地下水埋深改变特点及其驱动力

第第页地下水埋深改变特点及其驱动力人类可以取用的水资源在全球总水量中不到1%。由于地表水资源有限，且地区、年际间分布不均，在许多干旱半干旱地区绿洲地下水资源已成为主要，甚至是唯一的水资源。随着农业、工业及生活用水量的日益增加，部分地区已经出现了地下水的过量开采，造成了地下水位的大幅下降，引起地面沉降和其他生态环境问题［1－3］。学者们从多角度研究地下水位动态变化规律和演化，例如:小波分解与变换法［4］、灰色模型［5－7］、叠加模型［8］、回归分析法［9－10］等，以期合理利用地下水资源，改善人类生存环境。因此，研究地下水位的动态变化具有重要的现实意义。新疆奇台县地处我国内陆干旱区，水资源短缺。上世纪七十年代以来，农业种植面积迅速扩大。受到年际河流来水量减少等客观条件的影响，农业生产用水由地表河流水灌溉转向地下水灌溉。由于井灌面积逐年递增，机井建设数量急剧上升，地下水开采量加大，造成地下水位大幅下降。井灌区已形成大面积的沉降漏斗。文中依据研究区内26个长期地下水位埋深监测点数据等资料，系统分析了地下水的埋深变化特点及其驱动力，并在此基础上建立了奇台县地下水埋深变化的回归模型，对于合理开采地下水，保持地下水资源的良性循环和实现可持续利用具有重要意义。1研究区概况奇台县位于新疆维吾尔自治区东北部，地处东经89度13'～91度22'，北纬43度25'～45度29'，天山山脉东段的博格达山北麓，准噶尔盆地东南缘。东靠木垒哈萨克自治县，西连吉木萨尔县，南接吐鲁番市、鄯善县，西北交富蕴县、青河县，东北临蒙古国，是新疆的边境县之一。总面积18087．3km2。该县平原地区的多年平均降水量为211．9mm，多年平均蒸发量达1735．7mm，蒸降比约为8∶1。奇台县境内自东向西有九条河流，是绿洲农业灌溉用水的主要补给源。该县地下水自南部山区、平原戈壁、细土平原至沙漠区，形成由补给、径流、排泄组成的近于完整的水文地质单元。山区分布有现代冰川，并且降水丰富，基岩裂隙发育，地下水通畅，是地下水的主要补给区。河流出山口形成了由第四纪松散堆积物组成的多个洪积扇群。其中上部含水层粒径粗、厚度大、坡度陡、透水性强，是地下水的径流区，为潜水主要含水层。中下部细土冲积、洪积平原粒径小、坡度平缓、透水性较弱，构成多层结构的潜水和承压水的分布区，地下水的蒸发强烈。上世纪七十年代以来，由于上游修建了水库，并且各大河流出山口均建有防渗程度较高的水渠等水利工程设施，造成了山区河流对地下水补给量的迅速减少。另外，平原区的降水对地下水虽然也有一定补给，但由于降水量少蒸发强烈，补给量很小。2数据与方法2．1数据来源1983～2006年《新疆昌吉回族自治州奇台县地下水潜水动态监测年报》的26口机井地下水长期观测数据。依据上述资料提供的地下水空间和时间数据，2003年－2008年多次对研究区机井数量、地下水位、水质进行了野外考察，实际连续测井共256口，对其空间定位，并从中筛选出185个时间连续性好、空间代表性强的井位观测点水位变化数据，其覆盖面积1660．84km2，基本包含了整个井灌区。1980－2006年自然要素(降雨、气温、蒸发等)和经济要素(粮食产量、小麦价格等)［11］。2．2研究方法回归分析法可以提供变量间相关关系的数学表达式，并可利用概率统计对此关系进行分析，以判别其有效性。同时，可由一个或多个变量值，预测和控制另一个因变量的取值，以及了解预测和控制达到了何种程度，进行因素分析。即采用多种类型的回归方法建立预测方程，包括一元线性回归、多元线性回归、非线性回归等［12，13］。多元线性回归时要确定因变量与多个自变量之间的定量关系，它的数学模型为:y=β0+β1x1+…+βmxm+ε式中:β0，β1，βm是待定参数;ε是随机变量，表示除x以外其他随机因素对y影响的总和。在实际问题的研究中，求出线性回归方程后，还需对回归方程进行显著性检验。一般采用回归方程显著性的F检验，或回归系数显著性的F检验。3地下水位动态特征3．1地下水位年际变化特征随着机井大幅度的增加，地下水的开采量也逐年递增。1983年到2004年多年平均开采量为1．99x108m3。持续的地下水过量开采导致了奇台县地下水位的持续下降。地下水位的平均埋深由1983年的13．04m下降到2006年底的24．12m，达到地下水埋深的最大值(图1)。其下降过程可以分为6个阶段:1988年的地下水埋深比1983年下降了1．35m，下降速率仅为0．27m/a;从1988年到1993年，地下水位下降速度逐渐加快，以平均0．60m/a的速度下降，其间1991－1992年降幅最大，为0．81m;1993－1995年地下水位埋深的下降有所缓和，为0．28m/a;1995年至1998年地下水埋深以0．88m/a的速度继续下降，其中1998年相比1997年下降了1．38m，为历年下降幅度最大值;1998年至2000年以0．39m/a的速度下降;2001－2007地下水埋深增加了5．1m。3．2地下水位年内变化特征地下水埋深年内变化较为明显。以2003年数据为例，平均埋深年内最高水位和最低水位相差3．36m(图2)。地下水水位最高的时期出现在3月，其平均水位埋深达到16．52m，之后开始下降，4月仅比3月下降了0．2m，5月份下降幅度加大，到7月份达到埋深的最大值19．93m，平均下降速度为每月0．8m。从8月份起水位回升，回升的速度比下降的速度有所缓和，为每月0．43m。次年3月份水位又回升到较高的位置。4各因素与地下水位的相关性分析潜水含水层接近地表，与外界条件联系密切，气象、水文和人类活动等因素对它影响显著［15］。在特定的自然环境下，地下水埋深受其补给、排泄及自身特征等因素的综合影响而表现出不同的动态变化特征［16］。研究区内地下水埋深的动态变化受多种因素影响呈现出不同的变化态势。奇台地区降水分布主要集中在山区，山区地下水资源主要受降水的入渗补给。对于平原区来说，地下水的补给量主要靠河渠的入渗、泉水、田间灌溉回归水、河床潜流和侧向渗流。经过多年大力兴修水利，改造整修渠道，兴建水库，各种水利工程设施比较完善。上世纪，七十年代初期，由于各渠道上游渠首已修建至河流出山口，河水由渠道直接进入水库或农田，对平原区地下水的补给量大大减少。因此，文中主要讨论自然因素(蒸发量，降水量)和人文因素(地下水的开采量、粮食总产量、小麦价格)对地下水埋深的影响。#p#分页标题#e#4．1蒸降比与地下水位蒸降比从一定角度反映了一个地区的干旱情况。从1983年到2006年平均降水量为200．8mm，平均蒸发量为1746mm，蒸降比很大。其中1995年、1997年和2001年蒸降比变化明显(图1)。在这些年份里，因干旱，地下水开采力度加大，地下水埋深也相应增加。干旱地区降雨量少，蒸发强烈，降水很难在平原区形成径流，有效补给地下水。因此，整体上两者的联系不紧密，相关性不大。4．2地下水开采量与地下水位绿洲平原区农业灌溉用水基本来源于地下水。地下水开采量可直接导致地下水埋深的变化。在耕地不断扩大过程中，地下水开采量逐年增大，地下水位大幅下降。在年内波动中，地下水月开采量与月埋深的变化关系密切，相关系数0．6250(表1、图2)。因地下水埋深变化与机井抽水之间有滞后性，若用月地下水埋深变化与上月开采量进行相关分析，则两者的相关性更好，相关系数可达0．8496(表1)。在年际变化中，随着地下水开采量不断增加，地下水位不断下降。两者变化趋势十分相近(图3)，相关系数高达0．9511(表1)。因此，地下水的开采量对于地下水埋深的多年变化和年内变化均有较大的影响。4．3粮食产量与地下水位奇台县是新疆的农业大县，平原区农业灌溉用水基本来源于地下水。其粮食产量的大幅提高是以地下水位下降为代价的。1983年－2006年粮食总产和地下水埋深变化同步(图4)。粮食总产由1983年的166420t增长到2006年的278912t，埋深则下降了15．06m。地下水埋深与粮食总产量呈极其显著相关，相关系数为0．7519。由于粮食总产量的变化不仅与地下水的埋深相关，而且还受到农业生产水平(种子、化肥等)管理水平的影响。因此，相关性低于小麦价格。4．4小麦价格与地下水位奇台县1985年被列入自治区商品粮生产基地县，1993年被列为国家级粮食生产大县，1995年被国家评为自治区唯一的全国粮食生产先进县。其生产的最主要的粮食就是小麦，约占其粮食总产量的50～70%。同时，小麦灌溉定额是在各种粮食作物中最高的，因此，小麦价格的波动对农民种植、开荒、开采地下水都有极大的影响。随着小麦价格的不断上升，地下水位不断下降(图5)。其与地下水埋深的相关系数为0．8576，仅次于年开采量。5地下水位变化回归模型建立建立地下水位多元回归模型对于深入认识研究区地下水的动态变化以及与驱动力的关系具有重要意义。由于地下水位埋深受蒸发量、降水量、年开采量、小麦价格、粮食产量的影响，因此，以这5个因素为自变量，以水位埋深为因变量，建立在开采条件下，奇台县地下水位变化回归分析数学模型:у=β0+β1X1+β2X2+β3X3+β4X4+β5X5(1)式中:у是地下水位埋深，β0、β1、β2、β3、β4、β5是待定参数，X1小麦价格、X2粮食产量、X3年开采量、X4降水量、X5蒸发量。选取1983年－2006年的奇台县地下水位变化动态资料，作为相关分析样本，进行计算得:β0=3．6917;β1=1．0143;β2=－0．0144，β3=－0．0006，β4=－0．0025，β5=－0．0038，即回归数学模型:у=3．6917+1．0143X1－0．0144X2－0．0006X3－0．0025X4－0．0038X5(2)其中:相关系数r=0．978，F=80．5158，在α=0．01的情况下，查F分布表得F=3．90，所以方程在α=0．01的水平下是显著的。计算结果与实测值的相对误差大多数在5．5%以内(表2)，仅1984(－7．924%)、1993年(－7．014%)和2006(－7．938%)年除外。平均相对误差仅为0．136%。即回归模型较好地凸现了小麦价格、粮食产量、年开采量、降雨量、蒸发量与地下水位的相关关系，也反映了地下水位自身的动态变化。6结论与讨论(1)随近年来奇台县地下水开采规模的不断扩大，地下水位埋深逐年下降，年平均下降速度为0．42m/a，2006年达到最大埋深24．12m。同时，地下水位年内变化明显，主要受季节性的农业开采的影响。地下水的月平均埋深与月开采量有着密切的相关关系。3月的多年平均埋深为16．95m，7月为19．93m，与农业生产周期同步