干旱灌区地下水位动态变化及驱动因素分析

张 叶，刘 兵，何新林，张少博，彭 飞

(石河子大学水利建筑工程学院，新疆 石河子 832003)

0 引 言

地下水埋深变化是地下水动态的重要内容之一，是一个复杂的水文变化过程，是地下水对各种自然因素和人为因素的一种响应[1]。地下水开采、农田灌溉、水利工程的修建等人为因素会引起地下水位的相应变化，降水、蒸发、气温等自然因素的周期性变化也会引起地下水位的改变[2]。由于地下水埋深动态变化的复杂性，气候变化和人类活动影响下的水文响应一直是水科学中研究的热点。

研究气候变化和人类活动对水文的响应主要有分项调查法和水文模型模拟法[3]。前者是基于大量的已有数据，将气候变化和人类活动进行分类统计再叠加计算，得到流域的水文驱动因素[4,5]；后者则是利用计算机语言来计算数学模型，利用已有水文气象资料来率定水文模型参数，然后保持参数不变，再将不同情况输入模型进行预测[6]。王贵忠[7]等人在民勤绿洲多年地下水实测数据的基础上，分析了地下水埋深动态变化，并进行了地下水位变化的驱动因素分析。陈皓锐[8]等人采用了GMS-MODFLOW构建华北平原的潜水运动模型，研究气候变化和人类活动影响下未来40年该地区的潜水位变化。杨广[9]、陈伏龙[10]等人在多年统计的基础上分析了人类活动影响下玛纳斯河流域的地下水位变化规律。

这些研究多着眼于流域整体的地下水位变化，缺乏对地下水总量、变化规律及其影响因素的系统分析。针对此问题，本文在前人研究的基础上，定量的分析研究区地下水的演变规律，并采用主成分分析的方法进行研究区地下水的驱动力分析，揭示地下水变化的规律，分析研究区地下水位变化的主要驱动因素，为干旱区地下水资源的可持续开发及保护提供参考。

1 资料来源和研究方法

1.1 研究区概况

玛纳斯河流域位于新疆天山北麓(图1)，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，流域分为山地、山前平原和沙漠三大地貌类型[11]。

图1 研究区位置图

本文的研究区是玛纳斯河流域中游灌区的147团，地理位置为东经85°56′～86°21′，北纬44°24′～44°46′，南北长26 km，东西宽8.5 km，占地224 km2，现有耕地10 400 hm2，是玛纳斯河流域重要的粮棉基地。

研究区潜水矿化度较高，潜水含水层以粗中砂、砂砾石为主，承压含水层以细砂为主，局部为粗砂砾石。区内水平径流较微弱，主要以垂向径流和越层交换为主，由于地形东南高、西北低，从而产生由东南向西北的水平地下水流。研究区的渠系分布及地下水观测井布置如图2所示。

图2 研究区水系及观测井位置图

1.2 研究方法

1.2.1 水均衡法

水均衡法也称水量平衡法或水量均衡法，是全面研究某一地区(或均衡区)在一定时间段内(均衡期)地下水的补给量(Q总补)、储变量(△W)和消耗量(Q总排)之间的数量转化关系的平衡计算[12]。各量的计算式如下：

Q总补-Q总排±△W=X

(1)

Q总补=Q降+Q河渗+Q库+Q渠系+

Q渠灌+Q井灌+Q侧补

(2)

Q总排=Q蒸+Q侧出+Q开采

(3)

(4)

式中：Q降为降水入渗补给量；Q河渗为河道渗漏补给量；Q库为库塘渗漏补给量；Q渠系为渠系渗漏补给量；Q渠灌为渠灌田间渗漏补给量；Q井灌为井灌回归补给量；Q侧补为地下水侧向补给量；Q蒸为潜水蒸发量；Q侧出为地下水侧向流出量；Q开采为地下水开采量；X为绝对均衡误差；δ为相对均衡误差；|X|值或δ值的大小可以判断计算精度的高低。

1.2.2 主成分分析法

主成分分析法是一种降维统计方法，它是因子分析法的一种。它把具有错综复杂关系的多个指标化为少数几个综合指标，使这些因子尽可能地反映原来变量的信息量，而且彼此之间互不相关，从而达到简化的目的。

1.3 数据来源

本文研究的主要数据有1996-2010年147团地下水埋深、降雨量、蒸发量、开采量、灌水量等数据，数据均来源于农八师水利局，具有一定的可靠性。

2 结果与分析

2.1 埋深变化分析

根据147团1996-2010年统计资料分析得出，研究区地下水埋深为3～5 m，局部地区地下水埋深小于3 m。

2.1.1 年内变化分析

选择丰水年2002年、枯水年2004年、平水年2006年以及2010年作为典型年进行地下水位埋深与用水量分析。从不同年的地下水位埋深与用水量的变化中可以看出，研究区的潜水水位动态受灌溉、地下水开采的共同影响，表现出灌溉-开采混合型特征。从图3可以看出，研究区地下水埋深与灌溉、开采的动态变化相一致。最高水位出现在4-5月，积雪融化，地表水大量入渗补给地下水，且春灌刚开始，作物的需水量较小，地下水开采量较小，因此地下水位持续上升，使得4-5月出现最高水位；6-8月气温上升，蒸发量增大，加之此时为作物需水的高峰期，大量的开采地下水，使得地下水位不断地下降，至8、9月出现最低水位；随着侧向径流的补给以及秋灌后作物需水的减少，地下水开采量明显减少，地下水位开始逐渐回升，每年的12月至次年5月为相对的高水位期。此外，由于20世纪90年代末期开始大量推行滴灌和覆膜技术，精确灌水减少了水量的浪费和无效蒸发，因此近十年来研究区的地下水埋深年内变化不断减小。

图3 147团地下水埋深与用水量变化关系

2.1.2 年际变化分析

根据近十几年的地下水位动态监测资料，从图4中可以看出，147团地下水位整体呈现出上升的趋势，2002年以前上升趋势较为明显，在2001年-2002年有一个明显的大幅度上升，这是因为从21世纪开始研究区进行农业种植结构优化，加之膜下滴灌的推广，作物耗水量减少，地下水开采量也随之下降，因此地下水位呈现明显的上升趋势；2002年以后种植结构相对稳定，地下水埋深在3.5 m左右进行波动。这种趋势表明研究区地下水开采和农业灌溉基本处于一个相对稳定的状态，维持现有的开采模式和农业种植面积，不会对研究区的地下水位造成明显的影响，合理的灌溉方式、优化种植结构、水资源的优化配置可以减少地下水的开采，改善该地区的生态环境。

图4 147团1996-2010年地下水位埋深动态变化

2.2 水量平衡分析

选取1996年-2010年为计算期，研究区水均衡计算结果如表1所示。

由地下水均衡计算结果可知，研究区地下水总补给量为2 837.949 万m3/a，总排泄量为2 591.627 万m3/a，地下水补排差为246.322 万m3/a，地下水处于正均衡状态，与地下水动态长期观测结果一致；相对均衡误差为2.96%，满足《供水水文地质勘察规范》(GB50027-2002)对地下水资源计算精度的要求(|δ|<10%)。

在地下水补给中，最主要的补给来源是灌溉入渗补给量和河道渗漏补给量，占总补给量的25.94%和22.51%，其次是渠系入渗补给量和库塘渗漏补给量，分别占总补给量的16.62%和15.10%。在地下水排泄中，主要的排泄方式是地下水开采，占总排泄量的56.24%，蒸发量次之，占36.37%。分析发现，灌溉和开采在地下水均衡中占有较大的比重，当灌溉和开采量发生较大改变时，地下水均衡状态也会发生相应的变化。

表1 研究区地下水均衡计算结果

2.3 驱动因素分析

采用主成分分析法对147团1996-2010年共180个月各影响因素的时间序列值进行分析。在主成分分析中，KMO值为0.753>0.6，sig值为0.000<0.05，表明其适合做因子分析，提取值均大于0.6，表明信息的损失量较小。求得主成分的特征值及贡献率以及成分荷载矩阵，如表2和表3。

本文提取了两个主成分，第1主成分的特征值2.573>1，第2主成分的特征值0.968接近1，且他们的累计贡献率88.539%>85%，说明提取的两个主成分能较好地代表所有的影响因素。其主成分的表达式为：

F1=0.542 X1-0.049 X2+0.589 X3+0.580 X4 (5)

表3 主成分荷载矩阵

F2=-0.049X1+0.980X2- 0.172X3-0.015X4

(6)

从表2、表3的结果可以看出，第1主成分对灌水量、开采量和蒸发量有较大的相关系数，它们均在成分1的方向上起正的作用，第2主成分对降雨量有较大的相关系数。在第1主成分的所有荷载中，灌水量和开采量具有比较大的正贡献率，分别为0.945、0.930，这表明第1主成分主要反映了人为因素的影响。第2主成分中降水量的荷载为0.964，其他因素的荷载均较小，它主要反映自然因素的作用效果。从表2可以看出，第1主成分的贡献率为64%，说明人为因素的影响比自然因素大。综合分析表明，自然因素对地下水埋深的影响比较复杂，因为自然因素会左右人为因素，当降雨量减少时，相应的灌溉量就大，地下水位就会上升；同时，降雨量较少的年份径流也相对较少，因此地下水开采量和蒸发量增大，又可能导致地下水位降低，自然因素的影响较人为因素要复杂得多。

3 结 论

本文通过水均衡法和主成分分析法，综合分析147团地下水的变化规律，研究影响147团地下水位变化的驱动因素，得出以下结论：

(1)147团地下水埋深为3～5 m，地下水动态表现为灌溉-开采混合型。地下水位年际变化整体呈现上升的趋势，地下水动态为正均衡状态，均衡差为246.322 万m3/a，年内4-5月地下水埋深最小，8-9月地下水埋深最大，呈现出明显的时空差异性，但这种差异性随着灌溉技术的进步以及合理的水资源配置而不断的减小。

(2)研究区地下水位受人为因素和自然因素的共同作用而发生变化，人为因素的影响为64%，是影响147团地下水埋深的主要因素，其中灌水量和开采量的荷载分别为0.945和0.930，是影响地下水埋深最主要的两个因子，在地下水均衡中，灌溉量和开采量也占有较大比重。自然因素对地下水埋深的影响相对较小，但它的影响比人为因素要复杂得多，也是地下水埋深的重要影响因子。

(3)地下水是干旱灌区重要的水资源，地下水的埋深变化对干旱区绿洲农业发展和生态系统具有重要作用，本文的研究结果可以为研究区地下水的合理开发利用提供一定的参考。但地下水埋深变化是自然因素和人为因素共同作用的结果，是一个复杂的过程，不同的研究方法对研究区的各要素有不同的考虑，由于资料条件的限制，对干旱区地下水动态变化的研究还需进行深入探讨。

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