策勒綠洲地下水和地表覆被時空變化的研究

高宇婷，于 洋，孫凌霄，范留飛，于瑞德,4

(1.中國科學院新疆生態與地理研究所/荒漠與綠洲生態國家重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830011；2.新疆策勒荒漠草地生態系統國家野外科學觀測研究站，新疆 策勒 848300；3.中國科學院大學，北京 100049；4.煙臺大學環境與材料工程學院，山東 煙臺 264005)

干旱區水資源極其稀缺，存在水的地方就發育出綠洲，所以綠洲擴張的核心制約因素是水資源，然而大部分干旱區地表水供給不足，降水量小，因此綠洲對地下水的依賴愈發顯著[1]。在新疆綠洲生態保障的關鍵問題也歸根于水資源，我國綠洲60%以上分布在新疆，新疆綠洲面積只占其總面積的8%，卻承載了90%以上的耕地、人口及經濟生產總值[2]。在塔克拉瑪干沙漠南緣，昆侖山積雪消融發育為季節性河流，為下游提供豐沛的水資源，形成了具有典型代表的策勒綠洲[3]。策勒綠洲植被生存的水資源包括地表水、降水和地下水。由于地表水具有不均衡性和有限性，因此在很大程度上綠洲地表覆被主要利用降水和地下水來維持正常生長，但策勒綠洲降水對綠洲的補給作用微弱，且依據和田地區用水計劃，策勒河季節變化性大，農田灌溉中須輔之于地下水的開采。策勒綠洲農業灌溉的水資源約18%從地下水中獲取[4]，多年來策勒綠洲農田面積不斷擴增，地下水的開采規模不斷擴大，持續抽取地下水使得地下水位不斷下降。帶來的影響是綠洲邊緣的天然植被面臨生存的威脅、綠洲面臨退化的風險[5-8]。

目前國內外有許多關于綠洲動態及地下水的研究，地理信息系統、地下水建模、數值模擬、趨勢分析、地下水干旱指數等多種方法均已經應用于分析地下水的時空動態變化[9-11]。Langroodi等[12]結合GIS和ENVI分析了1987—2010年間伊朗綠洲地下水和地表覆被的時空變化。Ainiwaer等[13]應用地理加權回歸和地統計網格法研究中國西北鄂爾多察河綠洲地下水位與地表覆被變化的時空動態，發現地下水位在綠洲大部分區域均呈現迅速下降趨勢，且地下水位的下降與綠洲農田面積的擴增呈正相關。Liang等[14]為實現地下水的綜合利用，設定一套同時考慮地下水質量、地下水開采引起的沉降以及地表覆被現狀的管理方案，以確保安全、可持續地利用地下水，滿足當地需求。國內對于綠洲和地下水的研究主要集中在新疆、甘肅、寧夏等省、自治區，楊光和楊懷德[15-16]利用地統計學分別分析了黑河下游和民勤綠洲的地下水埋深變化。金曉媚和席海洋[17-18]利用modflow建模先后分析了黑河下游綠洲地下水的動態變化。艾啟陽等[19]通過構建標準地下水指數分析了黑河中游多年地下水的時空變化。代述勇和蒙波[20-21]將地統計方法應用于對新疆策勒綠洲地下水空間變異的研究。這些研究揭示了不同地區地下水和地表覆被的變化，同時為分析綠洲和地下水的變化提供了許多成熟的方法，但目前對于綠洲地下水在一定時間范圍內的空間上的埋深變化、不同地表覆被類型和地表覆被的地下水、地表水分配特征的分析較少。

本文依托策勒荒漠草地生態系統國家野外科學觀察研究站長期監測資料，分析了策勒綠洲地下水的時空變化特征及綠洲不同地表覆被的地下水和地表水分配特征，為合理利用綠洲地下水和規劃作物分布提供重要保證，同時為分析干旱區綠洲的地表覆被和水資源平衡提供了方法和科學依據，最終為綠洲水資源優化配置和可持續發展提供理論支撐。

1 研究區概況

策勒綠洲地處塔克拉瑪干沙漠南緣，地理坐標為北緯35°18′～39°18′，東經80°03′～82°10′。綠洲主要位于沖洪積細土平原，該區域南部的潛水含水層較厚且富水性強，北部地區潛水含水層較薄且富水性一般，礦化度小于1.5 g·L-1,水質較好。策勒地勢南高北低，海拔在1 296.5～1 370.5 m之間，中部發育山麓傾斜平原。策勒河發源于昆侖山北端，是策勒綠洲唯一灌溉來源，年均徑流量為1.28×108m3。策勒綠洲氣候為暖溫帶干旱荒漠型，年均氣溫11.9℃，多年極端最高氣溫為42.0℃，極端最低氣溫為-23.9℃，年平均降水量僅為35.1 mm，蒸發量接近2 595.3 mm，全年無霜期在230 d左右，全年日照總時長在2 686 h以上。

2 材料與方法

2.1 數據來源

研究區建有策勒荒漠草地生態系統國家野外科學觀察研究站，地理坐標80°43′45″E,37°00′57″N，海拔高度1 318.6 m，在綠洲范圍內目前共設有244個灌溉井，并建立了25個監測井，獲取到監測井2008—2015年的地下水位數據。綠洲土地利用數據來自中國科學院資源環境科學數據中心(http：//www.resdc.cn/)，策勒綠洲具體作物分布圖通過遙感解譯、實地勘測驗證和ArcGIS軟件生成。

2.2 研究方法

基于多年地下水位數據，首先用W檢驗方法判斷其正態性，用于半變異函數擬合，采用擬合的最優模型進行普通克里金插值分析得到地下水的時空變化圖，并利用K-means方法對綠洲地下水埋深進行聚類分區，再進一步分析多年各聚類中心的變化趨勢，最后利用ArcGIS進行疊加分析得出策勒綠洲不同地表覆被的地下水、地表水分配特征。

2.2.1 W檢驗 W檢驗全稱Shapiro-Wilk檢驗[22]，適用于小樣本容量(8≤n≤50)，計算可得到一個相關系數，越接近1就表明數據和正態分布擬合的程度越高。其檢驗步驟如下：

(1)將樣本按從小到大順序排列，使y1≤y2≤…≤yn;

(3)若W值小于判斷臨界值(可查標準正態分布表得知)，則舍棄正態性假設；若W>Wα，接受正態性假設。

2.2.2 半變異函數 變異函數是指區域變量Z(xi)和Z(xi+h)之間增量平方的數學期望值，即區域變量間的方差差值。由于實測的數據量有限，因此通常應用半變異函數來分析空間格局。其表達式為：

(1)

式中，γ(h)為半變異函數，Z(xi)為區域化隨機變量，h是滯后距即步長，Z(xi)是空間點為xi時的值，Z(xi+h)是在Z(xi)偏離空間點xi的h處的樣本數據值，N(h)是樣本數據對數。

通過半變異函數做出的曲線圖反映了觀測點與其附近觀測點之間的空間關系，其函數曲線圖涉及到4個重要參數，分別是：塊金值(C0)、基臺值(C)、變程(a)、基底效應(η)。塊金值越大，表明該研究區域上由于隨機因素引起的空間異質性越大；基臺值越大則表明研究區空間變異程度越大；而塊金值和基臺值的比值被稱為基底效應，該值能夠定量地反映地下水埋深的空間相關性，數值越大，表明由于隨機因素引起的空間異質性程度較高，反之，則是由于結構因素引起的空間異質性較高，若基底效應值接近1，則表明該地區具有恒定的空間異質性。依據空間相關性的分級標準，當基底效應小于25%時，呈現為強烈的空間相關性，當基底效應為25%～75%時，呈現為中等的空間相關性，當基底效應大于75%時，變量之間的空間相關性很弱[23-24]。半變異函數最優理論模型的選擇，主要是取決于決定系數R2和殘差平方和RSS，決定系數越大，殘差平方和數值越小，表明半變異函數模型的擬合效果越好[25-26]。

2.2.3 克里金插值法 克里金插值是結合原始數據的區域特征和半變異函數原理對研究區域內未知點進行的無偏最優的地統計學估計方法。不僅考慮未知點位置與已知點的位置關系，還考慮了待估計點與周圍已知點的空間相關性。本次研究采用的普通克里金插值認為區域化變量的期望值是未知的，通過確定待插點周圍采樣點的權重來求取待插點的近似值。適用于研究在空間分布上既有隨機性又有結構性，或空間相關性的區域化變量[27-28]。

2.2.4 K-means聚類 聚類分析是依據樣本之間的相似程度或差異性，對變量采樣所獲得的樣本進行歸組并類，本文采用的是動態聚類中的K-means聚類，判別準則函數定義為[29-30]：

(2)

式中，E為平方誤差，k為聚類數目，原始數據分k類C={C1,C2,…,Ck}，x為類Ci內的任意樣本點，mi為類內Ci所有樣本點的平均值，即聚類中心，算法步驟如下：

(1)首先用拐點圖來確定聚類的數目k，基本原理是隨著聚類數目的增加組內誤差平方和發生變化，關系圖中存在的“肘點”即為最佳聚類數目。

(2)計算其余樣本數據與各選定類別中心的歐式距離，按距離最短準則將樣本數據劃分為與其距離最短的聚類中心代表的類。

(3)使用每個聚類中樣本的均值為新的聚類中心，重新計算各類別的聚類中心，計算各類內所有數據到新聚類中心的距離平方和聚類中心未改變且準則函數趨于最小。

(4)重復前兩步，直到聚類中心不再變化。

3 結果與分析

3.1 綠洲地下水埋深變化統計特征

策勒綠洲內25個監測井的地下水位數據統計分析如表1所示。地下水埋深最深的是1號井，為71.95 m，最淺的是18號井，為1.4 m。地下水埋深變幅最大的是11號井，為9.66 m；變幅最小的是25號井，為0.1 m。根據變異系數(CV)的劃分等級為：弱變異性，CV<0.1；中等變異性0.11。從表1可以看出有9個監測井位地下水位表現為中等變異性，其中變異系數最大的為7號井位(0.311)，最小變異系數為25號井(0.004)，說明綠洲地下水埋深動態變化在時間上存在差異性。

表1 2008—2015年地下水位描述性統計分析

3.2 綠洲地下水埋深時空變異性

將地下水埋深數據進行正態性檢驗，結果顯示W=0.87207,P=0.0057<0.05，所以拒絕原假設，分布不符合正態性，進行對數變換，然后用于半變異函數分析，通過交叉驗證指標選擇最佳的函數模型。由表2可知，高斯模型的均方根最小，標準化均方根誤差和決定系數最接近1，且模型的參數設定和趨勢線的擬合效果均好，這與蒙波等人[21]的研究結果相符。因此選擇高斯模型分析地下水埋深的空間異質性，從表2可以看出塊金值和基臺值的比值遠小于25%，則說明地下水的埋深存在明顯的空間自相關，且自相關距離為11.852 km，表示在這個范圍內地下水埋深的空間異質性由結構性部分引起，超過這個范圍則不存在相關性。

表2 地下水的半變異函數模型及其參數

利用半變異函數和交叉驗證得到的高斯模型對綠洲地下水埋深進行普通克里金插值，發現策勒綠洲地下水埋深呈現由南向北減小/變淺的趨勢，與綠洲地形起伏變化較為吻合。分析2008—2015年綠洲地下水埋深空間變化特征，結果如下圖1到圖3所示。如圖1所示，2008—2010年地下水埋深下降區域集中在綠洲東南部，表明在此時間段內該區域地下水的開采程度較大，下降最大值達到3.45 m。從圖2可知，在2011—2015年期間地下水埋深下降區域占據絕大部分綠洲面積，下降最深處達到3.56 m。如圖3所示，在整個研究時段2008—2015年內地下水埋深下降最大值達到3.18 m，下降區域的面積為184.85 km2，占綠洲面積的72%，而在綠洲南部和西北部地下水埋深有所回升。

圖1 2008—2010年地下水埋深變化空間分布(A)和地下水埋深變化面積統計(B)

圖2 2011—2015年地下水埋深變化空間分布(A)和地下水埋深變化面積統計(B)

圖3 2008—2015年地下水埋深變化空間分布(A)和地下水埋深變化面積統計(B)

3.3 綠洲地下水埋深K-means聚類分區

基于策勒綠洲25口地下水觀測井數據，通過優化K-means聚類將綠洲劃分為圖4A所示4個子區。第一聚類中心的均值為6.96 m，第二聚類中心的均值為19.19 m，第三聚類中心的均值為37.23 m，第四聚類中心的均值為66.7 m。從分區1到分區4，地下水埋深依次增加，四個聚類中心的差值達到59.74 m。通常考慮到不同地區植被種類、人為活動、作物需水量的不同，研究整個策勒綠洲地下水變化時，可以依據聚類結果劃分為若干子區，以便更為細致、準確地反映地下水的變化特征，因為地下水埋深的變化總是遵循相鄰區域內的變化是相互關聯、具有一定相似性。根據聚類中心的趨勢變化(圖4B)可以看出第一聚類中心的地下水埋深增加值為1.25 m，第二聚類中心的地下水埋深增加值為0.26 m，第三聚類中心的地下水埋深基本保持不變，而第四聚類中心的地下水埋深上升值為3.91 m。

圖4 策勒綠洲地下水監測點K-means聚類分區(A)和聚類中心變化(B)

3.4 綠洲地表覆被時空變化特征

基于遙感解譯和策勒站提供的資料，得到策勒綠洲地表覆被、農作物、灌溉渠系和機井分布如下圖所示。由圖5A和圖5B可知綠洲內建有244口灌溉井和灌溉渠系，在綠洲西北部發育的梭梭、紅柳等深根植物僅靠直接獲取地下水維持生存，綠洲西北部的紅棗種植區域未修建灌溉渠系，渠系與作物分布匹配程度較差。根據策勒綠洲地表覆被圖(圖5C)所示，綠洲在2000年時耕地面積為79.18 km2，林地面積48.37 km2，高覆蓋草地(植被覆蓋率60%～90%)面積為29.32 km2，中覆蓋草地(植被覆蓋率20%～60%)面積為10.47 km2，低覆蓋草地面積為10.87 km2(植被覆蓋率5%～20%)。如圖5D所示，2015年策勒綠洲高覆蓋草地面積為32.78 km2，中等覆蓋草地面積為24.29 km2，低覆蓋草地面積為4.76 km2，林地面積為22.35 km2，農田總面積達到85.51 km2。種植的糧食作物主要為小麥和玉米，除單獨種植外還與紅棗、核桃、石榴這三種經濟作物實行套種，其中紅棗、核桃、石榴面積總和占綠洲農田總面積的81.54%。最后，結合2000年和2015年的策勒地表覆被分布圖，知2000—2015年間農田面積呈現出由中間向東北部擴增趨勢，綠洲的林地面積減少了26.02 km2，9.69 km2轉換為耕地和10.29 km2退化為沙漠，15 a間策勒綠洲地表覆被各類型的面積和分布發生了很大的轉變。

3.5 綠洲地下水、地表水的分配特征

依據綠洲渠系分布結構對流入綠洲1.28×108m3的策勒河流量進行分配，其中渠系耗損經驗系數設定為0.8。利用空間分析工具得到綠洲地表水分配圖如圖6A所示，可以看出綠洲地表水從南到北逐漸減少，在邊緣部分地表分配水量接近零，將嚴重影響分布在綠洲邊緣的作物生長。根據綠洲灌區不同作物需水量繪制圖6B，在圖中紅色部分代表種植著高需水的作物，而對比圖6A發現在綠洲邊緣地表水分配量極少，可利用水資源量較小，無法獲取足夠的灌溉水，將對分布在該區域作物的生長和經濟效益產生不利影響。

圖6 策勒綠洲地表水分配(A)和作物需水分布 (B)

通過將策勒綠洲地表覆被和地下水水位空間信息進行疊加得到表3。從表3可知，居民用地和農田所分布區域的地下水平均埋深最深，不同覆蓋程度的草地地下水平均埋深最淺，均在10 m以內。再將策勒作物分布圖與地下水位分布圖、地表水分配圖空間信息疊加得到表4，將地下水與地表水資源看作一個整體，有助于研究水資源的交互作用，維持生態用水平衡。得出蘆葦的地下水平均埋深最淺，其次為草地的地下埋深較淺。綠洲灌區由于常年開采地下水，地下水埋深值均較大，紅棗和玉米對應的地下水平均埋深最大達到48.1 m，核桃和玉米、石榴對應的地下水埋深為30 m以下。據研究表明，玉米對水分的需求強烈，耗水量大，在考慮產量和利用效率的前提下，玉米應種植在地表水充足的區域。過渡帶植被紅柳、梭梭分布區域均無地表水，其中玉米和草地套種分布區域也基本無地表水，因為該區域無渠系分布，不能引策勒河水進行灌溉，無法滿足紅柳、梭梭、玉米的灌溉需求，只能依靠開采地下水。而石榴、紅棗、核桃的分布區域有較充足的地表水，可以考慮適當增加作物面積，進一步充分利用綠洲地表水資源。

表3 不同地表覆被類型的地下水埋深

表4 不同植被對應的地下水埋深和地表水灌溉量

4 討 論

1)策勒綠洲多年以來農田面積明顯擴張，灌溉需求不斷增加，且綠洲的地表水基本全部用于灌溉糧食作物和經濟作物，而邊緣分布的紅柳、梭梭和部分草地的生長完全依靠地下水。但用水需求與供給時間不同步，導致在需水期大量開采地下水，地下水埋深不斷下降。水位的持續下降使得過渡帶的植被不斷退化，綠洲沙漠化的問題也將愈發的凸顯。應當減少對此區域地下水的開采量，防止地下水位再次降低，并保證補排平衡。

2)紅棗是策勒綠洲當地的主要經濟收入，紅棗的種植面積超過灌區面積的一半，但目前紅棗的種植區域與灌溉渠的匹配較差，需要調整灌溉渠系，使得灌區西部種植的紅棗能得到充足的地表水灌溉，或者將紅棗種植區集中在灌溉干渠附近。且在綠洲灌區內呈現出核桃種植區域較為分散零碎，而石榴種植區域較為集中的分布特點。

3)策勒縣的經濟收入主要以農業為主，農業人口占絕大部分，綠洲農田面積的擴張成為了滿足生活生存需求的必經之路。隨之而來的問題是灌溉需求量增大，但策勒河豐水期與作物需水期吻合程度低，為了滿足作物的灌溉需求不斷擴大地下水的開采程度。基于目前綠洲的地下水、地表水分配特點，應調整作物分布，緩減水資源虧缺并提高作物產量。因此在綠洲地下水埋深較低的區域，應盡量減少布局耗水量大的農作物面積，防止地下水位持續降低，而對于地下埋深較淺的綠洲區域，注意防治土壤的鹽堿化，以實現綠洲的可持續發展。

5 結 論

1)通過對2008—2015年的策勒綠洲地下水進行半變異函數分析得知，策勒綠洲的地下水埋深在綠洲大部分區域呈現下降趨勢，下降區域集中在東北部，地下水埋深下降面積達到綠洲面積的72%。對應同時間段的綠洲地表覆被變化，發現農田在東北方向明顯擴增，這與地下水埋深下降區域較為吻合。

2)策勒綠洲2000—2015年不同地表覆被類型之間發生了較大的轉變，沙漠面積和林地面積減少明顯，居民建筑用地、農田和草地面積增加，其中居民建筑用地增加最明顯。由綠洲作物分布圖得知，紅棗、核桃、石榴種植面積達到綠洲灌區總面積的81.54%。

3)對策勒綠洲地下水與不同植被類型的疊加發現，綠洲不同地表覆被類型的地下水埋深從深到淺依次為：農田、林地、草地。蘆葦的地下水平均埋深最淺約為5 m，紅柳、梭梭的平均地下水埋深已經達到10 m多。有研究表明地下水埋深在1.5～4 m之間有利于荒漠自然植物的生長，紅柳在地下水埋深增大到7～8 m時就嚴重退化，大部分將枯死[31-33]，可見策勒綠洲地下水埋深極不利于草地植被的生長。由綠洲地表配水和需水對比可知，分布在邊緣的玉米、草地、紅柳和梭梭沒有分配到地表水，無法滿足灌溉需求。