通遼平原區(qū)近35年地下水埋深及土地利用變化響應(yīng)關(guān)系研究

孫 標(biāo)，朱永華，張 生，史小紅，田偉東，劉志強(qiáng)，云 騰

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，呼和浩特 010018；2. 通遼市水利規(guī)劃設(shè)計研究院，內(nèi)蒙古 通遼市 028000；3. 內(nèi)蒙古錫林郭勒盟水文勘測局，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000)

在干旱半干旱地區(qū)，地下水資源是影響生態(tài)環(huán)境的重要敏感因子，影響著地區(qū)的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展[1]。目前，隨著地下水埋深的不斷加劇，有關(guān)土地利用/覆被變化(LUCC)對水文過程的影響以及衍生的資源環(huán)境問題研究陸續(xù)出現(xiàn)[2-4]。雷鳴等[5]通過研究黃淮海平原區(qū)LUCC對地下水資源量變化的影響，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)地下水蓄變量減少的原因是建設(shè)用地與耕地耗水強(qiáng)度的不斷增加。劉宇等[6]認(rèn)為LUCC是造成北京朝陽區(qū)地下水脆弱性變化的主要原因。WANG等[7]分析了黑河流域的LUCC對地下水時空變異性的響應(yīng)，認(rèn)為1985-2010年期間，研究區(qū)邊界的地下水埋深變化受農(nóng)田灌溉回灌影響較大，研究區(qū)中部地下水埋深變化與農(nóng)業(yè)用地擴(kuò)張和天然植被減少有密切聯(lián)系。所以，作為區(qū)域水文循環(huán)的重要組成部分，地下水對土地利用有較強(qiáng)的響應(yīng)作用。

西遼河流域通遼平原區(qū)是我國重要的糧食產(chǎn)地，耕地面積占平原區(qū)的30%以上[8]。研究區(qū)地表水資源匱乏，地下水資源是當(dāng)?shù)氐闹饕┧畞碓?，占供水量?0%以上。近幾十年來，因不斷地超采地下水資源，研究區(qū)地下水超采面積不斷增加，并逐漸形成了地下水漏斗區(qū)。然而，針對西遼河流域平原區(qū)地下水時空變異性的精確描述相對較少，如何更進(jìn)一步定量認(rèn)識LUCC對地下水埋深的影響程度，仍需要進(jìn)行深入的研究，從而為該區(qū)土地和水資源管理及生態(tài)保護(hù)提供理論支持。鑒于此，本文從研究區(qū)LUCC和地下水時空變異二者關(guān)系入手，采用地理統(tǒng)計分析等方法，對研究區(qū)1980-2015年期間的LUCC及地下水時空變異性進(jìn)行了精確描述，并對LUCC對地下水埋深的影響進(jìn)行了定量分析。地統(tǒng)計法與GIS方法的相結(jié)合可以作為一種探討土地利用與地下水資源空間變化關(guān)系的新方法，研究結(jié)果可為區(qū)域地下水資源管理和土地利用政策的制定提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

通遼平原區(qū)位于西遼河流域東部，松遼平原西部，地理位置為120°～124°E，42°～45°N之間，面積約3.3 萬km2(圖1)。通遼平原自西、西南、西北向東、東南、東北緩慢傾斜，呈波狀起伏[9]。處于半干旱季風(fēng)氣候區(qū)，降水時空分布不均，且呈減少趨勢，空間上自西北向東南增加，時間上80%的降水出現(xiàn)在6-9月[10]，多年平均風(fēng)速2.7～4.0 m/s。

通遼平原區(qū)屬西遼河水系，西遼河自西向東橫貫市區(qū)，主要支流包括老哈河、西拉木倫河、烏力吉木仁河、教來河、新開河等。目前，研究區(qū)內(nèi)大部分河流呈常年斷流狀態(tài)，僅從東北部科左中旗流入的烏力吉木仁河地表水資源相對豐富。區(qū)域地下水隔水層分別由第三系頂部的泥巖與第四系底部的黏土構(gòu)成，因此全區(qū)在垂向上可劃分為松散巖類孔隙含水層、碎屑巖孔隙-裂隙含水層(組)和基巖裂隙含水層(組)三大系統(tǒng)[11]。

圖2 地下水觀測井在不同土地利用類型(1980年時)的位置分布

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)內(nèi)75口地下水觀測井分布見圖1。地下水觀測井在不同土地利用類型(1980年時)的位置分布見圖2，其中65口位于耕地范圍內(nèi)，8口位于城鎮(zhèn)建筑用地內(nèi)，2口位于林地內(nèi)。地下水埋深數(shù)據(jù)來源于通遼市水文勘測局對上述75口井的1990-2015年實測資料，數(shù)據(jù)時間頻率為月，以每月三次測量求平均值。其他相關(guān)數(shù)據(jù)來源于通遼市水文局公布的水資源公報及相關(guān)文獻(xiàn)。

土地利用類型數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心下載(http:∥www.resdc.cn)，共獲取1990、1995、2000、2005、2010與2015年6期數(shù)據(jù)，該土地利用空間分布圖是以Landsat TM/ETM遙感影像為主要數(shù)據(jù)源，將全國土地利用類型劃分為6個Ⅰ級類，25個Ⅱ級類以及部分Ⅲ級類的產(chǎn)品[12,13]。本文運用ArcGIS10.0對已有土地利用空間分布圖進(jìn)行區(qū)域掩模提取與重分類(耕地、林地、草地、水體、建筑用地與未利用地)分析。

1.3 地統(tǒng)計分析

本文基于地下水埋深數(shù)據(jù)，應(yīng)用ArcGIS10.0軟件里的地統(tǒng)計分析模塊和半方差函數(shù)模型，對地下水埋深的空間分布和變異性進(jìn)行分析。地統(tǒng)計學(xué)是以空間分布特點的區(qū)域化變量理論為基礎(chǔ)，包含空間分布數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)性和隨機(jī)性、空間相關(guān)性和依賴性、空間格局與變異等[14]。

半方差函數(shù)是一種自相關(guān)統(tǒng)計量，定義為：

(1)

式中：r(h)為是區(qū)間距離類別h的半方差；z(xi)為xi點的實測樣本值；z(xi+h)為xi+h點的實測樣本值；n(h)為步長h所對應(yīng)樣本總數(shù)。

半方差函數(shù)的準(zhǔn)確性和適用性通過交叉驗證進(jìn)行檢測，驗證方法允許評估變異函數(shù)模型(類型，參數(shù)估計)擬合的精度，鄰域的適當(dāng)性和所使用的克里金類型。通過對插值和觀測值進(jìn)行比較，進(jìn)而選取最準(zhǔn)確的預(yù)測模型。與此同時，使用兩個參數(shù)評估半變差函數(shù)模型的適應(yīng)度：殘差平方和RSS和確定系數(shù)R2。

克里金法是一種最佳的局部插值方法，其在綜合考慮變量的隨機(jī)性和結(jié)構(gòu)性的前提下，根據(jù)采樣點分布和變差函數(shù)模型對研究對象進(jìn)行空間變化插值計算。本文選取普通克里金法插值法進(jìn)行分析計算，其方程公式如下：

(2)

式中：Z*(χp)為在位置χp克里格插值；Z*(χi)在位置χi實測值；λi為相關(guān)數(shù)據(jù)所對應(yīng)的權(quán)重；μ是拉格朗日乘子；γ(χiχj)為變差函數(shù)的值。

2 結(jié)果與分析

2.1 地下水變化特征分析

2.1.1 半方差函數(shù)模型計算、預(yù)測與驗證

地下水埋深的空間變異性分析結(jié)果見表1。經(jīng)理論模型的最優(yōu)擬合，得知1980和1995年的地下水埋深最佳擬合模型為指數(shù)模型，1990年為球形模型，其余年份均為高斯模型，計算的RSS值均較小，R2值均較大。表明理論模型較好地反映了研究區(qū)地下水埋深的空間結(jié)構(gòu)特征。

表1 不同年份地下水埋深值的半方差函數(shù)模型與參數(shù)

1980-1995年期間，塊金值與基臺值變化不明顯，不同年份的塊金值與基臺值之比分別為49.5%、50.0%和49.6%；空間自相關(guān)距離分別為3.24、3.29和3.71 km，呈增加趨勢，具有中等的空間相關(guān)性。這表明地下水埋深分布的空間異質(zhì)性除了由空間結(jié)構(gòu)引起外，隨機(jī)性因素也起到較明顯的作用。1995年以后，塊金值與基臺值上升趨勢明顯；不同年份的塊金值與基臺值之比分別為54.2%、46.1%、49.8%和45.1%，呈減少趨勢；空間自相關(guān)距離分別為4.72、4.80、4.93和5.57 km，呈增加趨勢，具有中等的空間相關(guān)性。這表明2000年以后，隨機(jī)性因素對于地下水埋深分布的空間異質(zhì)性變化作用減弱。

2.1.2 地下水埋深時空分布

基于ArcGIS軟件中地統(tǒng)計模塊所得到的各個參數(shù)值，由普通克里金插值法生成1980-2015年的地下水埋深時空分布圖(圖3)。由圖可知：隨著時間的推移，研究區(qū)地下水埋深值顯著增加趨勢，日漸在研究區(qū)中部形成兩個地下水超采區(qū)；研究區(qū)平均地下水埋深值由1980年的2.39 m，增加至2015年的6.23 m；中部科爾沁區(qū)和開魯縣的地下水埋深值相對較高，到2015年時個別觀測井地下水埋深值可達(dá)到15.6 m；西部的奈曼旗與庫倫和東部的扎魯特旗、科爾沁左翼中旗和科爾沁左翼后旗的地下水埋深值相對較低，其均值均在4 m左右。

根據(jù)表1的分析結(jié)果可知，在時間段上1995之前與之后其影響因素有一定的差異，由圖3分析得知，1980年、1990年和1995年的地下水埋深多年平均值分別為2.39、2.72和2.50 m，均小于3 m，李亞峰等[15]人利用8 m定埋深地中蒸滲儀的觀測數(shù)據(jù)得出降水補(bǔ)給地下水的最佳埋深為3 m以內(nèi)，隨著埋深的增加補(bǔ)給能力呈減小趨勢；可以說明通遼平原區(qū)在1995年及之前地下水有一定的下降，但降雨徑流對其的補(bǔ)給能力還較強(qiáng)。而2000年、2005年、2010年和2015年的地下水埋深值顯著增加，分別為3.09、4.22、5.58和6.23 m，與這一階段地下水持續(xù)開采有關(guān)，同時由于該時段的區(qū)域地下水埋深超過了3 m，降雨徑流對其的補(bǔ)給能力大大的削弱導(dǎo)致地下水埋深呈現(xiàn)快速下降趨勢。

2.2 土地利用類型變化特征分析

基于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心1990、1995、2000、2005、2010與2015年六期土地利用類型空間分布圖進(jìn)行分類統(tǒng)計見表2。

表2 1980-2015年間通遼平原區(qū)土地利用統(tǒng)計情況

由表2分析可知：1980-1995年期間，耕地、林地和建筑用地面積分別增加了14.90%、21.19%和22.77%，實際增加面積分別為1 298、185和148 km2；而這一時期草地減少了近2 068 km2，約13.36%。說明該時期主要的用地類型發(fā)生在草地向耕地的轉(zhuǎn)變，農(nóng)業(yè)區(qū)域擴(kuò)張明顯，不斷向周邊牧區(qū)滲透，同時城市化進(jìn)程明顯，城市周邊大量的土地被轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄖ玫?，耕地的擴(kuò)張增加了整個農(nóng)區(qū)的地下水的開采用量，城市化的進(jìn)程、工業(yè)的發(fā)展加大了城區(qū)集中位置的地下水用量，使得該時期的地下水開始呈現(xiàn)緩慢下降，城區(qū)位置出現(xiàn)較明顯的漏斗形狀，從圖3中也可以得到佐證。至于該時期的林地增加比例較多，主要原因為林地在整個通遼平原區(qū)占比很少，基數(shù)低，不屬于主要的用地類型，增加的185 km2并沒有特殊的指示作用。

從1995-2015年期間，研究區(qū)耕地和草地面積有一定的波動，但無明顯的增加減少趨勢；該時期變化最大的為水域，其面積由843 km2減少到675 km2，減少了約19.93%。主要原因與該時期農(nóng)牧業(yè)發(fā)展過程中各項政策調(diào)整有關(guān)，地方開始實施退耕還草等措施，限制了草地的減少和耕地的增加，而這一時期的水域大幅減少說明了干旱程度加劇，地表水體萎縮明顯。干旱、地下水持續(xù)開采及埋深超過3m的臨界線，這些因素使得地表降雨徑流對地下水的補(bǔ)給能力不斷降低，開發(fā)利用量遠(yuǎn)超過補(bǔ)給量，地下水埋深開始呈現(xiàn)快速下降趨勢。

2.3 地下水埋深與LUCC響應(yīng)關(guān)系

基于1980年和2015年的地下水埋深與土地利用類型統(tǒng)計數(shù)據(jù)，使用圖3中2015年減去1980年地下水埋深分布圖得出地下水埋深變化分布圖見圖4，對圖4中地下水埋深變化的不同區(qū)域進(jìn)行分區(qū)土地類型的統(tǒng)計見表3，用于分析地下水埋深與LUCC之間的響應(yīng)關(guān)系。

圖4 1980-2015年地下水埋深變化空間分布圖

由圖4和表3可看出，1980-2015年期間，研究區(qū)地下水埋深下降值呈現(xiàn)由中部區(qū)域向東西方向顯著減小趨勢，近60%的區(qū)域地下水埋深下降嚴(yán)重且超過了3 m，主要集中在中部科爾沁區(qū)、開魯縣和科爾沁左翼后旗等地區(qū)。原因為中部區(qū)域耕地面積多，占到通遼平原區(qū)整個耕地面積的近63%，比較大型的城鎮(zhèn)都集中在這個區(qū)域，人口密集，城區(qū)有一定的工業(yè)發(fā)展，用水量巨大造成的地下水位持續(xù)下降。相對于中部，西部和東部地區(qū)地下水埋深下降幅度較小(小于3 m)，面積約為1.26 萬km2，原因與區(qū)域其土地利用類型及地形等因素有關(guān)。

表3 1980-2015年不同地下水埋深變化范圍的土地類型變化

3 討 論

3.1 地下水埋深變化成因

農(nóng)業(yè)用地的擴(kuò)張必然導(dǎo)致水資源消耗的上升，特別是地下水資源的消耗。研究區(qū)地表水匱乏，1980-1995年期間，西遼河通遼站斷流天數(shù)達(dá)2 223 d，平均年徑流量為5.34 億m3；1996-2000年間斷流天數(shù)817 d，平均年徑流量4.93 億m3；2000年以后，則常年處于斷流狀態(tài)[16]。地下水開采方面，通遼平原區(qū)1963年機(jī)電井僅123 眼，2012年達(dá)10萬多眼，增長約800多倍，其中，1999-2005年期間的增長速度為每年新增8 500～9 500 眼[17]，2012年以后，政府加強(qiáng)了節(jié)水灌溉建設(shè)等方面的現(xiàn)代農(nóng)牧業(yè)發(fā)展方式，縮減機(jī)電井?dāng)?shù)量近3萬眼。所以，通遼平原區(qū)的地下水埋深變化與工農(nóng)業(yè)取用水有直接的關(guān)系，土地利用中耕地的增加進(jìn)一步強(qiáng)化了這種作用。

在降雨徑流補(bǔ)給地下水方面，1980-1998年期間區(qū)域降雨處于豐水期，且地下水埋深小于3 m，所以地下水在開采利用的同時有較好恢復(fù)能力，1999年以來，區(qū)域連續(xù)6年干旱少雨，全市有7座大中型水庫和70多座小型水庫干枯，大部分河水?dāng)嗔鱗18]。張熙庭等人通過1960-2015年內(nèi)蒙古地區(qū)46個氣象站點的觀測數(shù)據(jù)分析研究，認(rèn)為西遼河流域平原區(qū)干旱趨勢持續(xù)加劇[19]，朱永華等人研究發(fā)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)土壤包氣帶的變化也減少了地下水資源補(bǔ)給量，致使降水對地下水補(bǔ)給作用顯著減弱[20]。所以，1995年以后，研究區(qū)地下水埋快速下降，除了受人為因素影響外(土地利用類型變化、上游河道工程攔蓄等)，區(qū)域氣候等自然因素也是地下水埋深變化的重要原因之一[18,21]。

3.2 地下水埋深與LUCC響應(yīng)關(guān)系成因

近35年來，地下水埋深下降值超過3m的區(qū)域主要集中在通遼平原區(qū)中部，表3可知，3～7 m的下降區(qū)內(nèi)耕地面積增加了近995 km2，草地減少了近967 km2，建筑用地增加了近71 km2，增減量是地下埋深下降0～3 m區(qū)域的1倍左右，說明中部區(qū)域的農(nóng)田開墾和城鎮(zhèn)開發(fā)力度是最強(qiáng)的，地下水資源開采力度也遠(yuǎn)高于東西兩端區(qū)域。

相比于圖4中的中部區(qū)域，西部區(qū)域土地利用類型主要為草地，對地下水開采程度較小，所以地下水埋深下降也相對較小。東部土地利用類型主要為耕地和草地混合，有一定地下水開采量，其下降較小與兩方面因素有關(guān)：第一，該地區(qū)屬通遼平原區(qū)地勢最低處，有利于地下水補(bǔ)給恢復(fù)；第二，在通遼平原區(qū)內(nèi)降水空間分布不均，西部降水量少，而東部降水量多[19]，地表水資源相對豐富，部分農(nóng)灌用水使用地表水，所以，東部區(qū)域地形、降水都有利于增加該地區(qū)地下水的補(bǔ)給，并相應(yīng)地減少了地下水開采與利用量。

3.3 地下水水質(zhì)與LUCC的響應(yīng)關(guān)系

研究區(qū)地下水的補(bǔ)給源主要是降水入滲補(bǔ)給[22]。降水通過在土壤中進(jìn)行溶濾、濃縮和離子交換等一系列作用，最終進(jìn)入地下水，并改變著地下水化學(xué)組分。隨著研究區(qū)建筑用地的上升，城市污廢水及固體廢物的排放持續(xù)增加，污染物通過地表徑流和入滲進(jìn)而污染地下水，致使地下水環(huán)境有惡化趨勢，近年來重金屬檢出率較高[23]。

作為典型的農(nóng)牧交錯帶地區(qū)，研究區(qū)耕地面積不斷擴(kuò)大，大量化肥農(nóng)藥被應(yīng)用于提高糧食產(chǎn)量，這些物質(zhì)隨著灌溉回水及降水淋溶等進(jìn)入地下水體，致使地下水在不同程度上也遭受“三氮”及其他污染物污染[23,24]。

4 結(jié) 論

(1)通遼平原區(qū)1980-2015年期間，研究區(qū)地下水埋深值顯著增加趨勢，在研究區(qū)中部形成兩個地下水超采區(qū)，研究區(qū)平均地下水埋深值由1980年的2.39 m，增加至2015年的6.23 m；中部科爾沁區(qū)和開魯縣的地下水埋深值相對較高，個別觀測井地下水埋深值2015年可達(dá)到15.6 m。

(2)通遼平原區(qū)1980-1995年期間，耕地和建筑用地面積分別增加14.90%和22.77%，而草地面積相應(yīng)減少13.36%，農(nóng)田開墾和城鎮(zhèn)化進(jìn)程明顯；1995-2015年期間，研究區(qū)耕地和草地面積無明顯變幅，這與退耕還草等政策的實施有一定關(guān)系，該時期變化最大的為水域，面積減少了約19.93%，干旱趨勢加劇。

(3)土地利用類型與地下水的時空變化關(guān)系較為明顯，土地利用類型是地下水埋深變化的重要驅(qū)動力之一，土地利用類型的變化加劇了研究區(qū)地下水埋深的變化，研究區(qū)耕地擴(kuò)張和城鎮(zhèn)工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對地下水埋深影響顯著。隨著工農(nóng)業(yè)進(jìn)一步的發(fā)展，氣候的暖干化，通遼平原區(qū)的地下水開采量可能將進(jìn)一步增加，地下水埋深也可能將繼續(xù)增加，水資源的管理部門應(yīng)予以重視。

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