2005-2017年焉耆盆地平原區地下水時空演變規律及其與土地利用的關系

章文亭, 楊鵬年, 彭 亮,王環波, 周 龍, 李 晴， 玉素甫江·如素力

(1.新疆農業大學 水利與土木工程學院, 新疆 烏魯木齊 830052; 2.新疆水利工程安全與水災害防治重點實驗室, 新疆 烏魯木齊 830052； 3.新疆師范大學 地理科學與旅游學院， 新疆 烏魯木齊 830054)

焉耆盆地是新疆重要的綠洲區，但生態環境較為脆弱，其發展依賴于地下水資源。近年來，隨著地下水利用量的加大，改變了湖區區域水流系統，造成不同水流系統交匯區域的水質發生改變，間接制約生態環境與社會經濟發展[1]。地下水礦化度對其所在地區的環境有一定的指示作用，可以反映當地的土地利用類型變化狀況，土地利用的變化表征人地關系在時空變化中的模式和強度，對于規劃地下水開采量都有重要意義[2]。

研究土地利用變化情況與TDS含量的關系，可以為焉耆盆地內地下水資源可持續利用和生態環境等方面提供有力的依據。隨著社會進步及農村城鎮一體化建設步伐加快，農田擴張和城市變化使得土地利用呈現多樣化[3]。研究地下水礦化度的時空分布規律對于受人類活動影響，生態環境脆弱的內陸干旱區有重要的意義[4]。土地利用與水質有直接或間接的關系。方娜等[5]以鄱陽湖為例，發現居民用地與所有參數呈正相關，耕地與TN，TP呈正相關。呂志強等[6]，研究山地城市河流發現土地利用結構對各水質指標有影響，建設用地和農業用地對河流水質惡化具有明顯作用。徐啟渝等[7]，研究贛江支流發現居民建設用地是對水質影響最顯著單一土地利用類型，林地、居民用地、農田是對水質影響最顯著的土地利用組合。Christian等[8]研究土地利用與城市水源污染間的關系，發現向非正式定居對支流內的微生物和物理化學質量有負面的影響。Prita等[9]基于2010—2014年的水質和遙感數據，研究不同土地利用類型對西里翁河流域水質的影響，發現城市用地比例與氨氮濃度呈強正相關。綜上所述，目前國內已有研究主要集中在平原區或南方地區關于干旱區的研究較少，大多是研究湖泊或者流域的水質變化情況與土地景觀格局間的關聯性。關于焉耆盆地等西部干旱區的水質與土地利用間的相關性研究較少。近年來由于人類活動因素的影響造成土地利用格局發生變化，地下水TDS空間分布差異性大。因此掌握研究區地下水TDS變化趨勢和土地利用類型面積變化情況是分析各土地利用類型下地下水TDS含量的分布的重要前提。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于新疆巴音郭楞蒙古自治州境內，總面積13 612 km2，其平原區為6 501.47 km2，位于東經85°55′—87°26′,北緯41°40′—42°25′。包括和靜縣、焉耆縣、和碩縣、博湖縣等縣市和新疆生產建設兵團第2師21團等8個團場,區內擁有中國最大的淡水湖博斯騰湖，是特色的農業種植基地。研究區地勢四周向盆地傾斜[12]，且從周邊山脈向博斯騰傾斜，坡度由陡變緩，北部高南部低，巖性顆粒由粗變細。主要分為丘陵、沖洪積平原和三角洲平原及濕地[13]。

焉耆盆地屬于溫帶大陸性干旱半干旱氣候，多年平均氣溫在5.85 ℃，降雨集中在夏季。盆地的氣候特征為熱量足，日照時間長、晝夜溫差大，空氣較濕潤，平均降雨量為50～70 mm，降水差異性大，山區降水大于平原區，年蒸發量達到2 000～2 500 mm[14]。焉耆盆地有大小十余條河流，主要的有開都河、烏拉斯臺河、清水河等，也為博斯騰湖主要的水源[15-16]。地表徑流形成于山區且分布不均，為地下水的儲存提供了良好的條件，也是適宜種植的區域[17]。焉耆盆地主要為第四紀巖性結構，土壤以砂礫、粗砂、細沙、壤土、亞黏土為主，細土平原區受河流、湖泊和側向徑流的影響，埋深在5 m左右。其下覆地層為相對隔水的地質邊界，總體有來自基巖裂隙水的補給，局部有河流和山區的側向補給以及降水入滲和田間灌溉滲漏量等的補給[4]。其排泄主要是潛水蒸發、排堿渠、徑流排泄和人工開采[17]。

1.2 數據獲取與處理

1.2.1 LUCC數據的獲取 LUCC數據來自中國科學院資源環境科學數據中心和歐空局ESA CCI land cover and website網站，下載2005，2014，2017年3期的30 m×30 m分辨率的土地利用數據。根據其土地資源及其利用屬性，分為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用土地，解譯則是采用人機交互式目視判讀的方式構建并在解譯完成后開展精度檢驗以確保數據的準確性[18-19]。

1.2.2 地下水礦化度數據的獲取 本研究在焉耆盆地平原區四縣內的乃門莫敦、五號渠鄉、清水河、解放渠等地進行取樣，2005年4月共收集64個樣本，2014年4月共采集97個樣本，2017年4月共采集71個樣本，共計232個樣本。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用轉移矩陣 在焉耆盆地內每種土地利用類型間會有不同程度的轉化。通過轉移矩陣可以計算土地利用類型相互轉化的具體的量值、轉移情況和轉移種類，用GIS中的空間分析對土地利用的圖進行疊加，計算土地利用類型轉移矩陣，得到2005—2014，2014—2017年的土地利用轉化關系。其表達式為：

(1)

式中：S為面積(km2)；Sij為研究初期第i類土地利用類型轉移至研究末期第j類土地利用類型的面積(km2);n為土地利用的類型數。

1.3.2 GIS克里金插值 GIS是一種基于計算機的綜合數據庫管理系統，可以儲存大量的數據及其屬性，用于捕捉、檢索、處理和分析探索地理空間的數據[20]。

其原理為:設研究區域為A區域化變量為{z(x)∈A},x表示空間位置，Z(x)在采樣點xi(i=1,2,…,n)，根據克里金插值原理，待插點處的屬性值Z(x0)插值結果是n個已知采樣點屬性值的加權和，即：

2.1 親魚培育 試驗中的催產親體為F1代灰裂腹魚，雌魚5齡，最小個體850 g，最大個體1 050 g；雄魚5齡以上，體重400 g左右。5齡的親魚95%左右個體達性成熟，本次繁殖試驗選用的催產親體為平均體質量達到900 g左右的雌魚，選用標準為生長速度快、身體健康、線條流暢、無傷病或畸形現象。

(2)

式中：λi(i=1,2,…；n)為待求權系數；Z(xi)為采樣點。

1.3.3 基于GIS的空間疊加計算方法 通過一系列的疊加操作將兩個數據進行空間上的對應，從而產生新的數據，根據GIS的數據類型和結構的差異，將疊加分析分為基于矢量數據的疊加分析和基于柵格數量的疊加分析兩種。本研究采用的是基于矢量數據的網格覆蓋的疊加分析。用輸入數據建立網格，并給網格賦值再加到疊加的數據上，得出新的數據并進行分析。

2 結果與分析

2.1 典型年土地利用類型狀況

由2005，2014，2017年研究區土地利用類型分布及地下水TDS含量權重結果(圖1，表1)可知其各類土地利用類型的面積及比例。研究區內耕地、水域和未利用土地占主要部分；林地和草地面積逐年減少，水域面積變化不大，而耕地面積占焉耆盆地平原區總面積的30%～40%，且主要分布在北部、西部和西北部。林地從2005年的213.61 km2銳減到2014年的16.92 km2，同時草地也是從占比16.3%下降到占比12.8%，而耕地從1 893.6 km2直接增加到2 410.5 km2，這是由于大量開墾耕地導致林草地面積的減少。城鎮建設用地從2005—2014年主要分布在開都河中下游、和靜縣的北部與和碩縣的東北部，到2017年擴展至開都河的中游地區和博湖縣的綠洲區。

圖1 2005，2014，2017年土地利用分布及地下水TDS含量權重

表1 2005，2014，2017年焉耆盆地各土地利用類型面積及其比例

2.2 焉耆盆地土地利用轉移矩陣

用GIS和SPSS統計數據[21]，得到2005—2014年和2014—2017年的焉耆盆地土地利用轉移矩陣，分別見表2—3。由2005， 2014，2017年焉耆盆地各土地利用類型及其比例(表1)可知，2005—2014年土地轉移發生在各種土地類型之間。2005—2014年主要發生轉移的土地類型為耕地、未利用土地和草地。耕地有82.6 km2轉化為草地，有36.7 km2轉化為未利用土地；未利用土地有356.8 km2轉化為耕地，215.1 km2轉化為草地還有156.85 km2轉化為城鎮建設用地。草地有230.8 km2的土地向耕地轉移，371.4 km2的土地向未利用土地轉移。而2014—2017年土地利用仍在耕地、未利用土地和草地間轉化。其中，草地主要是向水域轉化，耕地向城鎮建設用地轉移了7.9 km2，向草地轉移了6.6 km2，向未利用土地轉移了6.5 km2；未利用土地有74.3 km2向水域轉化，有20.7 km2向草地轉化。耕地的面積在2005—2014年有大幅度增加，2014—2017年面積基本保持不變，2005—2017年耕地面積的增加主要是來自未利用土地、草地和林地的轉化。林地減少了146.7 km2的面積，是由于林地中109.6 km2的面積轉化為耕地，76.1 km2的面積轉化為草地。經濟的發展影響人們逐漸開墾耕地，從而村莊趨于城鎮化，城鎮建設用地面積增加了76 km2；水域面積沒有變化和轉化的趨勢。

表2 2005-2014年焉耆盆地土地利用面積轉移矩陣 km2

表3 2014-2017年焉耆盆地土地利用面積轉移矩陣 km2

2.3 焉耆盆地地下水開采量量變化趨勢與TDS分級

根據巴州水資源公報中焉耆盆地4縣內農林牧漁的地下水用水量的變化情況(圖2)，可以得出2005—2017年地下水開采量總體呈緩慢上升趨勢，但在2016年略有下降，是由于2016年焉耆盆地受到退地減水和“三條紅線”政策的影響，各地對用水量和地下水的開采有嚴格的控制，因此在2016年地下水開采量有所下降。

圖2 焉耆盆地地下水開采量趨勢

如表4所示，根據《地下水質量標準GB/T14848-2017》[22]可知，2005年采集的64個樣本中，13個屬于Ⅲ類水平(500 mg/L<Ⅲ類≤1 000 mg/L)，11個屬于Ⅳ類水平(1 000 mg/L<Ⅳ類≤2 000 mg/L)，40個屬于Ⅴ類水平(>2 000 mg/L)。2014年采集的97個樣本中，18個屬于Ⅰ類水平(≤300 mg/L)，28個屬于Ⅱ類水平(300 mg/L<Ⅱ類≤500 mg/L)，31個屬于Ⅲ類水平，17個屬于Ⅳ類水平，3個屬于Ⅴ類水平，2017年Ⅱ類和Ⅲ類占主要部分。2005年Ⅴ類水占主要部分，為62.5%；2014年Ⅱ類和Ⅲ類占主要部分為60.8%，2014年Ⅳ類的比例比2017年多4.5%，且有3.0 %為Ⅴ類水平。

表4 2005，2014，2017年焉耆盆地地下水TDS分級

2.4 焉耆盆地地下水TDS分布特征

根據2005，2014，2017年的TDS數據，利用GIS軟件中的地統計模塊中克里金插值得出研究區TDS含量分區結果(圖3)，焉耆盆地平原區地下水是逐漸匯入最低點博斯騰湖。2005年沿著開都河逐漸升高，在開都河的南岸礦化度含量為最大值。在包爾海鄉處地下水TDS均值達到2 000 mg/L，為Ⅴ類水的TDS含量；在黃水溝的南岸，北大渠鄉處TDS值含量也在2 000 mg/L，以及博斯騰湖的北部和東北部水質均為Ⅴ類水的TDS含量。在和碩縣的中部和焉耆縣的本布圖鄉處水質較好，TDS均值在500 mg/L左右，為Ⅲ類水的TDS。

圖3 2005，2014，2017年焉耆盆地地下水TDS分區

2014年地下水水質整體優于2005年，屬于Ⅱ類水的TDS，最大的TDS含量在5 000 mg/L左右。研究區2005年水質較差的區域在2014年雖得到改善，但就整體而言地下水水質劣于2017年，在博斯騰湖南部的博斯騰湖鄉和鬧音呼都克村處TDS含量在1 000 mg/L以上。2017年TDS含量較2014年呈下降趨勢，表現在Ⅱ類水TDS的占比從28.9%增加到53.2%，Ⅲ類水的TDS的占比從32.0%下降到28.6%。從2005，2014，2017年地下水TDS分布可知，和靜縣的開都河北岸烏拉斯臺處的TDS含量由<300 mg/L增加到500 mg/L，可能是由于開墾耕地，導致地下水需水量增加，地下水位下降且含水層變薄，因此稀釋鹽的能力減弱從而造成地下水的TDS增加。

2.5 不同土地利用類型下TDS含量及分布狀況

通過GIS中疊加分析模塊，可以統計出不同TDS區間所累計的面積之和，見地下水TDS含量分區面積統計結果(表5)。2005年地下水TDS含量主要在>2 000 mg/L區間內，占總面積的81.60%，2005—2014年地下水TDS含量整體從>2 000 mg/L降至1 000～2 000 mg/L，2014—2017年，地下水TDS總體含量呈下降趨勢。焉耆盆地平原區TDS含量在1 000～2 000 mg/L和>2 000 mg/L的面積在減小，其他含量的TDS的面積都在增大。2014年TDS含量在1 000～2 000 mg/L的面積最大，為6 352.4 km2，占總面積的97.8%，而2017年TDS含量在300～500 mg/L的面積最大，為4 473.2 km2，占到總面積的68.8%。

表5 2005，2014，2017年焉耆盆地地下水TDS含量分區面積統計結果

根據上述分析的焉耆盆地地下水TDS的分布特征，結合土地利用類型的分布特點，來分析兩者之間的關系。將地下水TDS含量圖進行網格化，并對網格賦值，將數據轉為矢量數據，對兩者進行疊加，可以得出各土地利用類型的TDS含量對比結果(表6)。從表格上可以看出2005年各個土地利用類型的TDS含量高于2014年，2014年的TDS均值含量都高于2017年，說明從2005—2014年水質整體礦化度較高，從2014—2017年，焉耆盆地的水質整體良好，部分地區水質有淡化的趨勢。2014年TDS均值含量最高的土地利用類型為耕地，達708.6 mg/L，最低的為林地，達680.4 mg/L。2017年TDS均值含量最高的土地利用類型為城鎮建設用地，達521.6 mg/L，最低的為未利用土地，達477.4 mg/L。且在每種土地利用類型上標出TDS的含量權重以便清晰的看出不同土地利用方式下地下水水質的差異。從圖1可知，耕地的地下水TDS權重在2005—2017年都比較高，林地的地下水TDS權重較低；分布在清水河下游處和開都河南岸7個星附近的地下水TDS權重高于開都河上游與清水河下游烏什塔拉鄉。

表6 2005，2014，2017年焉耆盆地各土地利用類型的TDS含量對比

3 討 論

3.1 土地利用分布和轉移的趨勢

土地利用的變化與農業規模、人口增長、社會發展等因素有關[23]。2005—2017年，由于城鎮化的進程加快，人們開始發展農業并種植經濟作物從而耕地面積在2005—2014年增加了516.9 km2，同時這幾年里隨著采伐、農業用地和建設用地的擴張使得林草地的面積由占比3.3%和16.3%下降到占比0.3%和12.8%。2014年后人們有意識保護環境逐漸減少開墾林草地，故耕地和林草地的面積沒有較大的變化[24]。水域和未利用土地的面積變化趨勢不大，城鎮建設用地的面積在2005—2014年增幅為0.8%，在2014—2017年其面積持續增加到179.0 km2。在2005—2014年里，有374.1 km2的草地轉化為未利用土地，主要是由于焉耆盆地的暖干氣候影響[25]，加之人類活動的增強，使得草地逐漸向荒漠化發展從而轉化為未利用土地。2014—2017年焉耆盆地的荒漠化與綠洲化在時間和空間上互存和互轉。由于自然和人為因素等原因，耕地與林草地互相轉化，同時耕地上有農業的灌溉與排堿，嚴重時會導致土地鹽堿化從而無法進行種植淪為未利用土地[24]，參照CJ/T340-2016《綠化種植土壤》[26]中滿足正常種植的土壤EC含量在0.15～0.9 ms/cm，根據之前采集的土樣數據發現近年來焉耆盆地內部分土壤的EC值已達到10 ms/cm，不能作為常規耕地正常使用，導致耕地轉化為未利用土地，可見草地—耕地—未利用土地三者的互傳趨勢較為明顯[25]。

3.2 地下水TDS的變化趨勢

地下水質量類別按照TDS的含量分為Ⅰ—Ⅴ類，2005年主要為Ⅴ類，2014年和2017年焉耆盆地主要為Ⅱ類和Ⅲ類水。由于焉耆盆地地勢東高西低，而焉耆縣的西南處正好位于開都河下游，接受來自地表和地下水的補給。由于焉耆盆地地勢東高西低，而焉耆縣的西南處正好位于開都河下游，接受來自地表和地下水的補給。開都河和孔雀河下游有來自上游的側向補給、河道滲漏、田間滲漏和渠系的補給[27]，因此排泄較弱從而鹽分會在此處累積導致水中的含鹽量較高[28]，導致TDS含量大。焉耆縣的北大渠鄉的TDS含量從2014年的1 500～2 000 mg/L下降到800～1 000 mg/L，是由于此處在深層循環積極帶上，地下水循環迅速且不斷接受來自清水河的補給，所以TDS降低。博湖縣的西北部礦化度逐漸下降是由于地下水開采量的增加在加速地下水循環的同時也有來自開都河的補給且各地逐漸開始實施退耕還林的政策，所以化肥等農業能源的投入逐漸減少，導致礦化度下降[23]。從2014—2017年研究區內地下水開采量持續上升，由于使用承壓水而非地表水進行農業灌溉，所以帶入耕地和下滲到地下水的鹽分較少，地下水礦化度的含量逐漸降低，且水域面積逐年增大，地下水補給也在增強，地下水開采量增大造成地下水流系統循環快，更替頻繁導致水質淡化[29]。

3.3 土地利用與地下水TDS的相關性

2014年TDS含量在1 000～1 500 mg/L中面積最大，為5 451.9 km2，占總面積的83.9%，大部分屬于灌區，說明TDS含量總體高是源于人類農業活動的影響，地下水排泄減弱土壤鹽分增高滲入地下水中，產生高礦化度含量的地下水。而2017年TDS含量在300～500 mg/L中面積最大，占比為68.8%。且大部分為未利用土地，說明未利用土地因為荒漠化的影響，所以人類活動減少從而人工排泄降低，鹽分積累在表層土壤并未滲透到深層地下水中。將6種類型的土地面積變化量與均值TDS的含量進行Spearman秩相關性分析，結果表明土地利用面積與存在顯著正相關(R2=0.7，p<0.05)，從各土地利用類型TDS含量均值表中得出耕地的TDS含量是所有土地利用類型中較高的，因為農田在施肥時會促進地下水鹽分的積累造成耕地的地下水TDS增加[30]。林地的地下水TDS含量自2005—2017年在所有土地利用類型中始終最低，因為林地主要分布在烏拉斯臺河的附近接受來自河水的補給且林地基本未與其他的土地類型發生轉化。

4 結 論

(1) 2005—2017年焉耆盆地土地利用類型以耕地、未利用土地、水域為主，占總面積的60%以上。草地主要轉化為未利用土地，其次是耕地。城鎮建設用地有49.25 km2轉化為耕地，耕地與未利用土地、草地相互轉化。林地的流出率為48.7%，流入率為78.3%，水域面積整體變化不大。

(2) 2017年各土地類型均值地下水TDS含量為495.6 mg/L低于2014年的695.4 mg/L。這是由于水域面積增加導致地下水補給量增加、耕地的擴張速度減緩，部分區域位于河流下游或河流附近的地下水積極循環帶導致水質淡化。

(3) 2014年和2017年耕地和城鎮建設用地的地下水TDS含量最高，林地和未利用土地的TDS最低。焉耆盆地平原區內耕地和城鎮建設用地面積的增加與地下水TDS含量最高對應，林地和未利用土地面積的減少與地下水TDS含量最少呈對應關系。