平羅縣地下水埋深動(dòng)態(tài)變化特征及驅(qū)動(dòng)因素分析

吳 霞，張永宏，樊麗琴，李 磊

(寧夏農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，銀川 750002)

平羅縣位于銀川平原北部、黃河青銅峽灌區(qū)下游，介于東經(jīng)105°57′42″至106°58′2″，北緯38°36′18″至39°5′13″之間，東西分別與內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂托克旗、阿拉善左旗接壤，南鄰銀川市興慶區(qū)、賀蘭縣，北與石嘴山市大武口區(qū)、惠農(nóng)區(qū)毗鄰，土地總面積2 086.13 km2，總?cè)丝?8.4 萬人，其中農(nóng)業(yè)人口21.2萬人[1]。平羅縣得益于黃河灌溉，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平較高，同時(shí)由于長期不合理的灌溉和排水，致使地下水位上升，土壤鹽漬化問題嚴(yán)重，成為制約經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的“瓶頸”[2]。近年來，隨著引黃水量的減少，土壤鹽漬化問題更為突出，如何有效利用淺層地下水、控制地下水位、進(jìn)而減輕土壤鹽漬化成為眾多學(xué)者研究的熱點(diǎn)[3,4]。研究表明，干旱、半干旱區(qū)地下水位變化受氣候、水文、地質(zhì)、人類活動(dòng)等多種因素影響，席海洋等利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析了額濟(jì)納盆地地下水位時(shí)空變化特征，結(jié)果表明受干旱氣候影響額濟(jì)納盆地地下水位整體呈下降趨勢[5]；李生潛等對石羊河流域地下水位的研究表明，石羊河流域地下水動(dòng)態(tài)變化是氣候因素和人類活動(dòng)共同影響的結(jié)果，自流域治理以來石羊河流域地下水位有所回升并趨于穩(wěn)定[6]。魏建成對銀川平原地下水位動(dòng)態(tài)變化的研究表明人為因素是銀川平原地下水位變化的主要因素，包括農(nóng)業(yè)灌溉以及地下水開采等[7]。本文以銀川平原的平羅縣為研究區(qū)域，利用2007-2017年地下水觀測資料，研究平羅縣近年來的地下水埋深動(dòng)態(tài)變化特征及其影響因素，為進(jìn)一步合理開發(fā)利用地下水資源等提供理論依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文研究數(shù)據(jù)來源于寧夏水文水資源勘測局提供的2007-2017年平羅縣61眼觀測井的地下水位觀測資料，根據(jù)平羅縣地貌地形、水文水系、灌排條件以及農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)等特征選取典型觀測井分析平羅縣地下水埋深時(shí)空變異特征及其影響因素。

1.2 分析方法

2 地下水埋深時(shí)空變異特征分析

2.1 時(shí)間變化特征

選擇平羅縣西部賀蘭山山前洪積平原區(qū)(A平5-1)、西大灘碟形洼地(A平5-3)、南部水稻種植區(qū)(A平6-6)、城鎮(zhèn)區(qū)(S平-11)、黃河河灘區(qū)(A平3-5)以及北部低洼區(qū)(A平1-4)作為典型觀測井，分析平羅縣2007-2017年地下水埋深年際、年內(nèi)變化情況。

2.1.1 年際變化特征

從圖1看出，2007-2017年平羅縣地下水埋深整體呈升高趨勢，賀蘭山山前洪積平原區(qū)和城鎮(zhèn)區(qū)地下埋深較深，受降雨量及引黃灌溉水量影響較小；其他地區(qū)地下水埋深較淺，隨降雨量及引黃灌溉水量波動(dòng)較大。與2007年相比，2017年賀蘭山山前洪積平原區(qū)和城鎮(zhèn)區(qū)地下埋深分別下降8.14和3.42 m，下降率達(dá)到191.53%和80.85%，其中2007-2015年下降最為迅速，2015年后地下水埋深趨于穩(wěn)定且略有回升。西大灘蝶形洼地和北部地勢低洼區(qū)地下水埋深處于波浪式下降趨勢，11年來降深分別為0.14 m和0.34 m，其中北部低洼地區(qū)受引黃灌溉水量逐年減少影響，地下水埋深下降更為明顯。黃河河灘區(qū)和南部水稻種植區(qū)11年來平均地下水埋深分別為1.17 m和0.75 m，地下水埋深相對較淺，且變化趨勢不明顯，多年來隨著降雨量和黃河水量的豐缺上下波動(dòng)。

圖1 代表性觀測井地下水埋深年際變化Fig.1 Interannual variation of groundwater depth in representative observation wells

2.1.2 年內(nèi)變化特征

典型觀測井多年月平均地下水埋深年內(nèi)變化如圖2所示，通過分析可以看出，平羅縣地下水埋深年內(nèi)波動(dòng)較大，變幅在0.51～1.19 m之間，除賀蘭山山前洪積平原區(qū)地下水埋深在年內(nèi)呈現(xiàn)先快速下降再緩慢回升趨勢外，其他地區(qū)地下水埋深年內(nèi)均呈雙峰型波動(dòng)。

(1)賀蘭山山前洪積平原區(qū)地下水是農(nóng)業(yè)用水的主要來源，春、夏季農(nóng)作物生長需水量較大，因此，地下水埋深呈快速下降趨勢，7月份達(dá)到最低，為8.69 m，8-12月份隨著農(nóng)業(yè)需水量的減少及降雨量的增多，地下水埋深開始緩慢回升。

(2)西大灘碟形洼地、南部水稻種植區(qū)、黃河河灘區(qū)以及北部低洼區(qū)年內(nèi)地下水埋深波峰出現(xiàn)在5-7月和11月，波谷出現(xiàn)在2月和10月，這主要與降雨量季節(jié)分布、黃河水量、作物生長周期、種植結(jié)構(gòu)以及灌溉制度等密切相關(guān)。3-10月份是平羅縣主要農(nóng)作物的生長周期，地下水埋深變化與農(nóng)作物生長周期需水規(guī)律一致，呈先升高再降低趨勢；受土壤鹽漬化影響，平羅縣大部分耕地需進(jìn)行冬灌洗鹽，故11月份地下水埋深出現(xiàn)明顯回升；12月至翌年2月，大部分耕地休閑裸露，受地面蒸發(fā)影響，地下水埋深不斷下降。其中，南部水稻種植區(qū)表現(xiàn)最為明顯，地下水埋深年內(nèi)波動(dòng)最大，變幅達(dá)到1.19 m。

式中，因變量Scitechemys是企業(yè)年報(bào)中披露的技術(shù)人員；Tangibility代表無形資產(chǎn)占總資產(chǎn)比例；Employee是企業(yè)年報(bào)中披露的員工數(shù)量；其他變量定義參見表2。

(3)城鎮(zhèn)區(qū)地下水埋深年內(nèi)隨季節(jié)變化輕微波動(dòng)，變幅為0.51 m，是平羅縣地下水埋深年內(nèi)波動(dòng)最小的地區(qū)。受城鎮(zhèn)工業(yè)用水、生活用水、園林綠化用水以及農(nóng)業(yè)灌溉等多重影響，地下水埋深波峰出現(xiàn)在5月和10月，埋深最淺為5月的5.97 m，波谷出現(xiàn)在2月和8月，最深為8月的6.48 m。

圖2 代表性觀測井地下水埋深年內(nèi)變化Fig. 2 Annual variation of groundwater depth in representative observation wells

2.2 空間分布特征

利用ArcGIS軟件的反距離加權(quán)插值(IDW)法繪制2007年、2010年、2014年和2017年平羅縣地下水埋深等值線分布圖(圖3)，由圖3可知平羅縣地下水埋深的空間分布特點(diǎn)如下：

(1)從整體空間分布來看，平羅縣地下水埋深從東向西遞增，南北差異不明顯。黃河自南向北流經(jīng)平羅縣東部，沿岸得益于黃河灌溉之便，是平羅縣主要糧食產(chǎn)區(qū)，同時(shí)，受黃河水常年灌溉影響，地下水埋深較淺，大多在1.0～1.5 m之間。西部賀蘭山地區(qū)地勢較高，地下水埋深較深，多在3.0 m以上。從局部位置來看，受深層地下水開采影響，崇崗鎮(zhèn)-汝其溝附近以及平羅縣城西部形成一個(gè)面積較大的地下水深埋區(qū)域；通伏鄉(xiāng)-姚伏鎮(zhèn)一帶因多年種植水稻，地下水埋深較淺，多在1.0 m以下；受地勢低洼以及排水不暢影響，分別在西大灘前進(jìn)農(nóng)場附近、黃渠橋鎮(zhèn)附近形成一定面積的淺埋區(qū)域，地下水埋深多在0.5～1.5 m之間。

(2)從地下水空間變化趨勢來看，2007-2017年平羅縣地下水埋深呈下降趨勢。從圖4可以看出，地下水埋深1.0～1.5 m區(qū)域面積占比下降最為明顯，面積占比從2007年的63.15%下降至2017年的46.63%。受地下水開采影響，平羅縣城區(qū)及西部地下水埋深顯著下降，地下水埋深大于4 m的區(qū)域面積占比由2007年的1.09%增加至2017年的14.25%。平羅縣中部及東部地區(qū)以種植小麥、玉米、油葵等旱作農(nóng)業(yè)為主，受引黃灌溉水量逐年減少影響，地下水埋深近年來有所下降，2007年多集中在1.0～1.5 m，至2017年地下水埋深則多介于1.5～2.0 m。平羅縣南部常年種植水稻，北部地勢低洼排水較困難，因此地下水埋深較淺，且多年來變化不明顯。

圖3 平羅縣地下水埋深分布圖Fig.3 Groundwater burial depth distribution map in Pingluo County

圖4 平羅縣不同地下水埋深面積變化圖Fig.4 Variation of groundwater buried area in Pingluo County

3 地下水埋深動(dòng)態(tài)變化影響因素分析

有研究表明，地下水埋深動(dòng)態(tài)變化是環(huán)境變化和人類活動(dòng)共同作用的結(jié)果，平羅縣地下水埋深受氣候、地形、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及人口經(jīng)濟(jì)等多因素影響[14-16]，降雨、入滲、蒸發(fā)量等自然條件的變化，地下水開采、農(nóng)業(yè)灌溉、排泄等人類活動(dòng)對地下水系統(tǒng)均產(chǎn)生影響，最終引起地下水的動(dòng)態(tài)變化。本文根據(jù)平羅縣統(tǒng)計(jì)資料及實(shí)地調(diào)查資料，選取年降雨量(X1)和年平均氣溫(X2)2個(gè)氣候因子，農(nóng)作物種植物面積(X3)、水稻種植面積(X4)、糧食總產(chǎn)量(X5)、總?cè)∷?X6)、黃河水引水量(X7)和地下水取水量(X8)6個(gè)人類活動(dòng)因子，共8個(gè)影響因子定量化分析平羅縣地下水分布動(dòng)態(tài)變化的原因。采用SPSS 25軟件的相關(guān)分析工具計(jì)算平羅縣年平均地下水埋深(Y)及各影響因子的相關(guān)系數(shù)(表1)。

從表1可知，平羅縣年平均地下水埋深與水稻種植面積和糧食總產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.784和0.810，與農(nóng)作物總種植面積相關(guān)性顯著，這說明農(nóng)作物種植面積的擴(kuò)大及糧食總產(chǎn)量的提升導(dǎo)致地下水消耗量增加，從而引起地下水埋深增加。年平均地下水埋深與總?cè)∷亢忘S河水引水量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為-0.771和-0.750，且總?cè)∷亢忘S河水引水量相關(guān)系數(shù)為0.860，說明黃河水引水量是平羅縣地下水埋深減少的重要因素，這主要是因?yàn)槠搅_縣農(nóng)業(yè)生產(chǎn)灌溉以黃河水為主，引黃灌溉是平羅縣地下水的主要補(bǔ)給方式。平羅縣地處西北內(nèi)陸，干旱少雨，降雨量和蒸發(fā)量對地下水埋深影響較小，相關(guān)系數(shù)僅為-0.064和0.097。

同時(shí)，從表1相關(guān)系數(shù)矩陣可以看出，影響地下水埋深變化的各驅(qū)動(dòng)因子之間存在不同程度的相關(guān)性， 其中，驅(qū)動(dòng)因子X3、X4、X6和X7之間存在顯著或極顯著相關(guān)關(guān)系，說明因子之間存在多重共線性，進(jìn)一步采用主成分分析法提取主成分，降低數(shù)據(jù)重疊性。從分析結(jié)果看(表2)，前3個(gè)主成分的特征值均大于1，且累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)已經(jīng)達(dá)到85.005%，說明已經(jīng)包含原有8個(gè)驅(qū)動(dòng)因子的大部分信息，因此只需提取這3個(gè)主成分并計(jì)算其特征值對應(yīng)的特征向量。

表1 各影響因子的相關(guān)系數(shù)矩陣Tab.1 Coefficient matrix of each influencing factor

注：*表示在P<0.05水平顯著相關(guān)，**表示在P<0.01水平顯著相關(guān)。

根據(jù)主成分特征值荷載矩陣(表3)建立主成分綜合方程如下：

Z1= 0.040X1+0.120X2+0.201X3+0.192X4+

0.169X5-0.206X6-0.205X7-0.151X8

(1)

Z2= -0.645X1-0.058X2+0.080X3+0.221X4+

0.311X5+0.066X6+0.044X7+0.371X8

(2)

Z3= -0.304X1+0.781X2-0.201X3+0.155X4-

0.391X5+0.003X6+0.125X7-0.143X8

(3)

表2 特征值及主成分貢獻(xiàn)率Tab.2 Eigenvalues and principal component contribution rate

表3 主成分特征值荷載矩陣Tab.3 Principal component eigenvalue load matrix

主成分Z1中農(nóng)作物種植面積、總?cè)∷俊⒌叵滤∷康热藶橛绊懸蜃拥南禂?shù)較大，因此可將Z1看作人為因子；同理，可將Z2和Z3分別解釋為降雨因子和氣溫因子。以重新提取的人為因子Z1、降雨因子Z2和氣溫因子Z3為自變量，以地下水埋深Y為因變量進(jìn)行多元線性回歸分析，得回歸方程為：

Y= 1.163+0.118Z1+0.049Z2-0.043Z3

(4)

經(jīng)計(jì)算，該回歸方程相關(guān)系數(shù)R為0.890，確定系數(shù)R2為0.792，F(xiàn)檢驗(yàn)值為8.862，顯著性概率P=0.009<0.05，說明該方程的回歸效果較好。同時(shí)對該方程的系數(shù)進(jìn)行t檢驗(yàn)，結(jié)果顯示Z1的顯著性P=0.003<0.05，說明人為因子對地下水埋深具有顯著影響；Z2、Z3的顯著性概率P>0.05，說明降雨因子和氣溫因子對地下水埋深影響并不顯著。根據(jù)回歸分析原理可剔除對地下水埋深影響較小的降雨因子Z2和氣溫因子Z3，得到最終回歸方程為：

Y= 1.163+0.118Z1

(5)

從上述分析可知，人為活動(dòng)是影響平羅縣地下水埋深變化的主要因素，其中總?cè)∷俊ⅫS河水引水量、農(nóng)作物種植面積以及水稻種植面積對地下水埋深影響較大，說明農(nóng)作物及水稻種植面積的變化，引起總?cè)∷考包S河水引水量的變化，最終導(dǎo)致地下水埋深的變化。分析表明年降雨量和年平均氣溫單獨(dú)作用時(shí)對地下水埋深具有一定影響，但與人為因素共同作用時(shí)其影響可忽略不計(jì)，表明氣候因素對平羅縣地下水埋深影響較小。

4 結(jié) 語

綜合以上分析可知， 2007-2017年平羅縣地下水埋深動(dòng)態(tài)變化呈現(xiàn)如下特點(diǎn)：

(1)年際變化：平羅縣地下水埋深11年來整體呈下降趨勢，賀蘭山附近受地下水開采影響，下降較為明顯，西大灘蝶形洼地及北部地勢低洼區(qū)受引黃灌溉水量逐年減少影響，地下水埋深略有下降，其他地下水淺埋區(qū)年際變化不明顯。

(2)年內(nèi)變化：平羅縣地下水埋深年內(nèi)波動(dòng)幅度在0.51～1.19 m之間，呈雙峰型波動(dòng)。第一個(gè)波動(dòng)周期是3-10月份，地下水埋深隨作物需水規(guī)律呈先升高再降低趨勢；此外，受平羅縣耕地冬灌制度影響，11月份地下水埋深大幅回升，12月至翌年2月是地下水埋深的第二個(gè)下降期。

(3)空間分布：平羅縣地勢東部低、西部高，地下水埋深隨地形由東向西呈遞增趨勢，受黃河及黃河水灌溉影響，平羅縣地下水埋深南北差異性較小，部分地勢低洼地區(qū)存在一定面積的淺埋區(qū)。

(4)對平羅縣地下水埋深動(dòng)態(tài)變化驅(qū)動(dòng)因素的研究表明人為活動(dòng)是引起地下水埋深變化的主導(dǎo)因素，包括總?cè)∷俊ⅫS河水引水量、農(nóng)作物種植面積以及水稻種植面積等；年降雨量和年平均氣溫對地下水埋深有一定影響，但與人為因素相比其作用非常有限。

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