地下水埋深改變特點(diǎn)及其驅(qū)動(dòng)力

第第頁(yè)地下水埋深改變特點(diǎn)及其驅(qū)動(dòng)力人類可以取用的水資源在全球總水量中不到1%。由于地表水資源有限，且地區(qū)、年際間分布不均，在許多干旱半干旱地區(qū)綠洲地下水資源已成為主要，甚至是唯一的水資源。隨著農(nóng)業(yè)、工業(yè)及生活用水量的日益增加，部分地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)了地下水的過(guò)量開(kāi)采，造成了地下水位的大幅下降，引起地面沉降和其他生態(tài)環(huán)境問(wèn)題［1－3］。學(xué)者們從多角度研究地下水位動(dòng)態(tài)變化規(guī)律和演化，例如:小波分解與變換法［4］、灰色模型［5－7］、疊加模型［8］、回歸分析法［9－10］等，以期合理利用地下水資源，改善人類生存環(huán)境。因此，研究地下水位的動(dòng)態(tài)變化具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。新疆奇臺(tái)縣地處我國(guó)內(nèi)陸干旱區(qū)，水資源短缺。上世紀(jì)七十年代以來(lái)，農(nóng)業(yè)種植面積迅速擴(kuò)大。受到年際河流來(lái)水量減少等客觀條件的影響，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水由地表河流水灌溉轉(zhuǎn)向地下水灌溉。由于井灌面積逐年遞增，機(jī)井建設(shè)數(shù)量急劇上升，地下水開(kāi)采量加大，造成地下水位大幅下降。井灌區(qū)已形成大面積的沉降漏斗。文中依據(jù)研究區(qū)內(nèi)26個(gè)長(zhǎng)期地下水位埋深監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)等資料，系統(tǒng)分析了地下水的埋深變化特點(diǎn)及其驅(qū)動(dòng)力，并在此基礎(chǔ)上建立了奇臺(tái)縣地下水埋深變化的回歸模型，對(duì)于合理開(kāi)采地下水，保持地下水資源的良性循環(huán)和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)利用具有重要意義。1研究區(qū)概況奇臺(tái)縣位于新疆維吾爾自治區(qū)東北部，地處東經(jīng)89度13'～91度22'，北緯43度25'～45度29'，天山山脈東段的博格達(dá)山北麓，準(zhǔn)噶爾盆地東南緣。東靠木壘哈薩克自治縣，西連吉木薩爾縣，南接吐魯番市、鄯善縣，西北交富蘊(yùn)縣、青河縣，東北臨蒙古國(guó)，是新疆的邊境縣之一?？偯娣e18087．3km2。該縣平原地區(qū)的多年平均降水量為211．9mm，多年平均蒸發(fā)量達(dá)1735．7mm，蒸降比約為8∶1。奇臺(tái)縣境內(nèi)自東向西有九條河流，是綠洲農(nóng)業(yè)灌溉用水的主要補(bǔ)給源。該縣地下水自南部山區(qū)、平原戈壁、細(xì)土平原至沙漠區(qū)，形成由補(bǔ)給、徑流、排泄組成的近于完整的水文地質(zhì)單元。山區(qū)分布有現(xiàn)代冰川，并且降水豐富，基巖裂隙發(fā)育，地下水通暢，是地下水的主要補(bǔ)給區(qū)。河流出山口形成了由第四紀(jì)松散堆積物組成的多個(gè)洪積扇群。其中上部含水層粒徑粗、厚度大、坡度陡、透水性強(qiáng)，是地下水的徑流區(qū)，為潛水主要含水層。中下部細(xì)土沖積、洪積平原粒徑小、坡度平緩、透水性較弱，構(gòu)成多層結(jié)構(gòu)的潛水和承壓水的分布區(qū)，地下水的蒸發(fā)強(qiáng)烈。上世紀(jì)七十年代以來(lái)，由于上游修建了水庫(kù)，并且各大河流出山口均建有防滲程度較高的水渠等水利工程設(shè)施，造成了山區(qū)河流對(duì)地下水補(bǔ)給量的迅速減少。另外，平原區(qū)的降水對(duì)地下水雖然也有一定補(bǔ)給，但由于降水量少蒸發(fā)強(qiáng)烈，補(bǔ)給量很小。2數(shù)據(jù)與方法2．1數(shù)據(jù)來(lái)源1983～2006年《新疆昌吉回族自治州奇臺(tái)縣地下水潛水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)年報(bào)》的26口機(jī)井地下水長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)。依據(jù)上述資料提供的地下水空間和時(shí)間數(shù)據(jù)，2003年－2008年多次對(duì)研究區(qū)機(jī)井?dāng)?shù)量、地下水位、水質(zhì)進(jìn)行了野外考察，實(shí)際連續(xù)測(cè)井共256口，對(duì)其空間定位，并從中篩選出185個(gè)時(shí)間連續(xù)性好、空間代表性強(qiáng)的井位觀測(cè)點(diǎn)水位變化數(shù)據(jù)，其覆蓋面積1660．84km2，基本包含了整個(gè)井灌區(qū)。1980－2006年自然要素(降雨、氣溫、蒸發(fā)等)和經(jīng)濟(jì)要素(糧食產(chǎn)量、小麥價(jià)格等)［11］。2．2研究方法回歸分析法可以提供變量間相關(guān)關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并可利用概率統(tǒng)計(jì)對(duì)此關(guān)系進(jìn)行分析，以判別其有效性。同時(shí)，可由一個(gè)或多個(gè)變量值，預(yù)測(cè)和控制另一個(gè)因變量的取值，以及了解預(yù)測(cè)和控制達(dá)到了何種程度，進(jìn)行因素分析。即采用多種類型的回歸方法建立預(yù)測(cè)方程，包括一元線性回歸、多元線性回歸、非線性回歸等［12，13］。多元線性回歸時(shí)要確定因變量與多個(gè)自變量之間的定量關(guān)系，它的數(shù)學(xué)模型為:y=β0+β1x1+…+βmxm+ε式中:β0，β1，βm是待定參數(shù);ε是隨機(jī)變量，表示除x以外其他隨機(jī)因素對(duì)y影響的總和。在實(shí)際問(wèn)題的研究中，求出線性回歸方程后，還需對(duì)回歸方程進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。一般采用回歸方程顯著性的F檢驗(yàn)，或回歸系數(shù)顯著性的F檢驗(yàn)。3地下水位動(dòng)態(tài)特征3．1地下水位年際變化特征隨著機(jī)井大幅度的增加，地下水的開(kāi)采量也逐年遞增。1983年到2004年多年平均開(kāi)采量為1．99x108m3。持續(xù)的地下水過(guò)量開(kāi)采導(dǎo)致了奇臺(tái)縣地下水位的持續(xù)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，達(dá)到地下水埋深的最大值(圖1)。其下降過(guò)程可以分為6個(gè)階段:1988年的地下水埋深比1983年下降了1．35m，下降速率僅為0．27m/a;從1988年到1993年，地下水位下降速度逐漸加快，以平均0．60m/a的速度下降，其間1991－1992年降幅最大，為0．81m;1993－1995年地下水位埋深的下降有所緩和，為0．28m/a;1995年至1998年地下水埋深以0．88m/a的速度繼續(xù)下降，其中1998年相比1997年下降了1．38m，為歷年下降幅度最大值;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地下水位年內(nèi)變化特征地下水埋深年內(nèi)變化較為明顯。以2003年數(shù)據(jù)為例，平均埋深年內(nèi)最高水位和最低水位相差3．36m(圖2)。地下水水位最高的時(shí)期出現(xiàn)在3月，其平均水位埋深達(dá)到16．52m，之后開(kāi)始下降，4月僅比3月下降了0．2m，5月份下降幅度加大，到7月份達(dá)到埋深的最大值19．93m，平均下降速度為每月0．8m。從8月份起水位回升，回升的速度比下降的速度有所緩和，為每月0．43m。次年3月份水位又回升到較高的位置。4各因素與地下水位的相關(guān)性分析潛水含水層接近地表，與外界條件聯(lián)系密切，氣象、水文和人類活動(dòng)等因素對(duì)它影響顯著［15］。在特定的自然環(huán)境下，地下水埋深受其補(bǔ)給、排泄及自身特征等因素的綜合影響而表現(xiàn)出不同的動(dòng)態(tài)變化特征［16］。研究區(qū)內(nèi)地下水埋深的動(dòng)態(tài)變化受多種因素影響呈現(xiàn)出不同的變化態(tài)勢(shì)。奇臺(tái)地區(qū)降水分布主要集中在山區(qū)，山區(qū)地下水資源主要受降水的入滲補(bǔ)給。對(duì)于平原區(qū)來(lái)說(shuō)，地下水的補(bǔ)給量主要靠河渠的入滲、泉水、田間灌溉回歸水、河床潛流和側(cè)向滲流。經(jīng)過(guò)多年大力興修水利，改造整修渠道，興建水庫(kù)，各種水利工程設(shè)施比較完善。上世紀(jì)，七十年代初期，由于各渠道上游渠首已修建至河流出山口，河水由渠道直接進(jìn)入水庫(kù)或農(nóng)田，對(duì)平原區(qū)地下水的補(bǔ)給量大大減少。因此，文中主要討論自然因素(蒸發(fā)量，降水量)和人文因素(地下水的開(kāi)采量、糧食總產(chǎn)量、小麥價(jià)格)對(duì)地下水埋深的影響。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#4．1蒸降比與地下水位蒸降比從一定角度反映了一個(gè)地區(qū)的干旱情況。從1983年到2006年平均降水量為200．8mm，平均蒸發(fā)量為1746mm，蒸降比很大。其中1995年、1997年和2001年蒸降比變化明顯(圖1)。在這些年份里，因干旱，地下水開(kāi)采力度加大，地下水埋深也相應(yīng)增加。干旱地區(qū)降雨量少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，降水很難在平原區(qū)形成徑流，有效補(bǔ)給地下水。因此，整體上兩者的聯(lián)系不緊密，相關(guān)性不大。4．2地下水開(kāi)采量與地下水位綠洲平原區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水基本來(lái)源于地下水。地下水開(kāi)采量可直接導(dǎo)致地下水埋深的變化。在耕地不斷擴(kuò)大過(guò)程中，地下水開(kāi)采量逐年增大，地下水位大幅下降。在年內(nèi)波動(dòng)中，地下水月開(kāi)采量與月埋深的變化關(guān)系密切，相關(guān)系數(shù)0．6250(表1、圖2)。因地下水埋深變化與機(jī)井抽水之間有滯后性，若用月地下水埋深變化與上月開(kāi)采量進(jìn)行相關(guān)分析，則兩者的相關(guān)性更好，相關(guān)系數(shù)可達(dá)0．8496(表1)。在年際變化中，隨著地下水開(kāi)采量不斷增加，地下水位不斷下降。兩者變化趨勢(shì)十分相近(圖3)，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0．9511(表1)。因此，地下水的開(kāi)采量對(duì)于地下水埋深的多年變化和年內(nèi)變化均有較大的影響。4．3糧食產(chǎn)量與地下水位奇臺(tái)縣是新疆的農(nóng)業(yè)大縣，平原區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水基本來(lái)源于地下水。其糧食產(chǎn)量的大幅提高是以地下水位下降為代價(jià)的。1983年－2006年糧食總產(chǎn)和地下水埋深變化同步(圖4)。糧食總產(chǎn)由1983年的166420t增長(zhǎng)到2006年的278912t，埋深則下降了15．06m。地下水埋深與糧食總產(chǎn)量呈極其顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0．7519。由于糧食總產(chǎn)量的變化不僅與地下水的埋深相關(guān)，而且還受到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平(種子、化肥等)管理水平的影響。因此，相關(guān)性低于小麥價(jià)格。4．4小麥價(jià)格與地下水位奇臺(tái)縣1985年被列入自治區(qū)商品糧生產(chǎn)基地縣，1993年被列為國(guó)家級(jí)糧食生產(chǎn)大縣，1995年被國(guó)家評(píng)為自治區(qū)唯一的全國(guó)糧食生產(chǎn)先進(jìn)縣。其生產(chǎn)的最主要的糧食就是小麥，約占其糧食總產(chǎn)量的50～70%。同時(shí)，小麥灌溉定額是在各種糧食作物中最高的，因此，小麥價(jià)格的波動(dòng)對(duì)農(nóng)民種植、開(kāi)荒、開(kāi)采地下水都有極大的影響。隨著小麥價(jià)格的不斷上升，地下水位不斷下降(圖5)。其與地下水埋深的相關(guān)系數(shù)為0．8576，僅次于年開(kāi)采量。5地下水位變化回歸模型建立建立地下水位多元回歸模型對(duì)于深入認(rèn)識(shí)研究區(qū)地下水的動(dòng)態(tài)變化以及與驅(qū)動(dòng)力的關(guān)系具有重要意義。由于地下水位埋深受蒸發(fā)量、降水量、年開(kāi)采量、小麥價(jià)格、糧食產(chǎn)量的影響，因此，以這5個(gè)因素為自變量，以水位埋深為因變量，建立在開(kāi)采條件下，奇臺(tái)縣地下水位變化回歸分析數(shù)學(xué)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是待定參數(shù)，X1小麥價(jià)格、X2糧食產(chǎn)量、X3年開(kāi)采量、X4降水量、X5蒸發(fā)量。選取1983年－2006年的奇臺(tái)縣地下水位變化動(dòng)態(tài)資料，作為相關(guān)分析樣本，進(jìn)行計(jì)算得:β0=3．6917;β1=1．0143;β2=－0．0144，β3=－0．0006，β4=－0．0025，β5=－0．0038，即回歸數(shù)學(xué)模型:у=3．6917+1．0143X1－0．0144X2－0．0006X3－0．0025X4－0．0038X5(2)其中:相關(guān)系數(shù)r=0．978，F(xiàn)=80．5158，在α=0．01的情況下，查F分布表得F=3．90，所以方程在α=0．01的水平下是顯著的。計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差大多數(shù)在5．5%以內(nèi)(表2)，僅1984(－7．924%)、1993年(－7．014%)和2006(－7．938%)年除外。平均相對(duì)誤差僅為0．136%。即回歸模型較好地凸現(xiàn)了小麥價(jià)格、糧食產(chǎn)量、年開(kāi)采量、降雨量、蒸發(fā)量與地下水位的相關(guān)關(guān)系，也反映了地下水位自身的動(dòng)態(tài)變化。6結(jié)論與討論(1)隨近年來(lái)奇臺(tái)縣地下水開(kāi)采規(guī)模的不斷擴(kuò)大，地下水位埋深逐年下降，年平均下降速度為0．42m/a，2006年達(dá)到最大埋深24．12m。同時(shí)，地下水位年內(nèi)變化明顯，主要受季節(jié)性的農(nóng)業(yè)開(kāi)采的影響。地下水的月平均埋深與月開(kāi)采量有著密切的相關(guān)關(guān)系。3月的多年平均埋深為16．95m，7月為19．93m，與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)周期同步