通辽平原区近35年地下水埋深及土地利用变化响应关系研究

孙 标，朱永华，张 生，史小红，田伟东，刘志强，云 腾

(1.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特 010018；2. 通辽市水利规划设计研究院，内蒙古 通辽市 028000；3. 内蒙古锡林郭勒盟水文勘测局，内蒙古 锡林浩特 026000)

在干旱半干旱地区，地下水资源是影响生态环境的重要敏感因子，影响着地区的社会经济发展[1]。目前，随着地下水埋深的不断加剧，有关土地利用/覆被变化(LUCC)对水文过程的影响以及衍生的资源环境问题研究陆续出现[2-4]。雷鸣等[5]通过研究黄淮海平原区LUCC对地下水资源量变化的影响，发现研究区地下水蓄变量减少的原因是建设用地与耕地耗水强度的不断增加。刘宇等[6]认为LUCC是造成北京朝阳区地下水脆弱性变化的主要原因。WANG等[7]分析了黑河流域的LUCC对地下水时空变异性的响应，认为1985-2010年期间，研究区边界的地下水埋深变化受农田灌溉回灌影响较大，研究区中部地下水埋深变化与农业用地扩张和天然植被减少有密切联系。所以，作为区域水文循环的重要组成部分，地下水对土地利用有较强的响应作用。

西辽河流域通辽平原区是我国重要的粮食产地，耕地面积占平原区的30%以上[8]。研究区地表水资源匮乏，地下水资源是当地的主要供水来源，占供水量的90%以上。近几十年来，因不断地超采地下水资源，研究区地下水超采面积不断增加，并逐渐形成了地下水漏斗区。然而，针对西辽河流域平原区地下水时空变异性的精确描述相对较少，如何更进一步定量认识LUCC对地下水埋深的影响程度，仍需要进行深入的研究，从而为该区土地和水资源管理及生态保护提供理论支持。鉴于此，本文从研究区LUCC和地下水时空变异二者关系入手，采用地理统计分析等方法，对研究区1980-2015年期间的LUCC及地下水时空变异性进行了精确描述，并对LUCC对地下水埋深的影响进行了定量分析。地统计法与GIS方法的相结合可以作为一种探讨土地利用与地下水资源空间变化关系的新方法，研究结果可为区域地下水资源管理和土地利用政策的制定提供参考。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区概况

通辽平原区位于西辽河流域东部，松辽平原西部，地理位置为120°～124°E，42°～45°N之间，面积约3.3 万km2(图1)。通辽平原自西、西南、西北向东、东南、东北缓慢倾斜，呈波状起伏[9]。处于半干旱季风气候区，降水时空分布不均，且呈减少趋势，空间上自西北向东南增加，时间上80%的降水出现在6-9月[10]，多年平均风速2.7～4.0 m/s。

通辽平原区属西辽河水系，西辽河自西向东横贯市区，主要支流包括老哈河、西拉木伦河、乌力吉木仁河、教来河、新开河等。目前，研究区内大部分河流呈常年断流状态，仅从东北部科左中旗流入的乌力吉木仁河地表水资源相对丰富。区域地下水隔水层分别由第三系顶部的泥岩与第四系底部的黏土构成，因此全区在垂向上可划分为松散岩类孔隙含水层、碎屑岩孔隙-裂隙含水层(组)和基岩裂隙含水层(组)三大系统[11]。

图2 地下水观测井在不同土地利用类型(1980年时)的位置分布

1.2 数据来源

研究区内75口地下水观测井分布见图1。地下水观测井在不同土地利用类型(1980年时)的位置分布见图2，其中65口位于耕地范围内，8口位于城镇建筑用地内，2口位于林地内。地下水埋深数据来源于通辽市水文勘测局对上述75口井的1990-2015年实测资料，数据时间频率为月，以每月三次测量求平均值。其他相关数据来源于通辽市水文局公布的水资源公报及相关文献。

土地利用类型数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心下载(http:∥www.resdc.cn)，共获取1990、1995、2000、2005、2010与2015年6期数据，该土地利用空间分布图是以Landsat TM/ETM遥感影像为主要数据源，将全国土地利用类型划分为6个Ⅰ级类，25个Ⅱ级类以及部分Ⅲ级类的产品[12,13]。本文运用ArcGIS10.0对已有土地利用空间分布图进行区域掩模提取与重分类(耕地、林地、草地、水体、建筑用地与未利用地)分析。

1.3 地统计分析

本文基于地下水埋深数据，应用ArcGIS10.0软件里的地统计分析模块和半方差函数模型，对地下水埋深的空间分布和变异性进行分析。地统计学是以空间分布特点的区域化变量理论为基础，包含空间分布数据的结构性和随机性、空间相关性和依赖性、空间格局与变异等[14]。

半方差函数是一种自相关统计量，定义为：

(1)

式中：r(h)为是区间距离类别h的半方差；z(xi)为xi点的实测样本值；z(xi+h)为xi+h点的实测样本值；n(h)为步长h所对应样本总数。

半方差函数的准确性和适用性通过交叉验证进行检测，验证方法允许评估变异函数模型(类型，参数估计)拟合的精度，邻域的适当性和所使用的克里金类型。通过对插值和观测值进行比较，进而选取最准确的预测模型。与此同时，使用两个参数评估半变差函数模型的适应度：残差平方和RSS和确定系数R2。

克里金法是一种最佳的局部插值方法，其在综合考虑变量的随机性和结构性的前提下，根据采样点分布和变差函数模型对研究对象进行空间变化插值计算。本文选取普通克里金法插值法进行分析计算，其方程公式如下：

(2)

式中：Z*(χp)为在位置χp克里格插值；Z*(χi)在位置χi实测值；λi为相关数据所对应的权重；μ是拉格朗日乘子；γ(χiχj)为变差函数的值。

2 结果与分析

2.1 地下水变化特征分析

2.1.1 半方差函数模型计算、预测与验证

地下水埋深的空间变异性分析结果见表1。经理论模型的最优拟合，得知1980和1995年的地下水埋深最佳拟合模型为指数模型，1990年为球形模型，其余年份均为高斯模型，计算的RSS值均较小，R2值均较大。表明理论模型较好地反映了研究区地下水埋深的空间结构特征。

表1 不同年份地下水埋深值的半方差函数模型与参数

1980-1995年期间，块金值与基台值变化不明显，不同年份的块金值与基台值之比分别为49.5%、50.0%和49.6%；空间自相关距离分别为3.24、3.29和3.71 km，呈增加趋势，具有中等的空间相关性。这表明地下水埋深分布的空间异质性除了由空间结构引起外，随机性因素也起到较明显的作用。1995年以后，块金值与基台值上升趋势明显；不同年份的块金值与基台值之比分别为54.2%、46.1%、49.8%和45.1%，呈减少趋势；空间自相关距离分别为4.72、4.80、4.93和5.57 km，呈增加趋势，具有中等的空间相关性。这表明2000年以后，随机性因素对于地下水埋深分布的空间异质性变化作用减弱。

2.1.2 地下水埋深时空分布

基于ArcGIS软件中地统计模块所得到的各个参数值，由普通克里金插值法生成1980-2015年的地下水埋深时空分布图(图3)。由图可知：随着时间的推移，研究区地下水埋深值显著增加趋势，日渐在研究区中部形成两个地下水超采区；研究区平均地下水埋深值由1980年的2.39 m，增加至2015年的6.23 m；中部科尔沁区和开鲁县的地下水埋深值相对较高，到2015年时个别观测井地下水埋深值可达到15.6 m；西部的奈曼旗与库伦和东部的扎鲁特旗、科尔沁左翼中旗和科尔沁左翼后旗的地下水埋深值相对较低，其均值均在4 m左右。

根据表1的分析结果可知，在时间段上1995之前与之后其影响因素有一定的差异，由图3分析得知，1980年、1990年和1995年的地下水埋深多年平均值分别为2.39、2.72和2.50 m，均小于3 m，李亚峰等[15]人利用8 m定埋深地中蒸渗仪的观测数据得出降水补给地下水的最佳埋深为3 m以内，随着埋深的增加补给能力呈减小趋势；可以说明通辽平原区在1995年及之前地下水有一定的下降，但降雨径流对其的补给能力还较强。而2000年、2005年、2010年和2015年的地下水埋深值显著增加，分别为3.09、4.22、5.58和6.23 m，与这一阶段地下水持续开采有关，同时由于该时段的区域地下水埋深超过了3 m，降雨径流对其的补给能力大大的削弱导致地下水埋深呈现快速下降趋势。

2.2 土地利用类型变化特征分析

基于中国科学院资源环境科学数据中心1990、1995、2000、2005、2010与2015年六期土地利用类型空间分布图进行分类统计见表2。

表2 1980-2015年间通辽平原区土地利用统计情况

由表2分析可知：1980-1995年期间，耕地、林地和建筑用地面积分别增加了14.90%、21.19%和22.77%，实际增加面积分别为1 298、185和148 km2；而这一时期草地减少了近2 068 km2，约13.36%。说明该时期主要的用地类型发生在草地向耕地的转变，农业区域扩张明显，不断向周边牧区渗透，同时城市化进程明显，城市周边大量的土地被转变为建筑用地，耕地的扩张增加了整个农区的地下水的开采用量，城市化的进程、工业的发展加大了城区集中位置的地下水用量，使得该时期的地下水开始呈现缓慢下降，城区位置出现较明显的漏斗形状，从图3中也可以得到佐证。至于该时期的林地增加比例较多，主要原因为林地在整个通辽平原区占比很少，基数低，不属于主要的用地类型，增加的185 km2并没有特殊的指示作用。

从1995-2015年期间，研究区耕地和草地面积有一定的波动，但无明显的增加减少趋势；该时期变化最大的为水域，其面积由843 km2减少到675 km2，减少了约19.93%。主要原因与该时期农牧业发展过程中各项政策调整有关，地方开始实施退耕还草等措施，限制了草地的减少和耕地的增加，而这一时期的水域大幅减少说明了干旱程度加剧，地表水体萎缩明显。干旱、地下水持续开采及埋深超过3m的临界线，这些因素使得地表降雨径流对地下水的补给能力不断降低，开发利用量远超过补给量，地下水埋深开始呈现快速下降趋势。

2.3 地下水埋深与LUCC响应关系

基于1980年和2015年的地下水埋深与土地利用类型统计数据，使用图3中2015年减去1980年地下水埋深分布图得出地下水埋深变化分布图见图4，对图4中地下水埋深变化的不同区域进行分区土地类型的统计见表3，用于分析地下水埋深与LUCC之间的响应关系。

图4 1980-2015年地下水埋深变化空间分布图

由图4和表3可看出，1980-2015年期间，研究区地下水埋深下降值呈现由中部区域向东西方向显著减小趋势，近60%的区域地下水埋深下降严重且超过了3 m，主要集中在中部科尔沁区、开鲁县和科尔沁左翼后旗等地区。原因为中部区域耕地面积多，占到通辽平原区整个耕地面积的近63%，比较大型的城镇都集中在这个区域，人口密集，城区有一定的工业发展，用水量巨大造成的地下水位持续下降。相对于中部，西部和东部地区地下水埋深下降幅度较小(小于3 m)，面积约为1.26 万km2，原因与区域其土地利用类型及地形等因素有关。

表3 1980-2015年不同地下水埋深变化范围的土地类型变化

3 讨 论

3.1 地下水埋深变化成因

农业用地的扩张必然导致水资源消耗的上升，特别是地下水资源的消耗。研究区地表水匮乏，1980-1995年期间，西辽河通辽站断流天数达2 223 d，平均年径流量为5.34 亿m3；1996-2000年间断流天数817 d，平均年径流量4.93 亿m3；2000年以后，则常年处于断流状态[16]。地下水开采方面，通辽平原区1963年机电井仅123 眼，2012年达10万多眼，增长约800多倍，其中，1999-2005年期间的增长速度为每年新增8 500～9 500 眼[17]，2012年以后，政府加强了节水灌溉建设等方面的现代农牧业发展方式，缩减机电井数量近3万眼。所以，通辽平原区的地下水埋深变化与工农业取用水有直接的关系，土地利用中耕地的增加进一步强化了这种作用。

在降雨径流补给地下水方面，1980-1998年期间区域降雨处于丰水期，且地下水埋深小于3 m，所以地下水在开采利用的同时有较好恢复能力，1999年以来，区域连续6年干旱少雨，全市有7座大中型水库和70多座小型水库干枯，大部分河水断流[18]。张熙庭等人通过1960-2015年内蒙古地区46个气象站点的观测数据分析研究，认为西辽河流域平原区干旱趋势持续加剧[19]，朱永华等人研究发现区域内土壤包气带的变化也减少了地下水资源补给量，致使降水对地下水补给作用显著减弱[20]。所以，1995年以后，研究区地下水埋快速下降，除了受人为因素影响外(土地利用类型变化、上游河道工程拦蓄等)，区域气候等自然因素也是地下水埋深变化的重要原因之一[18,21]。

3.2 地下水埋深与LUCC响应关系成因

近35年来，地下水埋深下降值超过3m的区域主要集中在通辽平原区中部，表3可知，3～7 m的下降区内耕地面积增加了近995 km2，草地减少了近967 km2，建筑用地增加了近71 km2，增减量是地下埋深下降0～3 m区域的1倍左右，说明中部区域的农田开垦和城镇开发力度是最强的，地下水资源开采力度也远高于东西两端区域。

相比于图4中的中部区域，西部区域土地利用类型主要为草地，对地下水开采程度较小，所以地下水埋深下降也相对较小。东部土地利用类型主要为耕地和草地混合，有一定地下水开采量，其下降较小与两方面因素有关：第一，该地区属通辽平原区地势最低处，有利于地下水补给恢复；第二，在通辽平原区内降水空间分布不均，西部降水量少，而东部降水量多[19]，地表水资源相对丰富，部分农灌用水使用地表水，所以，东部区域地形、降水都有利于增加该地区地下水的补给，并相应地减少了地下水开采与利用量。

3.3 地下水水质与LUCC的响应关系

研究区地下水的补给源主要是降水入渗补给[22]。降水通过在土壤中进行溶滤、浓缩和离子交换等一系列作用，最终进入地下水，并改变着地下水化学组分。随着研究区建筑用地的上升，城市污废水及固体废物的排放持续增加，污染物通过地表径流和入渗进而污染地下水，致使地下水环境有恶化趋势，近年来重金属检出率较高[23]。

作为典型的农牧交错带地区，研究区耕地面积不断扩大，大量化肥农药被应用于提高粮食产量，这些物质随着灌溉回水及降水淋溶等进入地下水体，致使地下水在不同程度上也遭受“三氮”及其他污染物污染[23,24]。

4 结 论

(1)通辽平原区1980-2015年期间，研究区地下水埋深值显著增加趋势，在研究区中部形成两个地下水超采区，研究区平均地下水埋深值由1980年的2.39 m，增加至2015年的6.23 m；中部科尔沁区和开鲁县的地下水埋深值相对较高，个别观测井地下水埋深值2015年可达到15.6 m。

(2)通辽平原区1980-1995年期间，耕地和建筑用地面积分别增加14.90%和22.77%，而草地面积相应减少13.36%，农田开垦和城镇化进程明显；1995-2015年期间，研究区耕地和草地面积无明显变幅，这与退耕还草等政策的实施有一定关系，该时期变化最大的为水域，面积减少了约19.93%，干旱趋势加剧。

(3)土地利用类型与地下水的时空变化关系较为明显，土地利用类型是地下水埋深变化的重要驱动力之一，土地利用类型的变化加剧了研究区地下水埋深的变化，研究区耕地扩张和城镇工业经济发展对地下水埋深影响显著。随着工农业进一步的发展，气候的暖干化，通辽平原区的地下水开采量可能将进一步增加，地下水埋深也可能将继续增加，水资源的管理部门应予以重视。

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