2000-2020年昌吉州東部平原區(qū)地下水位埋深對(duì)土地利用及干旱時(shí)空演變的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

劉 坤， 高 凡， 吳 彬， 胡 鑫

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052；2.新疆水利工程安全與水災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830052)

在年降水量<500 mm的干旱半干旱地區(qū)，水資源短缺是影響該地區(qū)灌溉農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵約束。此類地區(qū)蒸發(fā)量大，地表水資源無法滿足用水需求，地下水資源成為農(nóng)業(yè)、生活和工業(yè)用水的主要水源。過度開采地下水導(dǎo)致地下水位下降，引起諸多地質(zhì)與生態(tài)環(huán)境問題。地下水位埋深(ground water depth，GWD)對(duì)氣候變化和人類活動(dòng)較為敏感，其變化可較好反饋地下水資源狀況，是地下水資源管理的合理管控指標(biāo)之一。影響地下水位埋深的自然因素包括降水、地表徑流、蒸發(fā)、潮汐運(yùn)動(dòng)和地球板塊擠壓造成的地震等，非自然因素主要指水土資源開發(fā)導(dǎo)致的土地利用與覆被變化(land use and cover change，LUCC)。值得關(guān)注的是，近年來全球和區(qū)域尺度的干旱特征呈增加趨勢(shì)，干旱過程也發(fā)生了變化。如發(fā)生在作物生長季的降水虧缺同時(shí)伴隨高溫?zé)崂耍瑥?qiáng)烈的太陽輻射導(dǎo)致蒸散發(fā)增加、土壤濕度降低、徑流量減少，進(jìn)一步增加地下水資源開采量。因此，基于上述背景，研究地下水位埋深變化對(duì)不同時(shí)間尺干旱與LUCC變化的響應(yīng)規(guī)律和時(shí)空差異特征，綜合評(píng)估干旱和LUCC對(duì)區(qū)域地下水位埋深變化的影響尤為重要，可為區(qū)域地下水位管控和地下水資源的保護(hù)管理提供科學(xué)決策支撐。目前，關(guān)于區(qū)域地下水位埋深變化及其原因分析的已有研究成果中，主要集中在地下水位長系列監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間序列方法分析及以定性分析為主的驅(qū)動(dòng)因素識(shí)別，鮮有聯(lián)合研究區(qū)域干旱特征變化和LUCC對(duì)地下水位埋深影響的綜合效應(yīng)及地下水位埋深變化對(duì)LUCC和干旱的時(shí)空動(dòng)態(tài)響應(yīng)關(guān)系。

新疆昌吉州東部平原區(qū)位于天山北麓、準(zhǔn)噶爾盆地東南緣，新疆昌吉回族自治州東部，地處天山北坡經(jīng)濟(jì)帶腹地，地表水資源匱乏，灌溉農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，地下水是主要灌溉水源，由于長期大量開采地下水，昌吉州東部為新疆劃定的15個(gè)地下水超采區(qū)之一，為嚴(yán)重超采區(qū)，超采面積5 895 km，其中嚴(yán)重超采區(qū)面積4 683 km，超采量為43 876萬m。綜合分析該區(qū)地下水位埋深變化對(duì)LUCC及干旱時(shí)空動(dòng)態(tài)響應(yīng)關(guān)系，明晰地下水位埋深變化原因，對(duì)于當(dāng)?shù)氐叵滤蓞^(qū)綜合治理和地下水資源有效管控具有突出現(xiàn)實(shí)意義和科學(xué)價(jià)值。基于此，本文選取昌吉州東部平原區(qū)2000年、2005年、2010年、2015年、2020年5期遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行土地利用動(dòng)態(tài)與分形特征分析，結(jié)合研究區(qū)2000-2020年區(qū)域4個(gè)氣象站統(tǒng)計(jì)的多尺度標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散發(fā)指數(shù)(standardized precipitation evaporation index，SPEI)，依據(jù)同期78眼地下水監(jiān)測(cè)井月尺度地下水位埋深數(shù)據(jù)資料，分析不同時(shí)空尺度下研究區(qū)地下水位埋深對(duì)LUCC及SPEI的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征和差異性規(guī)律，探討研究區(qū)土地利用變化與干旱變化趨勢(shì)對(duì)地下水埋深變化的綜合影響，為研究區(qū)地下水超采綜合治理和地下水位管控提供決策支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

昌吉州東部平原區(qū)位于新疆維吾爾自治區(qū)昌吉回族自治州東部，在3縣(木壘縣、奇臺(tái)縣、吉木薩爾縣)、1市(阜康市，為縣級(jí)市)行政區(qū)內(nèi)(圖1)，屬于典型大陸性干旱氣候，年均氣溫6.7 ℃，年降水量188.86 mm，年蒸發(fā)量1 988.5 mm，生態(tài)環(huán)境敏感脆弱。由于天山北坡山前沉積了巨厚的第四紀(jì)松散堆積物，地下水主要儲(chǔ)存在盆地南緣的松散堆積物中。沿天山北麓呈狹長帶狀分布著大小不等、新老重疊的沖洪積扇，地層巖性從沖洪積扇上部、中部到下部至扇緣，從卵礫石、砂礫石到粒徑較小的粉細(xì)砂、粉土等，含水層富水性自南向北或東南向西北由強(qiáng)變?nèi)酰叵滤宦裆钜灿筛叩降头植?。平原區(qū)地下水補(bǔ)給主要接受地表水轉(zhuǎn)化補(bǔ)給，山前側(cè)向徑流補(bǔ)給及少量的降雨入滲補(bǔ)給，徑流方向由山前傾斜平原，從南向北流至下游細(xì)土平原及沙漠區(qū)，潛水水力坡度為2‰。在沖洪積扇緣，地下水徑流受阻，多形成泉水溢出帶，或通過中下部含水層向下徑流。地下水排泄主要方式為人工開采地下水，以及少量潛水蒸發(fā)及側(cè)向排泄。

圖1 研究區(qū)地理位置、氣象站及監(jiān)測(cè)井分布

1.2 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

氣象數(shù)據(jù)選取研究區(qū)內(nèi) 2000-2020年4個(gè)氣象站點(diǎn)(阜康、吉木薩爾、奇臺(tái)、木壘氣象站)的日氣象數(shù)據(jù)(包括累積降水、平均氣溫、平均相對(duì)濕度、逐日風(fēng)速、日照時(shí)間等)，氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)(http://data.cma.cn)。

選取的遙感影像數(shù)據(jù)源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn)，分辨率30 m，包括2000年、2005年、2010年的Landsat-TM/ETM遙感影像數(shù)據(jù)及2015年、2020年的Landsat8遙感影像數(shù)據(jù)，根據(jù)中國土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)分類體系，并考慮研究區(qū)實(shí)際地物分布與遙感影像解譯的可能性，將其劃分為耕地、林地、草地、水域、城鎮(zhèn)用地用地、其他未利用地6類土地利用類型。

研究區(qū)地下水位埋深數(shù)據(jù)收集自研究區(qū)各地州(市)平原區(qū)78眼監(jiān)測(cè)井2000—2020年實(shí)測(cè)月尺度埋深數(shù)據(jù)，以上地下水位埋深數(shù)據(jù)均由昌吉州水資源中心提供。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用變化分析

(1)土地利用動(dòng)態(tài)度。土地利用動(dòng)態(tài)度指在某一區(qū)域一定時(shí)間內(nèi)不同土地利用類型和數(shù)量的變化情況，可以反映出區(qū)域內(nèi)土地利用類型的變化劇烈程度。

(1)

式中：為研究時(shí)段內(nèi)某一土地利用類型動(dòng)態(tài)度；、分別為研究期初及研究期末某一種土地利用類型的數(shù)量；為研究時(shí)段長，當(dāng)?shù)臅r(shí)段設(shè)定為年時(shí)，的值就是該研究區(qū)某種土地利用類型年變化率。

(2)分形維數(shù)。分形維數(shù)是對(duì)某一結(jié)構(gòu)的自相似性特征進(jìn)行量化表達(dá)的指標(biāo)，能夠反映一個(gè)分形體的不規(guī)則程度。利用分形維數(shù)既可以對(duì)該結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性進(jìn)行定量測(cè)度，也可以對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行表征參量。研究土地利用空間結(jié)構(gòu)的分形特征，主要是定量描述其面積的大小及其邊界線的曲折程度，基于已知的各土地利用類型的周長、面積等信息，采用周長—面積法擬合出面積關(guān)于周長的雙對(duì)數(shù)回歸分析模型，計(jì)算步驟為：

(2)

式中：()為斑塊面積(m)；為分形維數(shù)，一般情況下，∈[1，2]，越大，該類用地規(guī)則程度越低，其結(jié)構(gòu)越復(fù)雜；()為斑塊周長(m)；為常數(shù)。

基于分形維數(shù)()計(jì)算得到穩(wěn)定性指數(shù)()，并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，確定系數(shù)()均大于0.9 則結(jié)果可信，計(jì)算公式為：

=|15-|

(3)

式中：為穩(wěn)定性指數(shù)，∈[0，0.5]，越大，該類用地越趨于穩(wěn)定狀態(tài)；為分形維數(shù)。

1.3.2 標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散發(fā)指數(shù)的計(jì)算 標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(standardized precipitation index，SPI)、Palmer干旱指數(shù)(palmer drought severity index，PDSI)、標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散發(fā)指數(shù)(SPEI)被廣泛用于監(jiān)測(cè)和評(píng)估干旱程度，而標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散發(fā)指數(shù)(SPEI)的優(yōu)勢(shì)在于其結(jié)合了標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI的多尺度效用與Palmer干旱指數(shù)對(duì)溫度和降水的敏感性，因此本研究選用SPEI指標(biāo)評(píng)估研究區(qū)氣候的干旱程度。其計(jì)算步驟為:

(1)計(jì)算潛在蒸散量。

(2)確定不同時(shí)間尺度下降水量()與蒸散量(PET)的差值累積。

(3)對(duì)(2)得到的結(jié)果使用log-logistic概率分布，得到SPEI系列數(shù)據(jù)。

根據(jù)國家氣候干旱等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，劃分為5個(gè)等級(jí)，見表1。

表1 基于SPEI的干旱等級(jí)劃分

1.3.3 地下水位埋深空間插值 對(duì)研究區(qū)內(nèi)2000—2020年78眼地下水位埋深監(jiān)測(cè)井實(shí)測(cè)月均埋深數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并采用Kriging插值方法對(duì)監(jiān)測(cè)井實(shí)測(cè)埋深數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值，得到地下水位埋深時(shí)空分布的柵格數(shù)據(jù)。

1.3.4 Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法 Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法(以下簡稱M-K法)是目前水文氣象數(shù)據(jù)分析常用的一種檢驗(yàn)時(shí)間序列的變化趨勢(shì)特征、顯著性及突變點(diǎn)的時(shí)間序列檢驗(yàn)方法，具體步驟見文獻(xiàn)[24]。

1.3.5 相關(guān)性分析法 秩相關(guān)系數(shù)法又稱等級(jí)相關(guān)系數(shù)法，是衡量時(shí)間序列變化趨勢(shì)在統(tǒng)計(jì)上有無顯著性的常用方法，其原理是將兩因子的樣本值從小到大按順序排列位次，以各因子樣本值的位次代替實(shí)際數(shù)據(jù)加以計(jì)算，得到結(jié)果評(píng)價(jià)顯著性。對(duì)于相關(guān)性分析，本文選用Spearman秩相關(guān)系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 2000-2020年研究區(qū)地下水位埋深時(shí)空動(dòng)態(tài)變化

2.1.1 時(shí)間尺度變化 本著研究區(qū)地下水監(jiān)測(cè)井長系列數(shù)據(jù)完整及選點(diǎn)均勻的原則，選擇阜康市漁兒溝水源地監(jiān)測(cè)井(fk11)、吉木薩爾縣基18監(jiān)測(cè)井(jmse18)、奇臺(tái)縣喬仁鄉(xiāng)農(nóng)3村監(jiān)測(cè)井及木壘縣潛23(ml23)為研究區(qū)典型監(jiān)測(cè)井，并繪制2000-2020年地下水埋深變化圖。通過研究區(qū)78眼監(jiān)測(cè)井地下水位埋深平均降幅變化及4眼典型監(jiān)測(cè)井地下水位埋深年際變化(圖2)可以看出，研究區(qū)2000-2020年地下水位埋深平均降幅呈持續(xù)增加趨勢(shì)，其中2000-2005年地下水位埋深平均降幅變化不顯著，2006-2014年平均降幅呈顯著增加趨勢(shì)，在2014年、2015年下降趨勢(shì)減緩，自2017年、2018年下降速率開始增大；大部分監(jiān)測(cè)井分布于昌吉州灌區(qū)內(nèi)，地下水動(dòng)態(tài)類型以開采型與徑流-開采型為主，選取的4眼典型監(jiān)測(cè)井下降幅度不盡相同，但地下水位埋深總體呈下降趨勢(shì)，且多年降幅均在10 m以上，時(shí)間尺度變化特征與地下水位埋深平均降幅變化表現(xiàn)一致。

圖2 昌吉州東部平原區(qū)2000-2020年地下水埋深平均降幅(較2000年)及典型監(jiān)測(cè)井地下水埋深變化

2.1.2 空間尺度變化 為分析地下水空間分布變化特征，將2000-2020年研究區(qū)地下水位埋深進(jìn)行空間插值。由圖3可知，研究區(qū)2020年地下水位埋深分布呈北向南逐漸增加特征，變化符合地形變化趨勢(shì)，北部靠近山區(qū)，在沖洪積扇上部，以卵礫石、砂礫石為主，結(jié)構(gòu)單一、顆粒粗大，含水層厚度大，中南部位于沖洪積扇中段、下部至扇緣，含水層顆粒逐漸變細(xì)，區(qū)域內(nèi)地下水位埋深分布空間差異性較大，且東南部地下水位埋深>50 m分布面積較大。對(duì)比分析2000年，2005年、2010年、2015年及2020年地下水位埋深分布可以看出，2000-2005年地下水位埋深分布無較大變化；2005-2010年間研究區(qū)東南部地下水位埋深顯著增加，21～30，31～40 m地下水位埋深面積顯著增加，且>80 m地下水位埋深面積開始于研究區(qū)南部出現(xiàn)；2010-2015年中西部、東南部1～10，21～30 m地下水位埋深面積顯著減少，中西部>30 m、東南部51～60，71～80，81～90，91～100 m地下水位埋深面積顯著增加；2015-2020年研究區(qū)局部區(qū)域地下水位埋深呈恢復(fù)趨勢(shì)，但其東部21～30，41～50，51～60 m地下水位埋深面積呈顯著增加趨勢(shì)。

圖3 昌吉州東部平原區(qū)2000-2020年地下水埋深時(shí)空分布

2.2 研究區(qū)地下水位埋深對(duì)土地利用變化的響應(yīng)

2.2.1 2000-2020年研究區(qū)LUCC分析 基于ArcGis軟件對(duì)研究區(qū)Landsat遙感影像中的土地覆被影像圖進(jìn)行預(yù)處理，對(duì)土地利用類型進(jìn)行解譯并重分類為耕地、草地、林地、水體、城鄉(xiāng)居民用地和未利用土地6種類型，統(tǒng)計(jì)各土地利用類型所占面積。

(1)動(dòng)態(tài)度。研究區(qū)2000-2020年不同土地利用類型變化及土地利用動(dòng)態(tài)度變化見圖4和表2，可以看出2000-2020年21年間城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積呈持續(xù)增加趨勢(shì)；耕地面積在2000-2015年呈增長趨勢(shì)，其中，2000-2005年間動(dòng)態(tài)度僅為0.54%，面積變化較小，在2005-2010年增幅最大，面積增加1 855.33 km，動(dòng)態(tài)度達(dá)峰值4.64%，2010-2015年面積增加526.50 km，仍呈增加趨勢(shì)，在2015-2020年耕地面積略下降，趨于穩(wěn)定；2000-2020年間林地與草地面積整體呈下降趨勢(shì)，其中，在2005-2010年降幅最大，動(dòng)態(tài)度分別為-6.65%，-3.36%，主要轉(zhuǎn)化為耕地，其后趨于穩(wěn)定；其他未利用地面積2000-2020年間呈現(xiàn)出先增加后減少趨勢(shì)，整體趨于穩(wěn)定。

表2 昌吉州東部平原區(qū)土地利用動(dòng)態(tài)度變化

圖4 2000-2020年不同土地利用類型變化時(shí)空分布

(2)分形特征。土地利用分形特征主要包括分形維數(shù)和穩(wěn)定性指數(shù)，能較好地描述土地利用類型的空間分布和內(nèi)在規(guī)律。在同一種土地利用類型中，不同時(shí)間內(nèi)尺度的分形維數(shù)可以反映出該地類隨時(shí)間變化的規(guī)律。通過統(tǒng)計(jì)2000-2020年研究區(qū)不同土地利用類型的斑塊數(shù)、斑塊周長、斑塊面積等數(shù)據(jù)，對(duì)不同土地利用類型的斑塊面積()與斑塊周長()作雙對(duì)數(shù)線性擬合，()均達(dá)到0.9及以上(圖5)，線性回歸方程擬合效果較好，分形理論對(duì)其適用性良好。

圖5 昌吉州東部平原區(qū)2000-2020年耕地斑塊面積與周長的雙對(duì)數(shù)散點(diǎn)圖

2000-2020年研究區(qū)土地利用類型分形維數(shù)及穩(wěn)定性指數(shù)計(jì)算結(jié)果見表3，地下水開采是影響地下水位埋深及流域水均衡要素的主要因素之一，由于耕地面積與機(jī)電井?dāng)?shù)量及地下水開采量之間存在直接關(guān)聯(lián)，本文土地利用類型分形特征研究主要考慮對(duì)地下水埋深影響較大的耕地。由表3可知，2000-2020年，研究區(qū)耕地分形維數(shù)呈現(xiàn)出先降低(2000-2005年)后升高(2005-2010年)再降低(2010-2020年)，其中，2000-2005年耕地面積增加了209.05 km，分形維數(shù)降低，復(fù)雜程度降低，穩(wěn)定性增強(qiáng)；2005-2010年耕地面積增加了1 855.33 km，分形維數(shù)達(dá)最高值(=1.293)，耕地?cái)U(kuò)張，復(fù)雜程度增加，穩(wěn)定性降低(=0.207)；2010-2015年耕地面積趨于穩(wěn)定，耕地布局趨于規(guī)則化，分形維數(shù)達(dá)到最低值(=1.274)，復(fù)雜程度降低，穩(wěn)定性增強(qiáng)，2015-2020年耕地面積基本無變化，復(fù)雜程度降低，穩(wěn)定性達(dá)到最高(=0.226)。新疆2014年以后實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度，并對(duì)灌溉面積嚴(yán)格控制，耕地布局趨于穩(wěn)定，對(duì)比分析可知，昌吉州東部平原區(qū)土地利用動(dòng)態(tài)變化及耕地分形特征也表現(xiàn)出同步趨勢(shì)。

表3 2000-2020年不同土地利用類型分形維數(shù)及穩(wěn)定性指數(shù)

2.2.2 地下水位埋深對(duì)耕地面積變化的響應(yīng) 研究區(qū)地下水位埋深呈北向南遞增趨勢(shì)，2000-2020年研究區(qū)地下水位埋深整體呈逐漸增加趨勢(shì)，2000-2020年耕地總面積整體也表現(xiàn)為增加趨勢(shì)。研究區(qū)東南部地下水位埋深整體呈顯著增加趨勢(shì)，>90 m地下水位埋深在東部出現(xiàn)，20～50 m埋深面積顯著增加，較2000年0～10 m埋深面積從3 657.18 km減少至3 074.23 km，20～50 m埋深面積增加1 774.63 km，>70 m埋深面積從0增加至210.90 km，西部埋深變化不顯著，圖4顯示，同期耕地面積變化較大的區(qū)域位于研究區(qū)東部，且2010年研究區(qū)東部分布有大面積耕地，其基本由草地與未利用地逐漸轉(zhuǎn)化，其中2005-2010年耕地面積增加最為顯著，動(dòng)態(tài)度達(dá)峰值，分形維數(shù)最大，穩(wěn)定性最低，同期對(duì)比認(rèn)為東部耕地面積增加，灌溉用水量增大導(dǎo)致地下水開采量增大是該區(qū)域地下水埋深增大的主要原因之一；2010-2015年研究區(qū)>50 m的地下水位埋深面積增長1 344.35 km，中西部20～60 m地下水位埋深面積顯著增加，東部地下水位埋深仍呈增加趨勢(shì)，同期耕地面積總體仍呈持續(xù)增加趨勢(shì)，但動(dòng)態(tài)度變小，分形特征表現(xiàn)為逐漸規(guī)則化，穩(wěn)定性增強(qiáng)，中西部耕地面積增加較顯著，考慮為耕地面積增加，地下水開采量增大導(dǎo)致區(qū)域地下水位埋深增大；較2015年研究區(qū)41～50 m地下水位埋深面積增加504.01 km,>50 m的地下水位埋深面積增長471.79 km,地下水位埋深仍呈增加趨勢(shì)，同期2015-2020年耕地面積略減少，動(dòng)態(tài)度變?yōu)樨?fù)值，分形維數(shù)達(dá)最低，穩(wěn)定性達(dá)最高，地下水補(bǔ)給周期長，此階段考慮為耕地面積與氣象因素疊加導(dǎo)致開采量持續(xù)增大導(dǎo)致。

2.2.3 地下水位埋深對(duì)其他地類面積變化的響應(yīng) 由圖3、圖4、表2可知，林地面積占比較小，且林地面積變化區(qū)域與地下水位埋深變化區(qū)域無明顯相關(guān)；草地面積在2000-2010年呈減小趨勢(shì)，主要轉(zhuǎn)化為耕地，2010年后變化不大；其他未利用地面積在2000-2020年整體變化不大，認(rèn)為與地下水位埋深相關(guān)性較??；城鎮(zhèn)居民用地在2000-2015年面積呈顯著增加趨勢(shì)，居民生活用水增加，對(duì)地下水位埋深有一定影響，但其面積約占耕地1/10，面積較小。

2.3 研究區(qū)地下水位埋深對(duì)氣象干旱SPEI的響應(yīng)

2.3.1 2000-2020年研究區(qū)不同時(shí)間尺度SPEI年際變化 由圖6可知，1個(gè)月尺度下，2000-2002年、2005-2006年、2008年、2011-2012年，2019年研究區(qū)干旱頻率較高，且2008年、2019年的干旱頻率接近全年，持續(xù)時(shí)間長，干旱程度在灌溉季節(jié)達(dá)到嚴(yán)重干旱等級(jí)；3個(gè)月尺度下，2001-2002年、2004-2006年、2008-2009年、2011-2012年、2019-2020年干旱頻率較高，且2008年、2019年灌溉季節(jié)干旱程度達(dá)極端干旱等級(jí)；6個(gè)月尺度下，2001年、2004-2006年、2008年、2011-2012年、2019-2020年干旱頻率較高，持續(xù)時(shí)間長，2019年干旱程度在下半年多達(dá)嚴(yán)重干旱與極端干旱等級(jí)。綜合分析，1個(gè)月、3個(gè)月尺度下SPEI變化程度劇烈，6個(gè)月、12個(gè)月尺度下SPEI變化較為平穩(wěn)，且在6個(gè)月、12個(gè)月尺度下2000-2020年出現(xiàn)干旱的頻率高于1/2。在一定的時(shí)間尺度下，研究區(qū)具有顯著的干旱趨勢(shì)變化特征。

圖6 昌吉州東部平原區(qū)多時(shí)間尺度SPEI年際動(dòng)態(tài)

利用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法對(duì)SPEI在年尺度下時(shí)間序列進(jìn)行突變點(diǎn)檢測(cè)，由圖7可知，結(jié)合變化趨勢(shì)，該SPEI序列在2012年和2017年發(fā)生突變，故將2000-2012年分為第1階段，2013-2016年分為第2階段，2016-2020年為第3階段(圖8)。第1階段干旱指數(shù)變化平穩(wěn)，2001-2003年、2005-2006年、2008年、2011-2012年發(fā)生干旱頻率較高，2005年和2012年呈全年干旱，但多為輕度干旱等級(jí)；第2階段干旱指數(shù)呈上升趨勢(shì)，大多數(shù)SPEI>0，表明此階段干旱程度減輕，發(fā)生干旱頻次減少；第3階段干旱指數(shù)呈顯著下降趨勢(shì)，表明干旱程度為加重趨勢(shì)，且從2017年始呈全年干旱狀態(tài)，階段內(nèi)2018年與2020年出現(xiàn)干旱頻率較高，持續(xù)時(shí)間長，尤其在其灌溉季節(jié)干旱程度呈現(xiàn)為嚴(yán)重干旱等級(jí)，與上述分析中干旱程度變化劇烈年份基本一致。

圖7 昌吉州東部平原區(qū)2000-2020年SPEI突變點(diǎn)檢驗(yàn)

圖8 昌吉州東部平原區(qū)不同階段SPEI(12個(gè)月)變化趨勢(shì)

2.3.2 地下水位埋深對(duì)SPEI的響應(yīng) 2000-2010年地下水位埋深變化劇烈區(qū)域?qū)?yīng)于耕地面積增加區(qū)域，此階段SPEI基本無變化，表明氣象干旱程度基本無變化；2010-2015年研究區(qū)耕地面積仍呈增加趨勢(shì)，SPEI在該階段呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，意味著干旱程度減輕；2015-2020年研究區(qū)地下水位埋深>50 m的面積顯著增加，且地下水位埋深總體呈持續(xù)增加趨勢(shì)，同期耕地面積相比2015年略減少，而SPEI同期呈下降趨勢(shì)，意味著氣象干旱程度加重，且自2017年基本處于全年干旱狀態(tài)，干旱程度不同時(shí)間達(dá)到極端干旱等級(jí)，在時(shí)間尺度上氣象干旱程度加重時(shí)期，耕地面積變化不大，而地下水位埋深平均降幅在此階段速率開始增大，綜合考慮耕地?cái)U(kuò)張、地下水回復(fù)速率與氣象干旱導(dǎo)致地下水開采量增加，使得此階段地下水位埋深仍呈增大趨勢(shì)。

基于Spearman秩相關(guān)分析法的研究區(qū)地下水位埋深變化與不同時(shí)序耕地面積與SPEI相關(guān)性分析結(jié)果見表4?？梢钥闯?000-2015年地下水埋深變化與耕地面積變化顯著相關(guān)，第3階段地下水埋深變化與SPEI顯著相關(guān)，2000-2015年地下水位埋深對(duì)土地利用變化響應(yīng)最為顯著，2016-2020年地下水位埋深受土地利用變化與氣象干旱因素共同影響，特別是2017年后，在研究區(qū)實(shí)施退地減水的同時(shí)地下水位埋深整體仍呈增大趨勢(shì)，與研究區(qū)氣象干旱程度增加具有一定相關(guān)關(guān)系。

表4 2000-2020年研究區(qū)地下水埋深變化與耕地面積及SPEI相關(guān)性系數(shù)

3 討 論

本文利用2000-2020年昌吉州東部平原區(qū)實(shí)測(cè)監(jiān)測(cè)井埋深數(shù)據(jù)及同期土地利用/覆被變化并結(jié)合SPEI嘗試綜合分析昌吉州東部平原區(qū)地下水埋深變化的主要驅(qū)動(dòng)因素。

分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)地下水位埋深變化與同期人類水土資源開發(fā)利用尤其是耕地的擴(kuò)張密切相關(guān)，這與胡鑫等對(duì)昌吉州呼圖壁縣地下水埋深變化分析中得出耕地面積不斷增加，地下水開采量增大導(dǎo)致地下水埋深增加的結(jié)論一致。我國2014年開始全面實(shí)行地下水嚴(yán)格管控，昌吉州東部平原區(qū)是新疆劃定的15個(gè)地下水超采區(qū)之一，昌吉州2016年開始執(zhí)行嚴(yán)格退地減水政策，本文分析發(fā)現(xiàn)，2015-2020年在耕地面積基本穩(wěn)定并退地減水背景下，地下水埋深仍呈增大趨勢(shì)，結(jié)合研究區(qū)實(shí)際，嘗試采用氣象干旱指數(shù)進(jìn)行疊加分析，初步分析結(jié)果印證了研究區(qū)2017年之后地下水埋深變化是土地利用與氣象干旱共同響應(yīng)的結(jié)果。這與高宇星分析得出自90年代末期以來，降雨量與蒸發(fā)量年平均值的差額不斷增大，是導(dǎo)致昌吉州灌區(qū)地下水補(bǔ)給量不斷減少，排泄量增加，水位不斷下降的主要原因基本一致。薛海容等通過實(shí)測(cè)資料分析發(fā)現(xiàn)，昌吉市2020年第2季度降水量大幅下降，直接造成昌吉市地下水降水入滲補(bǔ)給量減少，是昌吉市地下水水位下降的原因之一。綜合看來，變化氣候條件下，氣候變化通過補(bǔ)給變化和灌溉需求增加直接影響地下水，由于氣候預(yù)測(cè)存在極大不確定性，其對(duì)地下水系統(tǒng)的影響不確定性也隨之增大。本文研究僅嘗試結(jié)合人類活動(dòng)和氣候變化因素聯(lián)合分析干旱區(qū)地下水系統(tǒng)的變化及其響應(yīng)，今后還需要更加深入分析定量剖析驅(qū)動(dòng)因素機(jī)制與貢獻(xiàn)率，找出導(dǎo)致地下水埋深變化的關(guān)鍵因素，進(jìn)行適應(yīng)性管控。

4 結(jié) 論

(1)研究區(qū)21年間地下水位埋深整體呈增加趨勢(shì)。時(shí)間尺度上，2000-2005年變化不顯著，2006-2014年呈顯著增加，2015年下降趨勢(shì)減緩，自2017年開始下降速率開始增大?？臻g尺度上，地下水位埋深分布呈北向南逐漸增大特征，較2015年、2020年東部21～30，41～50，51～60 m地下水位埋深面積顯著增加。

(2)研究區(qū)21年間土地利用類型面積發(fā)生了顯著變化，耕地為主要的土地利用類型。耕地面積在2000-2015年呈增長趨勢(shì)，其中，在2005-2010年增幅最大，面積增加1 855.33 km，動(dòng)態(tài)度達(dá)峰值4.64%，在2015-2020年耕地面積略下降，趨于穩(wěn)定；林地與草地面積整體呈下降趨勢(shì)，其中，在2005-2010年降幅最大，動(dòng)態(tài)度分別為-6.65%，-3.36%，主要轉(zhuǎn)化為耕地，其后趨于穩(wěn)定；城鎮(zhèn)建設(shè)用地呈現(xiàn)持續(xù)增加趨勢(shì)；其他未利用地面積2000-2020年間呈現(xiàn)出先增加后減少趨勢(shì)，整體趨穩(wěn)定。

(3)研究區(qū)21年間不同時(shí)間尺度SPEI年際動(dòng)態(tài)變化呈顯著干旱趨勢(shì)變化特征，SPEI年尺度序列在2012年和2017年發(fā)生突變，將2000-2012年分為第1階段(干旱指數(shù)變化平穩(wěn))，2013-2016年分為第2階段(干旱指數(shù)呈上升趨勢(shì))，2016-2020年為第3階段(干旱指數(shù)呈顯著下降趨勢(shì))，2018年與2020年出現(xiàn)干旱頻率較高，持續(xù)時(shí)間長，尤其在其灌溉季節(jié)干旱程度呈現(xiàn)為嚴(yán)重干旱等級(jí)。

(4)2000-2010年研究區(qū)耕地面積增加區(qū)域?qū)?yīng)于地下水位埋深變化劇烈區(qū)域，此階段SPEI基本無變化；2010-2015年耕地面積仍呈增加趨勢(shì)對(duì)應(yīng)于地下水位埋深持續(xù)增加，該階段SPEI呈上升趨勢(shì)，意味著氣象干旱程度減輕；2015-2020年耕地面積略減少，而地下水位埋深持續(xù)增加，同期SPEI呈下降趨勢(shì)，意味著氣象干旱程度加重。2000-2015年地下水埋深變化與耕地面積變化顯著相關(guān)，2016年后，在研究區(qū)實(shí)施退地減水的同時(shí)地下水位埋深整體仍呈增大趨勢(shì)，結(jié)合SPEI顯著下降特征，可考慮此階段下地下水位埋深動(dòng)態(tài)對(duì)土地利用及氣象干旱因素共同響應(yīng)。