氣候變化與人類活動對地下水埋深變化的影響

朱永華 張 生 趙勝男 孫 標 劉 禹 張 穎

(1.內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院， 呼和浩特 010018；2.呼和浩特市環境科學研究所， 呼和浩特 010018)

氣候變化與人類活動對地下水埋深變化的影響

朱永華1張 生1趙勝男1孫 標1劉 禹1張 穎2

(1.內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院， 呼和浩特 010018；2.呼和浩特市環境科學研究所， 呼和浩特 010018)

以通遼市科爾沁區為研究區，利用累積距平、M-K突變檢驗和累積量斜率變化率比較法，對降水量變化與地下水埋深變化進行突變檢驗，定量評估研究區氣候變化與人類活動對地下水埋深變化的貢獻度。結果表明：地下水埋深多年來呈顯著上升趨勢，降水對地下水埋深動態變化的影響存在明顯的滯后現象，滯后期為3 a；研究區地下水埋深與降水量突變點為1998年，前期1980—1998年為基準期，后期1999—2016年為影響期；研究區氣候變化對地下水埋深變化影響的貢獻度為24.5%，人類活動對地下水埋深變化影響的貢獻度為75.5%，人類活動是造成地下水埋深下降的主要原因。

氣候變化； 人類活動； 西遼河； 地下水埋深

引言

近年來，位于我國北方農牧交錯帶的一些城市地下水流場出現了大幅變動情況，地下水水位總體上呈現下降趨勢[1-2]，依賴這些地下水資源的社會經濟和生態環境受到了一定程度的影響。因此，分析地下水埋深動態變化特征，揭示其異變的原因具有科學指導意義。

關于地下水流場變化特征的研究，世界各地針對地下水水資源量[3]、地下水水質[4]、地下水補給方式[5]及三水轉換[6]等開展了大量的研究。其中廣泛應用傳統的水均衡和數字模型模擬等分析方法，在我國主要涉及華北平原流域[7]、西遼河流域[8]和三江源流域[9]等地區。

關于氣候變化和人類活動對地下水流場變化的影響，地下水流場對氣候變化和人類活動的響應研究多側重于分別單獨研究氣候變化或人類活動對地下水流場變化的影響，如地下水對氣候變化的響應[10]，景觀格局[11]、植被覆蓋[12]、農業灌溉[7]等人類活動對地下水變化的影響等。這些成果均表明，氣候變化與人類活動對流域地下水流場變化的影響是相互交織、相互作用的。

但兩類影響各占比重多少，即氣候變化與人類活動分別對地下水流場變化影響程度如何，所占的貢獻度比重是如何分配的，目前尚沒有定量分析，由此，逐漸成為當今研究的重點課題之一?？傮w上可分為兩類研究方式，一是利用地下水埋深動態與各個環境因素的響應關系，分析各自的影響程度[13]；二是借助水量平衡方程，分析引起地下水水位位移變化的各種因素所占的權重來計算貢獻度[14]。前者較后者簡單實用，所需數據較少，易于實現，并且易于改進算法，找到適合本研究區的計算模式。

對于西遼河流域平原區，前人已經取得了一些科研成果[15-16]。然而，這些研究均為單一或定性地分析了環境因素或人類活動對地下水埋深動態的影響，綜合分析氣候變化和人類活動對地下水埋深變化的貢獻度的研究鮮有報道。

西遼河流域平原區是典型的干旱半干旱地區，降水量較小，主要依賴地下水資源，生態環境脆弱。隨著人民生活水平和社會經濟的不斷發展，其地下水埋深逐年增加，并于20世紀70—80年代開始出現地下水開采漏斗區。本文以地下水漏斗區所處的通遼市科爾沁區為研究區，基于降水變化、地下水開采和地下水埋深動態異變的三者關系，采用回歸分析、M-K突變檢驗、累積距平法與累積量斜率變化率比較法，定量分離對影響地下水埋深異變各要素的貢獻度，并對影響的成因與驅動因素進行定量分析。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區為西遼河流域平原區通遼市科爾沁區，位置見圖1，行政區域面積為3 212 km2，地理坐標為北緯43°22′～43°58′、東經121°42′～123°02′之間。多年平均降水量為385.1 mm，年蒸發量為2 000 mm(蒸發皿20 cm口徑)，多年平均氣溫為6℃左右?？茽柷邊^境內有西遼河、清河和洪河3條過境河流，境內不產流，其水資源量受上游產流區控制。多年以來，西遼河麥新—鄭家屯河段常年斷流，河道水利用量及其補給地下水量幾乎為零。

圖1 研究區位置圖Fig.1 Location of study area

研究區坐落在西遼河、教來河沖積平原中部，是工、農業用水量集中區。研究區境內含水層累積厚度約為136 m，主要由第四系松散沉積物構成。粘性土相對隔水層交錯分布其中，且多呈薄層透鏡體狀。含水層的巖性顆粒在水平方向上自西向東逐漸變細，粘性土含量夾層及厚度增多增厚; 在垂直方向上，含水層自上而下由河流相過渡到河湖相和冰水相，巖性顆粒多具有上下粗、中間細、中部分選差的沉積特點，大體可分為3個含水層：①主要接受大氣降水滲入補給、地表水滲入及地下水徑流補給的淺層含水層。②主要接受上游地下水徑流補給，上部含水層的滲透補給的中層含水層。③含水層厚度最大50 m，具有承壓性的深層含水層[17]。人為開采為主要排泄方式，2013年地下水供水量占研究區總供水量的95.74%。

本文1959—2016年降水量數據(通遼站、開魯站、科左中旗與科左后旗站降水量資料)和1980—2016年地下水埋深觀測資料(通遼科爾沁區17口地下水觀測井)源自當地氣象站與水文局；為使降水與地下水數據更能代表研究區，特選取通遼市科爾沁區周邊4個氣象站與17口分別位于中層及深層含水層的地下水觀測井數據的平均值進行因素分析；地下水超采及其他相關數據源自2002—2015年通遼市水資源公報、歷年通遼市地區地下水相關文獻和2000—2015年內蒙古統計年鑒。

1.2 研究方法

研究區氣候序列采用研究區周邊4個氣象站資料的平均值代表整個研究區。地下水水位動態序列為研究區內17口觀測井月觀測值的年平均值。

數據序列之間的關系采用相關系數及回歸分析法；突變點的劃分采用M-K突變檢驗法與累積距平法。

Mann-Kendall(M-K)檢驗法是一種簡便有效的非參數統計法，不受變量是否具有正態分布的影響，自20世紀50年代便被廣泛應用在氣候氣象、水文等研究領域[18-21]。

設X1，X2，…，Xn為降水量或地下水埋深數據的時間序列變量，構造一秩序列

(1)

其中

(2)

式中ri——第i個樣本Xi>Xj(1≤j≤i)的樣本值

Sk——第i個樣本Xi>Xj(1≤j≤i)的樣本累積數

n——樣本時間長度

i、j、k——樣本時間序列代表值

在數據時間序列隨機獨立假定下，定義統計量

(3)

將數據時間序列調整為Xn，Xn-1，…，X1，重復以上過程得到檢測變量IUBk值

IUBk=-IUFk(k=1,2，…，n)

(4)

式中IUBk——M-K檢驗逆序檢驗值

則確定由IUBk與IUFk所構成的2條曲線在臨界線之間的交點為突變點。

累積距平法是一種通過曲線直觀反映離散數據變化趨勢的非線性統計方法，便于直接反映不同時期不同階段氣候[22]、水文[23]等數據的變化，直接確定其突變年份。時間序列X在t時刻的累積距平值為

(5)

根據累積距平曲線的的轉點判斷其突變點。

對于氣候變化和人類活動對徑流變化貢獻度的計算分析，借鑒王隨繼等[24]提出的關于累積量斜率變化率比較方法，累積地下水埋深與降水量斜率變化率計算公式為

RSG=100(SGa-SGb)/SGb

(6)

RSP=100(SPa-SPb)/SPb

(7)

式中RSG——累積地下水水位斜率變化率，m/aRSP——累積降水量斜率變化率，mm/aSGb——假設累積地下水埋深在突變年前年際線性關系式的斜率，m/a

SGa——假設累積地下水埋深在突變年后年際線性關系式的斜率，m/a

SPb——假設累積降水量在突變年前年際線性關系式的斜率，mm/a

SPa——假設累積降水量在突變年后年際線性關系式的斜率，mm/a

降水量變化對地下水動態變化的貢獻度為

CP=RSP/SSG×100%

(8)

式中Cp——降水量變化對地下水動態變化的貢獻度，%

由于研究區降水是地下水主要補給來源，且由于長期地下水超采，土壤包氣帶增厚，蒸發量對地下水動態變化影響不大，因此本研究不考慮蒸散發等其他因素對地下水動態變化的影響，則人類活動對地下水動態變化的貢獻度表達式為

CH=1-CP

(9)

式中CH——人類活動對地下水動態變化的貢獻度，%

2 結果與分析

2.1 降水量及地下水埋深的變化特征

研究區1959—2016年平均降水量與地下水埋深變化特征如圖2所示，降水量年平均值為367.9 mm，在200～600 mm之間波動，通過趨勢線分析可知，整體呈下降趨勢，但不顯著，10 a變化率為-11.5 mm/(10 a)；地下水埋深變化整體呈顯著上升趨勢，10 a變化率為1.83 mm/(10 a)。

圖2 降水量及地下水埋深變化特征Fig.2 Characteristics of groundwater dynamics and precipitation

降水量變化與地下水埋深變化不同步，降水量下降，地下水埋深也增加，如1991—1992年、1998—1999年與2012—2013年。前人較多認為這與人類活動對地下水開采量增大有關，但根據2012年和2013年通遼市水資源公報可知：2013年全市供水量與用水量都為26.77億m3，其中地下水供水量25.63億m3，這比2012年供水量28.46億m3減少了1.69億m3，地下水埋深不僅受人類開采影響，也受包氣帶增厚變化影響，降水對地下水補給產生滯后效應。

圖3 地下水埋深、降水量變異點識別Fig.3 Variance recognition of groundwater depth and precipitation

通過對比地下水埋深與不同年份降水量的相關性(表1)可知，地下水埋深與當年降水量相關系數僅為-0.195，與3 a前降水量相關系數為-0.374，相關關系明顯，從側面說明降水對地下水埋深有明顯的滯后效應，滯后時間為3 a。

表1 地下水埋深與降水量的相關系數Tab.1 Correlation coefficients between precipitation and groundwater depth

注：*表示在p<0.05水平(雙側)顯著相關。

2.2 突變年份的確定及突變特征

運用M-K突變檢驗與累積距平方法分別對研究區地下水埋深與降水量變化的突變點進行確定(圖3)。從圖3a可知，研究區降水量IUF(k)的絕對值均在置信區間內，顯著性水平較高，呈低—高—低的變化趨勢；并確定突變年份為1998年，這與圖3c運用累計距平法確定的突變年份相一致，都為1998年；但圖3b所確定的地下水埋深突變年份為2001年，且不在置信區間內，表現為變化不顯著，同樣對地下水埋深運用累積距平法進行分析(圖3d)，確定突變年份也為2001年。

地下水埋深的突變年份與降水量突變年份分別為2001年與1998年，這可能與降水量變化對地下水埋深變化影響有滯后3 a的作用有關，所以本文將研究區突變年份定為1998年，其前、后分為基準期與影響期。2.3氣候變化和人類活動對地下水動態變化的貢獻

研究區累積地下水埋深、降水量與年份對應關系見圖4，突變年份前、后均達到了0.01以上顯著水平。再通過趨勢線分析可知，累積地下水埋深變化在影響期(1999—2016年)上升速率為7.7 m/a, 約為基準期(1980—1998年)上升速率4.0 m/a 的2倍，這說明研究區累積地下水埋深呈顯著增加趨勢，特別是在影響期內；累積降水量變化在基準期與影響期上升速率分別為408.0 mm/a和315.2 mm/a，兩者差異不明顯，說明研究區累積降水量變化整體呈上升趨勢，但在影響期內增加趨勢減弱。研究區累積地下水埋深與累積降水量變化率見表2。由圖4與表2可知，影響期(1999—2016年)與基準期相比較，累積地下水埋深、降水量與年份的斜率變化量分別為3.7 m/a與-92.8 mm/a，減少率分別為92.5%和-22.7%；結合式(6)～(8)，計算出研究區氣候變化對地下水埋深動態變化影響的貢獻度為24.5%，則根據式(9)可知，人類活動對地下水埋深動態變化影響的貢獻度為75.5%。

圖4 研究區累積地下水埋深、降水量與年份對應關系Fig.4 Variations of cumulative groundwater depth and precipitation for study area

年份累積地下水埋深斜率/(m·a-1)影響期與基準期對比變化量/(mm·a-1)相對變化率/%累積降水量斜率/(mm·a-1)影響期與基準期對比變化量/(mm·a-1)相對變化率/%1980—1998年4.0408.01999—2016年7.73.792.5315.2-92.8-22.7

3 討論

人類活動是引起研究區地下水動態變化的關鍵因子。研究區地表水匱乏，地下水開發利用程度較高，農業灌溉、城市用水、工業用水等集中應用，且高度依賴地下水，使得地下水開采量居高不下，超采情況嚴重。由表3可知，隨著時間的推移，地下水開采量顯著增加，影響期開采量約為基準期的2倍，地下水超采漏斗面積增加236.76 km2，這說明人類活動對地下水動態變化影響顯著；從影響期的前10 a(1999—2008年)數據可知，研究區地下水動態變化與超采漏斗面積都有所增加，但第一產業地下水開采量卻大于影響期后段(2009—2016年)，這與第二產業地下水開采量變化趨勢相反，說明隨著經濟社會發展，研究區地下水水位動態變化受農業影響減弱，受工業影響在逐漸加強。再從研究區水資源供需關系方面分析可知(圖5)，1980—2016年地下水動態與R/E(研究區補給量與地下水開采量比值，表明水資源供需關系)關系顯著，隨著R/E值的減小，地下水開采漏斗的中心水位與研究區超采面積明顯增大；影響期與基準期相比較，前者中心水位與超采面積隨著R/E減小都呈指數增加，而后者中心水位與超采面積隨著R/E減小都呈線性增加，前者變化速率明顯大于后者。

表3 研究區地下水資源不同時段統計平均值Tab.3 Statistical meanings of groundwater resources in different times of study area

圖5 地下水動態與R/E關系變化Fig.5 Variations between groundwater depth and R/E

隨著開采量的不斷增加，研究區土壤包氣帶不斷增厚，降水量作為研究區地下水資源的主要補給來源勢必受到影響[25]。許多學者已經對研究區降水量變化與地下水埋深的響應關系進行了研究：在地下水埋深均值為0.6 m左右的草甸地區，由于受到人為因素影響較少，即使較少的降水量也會引起地下水埋深的相應變化，但在地下水埋深均值為6 m左右的固定沙丘地區，強降水對地下水埋深變化影響也相對很弱[26-28]。研究區多年地下水埋深均值一般在5 m左右，1998年(變異年)以后，地下水埋深持續增加，2012年以后年地下水埋深甚至達到9 m以上。降水量對地下水資源量的補給作用與時間隨著包氣帶的不斷增厚而不斷減弱與滯后，通過單純的數學統計分析得出，通遼市科爾沁區降水量對地下水資源量補給時間滯后期長達3 a，這也從另一側面補充了孫傲等[28]在科爾沁沙地的研究成果，即在埋深較大處降水量對相應地下水埋深響應關系不明確的問題。

突變年份的確定，應該運用適合研究區現狀與數據資料的合理方法，準確、有效地確定出時間序列存在的突變情況，以便更加細化各個分析階段數據變化情況及氣候變化與人類活動的各自貢獻度。本文在分析時，加入了降水變化對地下水埋深影響滯后作用的考慮，最終確定出1998年為研究區突變年份。但分析時僅對2種環境因素進行了相關性分析，還存在一定的改進空間，今后應進一步完善。

本文首次借鑒累積量斜率變化率比較法應用于氣候變化與人類活動對地下水動態變化影響的分析中，不一定具有完全很好的實踐性與合理性。累積量斜率變化率比較法雖然分離了氣候變化與人類活動對地下水動態變化的影響，卻忽略了蒸散發等影響不顯著的環境因素，而且也沒有具體討論人類活動對地下水動態的影響，這可能會影響研究成果的計算精度。因此，如何進一步定量研究氣候變化與人類活動對地下水的影響，并融入蒸發、氣溫與生態等環境因素，還需要不斷全面與深入地研究。

4 結論

(1)研究區地下水埋深多年來總體呈明顯上升趨勢，10 a變化率為1.83 mm/(10 a)；降水量總體呈不顯著的下降趨勢，10年變化率為-11.5 mm/(10 a)；但是地下水埋深隨著降水的增加而減少，呈負相關關系。

(2)通過M-K突變檢驗與累積距平檢驗法確定出研究區地下水埋深變化突變年份為2001年，降水量變化突變年份為1998年；結合降水量變化對地下水埋深變化影響存在滯后現象，滯后期為3 a；精準確定出1998年為研究區的突變年份，其前、后分別為基準期(1980—1998年)與影響期(1999—2016年)。

(3)影響期與基準期相比，研究區氣候變化對地下水動態變化影響的貢獻度為24.5%，人類活動對地下水動態變化影響的貢獻度為75.5%。

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ImpactsofClimateChangeandHumanActivitiesonChangesofGroundwaterLevel

ZHU Yonghua1ZHANG Sheng1ZHAO Shengnan1SUN Biao1LIU Yu1ZHANG Ying2

(1.CollegeofWaterConservationandCivilEngineering,InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Huhhot010018,China2.InstituteofEnvironmentalScienceinHuhhot,Huhhot010018,China)

In recent years, there has been a substantial change for groundwater dynamic change in northern of China, and the level of groundwater in many cities overall decline. The West Liao river plain area in Tongliao City, Inner Mongolia, is a typical ecotone between agriculture and animal husbandry, and the major water source of it is groundwater. Therefore, it is significant to study the groundwater dynamic state and its causes for reasonable exploitation and utilization of water resources and ecological environment management. The Horqin District of Tongliao City was selected as the research area. Based on the relationship between dynamic variation of groundwater, precipitation and groundwater exploitation,by using the comparison method of regression analysis, M-K mutation testing, accumulative anomaly method and accumulation slope change rate, the rate of different impact contribution for the vary of groundwater dynamic was quantitatively separated, and the driving factors also were quantitatively analyzed. The results showed that there was a significant upward trend for the groundwater depth over the years. Besides, precipitation showed clear hysteresis phenomenon for groundwater dynamic changes, and the delay period was three years. The abrupt change year of groundwater and precipitation in the study area is 1998. The contribution of climate change to the dynamic variation of groundwater in the study area was 24.5%, and the contribution of human activities to the dynamic variation of groundwater was 75.5%. The change of groundwater dynamic state was mainly caused by the human activity. The results of this research would have important practical significance for rational exploitation and utilization of water resources and ecological environment management.

climate change; human activities; West Liao river; groundwater depth

P641

A

1000-1298(2017)09-0199-07

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.09.025

2017-05-04

2017-06-23

水利部公益性行業科研專項(201501031)、國家自然科學基金項目(51339002、51569019、51669021、51509133)和內蒙古農業大學優秀青年基金項目(2014XYQ-10)

朱永華(1986—)，男，博士生，主要從事水環境科學與工程研究，E-mail： Yh_Z@emails.imau.edu.cn

張生(1960—)，男，教授，博士生導師，主要從事水環境科學與工程研究，E-mail： shengzhang@imau.edu.cn