径流带、溢出带和垂向交替带。

本文研究区山前平原区垂向交替带位于平原水库以下的玛纳斯冲积平原上,地理位置坐标 E86°00′～86°42′,N44°26′～45°11′。研究区内主要是农八师莫索湾灌区,包含农八师147团、148团、149团和150团4个大型农牧团场,是玛纳斯河流域重要的粮棉产地。该灌区地下水观测井网布置如图1所示。研究区地下水水文特征为:

1)水平径流微弱,而以垂向径流和交替为主。上层潜水表现为地下水位埋深浅,大量接受地表水的补给和蒸发排泄;下部承压含水层的唯一补给源为上游含水层的侧向补给。

2)天然状态下主要排泄方式是向上部潜水含水层越流,而人工开采改变了承压含水层原有的径流模式,减少了对潜水含水层的补给量。

2 人类活动影响下地下水位的变化

由于特殊的地理位置和自然地理条件,处于内陆干旱区的玛纳斯河流域其显著的特点为“荒漠绿洲,灌溉农业”[17]。2001年以前,灌区灌溉方式主要为漫灌;自2001年始,灌区大面积推广节水灌溉技术,但是由于地下水的补给较少,灌溉面积增加迅速,地下水开采量依然很大,地下水水位大体呈下降趋势。

2.1 地下水年内变化

2.1.1 地下水年内变化

见图2和图3。由图2和3可见:

1)90年代末,147团年平均地下水埋深3.5 m～4.5 m,变幅为1 m,地下水最大埋深为5 m;148团平均地下水埋深1.6 m～2.2 m,变幅为0.6 m,最大埋深为2.7。

2)地下水位年内变化显著;2007年,地下水位年内变化程度减弱,147团地下水平均埋深维持在3.5m左右,最大埋深4.5 m。148团地下水平均埋深维持在2.7 m左右,最大埋深为4.5 m。

3)148团地下水位逐年呈下降趋势,地下水平均埋深由1999年的2.16 m下降至2008年的2.73 m,下降幅度为26.39%;147团地下水位近10年呈缓慢上升态势,主要由于水利工程的修建,147团上游四库一渠水量的渗透补给。

图2 147团地下水埋深与灌溉水量关系Fig.2 Relation of ground water level and irrigation water in 147 group(1998、2007)

图3 148团地下水埋深与灌溉水量关系Fig.3 Relation of ground water level and irrigation water in 148 group(1999、2008)

2.1.2 变化规律的分析

灌溉对地下水影响主要表现为:1～2月大地封冻,为农闲季节,地表水补给地下水的很少,地下水位明显下降,为一年中第1个低潮期;4～5月气温转暖,冰雪融化和春季灌溉水的入渗补给,使地下水位急剧上升为一年中第1个高峰期;6～8月农田夏季作物灌溉,灌溉用水量增加,且气温炎热、蒸发量大,加之电机井大量抽水,地下水位滞后下降为一年中第2个低潮。进入9月以后,作物收获,灌溉水量减少,气候转冷,降水量增多,蒸发量明显减少,水库的库容量增多,长达5个多月的渗透水,垦区内冬灌引水的补给,地下水位回升为一年中第2个高峰期。

90年代末,灌区灌溉主要以漫灌为主,地下水埋深受灌溉影响显著。20世纪以来,随着灌区大面积节水灌溉的实施,灌溉对地下水的补给作用减弱,体现为地下水位年内变化幅度减小。

2.2 地下水年际变化

见图4。由图4可知:在人类活动的影响下,147团2001年地下水位以前呈下降趋势,2001年后呈缓慢升高趋势,2001地下水平均埋深最大,为4.5 m;148团地下水位逐年呈下降趋势,地下水平均埋深由1999年的2.16 m下降至2008年的2.73 m,下降幅度为26.39%。位于荒漠边缘的150团近10年来灌溉面积逐年稳步增大,地下水位逐年降低,150团地下水位呈下降态势,地下水平均埋深由1998年的8 m下降至2007年的11 m,下降幅度为37.5%。

图4 150团地下水埋深与灌溉水量关系(1998-2007)Fig.4 groundwater depth interannual variation in 147 group(1998-2007)

3 人类活动影响下地下水驱动力分析

3.1 地下水驱动力影响因子的初定

1)气象因素:主要有蒸发量和降水量;

2)排泄因素:主要由灌溉用水量和地表水用水量两个指标反映;

3)补给因素:主要由上游肯斯瓦特站径流量反映。

数据来源如下:蒸发量数据采用莫索湾气象站月平均蒸发量(1999-2007年),降水量数据采用莫索湾气象站月均降水量(1999-2007),灌溉用水量数据采用各团场月灌溉用水量(1998-2008年),地表水用水量数据采用各团场场口引水量(1998-2008年),肯斯瓦特站径流量数据来源肯斯瓦特水文站月均流量(1999-2007年)。

3.2 主成分分析法

本研究应用SPSS12.0软件对地下水影响因素进行主成分分析,数据分析包括相关系数矩阵、特征值、主成分贡献率与累积贡献率、因子旋转载荷矩阵和主成分特征向量矩阵。

3.3 主成分综合模型

表1给出了平原区各因子特行政值及主成分贡献率,主成分载荷矩阵见表2。用表2中的数据除以主成分相对应的特征值(表1)开平方根便得到两个主成分中每个指标所对应的系数,得出两个主成分的数学模型,以每个主成分所对应的特征值占所提取主成分总的特征值之和的比例作为权重计算主成分综合模型为:

表1 平原区各因子特征值及主成分贡献率Tab.1 Factors eigenvalue and contribution rate in plain of Manas River basin

表2 主成分载荷矩阵Tab.2 Principal components load matrix

3.4 主成分分析的结果

通过对影响因子主成分分析及主成分分析模型的计算,可以得出如下结论:

1)由表1可得:第一和第二主成分的累计贡献率已达到或者接近85%。根据主成分个数的提取原则:主成分对应的特征值大于1或者累计贡献率大于85%的前m个主成分。可知,m=2,这两个主成分基本包含了全部指标具有的信息,信息损失量只有15%。

2)由表2可知:农八师 147团、148团、149团、150团对地下水两个主成分中,第一主成分除蒸发量D1外,主要与灌溉用水D3、地表水用水量D4、径流量D5、呈较强的正相关,第二主成分主要与降水量D2呈较强的正相关。因此,可以认为,第一主成分综合反映了地下水的补给与排泄量,即人为活动因素的影响;第二主成分综合反映了地下水的自然因子,即自然因素的影响。

3)由主成分综合模型可知:灌溉用水量和蒸发强度是影响研究区地下水的主要因素。各影响因子 对各团地下水埋深影响排序由大到小如下:

表3 玛纳斯河流域平原区地下水影响因子排序表Tab.3 Plain ground water influence factor taxis in Manas river basin

4 结论

1)地下水位年内变化幅度由90年代末变化显著转变为目前的年内变化不明显。这是由于90年代末灌区灌溉主要以漫灌为主,地下水受灌溉水补给作用影响显著。20世纪以来,随着灌区大面积节水灌溉的实施,灌溉对地下水的补给作用减弱,体现为地下水位年内变化幅度减小。

2)地下水位年际变化147团地下水位略有升高。这是由于147团上游四库一渠水量的渗透补给稳定;148团、149团、150团地下水位均有所下降,其中位于荒漠边缘的150团地下水位下降幅度最大,这是由于灌溉面积的不断扩大,地下水开采成为灌溉用水高峰期弥补灌溉用水不足的唯一途径。

3)灌溉用水量和蒸发强度是影响研究区地下水的主要因素。不同团场地下水驱动力主要影响因素有所不同:147团地下水埋深影响因素较大因素是灌溉用水量和蒸发量,上游径流量补给影响次之,降水量对地下水埋深影响最小。影响因素体现在自然—人工的双重影响;148团地下水埋深影响因素较大的是蒸发量和上游的径流量,降水和灌溉用水量影响较小。影响因素主要体现在上游径流量对地下水的补给;149团地下水埋深影响因素主要体现在两个方面,一方面是地下水开采量的影响;另一方面则是蒸发强度影响;150团地下水埋深影响因素较大的是灌溉用水量和地表水用水量。据研究,一般潜水位埋深大于4 m的地区潜水蒸发很小。150团潜水埋深大于4 m,因此自然因素如降水、蒸发的影响相对地下水埋深影响较小。

[1]Brown A G.Geomorphology and Groundwater[M].Wiley,West Sussex,1995.

[2]Fetter C W.Applied Hydrogeology Fourth Edition.[M].New Jersey,Prentice Hall,2001,447-479.

[3]Abu-JaberN,IsmailM.Hydrogeochemieal rnodeling of the shallow groundwater in the northern Jordan Valley[J].Environmenta Geology,2003,44:391-399.

[4]金晓媚.黑河下游额济纳绿洲荒漠植被与地下水位埋深的定量关系[J].地学前缘,2010,17(6):181-185.

[5]杨泽元,王文科.干旱半干旱区地下水引起的生态效应的研究现状与发展趋势[J].干旱区地理,2009,32(5):739-745.

[6]王浩,陈敏建,秦大庸.西北地区水资源合理配置和承载能力研究[M].郑州:黄河水利出版社,2003.

[7]李文鹏,郝爱兵.中国西北内陆干旱盆地地下水形成演化模式及其意义[J].水文地质工程地质,1999(4):28-32.

[8]邵景力,崔亚莉,李慈君.玛纳斯河流域山前平原地下水资源分析及合理开发利用研究[J].干旱区地理,2003,26(1):6-11.

[9]张军民.新疆玛纳斯河流域水资源及水文循环二元分化研究[J].自然资源学报,2005,20(6):858-863.

[10]刘志明,刘少玉,陈德华.新疆玛纳斯河流域平原区水资源组成和水循环[J].水利学报,2006,37(9):1102-1107.

[11]郭占荣,刘花台,朱延华.论西北地区地下水的开发利用与保护[J].水利学报,2001,32(6):37-40.

[12]吕博,倪娟,王文科.水资源开发利用引起的环境负效应—以玛纳斯河流域为例[J].地球科学与环境学报,2006,28(3):53-56.

[13]金晓媚,万力,薛忠歧,等.基于遥感方法的银川盆地植被发育与地下水关系研究[J].干旱区资源与环境,2008,22(1):129-132.

[14]张茂省,卢娜,陈劲松.陕北能源化工基地地下水开发的植被生态效应及对策[J].地质通报,2008,27(8):1299-132.

[15]陈亚宁,李卫红,陈亚鹏,等.新疆塔里木河下游断流河道输水与生态恢复[J].生态学报,2007,27(2):538-545.

[16]刘海隆,包安明,何新林.玛纳斯河下游绿洲土地利用变化对水资源利用的影响[J].石河子大学学报:自然科学版,2010,28(1):96-100.

[17]王琴,董新光,吴彬.干旱内陆河山前河陷带地下水库开发潜力的研究[J].石河子大学学报:自然科学版,2008,26(1):83-85.

The Groundwater Evolution Trend and Driving Forces Analysis of the Plain Areas in the Manas River Basin

YANG Guang,CHEN Fulong,HE Xinlin
(1 College of Water Conservancy&Architectural Engineering/Xinjiang Production&Construction Corps Key Laboratory of Modern Water-Saving Irrigation,Shihezi University,ShiHezi University,Shihezi 832003,China;2 College of Hebei Engineering ard Technical,Congzhou 06100l,China)

Groundwater in arid inland river basins play an important role in the ecological environment.The groundwater evolution is changing due to the influenced of human activities.In this paper,we take the Manas River Basin in Northwest China as the study case to investigate the water level of arid area inland river basins.We find that water levels in different subareas have different evolution trends with the influence of human activities.The groundwater level dropped fiercely at the edge of desert and the vegetation coverage degenerates seriously.However,the groundwater level of subarea chosen to reservoir downstream rises appreciably and salinification land areas enlarged.At the same time,groundwater level change in each year decreased because of the water saving irrigation.Then we analyzed main factors in groundwater evolution trend through principal component analysis.The results showed that irrigation and evaporation are the main factors for groundwater level in the study area.The result has great significance for groundwater protection and sustainable development.

the Manas River Basin;water level evolution;groundwater;principal component analysis

S562;Q78

A

1007-7383(2011)02-0248-05

2010-12-06

国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2010CB951004);国家自然科学基金项目(51069011)

杨广(1983-),男,讲师,从事水资源开发利用与管理研究;e-mail:mikeyork@163.com。

何新林(1966-),男,教授,从事农业水资源高效利用方向的研究;e-mail:hexinlin2002@163.com。