地下水埋深改變特點及其驅(qū)動力

第第頁地下水埋深改變特點及其驅(qū)動力人類可以取用的水資源在全球總水量中不到1%。由于地表水資源有限，且地區(qū)、年際間分布不均，在許多干旱半干旱地區(qū)綠洲地下水資源已成為主要，甚至是唯一的水資源。隨著農(nóng)業(yè)、工業(yè)及生活用水量的日益增加，部分地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)了地下水的過量開采，造成了地下水位的大幅下降，引起地面沉降和其他生態(tài)環(huán)境問題［1－3］。學(xué)者們從多角度研究地下水位動態(tài)變化規(guī)律和演化，例如:小波分解與變換法［4］、灰色模型［5－7］、疊加模型［8］、回歸分析法［9－10］等，以期合理利用地下水資源，改善人類生存環(huán)境。因此，研究地下水位的動態(tài)變化具有重要的現(xiàn)實意義。新疆奇臺縣地處我國內(nèi)陸干旱區(qū)，水資源短缺。上世紀七十年代以來，農(nóng)業(yè)種植面積迅速擴大。受到年際河流來水量減少等客觀條件的影響，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水由地表河流水灌溉轉(zhuǎn)向地下水灌溉。由于井灌面積逐年遞增，機井建設(shè)數(shù)量急劇上升，地下水開采量加大，造成地下水位大幅下降。井灌區(qū)已形成大面積的沉降漏斗。文中依據(jù)研究區(qū)內(nèi)26個長期地下水位埋深監(jiān)測點數(shù)據(jù)等資料，系統(tǒng)分析了地下水的埋深變化特點及其驅(qū)動力，并在此基礎(chǔ)上建立了奇臺縣地下水埋深變化的回歸模型，對于合理開采地下水，保持地下水資源的良性循環(huán)和實現(xiàn)可持續(xù)利用具有重要意義。1研究區(qū)概況奇臺縣位于新疆維吾爾自治區(qū)東北部，地處東經(jīng)89度13'～91度22'，北緯43度25'～45度29'，天山山脈東段的博格達山北麓，準噶爾盆地東南緣。東靠木壘哈薩克自治縣，西連吉木薩爾縣，南接吐魯番市、鄯善縣，西北交富蘊縣、青河縣，東北臨蒙古國，是新疆的邊境縣之一?？偯娣e18087．3km2。該縣平原地區(qū)的多年平均降水量為211．9mm，多年平均蒸發(fā)量達1735．7mm，蒸降比約為8∶1。奇臺縣境內(nèi)自東向西有九條河流，是綠洲農(nóng)業(yè)灌溉用水的主要補給源。該縣地下水自南部山區(qū)、平原戈壁、細土平原至沙漠區(qū)，形成由補給、徑流、排泄組成的近于完整的水文地質(zhì)單元。山區(qū)分布有現(xiàn)代冰川，并且降水豐富，基巖裂隙發(fā)育，地下水通暢，是地下水的主要補給區(qū)。河流出山口形成了由第四紀松散堆積物組成的多個洪積扇群。其中上部含水層粒徑粗、厚度大、坡度陡、透水性強，是地下水的徑流區(qū)，為潛水主要含水層。中下部細土沖積、洪積平原粒徑小、坡度平緩、透水性較弱，構(gòu)成多層結(jié)構(gòu)的潛水和承壓水的分布區(qū)，地下水的蒸發(fā)強烈。上世紀七十年代以來，由于上游修建了水庫，并且各大河流出山口均建有防滲程度較高的水渠等水利工程設(shè)施，造成了山區(qū)河流對地下水補給量的迅速減少。另外，平原區(qū)的降水對地下水雖然也有一定補給，但由于降水量少蒸發(fā)強烈，補給量很小。2數(shù)據(jù)與方法2．1數(shù)據(jù)來源1983～2006年《新疆昌吉回族自治州奇臺縣地下水潛水動態(tài)監(jiān)測年報》的26口機井地下水長期觀測數(shù)據(jù)。依據(jù)上述資料提供的地下水空間和時間數(shù)據(jù)，2003年－2008年多次對研究區(qū)機井數(shù)量、地下水位、水質(zhì)進行了野外考察，實際連續(xù)測井共256口，對其空間定位，并從中篩選出185個時間連續(xù)性好、空間代表性強的井位觀測點水位變化數(shù)據(jù)，其覆蓋面積1660．84km2，基本包含了整個井灌區(qū)。1980－2006年自然要素(降雨、氣溫、蒸發(fā)等)和經(jīng)濟要素(糧食產(chǎn)量、小麥價格等)［11］。2．2研究方法回歸分析法可以提供變量間相關(guān)關(guān)系的數(shù)學(xué)表達式，并可利用概率統(tǒng)計對此關(guān)系進行分析，以判別其有效性。同時，可由一個或多個變量值，預(yù)測和控制另一個因變量的取值，以及了解預(yù)測和控制達到了何種程度，進行因素分析。即采用多種類型的回歸方法建立預(yù)測方程，包括一元線性回歸、多元線性回歸、非線性回歸等［12，13］。多元線性回歸時要確定因變量與多個自變量之間的定量關(guān)系，它的數(shù)學(xué)模型為:y=β0+β1x1+…+βmxm+ε式中:β0，β1，βm是待定參數(shù);ε是隨機變量，表示除x以外其他隨機因素對y影響的總和。在實際問題的研究中，求出線性回歸方程后，還需對回歸方程進行顯著性檢驗。一般采用回歸方程顯著性的F檢驗，或回歸系數(shù)顯著性的F檢驗。3地下水位動態(tài)特征3．1地下水位年際變化特征隨著機井大幅度的增加，地下水的開采量也逐年遞增。1983年到2004年多年平均開采量為1．99x108m3。持續(xù)的地下水過量開采導(dǎo)致了奇臺縣地下水位的持續(xù)下降。地下水位的平均埋深由1983年的13．04m下降到2006年底的24．12m，達到地下水埋深的最大值(圖1)。其下降過程可以分為6個階段:1988年的地下水埋深比1983年下降了1．35m，下降速率僅為0．27m/a;從1988年到1993年，地下水位下降速度逐漸加快，以平均0．60m/a的速度下降，其間1991－1992年降幅最大，為0．81m;1993－1995年地下水位埋深的下降有所緩和，為0．28m/a;1995年至1998年地下水埋深以0．88m/a的速度繼續(xù)下降，其中1998年相比1997年下降了1．38m，為歷年下降幅度最大值;1998年至2000年以0．39m/a的速度下降;2001－2007地下水埋深增加了5．1m。3．2地下水位年內(nèi)變化特征地下水埋深年內(nèi)變化較為明顯。以2003年數(shù)據(jù)為例，平均埋深年內(nèi)最高水位和最低水位相差3．36m(圖2)。地下水水位最高的時期出現(xiàn)在3月，其平均水位埋深達到16．52m，之后開始下降，4月僅比3月下降了0．2m，5月份下降幅度加大，到7月份達到埋深的最大值19．93m，平均下降速度為每月0．8m。從8月份起水位回升，回升的速度比下降的速度有所緩和，為每月0．43m。次年3月份水位又回升到較高的位置。4各因素與地下水位的相關(guān)性分析潛水含水層接近地表，與外界條件聯(lián)系密切，氣象、水文和人類活動等因素對它影響顯著［15］。在特定的自然環(huán)境下，地下水埋深受其補給、排泄及自身特征等因素的綜合影響而表現(xiàn)出不同的動態(tài)變化特征［16］。研究區(qū)內(nèi)地下水埋深的動態(tài)變化受多種因素影響呈現(xiàn)出不同的變化態(tài)勢。奇臺地區(qū)降水分布主要集中在山區(qū)，山區(qū)地下水資源主要受降水的入滲補給。對于平原區(qū)來說，地下水的補給量主要靠河渠的入滲、泉水、田間灌溉回歸水、河床潛流和側(cè)向滲流。經(jīng)過多年大力興修水利，改造整修渠道，興建水庫，各種水利工程設(shè)施比較完善。上世紀，七十年代初期，由于各渠道上游渠首已修建至河流出山口，河水由渠道直接進入水庫或農(nóng)田，對平原區(qū)地下水的補給量大大減少。因此，文中主要討論自然因素(蒸發(fā)量，降水量)和人文因素(地下水的開采量、糧食總產(chǎn)量、小麥價格)對地下水埋深的影響。#p#分頁標題#e#4．1蒸降比與地下水位蒸降比從一定角度反映了一個地區(qū)的干旱情況。從1983年到2006年平均降水量為200．8mm，平均蒸發(fā)量為1746mm，蒸降比很大。其中1995年、1997年和2001年蒸降比變化明顯(圖1)。在這些年份里，因干旱，地下水開采力度加大，地下水埋深也相應(yīng)增加。干旱地區(qū)降雨量少，蒸發(fā)強烈，降水很難在平原區(qū)形成徑流，有效補給地下水。因此，整體上兩者的聯(lián)系不緊密，相關(guān)性不大。4．2地下水開采量與地下水位綠洲平原區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水基本來源于地下水。地下水開采量可直接導(dǎo)致地下水埋深的變化。在耕地不斷擴大過程中，地下水開采量逐年增大，地下水位大幅下降。在年內(nèi)波動中，地下水月開采量與月埋深的變化關(guān)系密切，相關(guān)系數(shù)0．6250(表1、圖2)。因地下水埋深變化與機井抽水之間有滯后性，若用月地下水埋深變化與上月開采量進行相關(guān)分析，則兩者的相關(guān)性更好，相關(guān)系數(shù)可達0．8496(表1)。在年際變化中，隨著地下水開采量不斷增加，地下水位不斷下降。兩者變化趨勢十分相近(圖3)，相關(guān)系數(shù)高達0．9511(表1)。因此，地下水的開采量對于地下水埋深的多年變化和年內(nèi)變化均有較大的影響。4．3糧食產(chǎn)量與地下水位奇臺縣是新疆的農(nóng)業(yè)大縣，平原區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水基本來源于地下水。其糧食產(chǎn)量的大幅提高是以地下水位下降為代價的。1983年－2006年糧食總產(chǎn)和地下水埋深變化同步(圖4)。糧食總產(chǎn)由1983年的166420t增長到2006年的278912t，埋深則下降了15．06m。地下水埋深與糧食總產(chǎn)量呈極其顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0．7519。由于糧食總產(chǎn)量的變化不僅與地下水的埋深相關(guān)，而且還受到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平(種子、化肥等)管理水平的影響。因此，相關(guān)性低于小麥價格。4．4小麥價格與地下水位奇臺縣1985年被列入自治區(qū)商品糧生產(chǎn)基地縣，1993年被列為國家級糧食生產(chǎn)大縣，1995年被國家評為自治區(qū)唯一的全國糧食生產(chǎn)先進縣。其生產(chǎn)的最主要的糧食就是小麥，約占其糧食總產(chǎn)量的50～70%。同時，小麥灌溉定額是在各種糧食作物中最高的，因此，小麥價格的波動對農(nóng)民種植、開荒、開采地下水都有極大的影響。隨著小麥價格的不斷上升，地下水位不斷下降(圖5)。其與地下水埋深的相關(guān)系數(shù)為0．8576，僅次于年開采量。5地下水位變化回歸模型建立建立地下水位多元回歸模型對于深入認識研究區(qū)地下水的動態(tài)變化以及與驅(qū)動力的關(guān)系具有重要意義。由于地下水位埋深受蒸發(fā)量、降水量、年開采量、小麥價格、糧食產(chǎn)量的影響，因此，以這5個因素為自變量，以水位埋深為因變量，建立在開采條件下，奇臺縣地下水位變化回歸分析數(shù)學(xué)模型:у=β0+β1X1+β2X2+β3X3+β4X4+β5X5(1)式中:у是地下水位埋深，β0、β1、β2、β3、β4、β5是待定參數(shù)，X1小麥價格、X2糧食產(chǎn)量、X3年開采量、X4降水量、X5蒸發(fā)量。選取1983年－2006年的奇臺縣地下水位變化動態(tài)資料，作為相關(guān)分析樣本，進行計算得:β0=3．6917;β1=1．0143;β2=－0．0144，β3=－0．0006，β4=－0．0025，β5=－0．0038，即回歸數(shù)學(xué)模型:у=3．6917+1．0143X1－0．0144X2－0．0006X3－0．0025X4－0．0038X5(2)其中:相關(guān)系數(shù)r=0．978，F(xiàn)=80．5158，在α=0．01的情況下，查F分布表得F=3．90，所以方程在α=0．01的水平下是顯著的。計算結(jié)果與實測值的相對誤差大多數(shù)在5．5%以內(nèi)(表2)，僅1984(－7．924%)、1993年(－7．014%)和2006(－7．938%)年除外。平均相對誤差僅為0．136%。即回歸模型較好地凸現(xiàn)了小麥價格、糧食產(chǎn)量、年開采量、降雨量、蒸發(fā)量與地下水位的相關(guān)關(guān)系，也反映了地下水位自身的動態(tài)變化。6結(jié)論與討論(1)隨近年來奇臺縣地下水開采規(guī)模的不斷擴大，地下水位埋深逐年下降，年平均下降速度為0．42m/a，2006年達到最大埋深24．12m。同時，地下水位年內(nèi)變化明顯，主要受季節(jié)性的農(nóng)業(yè)開采的影響。地下水的月平均埋深與月開采量有著密切的相關(guān)關(guān)系。3月的多年平均埋深為16．95m，7月為19．93m，與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)周期同步