黃土區(qū)長(zhǎng)武塬地下水埋深動(dòng)態(tài)特征及影響因素分析

孫繼能，王萬(wàn)洲，燕 鑫，李冰冰，李 志

（西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

黃土區(qū)長(zhǎng)武塬地下水埋深動(dòng)態(tài)特征及影響因素分析

孫繼能，王萬(wàn)洲，燕 鑫，李冰冰，李 志*

（西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

【目的】明確地下水補(bǔ)給機(jī)制并指導(dǎo)地下水資源合理開(kāi)發(fā)?！痉椒ā炕?976—2017 年長(zhǎng)武塬區(qū)5 眼監(jiān)測(cè)井的地下水埋深數(shù)據(jù)，分析了地下水埋深動(dòng)態(tài)變化，并利用互相關(guān)和多元線性回歸等方法識(shí)別地下水埋深的影響因素?！窘Y(jié)果】長(zhǎng)武塬區(qū)地下水埋深介于25～95 m 之間，各井因水文地質(zhì)和人為干擾程度等差異表現(xiàn)出不同的波動(dòng)特征。地下水埋深總體呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，降幅介于0.08～0.21 m/a。氣象因子、植被和人為因素在年內(nèi)或年際尺度對(duì)地下水埋深都有一定影響，但主導(dǎo)性不同。年際尺度，人為因素主導(dǎo)地下水埋深變化，貢獻(xiàn)率達(dá)74%。年內(nèi)尺度，植被是影響地下水埋深的主要因素，貢獻(xiàn)率為40%?！窘Y(jié)論】人口、GDP 和蘋(píng)果園面積的增加對(duì)地下水埋深影響較大，需要考慮人類活動(dòng)與水資源間的可持續(xù)性。

長(zhǎng)武塬區(qū)；地下水埋深；影響因素；貢獻(xiàn)率

0 引 言

【研究意義】黃土塬區(qū)塬高溝深，難以獲取溝道中的河水，對(duì)地下水的依賴性極強(qiáng)[1]。隨社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及人口增長(zhǎng)，地下水開(kāi)發(fā)程度越來(lái)越大，導(dǎo)致地下水埋深逐漸下降。因此，亟須探討地下水的可持續(xù)利用對(duì)策。但深厚黃土中地下水補(bǔ)給機(jī)制不明確[2-3]，導(dǎo)致難以進(jìn)行相關(guān)的對(duì)策探討。地下水埋深作為表征地下水動(dòng)態(tài)的重要指標(biāo)，可直觀反映出地下水儲(chǔ)量及補(bǔ)給情況。因此，研究塬區(qū)地下水埋深動(dòng)態(tài)特征及其影響因素，對(duì)合理開(kāi)發(fā)和管理地下水資源意義重大。【研究進(jìn)展】地下水埋深時(shí)空變異復(fù)雜，在不同時(shí)空尺度上具有不同的波動(dòng)特征。作為一個(gè)復(fù)雜的水文過(guò)程，地下水埋深波動(dòng)具有隨機(jī)性、模糊性、非線性以及多時(shí)間尺度變化等特點(diǎn)[4]。地下水埋深在不同尺度由于受到氣候、人類活動(dòng)影響程度不同，表現(xiàn)出不同的波動(dòng)特征。空間上，水文地質(zhì)背景決定了地下水的賦存條件、補(bǔ)排關(guān)系，導(dǎo)致地下水埋深對(duì)各影響因子敏感性不同，從而表現(xiàn)出復(fù)雜多樣的波動(dòng)特征。明確地下水埋深時(shí)空變異是分析其變化機(jī)制的前提，但由于監(jiān)測(cè)時(shí)段短和點(diǎn)位有限等原因，黃土高原的當(dāng)前研究并不充分。地下水埋深的時(shí)空波動(dòng)歸結(jié)于各影響因素的作用時(shí)間和強(qiáng)度，且地下水埋深影響因素眾多，如氣象因素、人為因素、土地利用方式、植被等[5-6]。有效區(qū)分影響因素并量化各影響因素對(duì)地下水埋深變化的貢獻(xiàn)，是調(diào)控地下水的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前已在地下水埋深動(dòng)態(tài)特征分析、地下水埋深與降水的關(guān)系、時(shí)間序列模型對(duì)地下水埋深動(dòng)態(tài)的模擬等方面取得了一定進(jìn)展[7-9]。此外，不同學(xué)者利用Budyko 假設(shè)水量平衡法、彈性系數(shù)法、情景模擬法、累計(jì)斜率法、多元線性回歸法以及水文模型法等量化了影響因素對(duì)水文要素變化的貢獻(xiàn)[10-12]。其中，多元線性回歸法簡(jiǎn)單實(shí)用，有效量化了影響因素對(duì)基流、地下水補(bǔ)給量等變化的貢獻(xiàn)[13-14]，為地下水埋深波動(dòng)的歸因分析提供了借鑒。

【切入點(diǎn)】目前，針對(duì)黃土塬區(qū)地下水埋深波動(dòng)特征的相關(guān)研究缺乏考慮多重因子的機(jī)理層面的深入分析，且多為定性分析?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】為此，本文以長(zhǎng)武塬為研究區(qū)，基于1976—2017 年5 眼監(jiān)測(cè)井的地下水埋深數(shù)據(jù)，分析地下水埋深時(shí)空動(dòng)態(tài)變化特征，進(jìn)一步探討自然因素（氣象、植被等）和人為因素（人口、GDP 和蘋(píng)果園面積等）與地下水埋深的關(guān)系，識(shí)別不同時(shí)空尺度上的主導(dǎo)因素并量化其對(duì)地下水埋深變化的貢獻(xiàn)率，以期為黃土區(qū)地下水補(bǔ)給機(jī)制研究和水資源管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

長(zhǎng)武塬所在的長(zhǎng)武縣位于陜甘交界處（34°59′—35°18′N，107°38′—107°58′E），是渭北與隴東高原結(jié)合部的過(guò)渡地帶（圖1（a））。其西部和東部分布著董志塬和洛川塬。地勢(shì)北高南低，海拔為1 220 m，是典型的黃土塬。氣候?qū)儆诎霛駶?rùn)大陸性季風(fēng)氣候，年平均降水量為579.6 mm，年平均蒸發(fā)量為1 016.6 mm，主要集中在每年的7—9 月。土地利用方式以耕地和果園為主。長(zhǎng)武塬的水文地質(zhì)狀況相對(duì)均勻，主要由第四系新老黃土及底層基巖組成，從上到下依次分布著馬蘭黃土、離石黃土和午城黃土（圖1（b）），其中離石黃土層孔隙和裂隙發(fā)育良好，是主要含水層。塬區(qū)地下水的富水性從塬中心到塬邊緣逐漸減小，塬中心含水層較厚，塬邊緣含水層厚度則較小[15]。地下水埋深介于20～100 m，塬四周溝谷至基巖以下，無(wú)側(cè)向補(bǔ)給，降水是地下水唯一補(bǔ)給來(lái)源[1]。地下水資源是長(zhǎng)武塬區(qū)生產(chǎn)生活用水的重要來(lái)源。地下水年供水量達(dá)到5×106m3，僅次于地表水提水量，約占區(qū)域總用水量的25%。

圖1 長(zhǎng)武塬區(qū)地理位置、地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)位和水文地質(zhì)剖面Fig.1 Location，groundwater monitoring sites and hydrogeological profiles of the Changwu loess tableland

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究區(qū)設(shè)有5 眼監(jiān)測(cè)井，分別位于塬中心的地掌鄉(xiāng)代嶺村（W1）、塬西段洪家鄉(xiāng)（W2、W4）、塬東部的彭公鄉(xiāng)（W3）和南塬的巨家鄉(xiāng)（W5），位置見(jiàn)圖1（a）。水位監(jiān)測(cè)間隔為5 d，于每月1、6、11、16、21、26 日使用測(cè)繩測(cè)定。5 眼井地下水埋深數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)時(shí)段有差異，分別為1976—2006、1977—1993、1977—2005、2002—2017 年和1980—2002 年。1976—2017 年氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)，其中潛在蒸散發(fā)（ET0）基于氣象數(shù)據(jù)利用Hargreaves公式[16]計(jì)算，人口和GDP 等社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)人口統(tǒng)計(jì)、中國(guó)縣域統(tǒng)計(jì)等年鑒。NDVI所用數(shù)據(jù)為GIMMS NDVI 數(shù)據(jù)集，空間分辨率為8 km。

1.3 影響因素的選擇

自然因素選取水文地質(zhì)、降水、蒸散發(fā)、氣壓和NDVI，而人為因素考慮人口、國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值和蘋(píng)果園面積。

水文地質(zhì)條件決定了含水層的巖性、賦存環(huán)境及富水性等，是不同觀測(cè)井地下水埋深空間差異的主要因素。降水作為塬區(qū)地下水唯一的補(bǔ)給來(lái)源，必定會(huì)對(duì)地下水動(dòng)態(tài)產(chǎn)生影響。蒸散發(fā)在很多地區(qū)是潛水減少的唯一自然途徑。氣壓會(huì)影響與大氣連通的非飽和帶，進(jìn)而對(duì)地下水產(chǎn)生壓差導(dǎo)致地下水埋深波動(dòng)。隨人口數(shù)量增加和GDP 增長(zhǎng)，地下水開(kāi)采量可能會(huì)受到影響。蘋(píng)果作為研究區(qū)主要經(jīng)濟(jì)作物，其種植面積達(dá)到耕地面積的73%[5]，是農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)中的主要耗水作物。果園面積增加會(huì)加劇深層土壤水消耗，尤其是在生長(zhǎng)季對(duì)水分需求巨大，進(jìn)而影響降水對(duì)地下水的補(bǔ)給[17-18]。

1.4 研究方法

使用線性擬合和滑動(dòng)t檢驗(yàn)分析地下水埋深、氣象等數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)；利用互相關(guān)法[19]探究地下水埋深與影響因素間的滯后相關(guān)，應(yīng)用Pearson 相關(guān)性分析和多元線性回歸分析法研究影響因素與地下水埋深間的相關(guān)性并識(shí)別主導(dǎo)因子。利用多元線性回歸方程量化各因素對(duì)地下水埋深波動(dòng)的貢獻(xiàn)[13]，計(jì)算式為：

式中：Ys為標(biāo)準(zhǔn)化后的地下水埋深；X1s、X2s和X3s分別為標(biāo)準(zhǔn)化后的影響因素；a、b和c分別為相應(yīng)因子的回歸系數(shù)；n1為第1 個(gè)影響因素對(duì)地下水埋深變化的相對(duì)貢獻(xiàn)率。

2 結(jié)果與分析

2.1 地下水埋深時(shí)空變異

圖2 為月平均地下水埋深與影響因子的變化特征，圖3 為年際地下水埋深與影響因子的變化特征，用以分析地下水埋深的季節(jié)和年際波動(dòng)。W1 井地下水埋深為27 m 左右，年內(nèi)6—9 月為上升階段，變幅達(dá)到0.19 m；年際上，地下水埋深先穩(wěn)定而后顯著下降，年平均降幅為0.38 m。W2 井地下水埋深為38 m 左右，9—11 月為上升階段，變幅為0.09 m；年際上，地下水埋深以1982 年為界先小幅上升后大幅下降，1993 年枯竭，年平均增幅和降幅分別為0.11 m 和0.19 m。W3 井的平均地下水埋深為50 m左右，年內(nèi)上升階段為1—4 月，變幅為0.06 m；地下水埋深在1991 年以前以0.14 m/a 的速度呈階梯式上升，隨即緩慢下降，年平均下降0.09 m。W4 井同在塬邊且位于中科院長(zhǎng)武站內(nèi)，其地下水埋深為83 m，年內(nèi)5—9 月為上升階段，變幅為1.18 m；年際上地下水埋深波動(dòng)劇烈，變幅高達(dá)7.17 m。W5 井處于面積更小的巨家塬，地下水埋深為92 m 左右，年內(nèi)上升階段為3—6 月，變幅為0.06 m；地下水埋深在1982 年后以0.18 m/a 的速度處于下降趨勢(shì)。

地下水埋深基本呈下降趨勢(shì)?；瑒?dòng)t檢驗(yàn)表明，W1、W2 和W5 井地下水埋深以1983 年為轉(zhuǎn)折突變點(diǎn)，W3、W4 井地下水埋深分別以1992、2007 年為轉(zhuǎn)折突變點(diǎn)，突變年后下降趨勢(shì)更加顯著。

2.2 影響因素的定性分析

結(jié)合年內(nèi)和年際地下水埋深與各影響因素的關(guān)系，定性分析自然因素和人為因素對(duì)地下水埋深的影響。

圖2 多年月均地下水埋深與影響因子變化特征Fig.2 Changes in groundwater depth and influence factors on the monthly scale

圖3 年際地下水埋深與影響因子的變化特征Fig.3 Changes in groundwater depth and influence factors at the interannual scale

2.2.1 自然因素

W1 監(jiān)測(cè)井地下水埋深較淺，在降水集中的7—9 月明顯上升，說(shuō)明地下水埋深對(duì)降水響應(yīng)較為敏感；而地下水埋深較大的井對(duì)降水響應(yīng)具有明顯的滯后（圖2）。從年際變異性來(lái)看，各井地下水埋深動(dòng)態(tài)在部分時(shí)段受到降水量變化的影響（圖3），特別是W1、W2、W4 和W5 的地下水埋深在降水量較大年份有明顯的響應(yīng)。W3 監(jiān)測(cè)井地下水埋深的波動(dòng)與降水量之間的關(guān)系不明顯，由于其位于塬邊，可能更多接受塬中心地下水的間接補(bǔ)給。地下水埋深波動(dòng)在某些年份顯示出對(duì)降水的滯后性，在其他年份由于降水較小或其他因素的干擾未表現(xiàn)出。因此，對(duì)所有表現(xiàn)出滯后效應(yīng)的時(shí)段采用互相關(guān)模型估算滯后時(shí)間，該方法基于降水量與地下水埋深先后產(chǎn)生峰值的時(shí)間差進(jìn)行估算。各時(shí)段對(duì)應(yīng)的降水量大小不同，所得的滯后時(shí)間也不相同。因此將通過(guò)顯著性檢驗(yàn)?zāi)攴莸臏髸r(shí)間進(jìn)行平均，得到各井整體滯后時(shí)間（表1）。W1、W2、W3、W4 和W5 井地下水埋深對(duì)降水的平均滯后時(shí)間分別為2.57、4.33、5.25、4.86、6.88 個(gè)月。

在年際尺度上，蒸散發(fā)緩慢增加，而各井的地下水埋深波動(dòng)下降（圖3），因此二者可能存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。為減少人為因素干擾選擇埋深尚未大幅下降的時(shí)段，以1980—1981 年為例，蒸散發(fā)在夏季達(dá)到峰值，而此時(shí)地下水埋深上升或下降的波動(dòng)程度較大（圖4）。但地下水埋深遠(yuǎn)超過(guò)了黃土區(qū)土壤蒸發(fā)的最大深度5.3 m[19-20]，說(shuō)明研究區(qū)的潛水很難直接蒸發(fā)，其影響可能是間接的。

表1 各井互相關(guān)分析結(jié)果Table 1 Cross-correlation analysis results of each well

年際尺度上，年均氣壓基本維持不變，對(duì)地下水埋深波動(dòng)的影響不大（圖3）。但年內(nèi)尺度上（圖4），氣壓與W2、W5 井地下水埋深表現(xiàn)出一定的氣壓效應(yīng)（即氣壓減小地下水埋深上升、氣壓增大地下水埋深下降），且1981 年與地下水埋深的負(fù)相關(guān)趨勢(shì)較1980 年更明顯。但氣壓與其余2 井的地下水埋深無(wú)明顯關(guān)系，可能被降水和開(kāi)采的影響所掩蓋。

圖4 1980—1981 年平均氣壓與各井地下水埋深的關(guān)系Fig.4 The relationship between average air pressure, evapotranspiration and groundwater depth of each well from 1980 to 1981

2.2.2 人為因素

人口數(shù)量、GDP 和蘋(píng)果園面積整體呈上升趨勢(shì)（圖3）。人口數(shù)量增加和GDP 增長(zhǎng)可能導(dǎo)致地下水開(kāi)采量增加，導(dǎo)致地下水埋深持續(xù)下降，W2 井甚至在1993 年后干涸。蘋(píng)果園面積持續(xù)增加，占農(nóng)業(yè)種植面積的73%左右。由于蘋(píng)果樹(shù)是深根植物，在生長(zhǎng)季會(huì)大量消耗深層土壤水，形成土壤干層，阻止降雨入滲對(duì)地下水的補(bǔ)給，也會(huì)影響地下水埋深[17-18]。

2.3 影響因素的主導(dǎo)性識(shí)別

從年際和年內(nèi)分析地下水埋深的主導(dǎo)影響因素，其中年內(nèi)不考慮人為因素，并用NDVI值表示植被狀況。為保證各井在影響因素主導(dǎo)性識(shí)別和量化貢獻(xiàn)率時(shí)處于同一時(shí)段，年際選取1976—2006 年的W1、W2、W3、W5 井進(jìn)行分析；年內(nèi)則選取該時(shí)段每年進(jìn)行分析，顯著相關(guān)次數(shù)最多的因子作為主導(dǎo)因素。表2 和表3 為各井在年際和年內(nèi)的相關(guān)性分析結(jié)果。

表2 年際水平各井不同因子與地下水埋深的相關(guān)系數(shù)Table 2 Correlation coefficient between factors and groundwater depth of each well at the interannual scale

注**表示在0.01 水平上顯著相關(guān)，*代表在0.05 水平上顯著相關(guān)。

年際上，除W3 監(jiān)測(cè)井外，各井地下水埋深與蘋(píng)果園面積、人口數(shù)量和GDP 均極顯著相關(guān)，表明人為因素可能是主要影響因素。地下水埋深與降水和蒸散發(fā)基本不相關(guān)，可能是由于滯后效應(yīng)或降水補(bǔ)給遠(yuǎn)小于開(kāi)采量，導(dǎo)致地下水埋深的下降趨勢(shì)掩蓋了降水入滲的影響；而蒸散深度難以到達(dá)地下水。地下水埋深與氣壓在W2 和W3 井顯示出一定的相關(guān)性。年內(nèi)分析中，NDVI被識(shí)別出顯著相關(guān)的次數(shù)最多，其次為氣壓，表明年內(nèi)地下水埋深波動(dòng)可能與植被和氣壓有緊密的相關(guān)性。

表3 年內(nèi)各影響因素顯著次數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics on the significant times of each influencing factor during the year

進(jìn)一步對(duì)各井年際和年內(nèi)地下水埋深與影響因素進(jìn)行多元線性回歸，并剔除有多重共線性的影響因子。年際分析針對(duì)同步期1976—2006 年，年內(nèi)分析只基于回歸關(guān)系顯著的年份進(jìn)行分析。X1、X2、X3、X4、X5、X6分別代表降水、蒸散發(fā)、氣壓、蘋(píng)果園面積（或NDVI）、人口數(shù)量、GDP。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化多元線性回歸方程，各自變量系數(shù)絕對(duì)值可反映對(duì)因變量的影響程度。由表4 各井所得方程可知，代表人為因素的人口數(shù)量、GDP 變量的系數(shù)絕對(duì)值最大（Plt;0.05），因此人為因素主導(dǎo)了地下水埋深的年際波動(dòng)，而NDVI對(duì)地下水埋深年內(nèi)波動(dòng)的影響最大，這與相關(guān)性分析的結(jié)果一致。

表4 各井年際多元線性回歸分析結(jié)果Table 4 Multiple linear regression analysis results for each well at the interannual scale

2.4 影響因子對(duì)地下水埋深變化的貢獻(xiàn)量化

利用標(biāo)準(zhǔn)化多元線性回歸結(jié)果進(jìn)行各因子的貢獻(xiàn)分析。圖5 為各監(jiān)測(cè)井的影響因子在不同時(shí)間尺度上的平均貢獻(xiàn)。地下水埋深在年際水平上由人為因素主導(dǎo)，貢獻(xiàn)率達(dá)到74%；其余各因子貢獻(xiàn)率較低，均在7%左右。年內(nèi)水平上NDVI主導(dǎo)了地下水埋深的波動(dòng)，貢獻(xiàn)率為40%；其次是氣壓，貢獻(xiàn)率達(dá)到了30%；降水和蒸散發(fā)貢獻(xiàn)率較低，二者平均貢獻(xiàn)率為15%。

圖5 不同尺度上各因子對(duì)地下水埋深變化的貢獻(xiàn)Fig.5 Contributions of various factors to water level changes on different scales

3 討 論

地下水埋深時(shí)空變異的原因復(fù)雜多樣，各影響因素在不同尺度以不同強(qiáng)度影響地下水埋深。各井地下水埋深、季節(jié)波動(dòng)程度與其位置有一定相關(guān)性[8,21]。塬中心地下水埋深較塬邊淺，季節(jié)波動(dòng)更明顯。根據(jù)等水位線和水力梯度，推測(cè)水是從塬中心流向塬邊緣，導(dǎo)致塬邊地下水可能接受塬中心地下水的間接補(bǔ)給。而地下水埋深的年際波動(dòng)，特別是拐點(diǎn)年份可能表征了環(huán)境因子影響程度的時(shí)間變異。W1、W2 和W5 井地下水埋深以1983 年為轉(zhuǎn)折突變點(diǎn)，W3 和W4 分別以1992、2007 年為轉(zhuǎn)折突變點(diǎn)。在突變年之前，自然因素主導(dǎo)了地下水埋深的波動(dòng)；在突變年之后，人口激增、經(jīng)濟(jì)發(fā)展導(dǎo)致人類活動(dòng)對(duì)地下水的干擾日益增大，致使人為因素成為主導(dǎo)因素。人類活動(dòng)對(duì)地下水的影響主要有以下2 個(gè)方面，一是人口數(shù)量增長(zhǎng)帶來(lái)的城鎮(zhèn)面積擴(kuò)大和為尋求經(jīng)濟(jì)利益大面積種植果園。城鎮(zhèn)面積的擴(kuò)大使得不透水面積顯著增加，導(dǎo)致降水很難入滲進(jìn)入土壤，停留在不透水面從而迅速蒸散；深根植物的大面積種植，導(dǎo)致土壤水分損耗研究，形成土壤干層[17-18]。這都會(huì)大大減少降水資源對(duì)地下水系統(tǒng)的補(bǔ)給。二是對(duì)于地下水資源的直接開(kāi)采。長(zhǎng)武塬區(qū)的機(jī)井?dāng)?shù)量由1993 年101 眼增加到2008 年的181 眼，地下水開(kāi)采量更是從1999 年的1.84×106m3增加到2008年的3.31×106m3[5]。人畜用水、工業(yè)用水和農(nóng)業(yè)用水的普遍增加，使地下水位開(kāi)始顯著下降。人類活動(dòng)正是通過(guò)以上2 個(gè)方面對(duì)地下水系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，人為因素是長(zhǎng)武塬區(qū)地下水埋深動(dòng)態(tài)變化的主要驅(qū)動(dòng)因子。

在估算各因子對(duì)地下水埋深變化的貢獻(xiàn)時(shí)，得出降水的貢獻(xiàn)率相對(duì)偏小，這是由于人為干擾以及地下水埋深對(duì)降水的滯后效應(yīng)所致；蒸散發(fā)也表現(xiàn)出較小的貢獻(xiàn)率，因?yàn)楦骶疃冗h(yuǎn)超黃土區(qū)潛水蒸發(fā)極限[20]，故只能通過(guò)間接作用影響到地下水埋深的波動(dòng)。比如蒸散發(fā)會(huì)消耗更多的土壤水，或者使低洼處的降水積水迅速蒸散，減少降水對(duì)地下水的補(bǔ)給，從而影響地下水埋深波動(dòng)。氣壓的貢獻(xiàn)率相對(duì)較大，一般來(lái)說(shuō)氣壓效應(yīng)在承壓井中表現(xiàn)得比較明顯，但在長(zhǎng)武塬區(qū)潛水井周圍存在深厚的黃土層，也表現(xiàn)出一定的氣壓效應(yīng)。在降水量較大的年份，氣壓波動(dòng)更為頻繁，與地下水埋深之間的負(fù)相關(guān)關(guān)系越為明顯。

互相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)降水與地下水埋深波動(dòng)存在滯后，且隨地下水埋深變大滯后時(shí)間增加。5 眼監(jiān)測(cè)井的滯后時(shí)間介于2—7 個(gè)月，說(shuō)明7 個(gè)月內(nèi)從塬中心到塬邊的地下水普遍得到補(bǔ)給。但相關(guān)研究表明，降水以活塞流方式補(bǔ)給地下水的時(shí)間為167～834 a，且地下水14C 年齡為幾百至上萬(wàn)年[1,22]，說(shuō)明地下水可能來(lái)自深層土壤中“老水”的補(bǔ)給。但也有研究基于氫氧穩(wěn)定同位素和水化學(xué)指標(biāo)表明，地下水可能以優(yōu)先流形式的降水快速補(bǔ)給[2,6]?？梢?jiàn)，塬區(qū)地下水補(bǔ)給機(jī)制復(fù)雜，仍需深入研究地下水補(bǔ)給機(jī)制和補(bǔ)給量，為水資源合理開(kāi)發(fā)和管理提供依據(jù)。

在分析了長(zhǎng)武塬區(qū)地下水埋深動(dòng)態(tài)特征及影響因素的基礎(chǔ)上，需要制定科學(xué)合理的地下水管理對(duì)策。一方面，減小對(duì)地下水的開(kāi)采。塬區(qū)地下水埋深整體呈增大趨勢(shì)，故需嚴(yán)格規(guī)劃塬區(qū)年度地下水資源總開(kāi)采量。另一方面，增加對(duì)地下水的補(bǔ)給。降水作為塬區(qū)地下水唯一補(bǔ)給源，需創(chuàng)造有利于其入滲的條件。例如人工修建滲井、滲坑，起到與澇池相同的作用，攔蓄降水，增加入滲補(bǔ)給[23]；土地利用方式的改變及植被狀況在年際和年內(nèi)都會(huì)影響地下水補(bǔ)給，其中蘋(píng)果園對(duì)地下水補(bǔ)給過(guò)程產(chǎn)生了嚴(yán)重影響[17-18]，要合理規(guī)劃蘋(píng)果等深根植物的種植區(qū)域和面積，減輕土壤干化現(xiàn)象的發(fā)生。

4 結(jié) 論

1）塬中心地下水埋深普遍比塬邊淺，地下水埋深變幅較大；各井地下水埋深總體呈增大趨勢(shì)，存在地下水埋深波動(dòng)的突變年；年內(nèi)各井地下水埋深上升時(shí)段不同，地下水埋深越淺，其季節(jié)波動(dòng)越強(qiáng)。

2）氣候與非氣候因素對(duì)地下水埋深的波動(dòng)均有影響，且在不同時(shí)間尺度上影響程度不同。蒸散發(fā)間接地影響地下水埋深，年際和年內(nèi)表現(xiàn)均不明顯；NDVI和氣壓主要在年內(nèi)影響地下水埋深；蘋(píng)果園面積、人口和GDP 可顯著影響地下水埋深的年際變異。其中降水與地下水埋深存在明顯的滯后效應(yīng)，滯后時(shí)間介于2—7 個(gè)月。

3）年際、年內(nèi)地下水埋深變化的主導(dǎo)因素不同。人為因素主導(dǎo)了年際地下水埋深波動(dòng)，貢獻(xiàn)率達(dá)到74%；植被覆蓋率（NDVI）是影響年內(nèi)地下水埋深波動(dòng)的主要因素，貢獻(xiàn)率為40%。

[1] 黃亞楠. 黃土塬區(qū)土地利用變化對(duì)地下水補(bǔ)給及水質(zhì)的影響[D].楊凌: 西北農(nóng)林科技大學(xué), 2018.

HUANG Yanan. Land use change impacts on the amount and quality of recharge water in the loess tablelands of China[D]. Yangling: Northwest A amp; F University, 2018.

[2] LI Zhi, CHEN Xi, LIU Wenzhao, et al. Determination of groundwater recharge mechanism in the deep loessial unsaturated zone by environmental tracers[J]. Science of the Total Environment, 2017, 586: 827-835.

[3] HUANG Yanan, EVARISTO Jaivime, LI Zhi. Multiple tracers reveal different groundwater recharge mechanisms in deep loess deposits[J].Geoderma, 2019, 353: 204-212.

[4] 桑燕芳, 王中根, 劉昌明. 水文時(shí)間序列分析方法研究進(jìn)展[J]. 地理科學(xué)進(jìn)展, 2013, 32(1): 20-30.

SANG Yanfang, WANG Zhonggen, LIU Changming. Research progress on the time series analysis methods in hydrology[J]. Progress in Geography, 2013, 32(1): 20-30.

[5] 程立平, 劉文兆, 李志, 等. 長(zhǎng)武黃土塬區(qū)土地利用變化對(duì)潛水補(bǔ)給的影響[J]. 水科學(xué)進(jìn)展, 2016, 27(5): 670-678.

CHENG Liping, LIU Wenzhao, LI Zhi, et al. Land use change affects groundwater recharge in the Changwu Loess Tableland of China[J].Advances in Water Science, 2016, 27(5): 670-678.

[6] 高宇陽(yáng), 楊鵬年, 闞建, 等. 人類活動(dòng)影響下烏蘇市地下水埋深演化趨勢(shì)[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2019, 38(10): 90-96.

GAO Yuyang, YANG Pengnian, KAN Jian, et al. The evolution trend of groundwater level in usu city under the influence of human activities[J].Journal of Irrigation and Drainage, 2019, 38(10): 90-96.

[7] 王銳, 劉文兆, 趙小鵬. 長(zhǎng)武塬區(qū)地下水位動(dòng)態(tài)特征分析[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 2010, 28(3): 48-52.

WANG Rui, LIU Wenzhao, ZHAO Xiaopeng. Dynamic characteristics of groundwater level on Changwu tableland[J]. Agricultural Research in the Arid Areas, 2010, 28(3): 48-52.

[8] 張盼. 長(zhǎng)武塬區(qū)地下水位變化特征研究[D]. 楊凌: 西北農(nóng)林科技大學(xué), 2010.

ZHANG Pan. The research for the groundwater table dynamic variety on Changwu tableland[D]. Yangling: Northwest A amp; F University, 2010.

[9] 蔡奕, 徐佳, 朱勍, 等. 濮陽(yáng)市淺層地下水位時(shí)空演變特征及驅(qū)動(dòng)機(jī)制[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2021, 40(10): 109-116.

CAI Yi, XU Jia, ZHU Qing, et al. Spatiotemporal variation of shallow groundwater in Puyang of Henan Province and its underlying determinants[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(10): 109-116.

[10] 金鳳梅. 黃土高原土壤侵蝕時(shí)空變異與歸因[D]. 楊凌: 西北農(nóng)林科技大學(xué), 2021.

JIN Fengmei. Spatialtemporal variability and attribution of soil erosion on the loess plateau[D]. Yangling: Northwest A amp; F University, 2021.

[11] 黃斌斌, 郝成元, 李若男, 等. 氣候變化及人類活動(dòng)對(duì)地表徑流改變的貢獻(xiàn)率及其量化方法研究進(jìn)展[J]. 自然資源學(xué)報(bào), 2018, 33(5): 899-910.

HUANG Binbin, HAO Chengyuan, LI Ruonan, et al. Research progress on the quantitative methods of calculating contribution rates of climate change and human activities to surface runoff changes[J]. Journal of Natural Resources, 2018, 33(5): 899-910.

[12] ASOKA Akarsh, GLEESON Tom, WADA Yoshihide, et al. Relative contribution of monsoon precipitation and pumping to changes in groundwater storage in India[J]. Nature Geoscience, 2017, 10(2): 109-117.

[13] TAN Xuejin, LIU Bingjun, TAN Xuezhi. Global changes in baseflow under the impacts of changing climate and vegetation[J]. Water Resources Research, 2020, 56(9): 27 349.

[14] KIM John, JACKSON Robert. A global analysis of groundwater recharge for vegetation, climate, and soils[J]. Vadose Zone Journal,2012, 11(1): 21.

[15] 華琨, 李洲, 李志. 黃土區(qū)長(zhǎng)武塬地下水水化學(xué)特征及控制因素分析[J]. 環(huán)境化學(xué), 2020, 39(8): 2 065-2 073.

HUA Kun, LI Zhou, LI Zhi. The hydrochemical characteristics and controlling factors of groundwater in the Changwu loess tableland[J].Environmental Chemistry, 2020, 39(8): 2 065-2 073.

[16] STEFANO Costanzadi, FERRO Vito. Estimation of evapotranspiration by Hargreaves formula and remotely sensed data in semi-arid Mediterranean areas[J]. Journal of Agricultural Engineering Research,1997, 68(3): 189-199.

[17] 劉錦月, 韓曉陽(yáng), 朱元駿. 長(zhǎng)武塬區(qū)蘋(píng)果園和農(nóng)田相互轉(zhuǎn)換的深層土壤水環(huán)境效應(yīng)[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 2020, 38(5): 130-135.

LIU Jinyue, HAN Xiaoyang, ZHU Yuanjun. Deep soil water environmental effects after the mutual conversion between apple orchard and farmland in Changwu tableland region[J]. Agricultural Research in the Arid Areas, 2020, 38(5): 130-135.

[18] HUANG Ze, LIU Yu, QIU Kaiyang, et al. Soil-water deficit in deep soil layers results from the planted forest in a semi-arid sandy land:Implications for sustainable agroforestry water management[J].Agricultural Water Management, 2021, 254: 106 985.

[19] 齊歡. 平陰巖溶地下水位與降水量、黃河水位的相關(guān)性分析[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2019, 38(7): 94-100.

QI Huan. Responsive change in groundwater table in Karst to precipitation and Yellow River in Pingyin County[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2019, 38(7): 94-100.

[20] 黃夢(mèng)琪, 蔡煥杰, 黃志輝. 黃土地區(qū)不同埋深條件下潛水蒸發(fā)的研究[J]. 西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2007, 35(3): 233-237.

HUANG Mengqi, CAI Huanjie, HUANG Zhihui. Research on the evaporation of underground water in different burying depth conditions on the Loess area[J]. Journal of Northwest A amp; F University (Natural Science Edition), 2007, 35(3): 233-237.

[21] 朱玉娟, 周斌. 隴東黃土高原第四系潛水系統(tǒng)特征[J]. 人民黃河,2011, 33(10): 51-53.

ZHU Yujuan, ZHOU Bin. Quaternary diving system characteristics in Gansu loess plateau[J]. Yellow River, 2011, 33(10): 51-53.

[22] HUANG Tianming, MA Baoqing, PANG Zhonghe, et al. How does precipitation recharge groundwater in loess aquifers? Evidence from multiple environmental tracers[J]. Journal of Hydrology, 2020, 583: 124 532.

[23] CHENG Liping, SI Bingcheng, WANG Yaping, et al. Groundwater recharge mechanisms on the Loess Plateau of China: New evidence for the significance of village ponds[J]. Agricultural Water Management,2021, 257: 107 148.

Dynamics of Groundwater in Changwu Loess Tableland and Its Determiants

SUN Jineng, WANG Wanzhou, YAN Xin, LI Bingbing, LI Zhi*
(College of Natural Resources and Environment, Northwest Aamp;F University, Yangling 712100, China)

【Objective】Groundwater is the predominant water resource for agricultural and other sectors in the loess tableland in northwestern China. Understanding its response to management and environmental changes is important to elucidate the mechanisms underlying groundwater recharges and help improve groundwater resource management. The purpose of this paper is to present a method to analyze the determinants of groundwater change in the loess tableland. 【Method】The analysis is based on data measured from 1976 to 2017 from five boreholes in the Changwu loess tableland. Change in groundwater depth and its determinants are identified using the crosscorrelation and multiple linear regression methods. 【Result】The groundwater depth in Changwu varied between 25 and 95 m, with the variation depending on boreholes due to the difference in hydrogeological conditions and human activity between them. On average, the groundwater table had fallen from 1976 to 2017 at 0.08-0.21 m/a,with the falling rate depending on boreholes. Meteorology, vegetation and anthropogenic activities are the factors affecting both monthly and inter-annually change in groundwater depth, though the relative dominance of these factors varies with boreholes. Interannually, anthropogenic activities affected groundwater more, contributing to 74%of its depth change. Monthly, vegetation was the factor predominantly affecting groundwater, contributing to 40% of its depth change. 【Conclusion】Increase in population, economic development and expansion of apple orchards is the factors underlying the groundwater depth change in the studied area. Our results have an important implication for sustainable development of agriculture and other industries sectors in this region.

Changwu loess tableland; groundwater depth; influencing factors; contribution

孫繼能, 王萬(wàn)洲, 燕鑫, 等. 黃土區(qū)長(zhǎng)武塬地下水埋深動(dòng)態(tài)特征及影響因素分析[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2022, 41(10): 90-97.

SUN Jineng, WANG Wanzhou, YAN Xin, et al. Dynamics of Groundwater in Changwu Loess Tableland and Its Determiants[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(10): 90-97.

TV21

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021656

1672 - 3317（2022）10 - 0090 - 08

2021-12-30

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（42071043）

孫繼能（1997-），男。碩士研究生，主要從事水文水資源方面的研究。E-mail: sunjn@nwafu.edu.cn

李志（1978-），男。教授，主要從事旱區(qū)水循環(huán)與水環(huán)境演變機(jī)理與調(diào)控方面的研究。E-mail: lizhibox@nwafu.edu.cn

責(zé)任編輯：韓 洋