瑪納斯河流域平原區(qū)垂向交錯帶地下水的演變規(guī)律及驅(qū)動力的分析

楊廣,陳伏龍,何新林,李俊峰,崔偉敏

(1石河子大學水利建筑工程學院/現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團重點實驗室,石河子832003;2河北工程技術(shù)高等專科學校,滄州,061001)

瑪納斯河流域平原區(qū)垂向交錯帶地下水的演變規(guī)律及驅(qū)動力的分析

楊廣1,陳伏龍1,何新林1,李俊峰1,崔偉敏2

(1石河子大學水利建筑工程學院/現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團重點實驗室,石河子832003;2河北工程技術(shù)高等?？茖W校,滄州,061001)

干旱區(qū)內(nèi)陸河流域的地下水具有重要的生態(tài)地質(zhì)作用。以瑪納斯河流域平原區(qū)垂向交錯帶為研究對象,分析了人類活動影響下研究區(qū)地下水演變的規(guī)律及變化,并采用主成分分析法對研究區(qū)地下水的影響因子進行驅(qū)動力分析。研究結(jié)果表明:在人類活動的影響下,研究區(qū)地下水位有下降趨勢,地下水水位年內(nèi)變化幅度減小,灌溉用水和蒸發(fā)強度是影響研究區(qū)地下水位的主要因素。

瑪納斯河流域;垂向交錯帶;地下水;主成分分析

干旱區(qū)內(nèi)陸河流域的地表水、地下水相互轉(zhuǎn)化頻繁,地表水為地下水的最主要補給來源,而地下水作為地表水資源不足時的補給水源,具有十分重要的生態(tài)地質(zhì)作用[1-5]。因此,了解地下水資源的特征,對于地下水資源合理開發(fā)利用、社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展以及改善生態(tài)環(huán)境具有重要意義。王浩[6]對我國西北地區(qū)水資源合理配置和承載能力研究;李文鵬[7]對西北內(nèi)陸干旱盆地地下水排泄方式進行了分析;邵景力[8]對瑪納斯河流域山前平原地下水系統(tǒng)進行了分析,并建立數(shù)值模擬模型;張軍民[9]在瑪納斯河流域水資源及水文循環(huán)二元分化研究中指出,平原區(qū)水循環(huán)發(fā)生了以人工水循環(huán)為主導的二元分化,人工綠洲水分垂向循環(huán)加強,天然綠洲及過渡帶水平方向徑流通量減少;劉志明[10]運用同位素混合模型對瑪納斯河流域平原區(qū)水資源組成和水循環(huán)進行了分析研究;此外,郭占榮(2001)、呂博(2006)、陳亞寧 (2007)、金曉媚 (2008)、張茂省(2008)等分別對瑪納斯河流域地下水資源合理開發(fā)與保護進行了研究[11-15]。

以上研究大多注重流域地下水資源的宏觀分析,對流域地下水眾多影響因素的深入分析研究較少。針對此科學問題,本研究在前人研究的基礎上,定量分析了人類活動影響下研究區(qū)地下水演變規(guī)律,同時采用主成分分析對研究區(qū)地下水驅(qū)動力影響因子進行了深入分析,得出了影響平原區(qū)垂向交錯帶地下水的主要因素,以期為流域地下水資源的保護提供科學依據(jù),進一步促進流域水資源可持續(xù)發(fā)展。

圖1 莫索灣灌區(qū)地下水觀測井網(wǎng)布置圖Fig.1 Research area position and subarea

1 研究區(qū)概況

瑪納斯河流域位于新疆天山北麓,流域面積約3.1萬 km2,年平均徑流量12.8億 m3。流域內(nèi)最大河流瑪納斯河發(fā)源于天山北坡,長約400 km,是天山北麓最長、流量和流域面積最大的內(nèi)陸河流[6]。流域分為山地、山前平原和沙漠三大地貌類型,其中山前平原區(qū)由南至北分為3種水文地質(zhì)單元:水平徑流帶、溢出帶和垂向交替帶。

本文研究區(qū)山前平原區(qū)垂向交替帶位于平原水庫以下的瑪納斯沖積平原上,地理位置坐標 E86°00′～86°42′,N44°26′～45°11′。研究區(qū)內(nèi)主要是農(nóng)八師莫索灣灌區(qū),包含農(nóng)八師147團、148團、149團和150團4個大型農(nóng)牧團場,是瑪納斯河流域重要的糧棉產(chǎn)地。該灌區(qū)地下水觀測井網(wǎng)布置如圖1所示。研究區(qū)地下水水文特征為:

1)水平徑流微弱,而以垂向徑流和交替為主。上層潛水表現(xiàn)為地下水位埋深淺,大量接受地表水的補給和蒸發(fā)排泄;下部承壓含水層的唯一補給源為上游含水層的側(cè)向補給。

2)天然狀態(tài)下主要排泄方式是向上部潛水含水層越流,而人工開采改變了承壓含水層原有的徑流模式,減少了對潛水含水層的補給量。

2 人類活動影響下地下水位的變化

由于特殊的地理位置和自然地理條件,處于內(nèi)陸干旱區(qū)的瑪納斯河流域其顯著的特點為“荒漠綠洲,灌溉農(nóng)業(yè)”[17]。2001年以前,灌區(qū)灌溉方式主要為漫灌;自2001年始,灌區(qū)大面積推廣節(jié)水灌溉技術(shù),但是由于地下水的補給較少,灌溉面積增加迅速,地下水開采量依然很大,地下水水位大體呈下降趨勢。

2.1 地下水年內(nèi)變化

2.1.1 地下水年內(nèi)變化

見圖2和圖3。由圖2和3可見:

1)90年代末,147團年平均地下水埋深3.5 m～4.5 m,變幅為1 m,地下水最大埋深為5 m;148團平均地下水埋深1.6 m～2.2 m,變幅為0.6 m,最大埋深為2.7。

2)地下水位年內(nèi)變化顯著;2007年,地下水位年內(nèi)變化程度減弱,147團地下水平均埋深維持在3.5m左右,最大埋深4.5 m。148團地下水平均埋深維持在2.7 m左右,最大埋深為4.5 m。

3)148團地下水位逐年呈下降趨勢,地下水平均埋深由1999年的2.16 m下降至2008年的2.73 m,下降幅度為26.39%;147團地下水位近10年呈緩慢上升態(tài)勢,主要由于水利工程的修建,147團上游四庫一渠水量的滲透補給。

圖2 147團地下水埋深與灌溉水量關(guān)系Fig.2 Relation of ground water level and irrigation water in 147 group(1998、2007)

圖3 148團地下水埋深與灌溉水量關(guān)系Fig.3 Relation of ground water level and irrigation water in 148 group(1999、2008)

2.1.2 變化規(guī)律的分析

灌溉對地下水影響主要表現(xiàn)為:1～2月大地封凍,為農(nóng)閑季節(jié),地表水補給地下水的很少,地下水位明顯下降,為一年中第1個低潮期;4～5月氣溫轉(zhuǎn)暖,冰雪融化和春季灌溉水的入滲補給,使地下水位急劇上升為一年中第1個高峰期;6～8月農(nóng)田夏季作物灌溉,灌溉用水量增加,且氣溫炎熱、蒸發(fā)量大,加之電機井大量抽水,地下水位滯后下降為一年中第2個低潮。進入9月以后,作物收獲,灌溉水量減少,氣候轉(zhuǎn)冷,降水量增多,蒸發(fā)量明顯減少,水庫的庫容量增多,長達5個多月的滲透水,墾區(qū)內(nèi)冬灌引水的補給,地下水位回升為一年中第2個高峰期。

90年代末,灌區(qū)灌溉主要以漫灌為主,地下水埋深受灌溉影響顯著。20世紀以來,隨著灌區(qū)大面積節(jié)水灌溉的實施,灌溉對地下水的補給作用減弱,體現(xiàn)為地下水位年內(nèi)變化幅度減小。

2.2 地下水年際變化

見圖4。由圖4可知:在人類活動的影響下,147團2001年地下水位以前呈下降趨勢,2001年后呈緩慢升高趨勢,2001地下水平均埋深最大,為4.5 m;148團地下水位逐年呈下降趨勢,地下水平均埋深由1999年的2.16 m下降至2008年的2.73 m,下降幅度為26.39%。位于荒漠邊緣的150團近10年來灌溉面積逐年穩(wěn)步增大,地下水位逐年降低,150團地下水位呈下降態(tài)勢,地下水平均埋深由1998年的8 m下降至2007年的11 m,下降幅度為37.5%。

圖4 150團地下水埋深與灌溉水量關(guān)系(1998-2007)Fig.4 groundwater depth interannual variation in 147 group(1998-2007)

3 人類活動影響下地下水驅(qū)動力分析

3.1 地下水驅(qū)動力影響因子的初定

1)氣象因素:主要有蒸發(fā)量和降水量;

2)排泄因素:主要由灌溉用水量和地表水用水量兩個指標反映;

3)補給因素:主要由上游肯斯瓦特站徑流量反映。

數(shù)據(jù)來源如下:蒸發(fā)量數(shù)據(jù)采用莫索灣氣象站月平均蒸發(fā)量(1999-2007年),降水量數(shù)據(jù)采用莫索灣氣象站月均降水量(1999-2007),灌溉用水量數(shù)據(jù)采用各團場月灌溉用水量(1998-2008年),地表水用水量數(shù)據(jù)采用各團場場口引水量(1998-2008年),肯斯瓦特站徑流量數(shù)據(jù)來源肯斯瓦特水文站月均流量(1999-2007年)。

3.2 主成分分析法

本研究應用SPSS12.0軟件對地下水影響因素進行主成分分析,數(shù)據(jù)分析包括相關(guān)系數(shù)矩陣、特征值、主成分貢獻率與累積貢獻率、因子旋轉(zhuǎn)載荷矩陣和主成分特征向量矩陣。

3.3 主成分綜合模型

表1給出了平原區(qū)各因子特行政值及主成分貢獻率,主成分載荷矩陣見表2。用表2中的數(shù)據(jù)除以主成分相對應的特征值(表1)開平方根便得到兩個主成分中每個指標所對應的系數(shù),得出兩個主成分的數(shù)學模型,以每個主成分所對應的特征值占所提取主成分總的特征值之和的比例作為權(quán)重計算主成分綜合模型為:

表1 平原區(qū)各因子特征值及主成分貢獻率Tab.1 Factors eigenvalue and contribution rate in plain of Manas River basin

表2 主成分載荷矩陣Tab.2 Principal components load matrix

3.4 主成分分析的結(jié)果

通過對影響因子主成分分析及主成分分析模型的計算,可以得出如下結(jié)論:

1)由表1可得:第一和第二主成分的累計貢獻率已達到或者接近85%。根據(jù)主成分個數(shù)的提取原則:主成分對應的特征值大于1或者累計貢獻率大于85%的前m個主成分?？芍?m=2,這兩個主成分基本包含了全部指標具有的信息,信息損失量只有15%。

2)由表2可知:農(nóng)八師 147團、148團、149團、150團對地下水兩個主成分中,第一主成分除蒸發(fā)量D1外,主要與灌溉用水D3、地表水用水量D4、徑流量D5、呈較強的正相關(guān),第二主成分主要與降水量D2呈較強的正相關(guān)。因此,可以認為,第一主成分綜合反映了地下水的補給與排泄量,即人為活動因素的影響;第二主成分綜合反映了地下水的自然因子,即自然因素的影響。

3)由主成分綜合模型可知:灌溉用水量和蒸發(fā)強度是影響研究區(qū)地下水的主要因素。各影響因子 對各團地下水埋深影響排序由大到小如下:

表3 瑪納斯河流域平原區(qū)地下水影響因子排序表Tab.3 Plain ground water influence factor taxis in Manas river basin

4 結(jié)論

1)地下水位年內(nèi)變化幅度由90年代末變化顯著轉(zhuǎn)變?yōu)槟壳暗哪陜?nèi)變化不明顯。這是由于90年代末灌區(qū)灌溉主要以漫灌為主,地下水受灌溉水補給作用影響顯著。20世紀以來,隨著灌區(qū)大面積節(jié)水灌溉的實施,灌溉對地下水的補給作用減弱,體現(xiàn)為地下水位年內(nèi)變化幅度減小。

2)地下水位年際變化147團地下水位略有升高。這是由于147團上游四庫一渠水量的滲透補給穩(wěn)定;148團、149團、150團地下水位均有所下降,其中位于荒漠邊緣的150團地下水位下降幅度最大,這是由于灌溉面積的不斷擴大,地下水開采成為灌溉用水高峰期彌補灌溉用水不足的唯一途徑。

3)灌溉用水量和蒸發(fā)強度是影響研究區(qū)地下水的主要因素。不同團場地下水驅(qū)動力主要影響因素有所不同:147團地下水埋深影響因素較大因素是灌溉用水量和蒸發(fā)量,上游徑流量補給影響次之,降水量對地下水埋深影響最小。影響因素體現(xiàn)在自然—人工的雙重影響;148團地下水埋深影響因素較大的是蒸發(fā)量和上游的徑流量,降水和灌溉用水量影響較小。影響因素主要體現(xiàn)在上游徑流量對地下水的補給;149團地下水埋深影響因素主要體現(xiàn)在兩個方面,一方面是地下水開采量的影響;另一方面則是蒸發(fā)強度影響;150團地下水埋深影響因素較大的是灌溉用水量和地表水用水量。據(jù)研究,一般潛水位埋深大于4 m的地區(qū)潛水蒸發(fā)很小。150團潛水埋深大于4 m,因此自然因素如降水、蒸發(fā)的影響相對地下水埋深影響較小。

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The Groundwater Evolution Trend and Driving Forces Analysis of the Plain Areas in the Manas River Basin

YANG Guang,CHEN Fulong,HE Xinlin
(1 College of Water Conservancy&Architectural Engineering/Xinjiang Production&Construction Corps Key Laboratory of Modern Water-Saving Irrigation,Shihezi University,ShiHezi University,Shihezi 832003,China;2 College of Hebei Engineering ard Technical,Congzhou 06100l,China)

Groundwater in arid inland river basins play an important role in the ecological environment.The groundwater evolution is changing due to the influenced of human activities.In this paper,we take the Manas River Basin in Northwest China as the study case to investigate the water level of arid area inland river basins.We find that water levels in different subareas have different evolution trends with the influence of human activities.The groundwater level dropped fiercely at the edge of desert and the vegetation coverage degenerates seriously.However,the groundwater level of subarea chosen to reservoir downstream rises appreciably and salinification land areas enlarged.At the same time,groundwater level change in each year decreased because of the water saving irrigation.Then we analyzed main factors in groundwater evolution trend through principal component analysis.The results showed that irrigation and evaporation are the main factors for groundwater level in the study area.The result has great significance for groundwater protection and sustainable development.

the Manas River Basin;water level evolution;groundwater;principal component analysis

S562;Q78

A

1007-7383(2011)02-0248-05

2010-12-06

國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)項目(2010CB951004);國家自然科學基金項目(51069011)

楊廣(1983-),男,講師,從事水資源開發(fā)利用與管理研究;e-mail:mikeyork@163.com。

何新林(1966-),男,教授,從事農(nóng)業(yè)水資源高效利用方向的研究;e-mail:hexinlin2002@163.com。