農業灌區對區域地下水時空分布的影響建模分析

邢青青

(江蘇省射陽縣海堤管理所，江蘇 射陽 224300)

0 引 言

我國幅員遼闊，擁有眾多的農業用地，是名副其實的農業大國。據國家統計局統計，2019年全國糧食單位面積產量5 720 kg/hm2(381 kg/畝)，比2018年增加98.4 kg/hm2(6.6 kg/畝)，增長1.8%。在如此大規模的農業種植下，對灌溉水源地需求量十分巨大。近幾年，尤其在北方地區，降雨量較少，氣候比較干旱，多數農田需要進行人工灌溉，因此很多農業灌區出現[1]。灌區農業由于水資源較為充足，所有作物生長的較好，但同時對區域地下水時空分布也產生了影響，破壞了地下水環境，長此以往，對灌區水資源的合理開發和可持續發展極為不利，繼而影響區域農業發展，形成一個惡性循環。在此背景下，了解農業灌區對區域地下水時空分布的影響對于正確認識地下水系統演變規律，合理開發和利用地下水資源，保護地下水環境具有重要的現實意義[2]。

對于灌溉區中地下水時空分布研究，譚秀翠、楊金忠將研究區劃分為柵格，然后利用區域水量平衡模型INFIL3.0分析了石津灌區的地下水時空分布分布規律；項英男、李長志結合改進的 WANN 模型對大凌河上游流域地下水進行動態預測，并對區域地下水時空演變進行分析。王水獻、王云智、董新光采用地統計學經典理論對焉耆盆地淺層地下水埋深與TDS時空變異特征進行了分析；Nam-Won Kim，Hanna Na，Il-Moon Chung采用SWAT-MODFLOW地表地下水模型研究了濟州島韓池流域地下水變化特征；Ning L I, De-Peng Y, Qiang Y U等以荒漠綠洲區登口縣17口監測井1988-2013年的月觀測地下水埋深資料為基礎，采用核K-均值和經驗模式分解方法，探討了研究區26年來地下水埋深的時空變化特征。

本文借鑒前人研究經驗，從時間和空間兩個方面進行農業灌區下區域地下水時空變化特征分析，然后建立地下水動態預測模型，正確認識地下水系統埋深演變規律。通過本文研究以期為農業灌區水資源的合理利用，保護地下水環境提供參考和建議。

1 農業灌區對區域地下水時空分布的影響分析

為保證農業種植區農作物的生長，水資源灌溉必不可少，因此對周圍地下水環境會產生直接影響，主要體現在兩個方面，即獲取與補給，二者的循環往復，給地下水在空間以及時間上均帶來相應的變化。為更好地提高地下水利用效率，保護地下水資源，有必要進行農業灌區下區域地下水時空變化特征分析[3]。本文將從時間和空間兩個維度進行分析。

1.1 農業灌區下區域地下水時間變化特征分析

農業灌區下區域地下水時間變化特征分析是指分析隨著時間尺度的推移，農業灌區下區域地下水埋深變化情況。根據時間劃分尺度，分為月動態變化特征、季節動態變化特征以及年際動態變化特征3種形式[4]。地下水時間變化特征分析模型建立過程如下：

步驟1：選定研究區。

步驟2：統計研究區內地下水監測井以及布局，繪制灌區地下水位監測井分布圖。

步驟3：數據采集并整理。若采集到的數據中個別數據丟失，則需要利用回歸分析法進行填補。然后根據采集時間，構建水位觀測序列H(t)。

步驟4：趨勢項分析。利用最小二乘法對水位觀測序列進行多項式擬合，求取多項式的特定系數，得到趨勢項函數。

步驟5：對趨勢項函數進行周期性分析，采用諧波分析法識別和提取周期項P′(t)。

步驟6：對周期項P′(t)進行顯著性檢測，當顯著性水平超過5%，則認為水位觀測序列為一個周期函數。

步驟7：采用平均移動自回歸模型對周期性函數進行擬合。

步驟8：將上述步驟4-步驟7所擬合的不同時段的函數進行線性相加，最終得到一個有關監測點(地下水監測井)的時間序列模型。

步驟9：趨勢檢驗。在時間序列模型建立后，還需要進行時間序列的趨勢變化分析，這是農業灌區下區域地下水時間變化特征分析的關鍵。趨勢檢驗方法主要有Mann-Kendall法、Spearman 秩次相關檢驗法和回歸檢驗法3種[5]。在這里僅對Mann-Kendall法進行具體分析。

原假設H0：時間序列數據(x1,x2,…,xn)是n個獨立的、隨機變量同分布的樣本。

備擇假設H1是雙邊檢驗：對于所有的k,j

(1)

式中:xk和xj分別為第k月/季/年和第j月/季/年的觀測量，且j>k。而:

(2)

隨機序列Si(i=1,2,…,n)近似地服從正態分布,則Si的均值Y(S)和方差Z(S)為:

Y(S)=0

(3)

(4)

當n>10時，標準的正態統計變量P可用下式計算：

(5)

1.2 農業灌區下區域地下水空間變化特征分析

農業灌區下區域地下水空間變化特征分析是指分析農業灌區下區域地下水位的空間分布規律。在這里采用地統計學法和克里格插值法相結合的方式進行空間變化特征分析[7]。

定義1：前提假設。具體包括3個：

1)隨機過程假設：認為所有結果都是隨機過程產生的，因此不具有獨立性。

2)正態分布假設：認為所有樣本都是正態分布。若樣本中有數據不符合正態分布，則需要進行變換。

3)平穩性假設：認為大部分空間數據具有平穩性。

定義2：區位變化量。區位變化量是指具有空間分布特點的變量[8]。在本文當中具體指灌區地下水位埋深值。

定義3：變異函數。其公式為：

(6)

式中:h為樣本間距；N(h)為樣本距離為的所有測點的對數；D(xi)和D(xi)分別為區域化變D(x)在空間位置xi和xi+h處的實測值，i=1,2,…,N(h)。

定義4：空間估值。流程包括數據顯示、數據檢查、模型擬合、模型診斷和模型比較。

定義5：插值。通過插值可以計算出被距離h分隔的每一點對相對應的位置，繼而確定地下水位埋深隨空間距離而變化的規律。在這里采用反距離權重插值方法進行，該方法基本思路如下：隨機選取一個差值點，然后計算插值點與樣本點(地下水監測井)之間的距離，并以此給樣本點賦予權重，然后進行加權平均[9]。離插值點越近的樣本點賦予的權重就越大。反距離權重插值方法公式描述如下：

(7)

其中：T為預測值；di為預測值與樣本值之間的距離；Ti為第i(i=1,2,…,n)個樣本值；m為預測值與樣本值之間距離的冪。

2 實證分析

2.1 研究區概況

本文選取我國北方的一個省份作為研究區域，地處中國東北中部，面積18×104km2以上。地勢由東南向西北傾斜，呈現明顯的東南高、西北低的特征。該研究區屬于溫帶濕潤-干旱季風氣候，年平均降水量為400～600 mm，但 80%集中在夏季，以東部降雨量最為豐沛，季節和區域差異較大[10]。

2.2 觀測井點布局

農業灌區對區域地下水時空分布的影響分析需要基礎數據，因此需要進行數據采集，而數據采集需要布設觀測井點。本實例分析中，研究區內供布設19眼地下水位監測井作為樣本點，具體見圖1。

圖1 觀測井點布局

2.3 監測數據

各樣本點的監測數據采集類型見表1。

表1 監測數據采集類型

2.4 地下水時間特征變化情況分析

按照1.1一節建立月/季/年時間序列模型，并進行缺失檢驗，最后進行歸納統計，得到農業灌區下區域地下水時間變化特征，結果如下。

2.4.1 月變化特征

見圖2。

圖2 2010-2019月平均地下水埋深變化特征

由圖2可以發現，該省地下水埋深在6月份達到最大值，說明在6月份時該省份的水位下降到最低，這與當地正處于農作物種植和生長期有著直接作用，且對比當地降水量情況，雖然6月份降水量較多，但是由于需水量的增長量大于供給量，處于供不應求的狀態；而在1和12月份，雖然雨量較少，但是由于灌區不需要灌溉，因此水位會通過其它途徑自我補給，地下水埋深最低，水位達到最高[11]。通過農業灌溉的需求情況，可以將2010-2019月平均地下水埋深變化特征劃分為3個時期，見表2。

表2 月變化特征分析

2.4.2 季變化特征

見圖3。

圖3 2010-2019季平均地下水埋深變化特征

由圖3可以發現，4個季節地下水埋深變化趨勢大體都呈現為W型。在10年內，該省地下水埋深最大值都集中在夏季，且2015年的夏季達到最大，說明地下水位最低，且在2015年的夏季達到最低值，2011全年氣候較為干旱，其原因與當地農業灌溉以及氣候條件的變化有著直接關系；而冬季是地下水埋深最小值的季節，且2010年的冬季達到最小，說明地下水位最高，且在2010年的冬季達到最大值，2010年全年較為濕潤。冬季無農作物需要灌溉，且蒸發量較少，同時也有少量雨水補給。春秋季節地下水埋深情況大致相同，這與農作物灌溉量逐漸減少有著直接關系[12]。

2.4.3 年變化特征

見圖4。

圖4 2010-2019年平均地下水埋深變化特征

由圖4可以發現，研究區內的年平均地下水埋深變化趨勢為W型，但是從整體上看，呈現走高的趨勢，說明10年間，研究區的水位逐漸下降，下降率達到0.19m/a。其中，2018-2019年變化幅度最大，這說明與前幾年相比，這兩年該區域灌溉量大幅度增大，同時通過調查也發現，這兩年的降水量也大幅度降低，雙重作用導致水位下降，地下水量減少；2011-2012年、2015-2018年這兩個時間段則呈現地下水埋深下降趨勢，地下水位升高、地下水量增多[13]。通過調查，因為這兩個時間段降水量較多，其中2012年最多，因此地下水位達到最大值。

2.5 地下水空間特征變化情況分析

按照1.2一節中地統計學法和克里格插值法進行地下水空間特征變化分析。根據地下水空間特征變化曲線，選取其中幾個有明顯特征變化時間點，繪制地下水空間特征變化圖，結果見圖5。

圖5 地下水空間特征變化

從圖5中可以看出，在10年內研究區內大部分地區地下水埋深普遍增大，也就是地下水位降低，這與灌溉和氣候有著直接關系[14]。此外，通過整體布局，水埋深呈現從西北部逐漸向中低部以及東南部逐漸增大的趨勢，整體呈現三級階梯形式。造成這一現象的原因主要有3個：一是地勢原因，地勢呈現西北低，東南高，也就是由東南向西北傾斜的情況，因此即使東部降雨量分配，但是受地勢影響，地下水的流向為西北向東南流，所以西北地下水位較高，而東南方向水位較低的空間布局；二是西北地區有多條河流經過，因此可以給地下水充分的補給，因此地下水位較高；三是中部為平原地區，因此農業種植業十分發達，所以即使水量豐富，但是由于灌溉量大，所以較西北部地下水位低，但由于地勢影響，水位又高于東南部[15]。

3 結 語

綜上所述，為滿足農業種植業灌溉的需要，尤其近幾年較為干旱的情況下，水資源的需求量逐漸增大，對地下水環境產生了嚴重影響。為此，為合理開發和利用地下水資源，保護地下水環境，本文從時間和空間兩個角度進行農業灌區對區域地下水時空分布的影響分析。時間上，通過建立時間序列來進行；空間上，利用地統計學法和克里格插值法相結合的方式進行。最后通過對某一研究區進行實證分析，驗證了本文分析方法的有效性。