通遼平原區近35年地下水埋深及土地利用變化響應關系研究

孫 標，朱永華，張 生，史小紅，田偉東，劉志強，云 騰

(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. 通遼市水利規劃設計研究院，內蒙古 通遼市 028000；3. 內蒙古錫林郭勒盟水文勘測局，內蒙古 錫林浩特 026000)

在干旱半干旱地區，地下水資源是影響生態環境的重要敏感因子，影響著地區的社會經濟發展[1]。目前，隨著地下水埋深的不斷加劇，有關土地利用/覆被變化(LUCC)對水文過程的影響以及衍生的資源環境問題研究陸續出現[2-4]。雷鳴等[5]通過研究黃淮海平原區LUCC對地下水資源量變化的影響，發現研究區地下水蓄變量減少的原因是建設用地與耕地耗水強度的不斷增加。劉宇等[6]認為LUCC是造成北京朝陽區地下水脆弱性變化的主要原因。WANG等[7]分析了黑河流域的LUCC對地下水時空變異性的響應，認為1985-2010年期間，研究區邊界的地下水埋深變化受農田灌溉回灌影響較大，研究區中部地下水埋深變化與農業用地擴張和天然植被減少有密切聯系。所以，作為區域水文循環的重要組成部分，地下水對土地利用有較強的響應作用。

西遼河流域通遼平原區是我國重要的糧食產地，耕地面積占平原區的30%以上[8]。研究區地表水資源匱乏，地下水資源是當地的主要供水來源，占供水量的90%以上。近幾十年來，因不斷地超采地下水資源，研究區地下水超采面積不斷增加，并逐漸形成了地下水漏斗區。然而，針對西遼河流域平原區地下水時空變異性的精確描述相對較少，如何更進一步定量認識LUCC對地下水埋深的影響程度，仍需要進行深入的研究，從而為該區土地和水資源管理及生態保護提供理論支持。鑒于此，本文從研究區LUCC和地下水時空變異二者關系入手，采用地理統計分析等方法，對研究區1980-2015年期間的LUCC及地下水時空變異性進行了精確描述，并對LUCC對地下水埋深的影響進行了定量分析。地統計法與GIS方法的相結合可以作為一種探討土地利用與地下水資源空間變化關系的新方法，研究結果可為區域地下水資源管理和土地利用政策的制定提供參考。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區概況

通遼平原區位于西遼河流域東部，松遼平原西部，地理位置為120°～124°E，42°～45°N之間，面積約3.3 萬km2(圖1)。通遼平原自西、西南、西北向東、東南、東北緩慢傾斜，呈波狀起伏[9]。處于半干旱季風氣候區，降水時空分布不均，且呈減少趨勢，空間上自西北向東南增加，時間上80%的降水出現在6-9月[10]，多年平均風速2.7～4.0 m/s。

通遼平原區屬西遼河水系，西遼河自西向東橫貫市區，主要支流包括老哈河、西拉木倫河、烏力吉木仁河、教來河、新開河等。目前，研究區內大部分河流呈常年斷流狀態，僅從東北部科左中旗流入的烏力吉木仁河地表水資源相對豐富。區域地下水隔水層分別由第三系頂部的泥巖與第四系底部的黏土構成，因此全區在垂向上可劃分為松散巖類孔隙含水層、碎屑巖孔隙-裂隙含水層(組)和基巖裂隙含水層(組)三大系統[11]。

圖2 地下水觀測井在不同土地利用類型(1980年時)的位置分布

1.2 數據來源

研究區內75口地下水觀測井分布見圖1。地下水觀測井在不同土地利用類型(1980年時)的位置分布見圖2，其中65口位于耕地范圍內，8口位于城鎮建筑用地內，2口位于林地內。地下水埋深數據來源于通遼市水文勘測局對上述75口井的1990-2015年實測資料，數據時間頻率為月，以每月三次測量求平均值。其他相關數據來源于通遼市水文局公布的水資源公報及相關文獻。

土地利用類型數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心下載(http:∥www.resdc.cn)，共獲取1990、1995、2000、2005、2010與2015年6期數據，該土地利用空間分布圖是以Landsat TM/ETM遙感影像為主要數據源，將全國土地利用類型劃分為6個Ⅰ級類，25個Ⅱ級類以及部分Ⅲ級類的產品[12,13]。本文運用ArcGIS10.0對已有土地利用空間分布圖進行區域掩模提取與重分類(耕地、林地、草地、水體、建筑用地與未利用地)分析。

1.3 地統計分析

本文基于地下水埋深數據，應用ArcGIS10.0軟件里的地統計分析模塊和半方差函數模型，對地下水埋深的空間分布和變異性進行分析。地統計學是以空間分布特點的區域化變量理論為基礎，包含空間分布數據的結構性和隨機性、空間相關性和依賴性、空間格局與變異等[14]。

半方差函數是一種自相關統計量，定義為：

(1)

式中：r(h)為是區間距離類別h的半方差；z(xi)為xi點的實測樣本值；z(xi+h)為xi+h點的實測樣本值；n(h)為步長h所對應樣本總數。

半方差函數的準確性和適用性通過交叉驗證進行檢測，驗證方法允許評估變異函數模型(類型，參數估計)擬合的精度，鄰域的適當性和所使用的克里金類型。通過對插值和觀測值進行比較，進而選取最準確的預測模型。與此同時，使用兩個參數評估半變差函數模型的適應度：殘差平方和RSS和確定系數R2。

克里金法是一種最佳的局部插值方法，其在綜合考慮變量的隨機性和結構性的前提下，根據采樣點分布和變差函數模型對研究對象進行空間變化插值計算。本文選取普通克里金法插值法進行分析計算，其方程公式如下：

(2)

式中：Z*(χp)為在位置χp克里格插值；Z*(χi)在位置χi實測值；λi為相關數據所對應的權重；μ是拉格朗日乘子；γ(χiχj)為變差函數的值。

2 結果與分析

2.1 地下水變化特征分析

2.1.1 半方差函數模型計算、預測與驗證

地下水埋深的空間變異性分析結果見表1。經理論模型的最優擬合，得知1980和1995年的地下水埋深最佳擬合模型為指數模型，1990年為球形模型，其余年份均為高斯模型，計算的RSS值均較小，R2值均較大。表明理論模型較好地反映了研究區地下水埋深的空間結構特征。

表1 不同年份地下水埋深值的半方差函數模型與參數

1980-1995年期間，塊金值與基臺值變化不明顯，不同年份的塊金值與基臺值之比分別為49.5%、50.0%和49.6%；空間自相關距離分別為3.24、3.29和3.71 km，呈增加趨勢，具有中等的空間相關性。這表明地下水埋深分布的空間異質性除了由空間結構引起外，隨機性因素也起到較明顯的作用。1995年以后，塊金值與基臺值上升趨勢明顯；不同年份的塊金值與基臺值之比分別為54.2%、46.1%、49.8%和45.1%，呈減少趨勢；空間自相關距離分別為4.72、4.80、4.93和5.57 km，呈增加趨勢，具有中等的空間相關性。這表明2000年以后，隨機性因素對于地下水埋深分布的空間異質性變化作用減弱。

2.1.2 地下水埋深時空分布

基于ArcGIS軟件中地統計模塊所得到的各個參數值，由普通克里金插值法生成1980-2015年的地下水埋深時空分布圖(圖3)。由圖可知：隨著時間的推移，研究區地下水埋深值顯著增加趨勢，日漸在研究區中部形成兩個地下水超采區；研究區平均地下水埋深值由1980年的2.39 m，增加至2015年的6.23 m；中部科爾沁區和開魯縣的地下水埋深值相對較高，到2015年時個別觀測井地下水埋深值可達到15.6 m；西部的奈曼旗與庫倫和東部的扎魯特旗、科爾沁左翼中旗和科爾沁左翼后旗的地下水埋深值相對較低，其均值均在4 m左右。

根據表1的分析結果可知，在時間段上1995之前與之后其影響因素有一定的差異，由圖3分析得知，1980年、1990年和1995年的地下水埋深多年平均值分別為2.39、2.72和2.50 m，均小于3 m，李亞峰等[15]人利用8 m定埋深地中蒸滲儀的觀測數據得出降水補給地下水的最佳埋深為3 m以內，隨著埋深的增加補給能力呈減小趨勢；可以說明通遼平原區在1995年及之前地下水有一定的下降，但降雨徑流對其的補給能力還較強。而2000年、2005年、2010年和2015年的地下水埋深值顯著增加，分別為3.09、4.22、5.58和6.23 m，與這一階段地下水持續開采有關，同時由于該時段的區域地下水埋深超過了3 m，降雨徑流對其的補給能力大大的削弱導致地下水埋深呈現快速下降趨勢。

2.2 土地利用類型變化特征分析

基于中國科學院資源環境科學數據中心1990、1995、2000、2005、2010與2015年六期土地利用類型空間分布圖進行分類統計見表2。

表2 1980-2015年間通遼平原區土地利用統計情況

由表2分析可知：1980-1995年期間，耕地、林地和建筑用地面積分別增加了14.90%、21.19%和22.77%，實際增加面積分別為1 298、185和148 km2；而這一時期草地減少了近2 068 km2，約13.36%。說明該時期主要的用地類型發生在草地向耕地的轉變，農業區域擴張明顯，不斷向周邊牧區滲透，同時城市化進程明顯，城市周邊大量的土地被轉變為建筑用地，耕地的擴張增加了整個農區的地下水的開采用量，城市化的進程、工業的發展加大了城區集中位置的地下水用量，使得該時期的地下水開始呈現緩慢下降，城區位置出現較明顯的漏斗形狀，從圖3中也可以得到佐證。至于該時期的林地增加比例較多，主要原因為林地在整個通遼平原區占比很少，基數低，不屬于主要的用地類型，增加的185 km2并沒有特殊的指示作用。

從1995-2015年期間，研究區耕地和草地面積有一定的波動，但無明顯的增加減少趨勢；該時期變化最大的為水域，其面積由843 km2減少到675 km2，減少了約19.93%。主要原因與該時期農牧業發展過程中各項政策調整有關，地方開始實施退耕還草等措施，限制了草地的減少和耕地的增加，而這一時期的水域大幅減少說明了干旱程度加劇，地表水體萎縮明顯。干旱、地下水持續開采及埋深超過3m的臨界線，這些因素使得地表降雨徑流對地下水的補給能力不斷降低，開發利用量遠超過補給量，地下水埋深開始呈現快速下降趨勢。

2.3 地下水埋深與LUCC響應關系

基于1980年和2015年的地下水埋深與土地利用類型統計數據，使用圖3中2015年減去1980年地下水埋深分布圖得出地下水埋深變化分布圖見圖4，對圖4中地下水埋深變化的不同區域進行分區土地類型的統計見表3，用于分析地下水埋深與LUCC之間的響應關系。

圖4 1980-2015年地下水埋深變化空間分布圖

由圖4和表3可看出，1980-2015年期間，研究區地下水埋深下降值呈現由中部區域向東西方向顯著減小趨勢，近60%的區域地下水埋深下降嚴重且超過了3 m，主要集中在中部科爾沁區、開魯縣和科爾沁左翼后旗等地區。原因為中部區域耕地面積多，占到通遼平原區整個耕地面積的近63%，比較大型的城鎮都集中在這個區域，人口密集，城區有一定的工業發展，用水量巨大造成的地下水位持續下降。相對于中部，西部和東部地區地下水埋深下降幅度較小(小于3 m)，面積約為1.26 萬km2，原因與區域其土地利用類型及地形等因素有關。

表3 1980-2015年不同地下水埋深變化范圍的土地類型變化

3 討 論

3.1 地下水埋深變化成因

農業用地的擴張必然導致水資源消耗的上升，特別是地下水資源的消耗。研究區地表水匱乏，1980-1995年期間，西遼河通遼站斷流天數達2 223 d，平均年徑流量為5.34 億m3；1996-2000年間斷流天數817 d，平均年徑流量4.93 億m3；2000年以后，則常年處于斷流狀態[16]。地下水開采方面，通遼平原區1963年機電井僅123 眼，2012年達10萬多眼，增長約800多倍，其中，1999-2005年期間的增長速度為每年新增8 500～9 500 眼[17]，2012年以后，政府加強了節水灌溉建設等方面的現代農牧業發展方式，縮減機電井數量近3萬眼。所以，通遼平原區的地下水埋深變化與工農業取用水有直接的關系，土地利用中耕地的增加進一步強化了這種作用。

在降雨徑流補給地下水方面，1980-1998年期間區域降雨處于豐水期，且地下水埋深小于3 m，所以地下水在開采利用的同時有較好恢復能力，1999年以來，區域連續6年干旱少雨，全市有7座大中型水庫和70多座小型水庫干枯，大部分河水斷流[18]。張熙庭等人通過1960-2015年內蒙古地區46個氣象站點的觀測數據分析研究，認為西遼河流域平原區干旱趨勢持續加劇[19]，朱永華等人研究發現區域內土壤包氣帶的變化也減少了地下水資源補給量，致使降水對地下水補給作用顯著減弱[20]。所以，1995年以后，研究區地下水埋快速下降，除了受人為因素影響外(土地利用類型變化、上游河道工程攔蓄等)，區域氣候等自然因素也是地下水埋深變化的重要原因之一[18,21]。

3.2 地下水埋深與LUCC響應關系成因

近35年來，地下水埋深下降值超過3m的區域主要集中在通遼平原區中部，表3可知，3～7 m的下降區內耕地面積增加了近995 km2，草地減少了近967 km2，建筑用地增加了近71 km2，增減量是地下埋深下降0～3 m區域的1倍左右，說明中部區域的農田開墾和城鎮開發力度是最強的，地下水資源開采力度也遠高于東西兩端區域。

相比于圖4中的中部區域，西部區域土地利用類型主要為草地，對地下水開采程度較小，所以地下水埋深下降也相對較小。東部土地利用類型主要為耕地和草地混合，有一定地下水開采量，其下降較小與兩方面因素有關：第一，該地區屬通遼平原區地勢最低處，有利于地下水補給恢復；第二，在通遼平原區內降水空間分布不均，西部降水量少，而東部降水量多[19]，地表水資源相對豐富，部分農灌用水使用地表水，所以，東部區域地形、降水都有利于增加該地區地下水的補給，并相應地減少了地下水開采與利用量。

3.3 地下水水質與LUCC的響應關系

研究區地下水的補給源主要是降水入滲補給[22]。降水通過在土壤中進行溶濾、濃縮和離子交換等一系列作用，最終進入地下水，并改變著地下水化學組分。隨著研究區建筑用地的上升，城市污廢水及固體廢物的排放持續增加，污染物通過地表徑流和入滲進而污染地下水，致使地下水環境有惡化趨勢，近年來重金屬檢出率較高[23]。

作為典型的農牧交錯帶地區，研究區耕地面積不斷擴大，大量化肥農藥被應用于提高糧食產量，這些物質隨著灌溉回水及降水淋溶等進入地下水體，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 結 論

(1)通遼平原區1980-2015年期間，研究區地下水埋深值顯著增加趨勢，在研究區中部形成兩個地下水超采區，研究區平均地下水埋深值由1980年的2.39 m，增加至2015年的6.23 m；中部科爾沁區和開魯縣的地下水埋深值相對較高，個別觀測井地下水埋深值2015年可達到15.6 m。

(2)通遼平原區1980-1995年期間，耕地和建筑用地面積分別增加14.90%和22.77%，而草地面積相應減少13.36%，農田開墾和城鎮化進程明顯；1995-2015年期間，研究區耕地和草地面積無明顯變幅，這與退耕還草等政策的實施有一定關系，該時期變化最大的為水域，面積減少了約19.93%，干旱趨勢加劇。

(3)土地利用類型與地下水的時空變化關系較為明顯，土地利用類型是地下水埋深變化的重要驅動力之一，土地利用類型的變化加劇了研究區地下水埋深的變化，研究區耕地擴張和城鎮工業經濟發展對地下水埋深影響顯著。隨著工農業進一步的發展，氣候的暖干化，通遼平原區的地下水開采量可能將進一步增加，地下水埋深也可能將繼續增加，水資源的管理部門應予以重視。

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