霍世璐，王文科，段 磊，李 瑛，張 琛，劉明明，曾 磊

(1.長安大學環(huán)境科學與工程學院,陜西 西安 710061；2.長安大學教育部旱區(qū)地下水與生態(tài)效應教育部重點實驗室,陜西 西安 710061；3.中國地質調(diào)查局西安地質調(diào)查中心,陜西 西安 710054)

水是影響當?shù)厣鷳B(tài)過程和經(jīng)濟發(fā)展的關鍵因素，因而分析環(huán)境變化下水資源構成探討其驅動力的改變，不僅有助于深入了解當?shù)厣鷳B(tài)過程和人類活動之間的關系，也對整個流域關于如何應對人類活動變化即實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義[1]。近年來人類活動對地下水資源的影響受到國內(nèi)外學者的廣泛關注。王文科等[2]在研究格爾木地區(qū)水資源系統(tǒng)特征的基礎上,分析了人類重大工程對格爾木沖洪積扇水資源與生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的影響,提出了水資源與生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)保護的對策和措施。張文化等[3]針對石羊河流域地下水循環(huán)構建模型，定量分析了氣候變化與人類活動對地下水位的影響程度；杜偉等[ 4 ]在陜西省寶雞峽灌區(qū)用統(tǒng)計水文學方法研究了地下水位在各影響因素驅動下的發(fā)展趨勢。魏智、劉宗平、張真真、F. Hossain等[5-8]分別用克里金插值法、動態(tài)監(jiān)測法及suffer軟件分析研究區(qū)多年地下水位變化規(guī)律及驅動因素，得出人類活動是水位動態(tài)變化的主要驅動力。張彧瑞等[9]基于“功能驅動”和“差異驅動”的主客觀賦權法，得出了人類活動對石羊河流域水資源影響的貢獻率大于氣候變化。李相虎[10]對近年來石羊河流域水資源的各影響因素做主成分回歸分析，提取三個主因子，表明人為活動影響力最大，在水資源變化過程中主導負作用。鄭愛勤等[11]采用信息熵的方法分析了用水結構的演變趨勢及主要驅動力，為關中地區(qū)水資源可持續(xù)利用提供參考依據(jù)。王雁林等[12]采用數(shù)理統(tǒng)計分析、基流指數(shù)比較等方法, 得出人類活動是黃河流域河川基流量最主要的驅動因素。

霍城縣位于新疆伊犁河谷西北角，地表水資源嚴重緊缺，故地下水是本區(qū)最主要的農(nóng)業(yè)及生活用水水源，隨著氣候變化、經(jīng)濟社會發(fā)展及人口增加，霍城縣地下水資源呈現(xiàn)時空變化，其供需矛盾日益突出[13]。當?shù)匕l(fā)展使得水資源總量下降，現(xiàn)有的人類活動不同程度的改變了水資源構成[14]，地下水資源驅動因子也發(fā)生了變化，詳細分析水資源構成的變化情況，討論驅動因子的改變，有利于準確認識地下水資源現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢[15]，對合理利用地下水資源提供指導，對區(qū)域開發(fā)建設、自然資源管理及生態(tài)環(huán)境的保護具有重要意義[16]。

本文在收集已有資料的基礎上，通過地下水均衡法、數(shù)理統(tǒng)計法及主因子分析法，分析近30年來霍城縣地下水資源構成變化情況，并結合人口、耕地、農(nóng)田用水，水利建設等發(fā)展歷史分析了人類活動對地下水資源構成及其驅動力的改變[17]。

1 研究區(qū)概況

霍城縣位于伊犁平原西北部的開闊地帶，北鄰溫泉縣，南瀕伊犁河與察布查爾縣隔河相望，東與伊寧市、伊寧縣接壤，西與哈薩克斯坦共和國為界，是中亞各國乃至我國內(nèi)地陸路進入伊犁地區(qū)的門戶。是聯(lián)結中亞和西歐的重要通道，境內(nèi)有西北地區(qū)最大的陸路通商口岸—霍爾果斯口岸、自治區(qū)級經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)—清水河經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)。氣候屬溫帶大陸性半干旱氣候，多年平均氣溫9.1 ℃，年均降水量140～450 mm，年均蒸發(fā)量1 400～1 900 mm?；舫强h地勢北高南低，由西北向南傾斜，依據(jù)霍城縣地貌形態(tài)成因，縣內(nèi)自南向北可劃分為山前沖洪積礫質平原區(qū)、細土平原區(qū)、風成荒漠區(qū)等地貌單元(圖1)和典型剖面圖(圖2)。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

降雨、蒸發(fā)等水文氣象數(shù)據(jù)來源于伊犁氣象站，水資源開發(fā)利用(人工開采量，泉水出露量、河流徑流量、渠首引水量)、水利工程修建(渠系利用系數(shù)、水庫庫容)、農(nóng)業(yè)灌溉(灌溉水利用系數(shù)，灌溉定額，灌溉方式灌溉面積)等參閱了《霍城縣志》、《霍城縣統(tǒng)計公報》、《霍城縣年鑒》、《中電投新疆伊犁肖爾布拉克西礦井項目水資源論證》和《伊犁哈薩克自治州統(tǒng)計年鑒》。其中降雨入滲系數(shù)、渠系利用系數(shù)，防滲修正系數(shù)、田間入滲系數(shù)、水庫滲漏系數(shù)、潛水蒸發(fā)系數(shù)，地下水埋深情況來源于《中華人民共和國區(qū)域水文地質普查報告——伊犁地區(qū)》《伊犁河流域平原地下水開發(fā)利用規(guī)劃調(diào)查報告》、《霍爾果斯市開發(fā)利用報告》等資料。使用MAPGIS讀取各參數(shù)分區(qū)圖中所需的計算面積。結合霍城縣地質條件，基準年鉆孔資料最終確定含水層厚度，滲透系數(shù)及水力坡度用于計算側向補給排泄量。

圖1 研究區(qū)地貌圖Fig.1 Geomorphic of the study area

圖2 研究區(qū)地貌及水文地質剖面圖Fig.2 Hydrogeological sections of the study area

2.2 研究方法

2.2.1水均衡法

為了分析20世紀80年代以來地下水資源動態(tài)變化及其驅動力，選取每個年代資料較為齊全的代表年份(1985年、1990年、2000年、2005年、2014年)為計算基準年，利用水均衡法計算地下水資源量(表1)；對比不同年份水資源構成變化情況[18]。

確定地下水均衡方程為：

ΔQ=Q補-Q排

(1)

Q補=Q側入+Q河滲+Q渠滲+Q田滲+Q雨滲+Q庫滲

(2)

Q排=Q人工開采+Q泉排+Q蒸發(fā)+Q側出

(3)

式中：ΔQ——地下水儲存量的變化量/(m3·a-1)；

Q補——地下水補給量/(m3·a-1)；

Q排——地下水排泄量/(m3·a-1)；

Q側入——地下水側向流入量，包括河道潛流量/(m3·a-1)；

Q河滲——河道滲漏補給量/(m3·a-1)；

Q渠滲——渠道滲漏補給量/(m3·a-1)；

Q田滲——田間灌溉入滲量/(m3·a-1)；

Q雨滲——降雨入滲補給量/(m3·a-1)；

Q庫滲——水庫入滲補給量/(m3·a-1)；

Q人工開采——地下水人工開采量/(m3·a-1)；

Q泉排——泉水排泄溢出量/(m3·a-1)；

Q蒸發(fā)——潛水蒸發(fā)蒸騰量/(m3·a-1)；

Q側出——地下水側向流出量/(m3·a-1)。

水均衡計算結果見表1。

表1 近30年霍城縣地下水資源構成Table 1 Amount of groundwater resources in Huocheng county in the past 30 years

2.2.2因子分析法

因子分析法是主成分分析方法的推廣和深化，它是將多個彼此相關的實測變量轉換為少數(shù)幾個彼此獨立的、能綜合反映原有信息的一種多元統(tǒng)計分析方法，揭示原始變量之間的內(nèi)在聯(lián)系[19]。

(1)形成兩個矩陣X1X2，并對X1X2進行標準化得到X′1X′2，建立標準化數(shù)據(jù)的相關系數(shù)矩陣,再進行KMO(Kaiser-Meyer-Okin) 和 Bartlett 球形統(tǒng)計量檢驗[20]，檢驗得兩組數(shù)據(jù)KMO值均大于0.5，即X′1X′2可以進行因子分析；

將基準年的水資源補給項(6項)分別輸入SPSS 19，根據(jù)得到的因子載荷矩陣，研究水資源補給項間的相互關系，找出影響水資源補給項的主要因子，及其正負相關性，分析結果見表2和表3。

3 結果與討論

3.1 基于水均衡分析地下水資源構成變化

地下水資源構成包括降雨入滲補給量、側向徑流補給量、渠道入滲補給量、田間入滲補給量、水庫入滲量、河道入滲量、蒸發(fā)排泄量、泉水排泄量、側向排泄以及人工開采量。本文根據(jù)不同時期霍城縣水文地質參數(shù)，鉆孔資料和氣象數(shù)據(jù)，利用水均衡計算公式計算地下水資源構成中的補排項，從而得到不同時期補給總量、排泄總量(表1)，進而逐一分析各構成項的變化。

從地下水均衡角度看，20世紀末期霍城縣地下水資源處于正均衡狀態(tài)，補給總量和排泄總量表現(xiàn)出遞減趨勢，且下降速率逐漸增大。對比不同時段地下水變化速率可知水資源減少的速率表現(xiàn)為先增大后減小。2000—2014年由于自然環(huán)境的變化和人類活動的增強，地下水狀態(tài)由正均衡演化為負均衡，補給和排泄總量持續(xù)下降，2000—2005年地下水下降速率到達最大(補給量以0.160×108m3/a的速率減少，排泄量以0.155×108m3/a的速率減少)，2005—2014年地下水下降的速率變緩，這是由于不同時期人類活動對地下水資源的影響不同，且同一時期不同程度人類活動對地下水資源也有著較大改變。

近30年來霍城縣補給資源量呈顯著下降趨勢，地下水總補給量減少了2.148×108m3/a。 2000—2014年地下水資源減少速度是1985—2000年的3.521倍。1985年和1990年水資源構成情況相似，渠道入滲和河道入滲占總補給量的84%～87%，田間入滲小于1%。2000—2014年補給資源構成發(fā)生明顯變化，構成變化從大到小依次為田間入滲量、渠道入滲、河道入滲。2014年渠道入滲所占比例較1985年減少了9.31%，河道入滲減少了7.09%，兩者占總補給量的70.25%，田間入滲所占比例增加了10.42%。

近30年來，霍城縣地下水排泄總量呈顯著下降趨勢，1985—2014年排泄總量減少了1.817×108m3/a，1985—2000年排泄量減少了0.316×108m3/a，排泄量減少速率為0.021×108m3/a。2000—2014年排泄總量減少了1.501×108m3/a，排泄量減少速率為0.107×108m3/a。2014年較1998年泉水排泄所占比例減少了22.85%，人工開采所占比例增加了15.2%。近30年來，排泄項構成變化最大的為泉水排泄和人工開采。

3.2 地下水位空間尺度變化特征

利用克里格插值得到研究區(qū)1990年、2000年、2014年地下水位埋深分區(qū)圖(圖3)，對比分析圖3可知，南部沖積細土平原區(qū)，與1990年相比，2000年和2014年的地下水位埋深分區(qū)界線明顯有向北移動的趨勢，越往北部地下水位下降越快。中部的風成沙漠區(qū)，1990年、2000年地下水位埋深在3～7 m，2014年風成沙漠區(qū)地下水埋深變化復雜，最深在7～10 m。在細土平原區(qū)，與1990年相比，2000年和2014地下水位埋深普遍增加，地下水埋深年均下降速率達0.215 m/a。2014年較2000年埋深變化情況，比2000年較1990年埋深變化更加復雜。由圖3(b)、(c)中埋深變化情況可以看出，研究區(qū)北部2014年較2000年埋深變化比2000年較1990年埋深變化范圍更廣，埋深明顯加大。2014年較2000年埋深增加幅度最大的區(qū)域主要位于沖積細土平原南部和傾斜平原西北部，包括霍爾果斯、清水河鎮(zhèn)、霍城縣及惠遠鎮(zhèn)等地。主要是因為這些地方人口集中，農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)興旺且霍爾果斯區(qū)、清水河、三道河內(nèi)設工業(yè)園區(qū)整體用水需求大，地表水資源有限大幅開采地下水使得水位埋深增加[22]。

3.3 地下水資源構成變化的驅動力分析

3.3.1因子分析法驗證

由于排泄項因子只有4項，且能從水均衡變化結果中直接得出排泄項構成變化最大的為泉水排泄和人工開采，故此處不用因子分析法分析。而水資源補給項變化較為復雜，故用SPSS 19中的主因子分析法提取1985—2000年，2000—2014年水資源補給項的主因子，對其驅動因子加以驗證，結果見表2。

表2 因子的特征值、貢獻率及累積貢獻率Table 2 Latent root，contribution rate and accumulative rate of factors

圖3 不同時期地下水位埋深分區(qū)示意圖Fig.3 Zoning diagram of buried depth of groundwater level in different periods

當前n個主因子的累積貢獻率達到80%時，即表明前n個因子基本包含了以上 10 個指標的信息。對2個不同時段的水資源補給構成項分別提取了2個主因子和1個主因子，結果見表3。

表3 因子載荷矩陣Table 3 Factor load matrix

1985—2000年，第一主因子方差貢獻率達到了76.597%，由于人類活動少，人為干預農(nóng)田灌溉程度很小，此時的田間入滲主要受氣候因素影響，1985—2000年第一主因子可歸結為氣候因子。第二因子方差貢獻率為23.403%，僅有渠道入滲為明顯正相關，可歸結為人為因子，可見此時人為因素及氣象因素均對水資源補給構成產(chǎn)生復雜影響。2000—2014年只提取出了一個主因子，其對水資源的貢獻率為95.794%，絕對相關性大于0.950的成分均為人類活動造成的，此時人為因素成為水資源補給項的主要驅動力。

對比兩個時期主因子的正負相關性，發(fā)現(xiàn)水資源補給構成發(fā)生了質的改變，在人類活動影響下原本正相關項變?yōu)榱爽F(xiàn)有的負相關，將原本負相關變?yōu)榱爽F(xiàn)有的正相關。田間入滲量從1985—2000年明顯正相關變?yōu)?000—2014年明顯負相關，即1985—2000年隨著水資源總量的減少田間入滲量也隨之減少，2000—2014年水資源總量減少而田間入滲量(人工開采量)增大。水庫入滲量、河道入滲量與水資源總量在1985—2000年表現(xiàn)為負相關，2000—2014年則表現(xiàn)為正相關，即1985—2000年水資源總量減少河道入滲量、水庫入滲量增加，2000—2014年水資源總量減少而河道入滲量、水庫入滲量也隨之減少。渠道入滲補給量從1985—2000年第一主成分的不相關變?yōu)?000—2014年明顯正相關。

由因子載荷矩陣計算兩個時期權重變化可得，水資源構成補給變化最大的是田間入滲補給量、河道入滲量、渠道入滲量和水庫滲漏量，其根本原因是人類活動造成的。

3.3.2人類活動驅動下水資源構成變化的具體分析

(1)灌溉對田間入滲的影響

農(nóng)業(yè)灌溉主要分布于南部沖積細土平原，該處地下水埋深淺，利于入滲補給。20世紀80年代早期，新疆灌溉方式為“淹灌”、“大水漫灌”，用水量是實際所需的1～2倍；“十一五”后開始推廣節(jié)水措施，在荒漠綠洲大規(guī)模的連片墾荒區(qū)建立中型灌區(qū)，農(nóng)田水利工程從明渠輸水、漫灌向防滲渠、管道輸水和節(jié)水灌溉轉變[23]。2000—2006年間新增高新技術節(jié)水灌溉節(jié)水面積1 097.4公頃，2018年調(diào)查發(fā)現(xiàn)，霍城縣的主要灌溉方式為渠灌，山前溢出帶使用井灌，灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)為0.44。隨著灌區(qū)節(jié)水改造工程的實施，預計到2020年灌溉水利用系數(shù)將達到0.53；從2001—2014年資料得出，灌溉面積總體為增長趨勢，到2014年農(nóng)田灌溉面積增加了3.24倍[24]。灌溉面積不斷增大的同時大幅度提升灌溉水利用系數(shù)，提高地下水的有效利用率，使得田間入滲量增加速度較為平緩[25-26]，2000—2005年、2005—2014年灌溉入滲量分別以0.368×108m3/a、0.022×108m3/a的速度增加。

(2)引水灌溉對河道入滲的影響

引水工程造成河流徑流總量減少。根據(jù)2017年在大西溝龍口測流結果顯示，在灌溉季節(jié)，引水后剩余水量為0.437×108m3/a，72%的河水用于農(nóng)田灌溉。河道硬質化、河道襯砌，防滲工作的完善使得河道滲漏能力下降。灌溉季節(jié)河流徑流量減少，河流入滲量進一步減少[27-28]。在河流徑流總量減少和河道滲漏能力下降的共同作用下河道入滲補給量呈現(xiàn)遞減趨勢。

(3)渠道建設對渠道入滲補給的影響

20世紀末期在同等渠道利用系數(shù)下，新增渠道使渠道入滲量從1985—1990年由3.181×108m3/a增大到3.884×108m3/a。2000—2007年共完成干支斗三級渠道防滲601.48 km，新修渠系建筑物1 985座，2007—2010年間新改建干支斗防滲渠道117.32 km，期間渠系利用系數(shù)不斷提高(表4)，2000—2005年、2005—2014年渠系入滲量分別以0.107×108m3/a、0.071×108m3/a的速度減少。防滲建設使得渠道入滲能力下降，引渠灌溉使得渠系總水量降低，在二者共同作用下渠系入滲量持續(xù)減少[29]。

表4 多年渠系利用系數(shù)Table 4 Perennial canal utilization factor

(4)人工開采對排泄資源的影響

地下水位持續(xù)下降使得泉水溢出帶下移，泉水資源量呈階段性衰減[30]。其中，1985—1990年泉水減少0.093×108m3/a，1990—2014年泉水減少了2.283×108m3/a，2014年泉水排泄量減少速率是1985—2000年的5倍。2014年較1985年泉水排泄量減少22.85%，人工開采量增加15.2%。人工開采改變了霍城縣地下水資源的排泄方式，由泉水排泄占50.77%的天然排泄方式轉變?yōu)槿斯づ判购吞烊慌判箖煞N方式共存。

4 結論

(1)30年來，霍城縣地下水資源量持續(xù)下降，補給總量減少了2.148×108m3/a，排泄總量減少了1.817×108m3/a。1985—2014年間地下水資源構成項中的主要成分與水資源總量的正負相關性發(fā)生了質的改變。1985—2000年河道入滲量、水庫入滲量與水資源總量表現(xiàn)為負相關，2000—2014年則變?yōu)檎嚓P。田間入滲補給及人工開采從1985—2000年的正相關變?yōu)?000—2014年的負相關，渠道入滲從1985—2000年的不相關變?yōu)?000—2014年的明顯正相關。

(2)通過水均衡法及主因子分析法，分析1985—2014年間霍城縣水資源構成變化情況，得出引起地下水資源構成的本質驅動力是人類活動，其中正面效應為：渠道、河道防滲工程的完善，河道硬質化，在灌期引用河水等多重影響下渠(河)道用水利用率提高。節(jié)水技術的改進提高了地下水的有效利用率。負面效應為：大規(guī)模人工開采使得地下水位大幅下降，研究區(qū)地下水位重新分布，灌溉面積增大，灌水總量增大，使得蒸發(fā)量增大。泉水排泄減少，破壞了原有的排泄模式。在城鎮(zhèn)日益都市化、地下水入滲量和補給量減少，開采量增大的趨勢下，建議當?shù)馗鶕?jù)不同驅動力采取對應節(jié)水措施，使當?shù)厮Y源良性循環(huán)。

兩種分析方法有著較高的相關性，同時證明了分析結果的可靠性。因子分析法以水均衡結果為基礎進行了相關性分析，根據(jù)相關性變化及權重分析水資源構成的變化因子，結果更為直觀。