喀什地區(qū)地下水埋深時空變化特征及影響成因探討

努爾麥麥提·艾麥提

( 新疆喀什水文勘測局，新疆 喀什 844000)

新疆喀什地區(qū)地下水資源較為豐富，地下水在平原地區(qū)的水資源量可達到75.38 億m3[1]。地表水轉化補給是喀什平原區(qū)地下水補給主要來源，地下水總補給量中河道和渠系入滲補給量占比高于70%[2]。葉爾羌河和喀什葛爾河流域水系對喀什地區(qū)地下水補給量分別為71.6%和28.4[3]。喀什地區(qū)地下水補給受內(nèi)陸干旱氣候影響存在明顯的地帶分布，粗顆粒礫石層主要為山前一帶沖洪積扇裙的地質(zhì)組成，地下潛流層主要由地表水通過山前側滲補給[4]。地勢平臺的沖積平原區(qū)地下水主要通過河流側向徑流補給較多，其他補給方式包括承壓含水層的垂向補給[5]。喀什地區(qū)地下水在沖積平原中運移速率較慢，垂直方向是沖積平原區(qū)地下水補給和排泄的主要方式，地下水受人類活動和側向流入沙漠區(qū)影響變化較為明顯[6]。地下水系統(tǒng)的變化趨勢需要通過地下水埋深變化來反映，近些年來，喀什地區(qū)地下水埋深變化取得一定研究成果，但是對于其平原區(qū)地下水埋深變化影響分析還較少，尤其是對其成因探討還未進行系統(tǒng)研究，為系統(tǒng)對喀什地區(qū)地下水埋深進變化特征及其影響成因進行深入探討，結合喀什地區(qū)153 眼地下水觀測井地下水埋深觀測數(shù)據(jù)，對其近20 年以來喀什地區(qū)地下水埋深變化特征進行分析，并對其影響成因進行定量分離[7-11]。研究成果對于喀什地區(qū)地下水保護規(guī)劃具有重要參考價值。

1 研究數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究數(shù)據(jù)

文章選用喀什地區(qū)153 眼地下水觀測井2000-2020 年地下水埋深觀測數(shù)據(jù)作為分析數(shù)據(jù)，各眼地下水觀測井分布密度為4 眼/103km2，各地下水觀測井之間的間距為4~10km 范圍內(nèi)，目前喀什地區(qū)地下水自動觀測井和人工觀測井分別為80 眼和53 眼，各地下水觀測井以能反映區(qū)域地下水動態(tài)變化特征進行區(qū)域控制。

1.2 研究方法

首先采用Pettitt方法對喀什地區(qū)地下水埋深突變特征進行突變分析，該方法首先對于變量序列xi進行統(tǒng)計變量Ut和Vt的計算：

該方法定義最顯著的突變點統(tǒng)計量Kt進行統(tǒng)計分析：

突變點的判定按照統(tǒng)計量P是否滿足顯著性進行分析：

若分析數(shù)據(jù)序列出現(xiàn)顯著突變點其P<0 0.05?？紤]到地下水埋深影響因素較為復雜，在進行影響成因定量分析之前，按照敏感性分析，首先對地下水埋深的主要因素進行敏感性，確定主要影響因子，其計算方程為：

其中ε為地下水埋深影響要素的敏感值；Fi為不同影響因子的序列值；為地下水埋深（m）；和分別為地下水埋深影響因子序列均值和地下水埋深序列均值(m)；隨著地下水埋深影響因子加大而增大地下水埋深其ε>0，反之ε<0。ε的絕對值越高，其敏感程度越大。在地下水埋深影響因子敏感性分析的基礎上，確定喀什地區(qū)地下水埋深影響的主要因子后，需要對不同影響因子之間的貢獻率進行分析，計算方程為：

2 地下水埋深時空變化特征

2.1 不同區(qū)域年尺度地下水埋深變幅

結合喀什地區(qū)153 眼地下水觀測井地下水埋深觀測數(shù)據(jù)，對其不同區(qū)域地下水埋深變化均值及地下水埋深變幅進行統(tǒng)計分析，結果如表1 所示。

表1 喀什地區(qū)各分區(qū)不同年代際地下水埋深變幅及變化率統(tǒng)計結果

從喀什地區(qū)各區(qū)域近20 年以來地下水埋深變幅和變化率可看出，喀什各區(qū)域地下水埋深總體呈現(xiàn)遞增變化，地下水埋深遞增率均值為0.17m/10a。從空間變化而言，喀什地區(qū)地下水埋深總體從南向北逐步遞減，地下水埋深在沖積平原區(qū)較大，最大地下水埋深可達到20m，喀什市以東的伽師縣和岳普湖縣區(qū)域地下水埋深具有明顯的遞減變化，地下水埋深均低于5m。喀什地區(qū)從山區(qū)到平原受海拔高度及地形變化影響，地下水埋深存在明顯的垂直帶分布，山區(qū)地下水埋深較低，下游平原區(qū)地下水埋深較高，地下水埋深從山區(qū)到平原逐步遞減變化。另外文章還對喀什地區(qū)各區(qū)域近20 年以來地下水埋深突變特征進行分析，通過分析各分區(qū)地下水埋深突變年份均集中在2010 年前后，通過分析2010 年前后，喀什地區(qū)加大了對區(qū)域地下水保護力度，地下水開采量得到明顯變化，使得喀什地區(qū)各分區(qū)地下水埋深變幅有所減小，但其突變特征顯著性較弱。

2.2 不同區(qū)域季節(jié)尺度地下水埋深變幅

在喀什各分區(qū)年尺度地下水埋深變化分析的基礎上，對其不同年代際各個季節(jié)地下水埋深變化進行統(tǒng)計，統(tǒng)計結果如表2、表3、表4 及表5 所示。

表2 喀什地區(qū)各區(qū)域不同年代際春季地下水埋深變化特征

表4 喀什地區(qū)各區(qū)域不同年代際秋季地下水埋深變化特征

表5 喀什地區(qū)各區(qū)域不同年代際冬季地下水埋深變化特征

除冬季外，喀什地區(qū)各區(qū)域不同年代際春季、夏季、秋季地下水埋深時空變化特征和年尺度地下水埋深變化具有一致性，夏季各區(qū)域地下水埋深遞增趨勢明顯高于春季和秋季，冬季地下水埋深呈現(xiàn)遞減變化，各季節(jié)地下水埋深總體從南向北逐步遞減。夏季喀什地區(qū)地下水埋深變化率均值為0.0766m/10a，地下水埋深遞增率最大，其次為春季，其各區(qū)域地下水埋深變化率均值為0.0596m/10a，秋季喀什各區(qū)域地下水埋深變化率均值為0.0426m/10a，冬季喀什地區(qū)地下水埋深總體呈現(xiàn)遞減變化，各區(qū)域遞減率均值為-0.0086m/10a。通過對各季節(jié)喀什地區(qū)地下水埋深數(shù)據(jù)進行突變分析，夏季突變年份和年尺度突變年份具有一致性，春季和秋季和年尺度突變年份具有不一致性，主要是因為喀什地區(qū)地下水補給比例所致，夏季地下水補給量占全年總補給量的比例可達到45%，春季和秋季補給率分別為35%和15%，春季受區(qū)域融雪徑流補給使得其地下水補給比例也較高。

3 地下水埋深時空變化影響成因分析

3.1 地下水影響因子敏感度分析

結合地下水埋深影響因子中的氣溫、降水量、蒸發(fā)量以及地下水開采量序列，對其進行標準化處理后，得到各影響因子的標準化序列值，和地下水埋深標準化數(shù)據(jù)系列進行敏感度的分析，分析結果如表6 所示。

表6 喀什地區(qū)各分區(qū)地下水埋深影響因子敏感度分析結果

從喀什地區(qū)各分區(qū)地下水埋深影響因子敏感度分析結果可看出，降水和蒸發(fā)量對喀什各區(qū)域地下水埋深影響敏感度均較低，均小于0.01，降水量和蒸發(fā)量對喀什地區(qū)地下水埋深影響相對較小，這主要是因為喀什地區(qū)屬于典型的內(nèi)陸季風氣候，氣候干燥少雨，因此降水量和蒸發(fā)量對其影響程度相對較低。而氣溫對區(qū)域地下水埋深影響敏感度較高，高于0.5，這主要是因為喀什地區(qū)地下水補給重要來源為融雪徑流的滲漏補給，而氣溫是融雪徑流的主要影響因子，因此其對喀什地區(qū)地下水埋深影響敏感度較高。地下水開采量主要為人類活動對區(qū)域地下水埋深的影響，其敏感度僅次于氣溫，各區(qū)域敏感度也在0.3 以上，但總體小于氣溫對喀什地區(qū)地下水埋深的影響度。

3.2 地下水影響因子相對貢獻率分析

在各區(qū)域地下水埋深影響因子敏感度分析的基礎上，結合相對貢獻率分析方法對各影響因子的相對貢獻率進行計算，結果如表7 所示。

表7 喀什地區(qū)各分區(qū)地下水埋深影響因子相對貢獻率分析結果

從喀什地區(qū)各區(qū)域地下水埋深影響因子的相對貢獻率分析結果可看出，氣溫是喀什地區(qū)地下水埋深遞增變化的主因，其次為地下水開采量，氣溫影響相對貢獻率均高于50%，而地下水開采量相對貢獻率均高于30%。降水量和蒸發(fā)量相對貢獻率均低于10%。各影響因子的相對貢獻率總體和其敏感度分析一致，敏感度越高的因子其對喀什地區(qū)地下水埋深影響相對貢獻率也較高。氣溫是喀什地區(qū)地下水埋深變化影響的主因是因為其對區(qū)域山區(qū)融雪徑流影響較大，而融雪徑流是喀什地區(qū)地下水補給重要來源，因子其對喀什地區(qū)地下水埋深影響的相對貢獻率較高。

4 結 論

1）喀什地區(qū)地下水埋深總體從南向北逐步遞減，地下水埋深在沖積平原區(qū)較大，最大地下水埋深可達到20m，喀什市以東的伽師縣和岳普湖縣區(qū)域地下水埋深具有明顯的遞減變化，地下水埋深均低于5m。

2）喀什地區(qū)各區(qū)域不同年代際春季、夏季、秋季地下水埋深時空變化特征和年尺度地下水埋深變化具有一致性，夏季各區(qū)域地下水埋深遞增趨勢明顯高于春季和秋季，冬季地下水埋深呈現(xiàn)遞減變化，各季節(jié)地下水埋深總體從南向北逐步遞減。

3）氣溫是喀什地區(qū)地下水埋深遞增變化的主因，其次為地下水開采量，氣溫影響相對貢獻率均高于50%，而地下水開采量相對貢獻率均高于30%，降水量和蒸發(fā)量相對貢獻率均低于10%。