昌吉州西部平原區人類活動強度與地下水埋深時空關聯分析

關鍵詞：地下水資源；人類活動強度；空間自相關；可持續管理；昌吉州中圖分類號：TV213.4；TV822.1 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2025.08.021引用格式：，.昌吉州西部平原區人類活動強度與地下水埋深時空關聯分析[J].人民黃河，2025，47（8）：128-133

Spatial-Temporal Association and Driving Analysis of Human Activity Intensity and Groundwater Level in the Western Plain of Changji Prefecture

WEI Yi1， ZHANG Yongming2 （1.Northwest Municipal Enginering Design and Research Institute Co.，Ltd.， Xi'an 710O16， China; 2.Gansu Province Water Conservancy Science Research Institute，Lanzhou 73Oooo，China） Abstract：Tissudyivestigatdthesatialemporaloreltioractersticsteengroundaterlevlagesndteitesityof manactivisinteesteplainofCangjiPrefeturefrootGoundwaterdepthterpolationasonductedusgteda Kriging method，daunActiviytesity（H）modelwasiltbegratingutipleidicatorssuchsolatiodsityio al grossdomesticprouct，electrityonsumptionandteproportionofostructioandcultiatedlandarea.Thesdymplodec troidmigratiooelvateoatialtocoalsalstrbtiaracestidutalf groundwaterdepthandhumanactiitensityinspaceandtime.Thresultsindicatethatteoverllgroundwaterlevelinthesudyarea showstrendofinitialdecliefllosbyanicreasSpecifically，teareawithgoundwaterdepthgreaterthan6metersisaccoutedfor （20 6.96% in 2000，is increases to 15.51% in 2015，and then decreased to 12.22% iny 202O. The proportion of areas with high human activity intensity increases from 1.03% in 2000 to 3.41% in 2020，and the proportion of areas with medium to high intensity increased from 35.36% （204 in 2000 to 50.72% in 2020.Thecorrelation analysis revealsasignificantpositive spatial agglomerationbetween thespatial-temporal changes of groundatervelsdanactivittesityspeialiesoutrgioretereisaighoncentrationofpulatioad nomiacti，hiigaigglomeratioacteristicdditioall，tectrodsofthgoundaterepthstrutiod human activity intensity are generally migrated from the southeast to the northwest direction.

KeyWords：goundwateresources；humanactivityintensity；spatialautoorelation；sustaablemanagement；ChangiPrefecture

0 引言

地下水資源對維持生態系統平衡和支撐社會經濟發展具有重要作用，尤其是我國西北干旱和半干旱地區，降水稀少，地表水資源匱乏，地下水資源是農業灌溉、工業生產和居民生活的主要水源[1]。然而隨著人口增長、人類活動范圍不斷擴大以及極端天氣頻發，地下水資源開發壓力增大。人類活動如城市化和工業化推進等，對地下水資源產生了顯著負面影響[2-4]。人類對地下水資源的過度開采導致地下水位持續下降，進而可能引發地面沉降、生態環境退化等連鎖反應[5]。目前，我國地下水超采問題突出的重點區域有10個，昌吉回族自治州（簡稱昌吉州）西部平原區位于重點區域之一的天山南北麓地帶，是典型的西北干旱區地下水超采區。

目前，眾多學者針對水資源與社會經濟發展的相關關系進行了研究，如：Yue等[]、Zhang等[]研究指出，水資源短缺是限制干旱區域社會經濟高質量發展的關鍵因素。地下水資源作為干旱地區的主要水源，其補給、徑流和排泄關系的變化直接影響地下水埋深[8]，因此地下水資源的補排平衡對于干旱區域水資源安全和社會經濟發展具有重要影響。雖然降水等自然因素影響地下水埋深動態變化[，但對于干旱地區尤其是以農業為主的地區，人類活動對地下水埋深動態變化的影響更為顯著[10]。關于昌吉州地下水的現有研究中，胡鑫等[\"通過分析呼圖壁縣地下水位動態變化，揭示了人類活動引發的土地利用變化對地下水位影響的顯著性；劉坤等[12]分析了昌吉州東部平原區地下水埋深對土地利用及干旱時空演變的響應。然而，這些研究集中于單一或少數幾個指標，未全面考慮人類活動的多維特征。

為進一步探討人類活動對地下水的影響，需要確定人類活動強度的評估指標。人類活動強度是衡量人類在某一區域生產和生活的活動強度的綜合指標，反映其對陸地表層影響和作用的程度[13]。人口密度反映了區域內人口的空間聚集程度，是評估人類活動強度的基本指標；地區生產總值作為經濟活動產出的代表，反映了人類生產活動的綜合水平，且與地下水資源的消耗密切相關；用電量是衡量能源消耗的重要指標，除常規生產生活用電外，可通過以電折水的方法計量地下水開采量[14]，因此用電量可作為衡量人類活動強度對地下水動態影響的指標。昌吉州西部平原區農業用水量占總用水量的 90% 以上，所以除建設用地面積占比指標外，將耕地面積占比作為人類活動強度的評估指標之一，將這兩個指標合并稱為人類活動關鍵區面積占比。本研究通過綜合人口密度、地區生產總值、用電量、人類活動關鍵區面積占比等指標表征人類活動強度，運用普通克里金插值法對地下水埋深進行空間插值分析，并結合雙變量局部空間自相關法，評估2000—2020年昌吉州西部平原區人類活動強度與地下水埋深變化的時空關聯特征及其作用機制，以期揭示人類活動強度與地下水埋深變化之間的復雜關系。

1 研究區概況

昌吉州西部平原區位于我國新疆維吾爾自治區天山北麓至準噶爾盆地東南緣過渡地帶[15]，是典型的中溫帶大陸性干旱氣候區。年降水量約為 150mm ，而蒸發能力高達 2 000mm ，導致區域內地表水資源相對匱乏，因此昌吉州地下水資源對于當地農業灌溉、工業發展和居民生活具有不可替代的作用。隨著人口數量的增加和社會經濟的發展，昌吉州對水資源的需求急劇攀升，特別是農業用水和工業用水，其中農業用水量占總用水量中的比例已超過 90% ，并且這一比例還在持續增大[]。地下水過度開采會造成區域含水層疏干、生態環境退化等不良后果，對區域供水安全和生態平衡構成嚴重威脅。為應對地下水位下降及其帶來的負面生態環境問題，昌吉州自前已采取包括加強地下水位監測、制定地下水控制指標以及構建地下水位預警系統等措施。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

研究所用2000—2020年地下水埋深數據來自昌吉州水資源管理中心以及水利部《地下水動態月報》;表征人類活動強度的數據包括人口密度、地區生產總值、用電量、土地利用分類數據，均來自中國科學院資源環境科學數據平臺（https：//www.resdc.cn），采用數據年份為2000年、2010年、2015年、2020年，其中人口密度、地區生產總值、用電量數據的分辨率為 1km ，土地利用分類數據的分辨率為 30m 。

2.2 研究方法

1）普通克里金插值。普通克里金插值又稱為空間局部估計或空間局部插值，綜合考慮了變量的隨機性和結構性，是在一定區域內對數據進行無偏最優估計的插值方法[\"]。計算公式為

式中： Z（x₀） 為位置 x₀ 的克里金插值的估算值， Z（x_j） 為位置 x_j 的實測值， N 為參與計算的實測樣本數量， λ_j 為第 j 個樣本點的權重。

2）人類活動強度（HAI）表征。人類活動形式包括人口分布、經濟、生活等方面，本研究通過人口密度、地區生產總值、用電量、人類活動關鍵區面積占比來綜合反映昌吉州西部平原區人類活動強度，進而量化昌吉州西部平原區人類活動對地下水埋深的影響。鑒于計算機性能的限制，本研究采用 1km 網格尺度，綜合考量人口密度、地區生產總值、用電量、人類活動關鍵區面積占比，基于熵權法確定各指標權重，構建HAI模型：

S_HAI=aP+bG+cE+dLU

式中： S_HAI 為人類活動強度指數， P，G，E，LU 分別為利用離差標準化法進行歸一化處理后的人口密度、地區生產總值、用電量和人類活動關鍵區面積占比， a，b，c d 分別為 P，G，E，LU 的權重。

將上述人類活動強度表征指標通過ArcGIS轉換為面板數據，利用熵權法確定 a，b，c，d 分別為0.243、0.211，0.212，0.334 。根據昌吉州的農業主導特性，賦予建設用地和耕地面積占比差異化權重，以更加準確評估人類活動強度對地下水資源的影響，結合文獻[13]，建設用地、耕地權重分別為0.4、0.6。

3）重心遷移法。重心遷移法可以用來解釋地下水埋深和人類活動強度在遷移距離、遷移方向上的空間變化特征[16]

式中： x，y 分別為重心的經度、緯度， w_i 為第 i 個單元網格的指標值（地下水埋深或人類活動強度指標）， x_i?y_i 分別為第 i 個單元網格的經度、緯度， n 為單元網格總數。

4）雙變量局部空間自相關法。利用GeoDa軟件，采用雙變量局部空間自相關法分析地下水埋深與人類活動強度在空間上的離散和聚集特征[17]。利用莫蘭指數和Lisa指數表征地下水埋深與人類活動強度之間的空間自相關關系，其中莫蘭指數可量化地下水埋深與人類活動強度在時空上的相關性，其取值一般為（-1，1）;Lisa指數可以反映人類活動強度與地下水埋深的空間集聚特征，具體表現為高高集聚、低低集聚、高低集聚、低高集聚4種類型。

3 結果與分析

3.1地下水埋深時空變化趨勢分析

基于研究區地下水監測數據，利用普通克里金插值得到2000年、2010年、2015年和2020年地下水埋深空間分布（見圖1），并統計地下水埋深面積占比（見圖2）。

圖1昌吉州西部平原區地下水埋深空間分布

3.1.1 時間維度變化

從地下水埋深及其面積變化可以看出，研究區2000一2020年地下水埋深總體呈現先增大后減小的變化趨勢，即地下水位呈現先降低后升高的變化趨勢。

圖2昌吉州西部平原區不同地下水埋深面積占比Fig.2Proportion of Different Groundwater Depth AreasintheWesternPlainRegionofChangji Prefecture

2000年，研究區地下水埋深 lt;8m 的面積占比最大，為26.84% ，表明在21世紀初期，昌吉州西部平原區地下水相對容易獲取和開發；地下水埋深 lt;40m 的面積占比高達 83.35% ，地下水埋深 ?60m 的面積占比最小，僅為 6.96% ，表明埋深較大的地下水資源的開發利用程度尚處于較低水平。2010年，地下水埋深總體呈現增大趨勢，但不同地下水埋深面積占比變化不明顯。2015年，地下水埋深 lt;8m 的面積縮減為0，同時地下水埋深 ?60m 的面積占比達到 15.51% ，說明為了滿足不斷增長的用水需求，人們開始更加高強度地開發地下水資源，導致地下水位顯著下降。2020年，部分區域地下水位已開始恢復（地下水埋深 lt;8m 的面積占比為 1.45% ），同時地下水埋深 ?60m 的面積占比減小至 12.22% ，但地下水埋深 lt;40m 的面積占比僅為46% ，地下水埋深整體偏大，這對長期的水資源管理和生態平衡構成一定挑戰。綜上所述，昌吉州西部平原區地下水埋深變化較為復雜，其中地下水埋深小于8m 的淺埋區面積占比經歷了先顯著減小后增大的變化過程，地下水埋深 ?60m 的深埋區面積占比則表現為擴張趨勢。

3.1.2 空間維度變化

研究區地下水埋深空間分布受地形坡度的顯著影響，整體表現為從南向北逐漸減小再增大的變化趨勢南部傾斜平原地帶含水層介質顆粒較大，孔隙率和滲透率較大，因此地下水埋深較大；隨著地形向北過渡至細土平原區，含水層介質顆粒由粗變細，地下水埋深相對增大；靠近荒漠溢出帶北側，由于植被覆蓋度低、蒸發作用強烈，因此地下水埋深呈增大趨勢。2000年和2010年地下水埋深較小，2015年和2020年地下水埋深整體呈現大幅度增大趨勢，水力梯度明顯增大，昌吉市尤為顯著。張明江等[18]研究表明，地下水開采量的增加會導致地下水位下降和水力梯度增大，昌吉市作為昌吉州的行政中樞，人口密度大，對地下水的需求量較大、開發力度也較大，因此該區域地下水位下降相對顯著。2014年昌吉州開始實行最嚴格水資源管理制度，由于政策實施初期效果尚未顯現，因此2015年昌吉州西部平原區地下水埋深持續增大。隨著管理制度的逐漸完善，2020年研究區地下水埋深整體相較于2015年有所減小。此外，昌吉州通過大力推廣節水灌溉技術、實施水價改革、提升公眾節水意識等，促進了地下水資源的可持續利用，減緩了地下水位的下降趨勢，并在一定程度上促進了地下水位的恢復[9]

3.2 人類活動強度時空變化

運用式（2）計算昌吉州西部平原區人類活動強度指數，并采用自然斷點法將人類活動強度指數按照lt;0.05、0.05～0.12、0.13～0.20、0.21～0.34、gt;0.34劃分為低強度、中低強度、中強度、中高強度、高強度5個強度等級，結果見圖3。

2000—2020年昌吉州西部平原區人類活動強度表現出顯著的時空變化特征，尤其是人類活動強度指數 gt;0.34 的高強度區域面積占比呈逐漸增大趨勢，2000年、2010年、2015年、2020年分別為 1.03% ！2.64%，3.11%，3.41% 。人類活動強度指數為 0.21～ 0.34的中高強度區面積占比增大較為迅速，從2000年的 35.36% 增大至2020年的 50.72% 。2000—2015年人類活動強度指數增速較快，2015—2020年的增速變緩。原因可能是，21世紀初期當地人口快速增加和經濟蓬勃發展，處于快速城鎮化階段。然而，隨著城市化進程趨于穩定，加之近年來昌吉州實施退耕還林、退地減水等生態恢復政策，人類活動強度指數的增長速度有所放緩，這與陳泓瑾等[13]的研究結果一致。從空間分布來看，高強度人類活動區域主要集中在昌吉市、呼圖壁縣和瑪納斯縣的主城區，且人類活動強度指數大于0.20的區域主要集中于南部傾斜平原及中部細土平原區，與地下水埋深較大的區域分布大體一致，表明人類活動強度與地下水資源的可利用性之間存在密切聯系。

圖3人類活動強度等級空間分布

Fig.3SpatialDistributionofHumanActivityIntensityLevels

綜上，昌吉州西部平原區中南部人類活動強度指數大，北部地區人類活動強度指數小，呈現集中且差異較大的分布特征。在城鎮化發展和社會經濟的快速推動下，人類活動強度指數逐年增大，人類活動高強度和中高強度區域持續擴大，如西部各縣市主城區及其耕地主要分布區是人類活動中高強度集中的典型區域

3.3地下水埋深和人類活動強度的時空關聯分析

3.3.1 時空遷移特征

為了分析地下水埋深與人類活動強度的空間變化趨勢，采用重心遷移法分別計算得出地下水埋深、人類活動強度的重心遷移路徑（見圖4），并詳細統計了遷移方向及距離。由圖4可以看出，兩者的重心遷移整體為由東南向西北遷移。

2000—2010年，地下水埋深的重心遷移了2.11km ，遷移方向為北偏西，而人類活動強度的重心遷移了 3.74km ，遷移方向也是北偏西。此期間，盡管兩者的遷移方向大致相同，但人類活動強度的遷移距離大于地下水埋深的，表明初期人類活動對地下水資源的影響正在逐步顯現。2010—2015年，地下水埋深重心遷移距離顯著增大，達到 24.86km ，方向持續為北偏西。相比之下，人類活動強度的重心遷移距離大幅減小至 1.46km ，遷移方向轉為北偏東，但相較于2000年遷移方向仍為北偏西。這一現象表明地下水資源的過度開發導致地下水位顯著下降，使得地下水分布空間重心發生明顯偏移，而人類活動強度雖遷移距離變小，但與地下水埋深整體的重心遷移方向仍舊保持一致。2015—2020年，地下水埋深的重心遷移了 2.14km ，遷移方向為南偏西，而人類活動強度的重心僅遷移了0.14km ，遷移方向再次轉為北偏西。這表明在這一時期，地下水埋深的空間分布格局經歷了較大變化，而人類發展區域穩定，活動范圍基本維持不變[13]

圖4地下水埋深及人類活動強度重心遷移路徑 Fig.4Migration Path of the Centroids of Groundwater Depth and Human Activity Intensity

3.3.2 空間自相關分析

基于Geoda軟件采用雙變量局部空間自相關法分析地下水埋深空間分布與人類活動強度的空間自相關關系及其集聚特征，結果顯示2000年、2010年、2015年和2020年的莫蘭指數分別為0.331、0.292、0.088、0.090，表明地下水埋深與人類活動強度的空間自相關關系逐漸減弱，利用ArcGIS軟件繪制的研究區人類活動強度與地下水埋深空間集聚特征圖見圖5。

由圖5可知，昌吉州西部平原區人類活動強度與地下水埋深空間集聚特征明顯。2000年、2010年高高集聚區主要分布在研究區南部傾斜平原區，該區域含水層以砂礫石和卵石為主，富水性強，且是人類活動強度指數較大的城市分布區。研究區南部，由于人口密集，經濟活動集中，城市化發展水平高，地下水開發程度較高，導致地下水埋深增大，因此人類活動強度與地下水埋深呈現正相關的高高集聚特征。低低集聚區分布較為分散，主要分布在研究區中部和北部。該區域人口數量少，土地開發程度及人口活動強度低，相較于南部傾斜平原，地形坡度較緩，含水層顆粒變細，地下水埋深較淺，因此呈現出人類活動強度與地下水埋深正相關的低低集聚特征。

圖5人類活動強度與地下水埋深空間集聚特征 Fig.5Spatial Agglomeration Characteristics of Human ActivityIntensityand Groundwater Depth

然而2015年、2020年研究區南部高高集聚特征明顯，但中部及北部地區也有零星高高集聚區。陳樂等[20]研究表明，天山北坡耕地重心逐漸向西北和沙漠方向遷移，研究區中部及北部地區人口密度增大、耕地擴張，導致地下水資源需求量激增、開采活動增多，進而形成地下水埋深與人類活動強度的正相關空間集聚特征。該現象不僅反映了人類活動對地下水資源的影響，而且提示了未來水資源管理和城市規劃中須考慮可持續發展問題。

4結論

2000—2020年昌吉州西部平原區地下水位在時間上呈現先下降后上升趨勢，在空間上具有南部埋深大、北部埋深小的分布特征。隨著社會經濟的發展，尤其是農業用水需求的增加，2015年地下水埋深 ?60m 的面積占比達到峰值 15.51% 。但隨著地下水資源管理制度的逐步完善，2020年地下水位上升，地下水埋深 ?60m 的面積占比減小至 12.22% ，整體呈現地下水深埋區面積變大、淺埋區面積減小的特征

2000—2020年昌吉州西部平原區人類活動強度指數逐漸增大，其中高強度區域面積占比從2000年的1.03% 增大至2020年的 3.41% ，表明人類活動強度增大，人類活動高強度區主要分布在昌吉市、呼圖壁縣和瑪納斯縣的主城區。人類活動中高強度區域面積增大尤為顯著，從2000年的 35.36% 增大至2020年的50.72% ，與地下水埋深較大的區域大體一致，表明人類活動強度與地下水資源之間具有密切聯系。

雙變量局部空間自相關法分析表明，人類活動強度與地下水埋深高高集聚區主要分布在研究區南部傾斜平原人類活動高強度的城市分布區，該區域人口密集、經濟活動集中，地下水埋深較大，所以人類活動強度與地下水埋深呈明顯的正相關空間集聚特征。

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【責任編輯 呂艷梅】