張 云，李 升，高 遠(yuǎn)，葛燕燕，余江祥

（新疆大學(xué)地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院，烏魯木齊 830017）

0 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，建設(shè)用地蔓延擴(kuò)展及水資源利用需求逐漸增長，人類活動(dòng)引起的水文循環(huán)狀況和水量平衡要素在時(shí)間、空間和數(shù)量上發(fā)生著不可忽視的變化［1］，對(duì)區(qū)域水循環(huán)、環(huán)境質(zhì)量、生物多樣性及陸地生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力和適應(yīng)能力的影響愈加深刻［2］，其主要體現(xiàn)在下墊面土地利用／覆被變化上，并通過徑流及其表現(xiàn)形式的變化來實(shí)現(xiàn)［3］。我國干旱半干旱地區(qū)地下水資源匱乏，加之近年來人類活動(dòng)頻繁，土地利用類型時(shí)空變化較大，從而導(dǎo)致部分地區(qū)地下水位呈下降趨勢(shì)，生態(tài)環(huán)境惡化［4］。我國喀什地區(qū)地處亞洲內(nèi)陸深部，氣候干燥少雨，水資源匱乏，地下水成為重要的來源之一。由于水資源需求呈逐年上漲趨勢(shì)，地下水水位持續(xù)下降，由此引發(fā)地的生態(tài)環(huán)境問題越發(fā)嚴(yán)重，如濕地公園面積縮減，已威脅到當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及人類生存［5，6］。

地下水動(dòng)態(tài)變化是地下水系統(tǒng)對(duì)外界環(huán)境改變（包括氣象、水文、人類工程活動(dòng)和地球內(nèi)部構(gòu)造應(yīng)力等）的一種響應(yīng)［7］，其過程是補(bǔ)給源動(dòng)態(tài)、含水層調(diào)節(jié)功能、水文地質(zhì)條件以及人類開采活動(dòng)等影響因素相互作用的綜合反映，其實(shí)質(zhì)上是含水層系統(tǒng)體積和彈性貯存量的變化，是含水層系統(tǒng)與外界發(fā)生水量交換的結(jié)果［8，9］。影響地下水位埋深變化的因素有自然因素與人為因素，包括氣候、徑流、含水層特征、人類開采、土地利用等，不同區(qū)域其地質(zhì)、水文地質(zhì)條件不同，其主導(dǎo)因素也不同［10］。

進(jìn)入90年代以來，全球環(huán)境變化研究領(lǐng)域逐漸加強(qiáng)了對(duì)土地利用/土地覆被變化的研究［11］。郭躍［12］研究了Cooms brook小流域?qū)τ邢薜耐恋乩米兓退嵊昵秩氲南到y(tǒng)響應(yīng)行為。R.S.Muyungi等［13］對(duì)土地利用變化和農(nóng)業(yè)造成的溫室氣體的排放進(jìn)行了研究分析。鄧慧平［14］系統(tǒng)地研究并總結(jié)了多年氣候數(shù)據(jù)與土地利用變化對(duì)水文水資源的影響。近年來，數(shù)值模型作為一種有效研究工具被大量學(xué)者應(yīng)用，對(duì)土地利用變化與水文效應(yīng)［15，16］、土地覆被變化對(duì)地下水資源及儲(chǔ)量的影響［17，18］、流域土地利用類型變化與地表徑流的定量關(guān)系［19，20］以及土地利用與地下水水位及礦化度的響應(yīng)關(guān)系［21-25］進(jìn)行了研究分析。通過對(duì)土地利用類型變化規(guī)律進(jìn)行研究，及時(shí)把握土地利用及其變化狀況，可對(duì)地下水資源優(yōu)化提供理論依據(jù)，對(duì)變化環(huán)境下的水資源規(guī)劃管理與應(yīng)用具有十分重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。

盡管土地利用類型與環(huán)境變化關(guān)系領(lǐng)域的相關(guān)研究已積累了大量的富有洞察力的研究成果和經(jīng)驗(yàn)。然而，干旱半干旱地區(qū)地下水資源和土地利用類型之間的相互影響機(jī)制研究仍相對(duì)有限，仍有科學(xué)問題需進(jìn)一步探索。本文尋求找到以下兩個(gè)科學(xué)問題的答案：①干旱半干旱地區(qū)地下水水位埋深和土地利用之間存在什么樣的關(guān)系？②干旱半干旱地區(qū)地下水水位埋深如何受土地利用類型變化影響？為回答以上科學(xué)問題，本文以地處典型干旱半干旱地區(qū)的喀什三角洲為研究區(qū)域，以量化干旱半干旱地區(qū)地下水資源和土地利用變化關(guān)系為研究目標(biāo)，利用克里金插值、動(dòng)態(tài)度、轉(zhuǎn)移矩陣等方法，分析不同區(qū)域多年地下水埋深與土地利用變化關(guān)系及地下水埋深與土地利用的時(shí)空變化趨勢(shì)。本文研究方法和結(jié)果可為干旱半干旱地區(qū)地下水水資源保護(hù)和合理開發(fā)、及區(qū)域生態(tài)文明建設(shè)提供有力理論依據(jù)。

1 區(qū)域概況及研究方法

1.1 區(qū)域概況

喀什三角洲位于新疆維吾爾自治區(qū)西南部，塔里木盆地西緣，地理位置介于東經(jīng)75.17°～76.56°，北緯38.27°～39.52°之間，總面積7 182.2 km2（如圖1 所示）。主要包括的行政區(qū)有喀什市、疏勒縣、疏附縣、阿克陶縣、英吉沙縣等，包括的河流有克孜河、蓋孜河、庫山河、依格孜牙河、恰克馬克河、布谷孜河及卡浪溝呂克河7 條河（如圖1 所示）。平原區(qū)地勢(shì)平坦開闊，地面坡降2‰～5‰，地面表層巖性主要為細(xì)砂、亞細(xì)砂及亞黏土組成。多年平均氣溫在11.4～11.7 ℃，降水量60～90 mm/a，春夏秋冬四季分明，日照時(shí)間長，蒸發(fā)強(qiáng)，氣候干燥；冬季低溫期長，夏季長而炎熱［26］?？κ踩侵迣儆诟珊?半干旱區(qū)，水資源極度缺乏，土地與水資源利用的不合理導(dǎo)致部分區(qū)域地下水位埋深增大、土壤鹽漬化-次生鹽漬化現(xiàn)象滋生［27］。

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)內(nèi)監(jiān)測井共24 口（見圖1），地下水埋深數(shù)據(jù)來源于喀什市水文勘測局及喀什市國土部門對(duì)監(jiān)測井2010、2018年的實(shí)測數(shù)據(jù)，統(tǒng)一采用1月平均埋深數(shù)據(jù)，監(jiān)測井分布較為均勻。獲取得到地下水埋深數(shù)據(jù)來源可靠，滿足研究地下水埋深與土地利用變化關(guān)系分析的需求。

圖1 研究區(qū)及監(jiān)測井示意圖Fig.1 Schematic diagram of study area and monitoring well

2010、2015 及2018年土地利用類型柵格影像數(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（http：//www.resdc.cn）。其分辨率為30 m，主要以Landsat-TM／ETM 遙感影像為數(shù)據(jù)源，本次獲取各期土地利用類型數(shù)據(jù)為全國土地利用類型25 個(gè)Ⅱ級(jí)分類，結(jié)合相關(guān)野外考察驗(yàn)證表明該土地利用類型數(shù)據(jù)具有較高準(zhǔn)確率，均達(dá)到90%以上［28，29］。

1.3 研究方法

1.3.1 克里金（Kriging）插值法

克里金插值法，又稱空間自協(xié)方差最佳插值法，廣泛地應(yīng)用于地下水模擬、土壤制圖等領(lǐng)域［30］。其普通克里金法是一種單個(gè)變量的局部線形最優(yōu)無偏估計(jì)方法，首先考慮的是空間屬性在空間位置上的變異分布，確定對(duì)一個(gè)待插點(diǎn)值有影響的距離范圍，然后用此范圍內(nèi)的采樣點(diǎn)來估計(jì)待插點(diǎn)的屬性值。本文采用普通克里金法對(duì)研究區(qū)不同時(shí)期地下水埋深進(jìn)行空間插值分析，其方程公式如下［31］：

式中：Z*（XP）為在位置Xp克里金插值；Z*（Xi）為在位置Xi處實(shí)測值；λi為克里金法權(quán)重系數(shù)。

1.3.2 土地利用動(dòng)態(tài)度模型

單一土地利用動(dòng)態(tài)度可表達(dá)區(qū)域一定時(shí)間范圍內(nèi)，不同土地利用類型地變化速度的情況，計(jì)算公式如下［32］：

式中：Ua、Ub分別為研究期初和研究期末某一種土地的面積，km2；T為研究步長，當(dāng)設(shè)定T為年時(shí)，K為研究時(shí)時(shí)段內(nèi)某種類型土地的年變化率，%。

1.3.3 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用可以定量地表明不同土地利用類型之間的轉(zhuǎn)化情況，還可以揭示不同土地利用類型間的轉(zhuǎn)移速率。根據(jù)以下公式計(jì)算［33］：

式中：S為土地利用類型的面積，km2；n為土地利用類型；Sxy為研究區(qū)研究時(shí)段初期x類土地到研究末期轉(zhuǎn)為y類土地的面積，km2。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用時(shí)空變化分析

根據(jù)獲取到分辨率30 m 的2010、2015、2018年土地利用類型二級(jí)分類的柵格影像數(shù)據(jù)，利用ArcGIS 10.5對(duì)不同年份數(shù)據(jù)按掩膜提取，后進(jìn)行重分類，最終將其分為6 大類：耕地、林地、草地、水域、建筑用地（為描述方便，城鄉(xiāng)、工礦、居民用地統(tǒng)稱為建筑用地）及未利用地（未利用地是指目前還未利用及難利用的土地。其中包括：沙地、戈壁、鹽堿地、沼澤地、裸土地、裸巖石質(zhì)地及荒漠。），如圖2 所示。為更易于土地利用隨時(shí)間變化特征分析，本研究將2010-2018年分為2 個(gè)時(shí)間段（2010-2015年和2015-2018年），計(jì)算兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)的土地利用類型單一動(dòng)態(tài)度與土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，分析土地利用類型的年變化率及相互轉(zhuǎn)化關(guān)系。

圖2 喀什三角洲2010、2015、2018年土地利用分布圖Fig.2 Land use distribution map of Kashgar Delta in 2010，2015 and 2018

喀什三角洲2010、2015、2018年土地利用類型分布圖見圖2。表1 與表2 為兩個(gè)階段不同土地利用類型的動(dòng)態(tài)度計(jì)算結(jié)果。從圖2、表1 及表2 可以看出，除水域的年變化率趨勢(shì)有所不同外，兩個(gè)階段相同土地利用類型的年變化率均較為相似。由于當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)與農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，耕地與建筑用地面積在2010-2015年、2015-2018年兩個(gè)階段均逐漸增大。其中耕地利用的年均變化率分別為2.04%、1.17%，建筑用地在2015-2018年間年均增長率尤為突出，為10.47%。相應(yīng)地，研究區(qū)林地、草地及未利用地面積在兩個(gè)時(shí)期均有不同程度的減少。

表1 2010-2015年喀什三角洲土地利用類型單一動(dòng)態(tài)度 %Tab.1 Single dynamic degree of land use types in Kashgar delta from 2010 to 2015

表2 2015-2018年喀什三角洲土地利用類型單一動(dòng)態(tài)度 %Tab.2 Single dynamic degree of land use types in Kashgar delta from 2015 to 2018

兩個(gè)時(shí)期（2010-2015年和2015-2018年）土地利用類型的轉(zhuǎn)移矩陣如表3、4 所示。在兩個(gè)時(shí)期內(nèi)，不同土地利用類型在時(shí)間與空間上均呈現(xiàn)不同的變化?？κ踩侵尥恋乩妙愋椭饕愿亍⑽蠢玫丶安莸貫橹?。本文主要針對(duì)影響地下水埋深相對(duì)較大的類型進(jìn)行研究分析，故暫不考慮未利用地。至2015年，研究區(qū)耕地面積由原來的38.88%變化為42.85%，除原有的38.52%的耕地面積較之前維持不變外，有3.55%的草地轉(zhuǎn)化成耕地，說明在2010-2015年間，耕地在逐漸占用小部分草地面積。該趨勢(shì)與2015-2018年結(jié)果相似：轉(zhuǎn)移矩陣表明（表4），轉(zhuǎn)移面積在該時(shí)間段占比為2.44%。為滿足經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，建筑用地面積已開始向城市周邊擴(kuò)展［34］，在兩個(gè)時(shí)期內(nèi)，分別有0.25%和0.79%的耕地面積轉(zhuǎn)化為建筑用地。草地主要分布在研究區(qū)東南部，在2010-2018年間，面積由23.49% 減少至18.22%，草地面積的減少也是喀什地區(qū)生態(tài)環(huán)境的惡化的體現(xiàn)，而這也進(jìn)一步表明研究區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)還面臨著嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

表3 2010-2015年喀什三角洲土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 %Tab.3 Land use transformation matrix in Kashgar Delta between 2010 and 2015

表4 2015-2018年喀什三角洲土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 %Tab.4 Land use transformation matrix in Kashgar Delta between 2015 and 2018

2.2 地下水位埋深動(dòng)態(tài)變化分析

根據(jù)研究區(qū)地下水位埋深數(shù)據(jù)，通過克里金插值法得到喀什三角洲2010 和2018年地下水位埋深空間分布（見圖3）。研究區(qū)地下水主要接受上游側(cè)向徑流、河谷潛流與地表水入滲補(bǔ)給。地下水位埋深呈西北高中南部低的特點(diǎn)，埋深范圍為0.5～31 m。而這也與我們實(shí)際調(diào)查結(jié)果相似，由于北部位于出山口附近，含水層顆粒較粗，地下水徑流條件好，埋深相對(duì)較大，水位埋深介于10～31 m，同時(shí)，也有極個(gè)別點(diǎn)由于受構(gòu)造阻水影響，局部有泉水溢出，地下水埋深淺，范圍在0～2 m。研究區(qū)中、南部為平原區(qū)，且南部有典型的地質(zhì)構(gòu)造：英吉沙背斜及英吉沙斷裂，是阻礙區(qū)域地下水徑流的最主要因素，致使形成大面積濕地，地下水位埋深較淺，一般介于0.5～10 m，極個(gè)別點(diǎn)大于10 m。

圖3 喀什三角洲2010、2018年地下水位埋深空間分布圖Fig.3 Spatial distribution of groundwater table depth in Kashgar Delta in 2010 and 2018

基于2010 及2018年地下水埋深統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，利用2018年埋深減去2010年埋深數(shù)據(jù)進(jìn)行插值計(jì)算，得到地下水位埋深變化分布圖（如圖4 所示）。2010-2018年間，研究區(qū)近78%區(qū)域的地下水埋深處于增大的狀態(tài)，主要集中在東北部及南部。其中，埋深增加0～2 m 的區(qū)域占44%；埋深增加2～4 m 的區(qū)域分布于喀什市、疏勒及阿圖什附近。該區(qū)域由于處于城市中心，工農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，用水量較大，個(gè)別區(qū)域地下水位埋深下降明顯，可達(dá)4.96 m。埋深減小的區(qū)域主要分布于疏附、阿克陶縣及阿圖什市西北部附近。這些區(qū)域由于處于出山口，含水層顆粒較粗，且處于人口密度較小地區(qū)，埋深減小范圍為0～3 m。這與阿尼克孜·麥麥提［35］研究結(jié)果相似。

圖4 喀什三角洲地下水位埋深變化空間分布圖Fig.4 Spatial distribution of groundwater table depth variation in Kashgar Delta

2.3 地下水位埋深與土地利用變化關(guān)系分析

利用2010 及2018年土地利用類型分布，本文提取出各土地利用類型（例如：耕地）的不同地下水埋深范圍，計(jì)算得到土地利用類型的地下水位埋深占比（如表5 所示）?？傮w來說，2018年較2010年，除草地、未利用地地下水位埋深變化不大外，各土地利用類型的地下水埋深在5～15 m范圍的占比越來越大，其他埋深區(qū)間（特別是在0～5 m范圍）占比越來越小。其中，林地、水域面積地下水位埋深在5～10 m 范圍及建筑用地在10～15 m 范圍的占比均呈較大增長，分別為14.64%、13.88%及13.67%，說明研究區(qū)大部分地下水位埋深在不同程度地增大，其原因?yàn)榭κ驳貐^(qū)工農(nóng)業(yè)發(fā)展、耕地面積擴(kuò)增導(dǎo)致需水量逐漸增大，地下水資源作為工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)灌溉以及生產(chǎn)生活用水的重要來源，其受到人類活動(dòng)不同程度的影響。

表5 喀什三角洲2010、2018土地利用類型的地下水埋深占比Tab.5 Proportion of groundwater depth of land use types in Kashgar delta in 2010 and 2018

為進(jìn)一步分析喀什三角洲地區(qū)地下水埋深與土地利用變化關(guān)系，將2010年和2018年地下水位埋深與土地利用數(shù)據(jù)疊加，得到各土地利用類型的地下水平均埋深（如表6 所示）。不同土地利用類型的地下水埋深范圍在5～10 m，其中隨著耕地面積逐漸擴(kuò)大，其平均埋深由8.79 m 減小至8.17 m。林地面積稍有減小，地下水平均埋深也由9.06 m 減小到8.62 m。建筑用地面積的增加對(duì)其區(qū)域的地下水位影響較小，埋深變化不大。

根據(jù)研究區(qū)地下水埋深變化（表6），將其劃分為地下水埋深增大與減小兩個(gè)區(qū)域，并分別計(jì)算其土地利用變化，分析土地利用變化對(duì)地下水位埋深的響應(yīng)機(jī)制。由表7 可看出，兩類地下水埋深分區(qū)中，土地利用類型變化相似：耕地、建筑用地及水域面積均呈增長趨勢(shì)，林地、草地及未利用地呈減小趨勢(shì)。其中，水域面積占比小，且其與未利用地對(duì)地下水埋深變化影響較??；建筑用地變化率雖大，但其面積總占比較小。因此，暫不考慮以上3種土地利用類型對(duì)地下水埋深的影響。面積增大的土地利用類型（例如，耕地和草地所占面積較大）所對(duì)應(yīng)的地下水位埋深變化更為明顯。由2.2 節(jié)分析可知，地下水埋深增大的區(qū)域主要分布在研究區(qū)東北部及南部。該部分地區(qū)為城市聚集區(qū)，人口密集，地下水為主要的供水源且用水量較大，加之耕地面積的擴(kuò)大導(dǎo)致大面積開采地下水用來灌溉，而灌溉效率低，綜合導(dǎo)致該地區(qū)地下水埋深增大。埋深減小的區(qū)域主要分布在以未利用地及草地為主的西北部地區(qū)，該部分地區(qū)城市發(fā)展較緩慢，未利用地占比較大，因此，地下水埋深增大的區(qū)域相應(yīng)增長率低；該部分地區(qū)本身地下水埋深較大，地下水位主要受上游側(cè)向補(bǔ)給及其含水層巖性影響，含水層顆粒較粗且受人類活動(dòng)干擾較小，導(dǎo)致地下水埋深減小。

表6 喀什三角洲2010、2018不同土地利用類型的地下水平均埋深Tab.6 Groundwater depth of different land use types in Kashgar delta in 2010 and 2018

表7 喀什三角洲2010-2018不同地下水埋深變化分區(qū)的土地利用類型變化Tab.7 Land use change in different groundwater depth zones of Kashgar delta from 2010 to 2018

干旱半干旱地區(qū)地下水位的變化由多種因素共同影響［36］?；谝陨戏治?，干旱半干旱地區(qū)地下水位埋深對(duì)因人類活動(dòng)導(dǎo)致的土地利用類型變化敏感，表明干旱半干旱地區(qū)地下水水資源與土地利用類型息息相關(guān)。隨著耕地與建筑用地面積的不斷擴(kuò)展，地下水位埋深主要呈增大趨勢(shì)。受人類活動(dòng)影響，如地表巖土體性質(zhì)、耕種農(nóng)作物種類、灌溉制度的改變，地下水水位埋深發(fā)生不同的變化，尤其處于平原區(qū)山前含水層顆粒較粗的區(qū)域，地下水埋深變化較大。因此在進(jìn)行流域水資源規(guī)劃時(shí)，應(yīng)全面綜合地考慮人類活動(dòng)的影響，包括土地利用變化在內(nèi)的多種因素，以便為合理利用水、土地資源提出對(duì)策和措施。

3 結(jié) 論

本文以地處干旱半干旱地區(qū)的喀什三角洲為研究區(qū)域，結(jié)合克里金（Kriging）插值法、土地利用動(dòng)態(tài)度模型、轉(zhuǎn)移矩陣3種方法分析了研究區(qū)地下水埋深與土地利用變化之間的關(guān)系及二者之間的影響機(jī)制，對(duì)文章開始所提出的兩個(gè)科學(xué)問題進(jìn)行了深入分析探討。結(jié)果如下：

（1）喀什三角洲地區(qū)2010-2018年期間，耕地、建筑用地面積均呈增大趨勢(shì)，林地、草地及未利用地呈現(xiàn)減小態(tài)勢(shì)，其中2010-2015年間，耕地面積占比由原來的38.88% 變化為42.85%，建筑用地在2015-2018年間年均增長率尤為突出，為10.47%；

（2）近78%的區(qū)域處于地下水位埋深增大的狀態(tài)，主要集中在東北部及南部，其中大部分區(qū)域處于埋深增大0～2 m 的區(qū)域；

（3）研究結(jié)果顯示因干旱半干旱地區(qū)地下水水資源為其主要供水水源與耕地灌溉水源，耕地面積所對(duì)應(yīng)的地下水埋深增幅更為明顯。

本文研究方法與成果可對(duì)干旱半干旱地區(qū)地下水水資源保護(hù)和合理開發(fā)、及區(qū)域生態(tài)文明建設(shè)提供有力理論依據(jù)。在今后進(jìn)行土地與水資源規(guī)劃時(shí)，干旱半干旱地區(qū)應(yīng)更多考慮合理規(guī)劃土地利用、用水結(jié)構(gòu)、人工活動(dòng)干擾等。由于植被恢復(fù)緩慢［37-39］，在后續(xù)研究中，還可深入開展研究長時(shí)間序列植被恢復(fù)與地下水、土地利用變化的關(guān)系。