靳曉輝， 樊玉苗， 段 浩， 楊 健， 宋常吉， 賈 倩， 胡亞偉

(1.水利部黃河水利委員會(huì) 黃河水利科學(xué)研究院， 河南 鄭州 450003； 2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院， 北京 100038)

1 研究背景

銀川平原是我國(guó)西北地區(qū)重要的糧食生產(chǎn)基地，同時(shí)也是國(guó)家西部生態(tài)屏障“黃土高原-川滇生態(tài)屏障”和“北方防沙帶”的重要組成部分。其地處干旱區(qū)，降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，生態(tài)環(huán)境脆弱，屬于中國(guó)地質(zhì)環(huán)境中度脆弱區(qū)[1]。水是干旱區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的決定因素[2-3]。其中地下水是銀川平原水資源的重要組成部分，影響著區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)安全，其動(dòng)態(tài)變化特征及發(fā)展趨勢(shì)一直以來(lái)備受學(xué)者關(guān)注，目前研究主要聚焦以下3個(gè)方面：一是地下水環(huán)境研究。該方面研究集中于地下水水化學(xué)特征演化規(guī)律分析及水質(zhì)評(píng)價(jià)研究[4-6]，主要對(duì)EC值、DO值等銀川平原地下水環(huán)境綜合指標(biāo)進(jìn)行分析，并通過(guò)散點(diǎn)取樣對(duì)區(qū)域的地下水水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，研究表明近年來(lái)銀川平原地下水為偏堿性硬水，化學(xué)組分未發(fā)生明顯變化；二是地下水與生態(tài)的關(guān)系研究。金曉媚等[7-9]在區(qū)域尺度上定量地研究了銀川平原地區(qū)地下水埋深與植被生長(zhǎng)的關(guān)系，結(jié)果表明銀川平原適宜植被生長(zhǎng)的地下水埋深范圍約為1～6 m，當(dāng)?shù)叵滤宦裆顬?.5 m左右時(shí)，植被長(zhǎng)勢(shì)最好。對(duì)于銀川平原的濕地生態(tài)，夏貴菊等[10]分析了銀川平原地下水埋深對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)的影響；三是銀川平原引黃灌區(qū)地下水與鹽漬化的關(guān)系研究。地下水資源管理不善往往是干旱地區(qū)土壤鹽漬化的重要原因。武丹等[11]建立了基于地下水埋深變動(dòng)的土壤鹽漬化災(zāi)害預(yù)測(cè)模型，對(duì)銀川平原的土壤鹽漬化程度及潛在的發(fā)展趨勢(shì)作出了預(yù)測(cè)。Li等[12]提出聯(lián)合利用淺層地下水和引黃地表水，以緩解銀川平原土壤鹽漬化。

銀川平原地下水的補(bǔ)給主要包括引黃灌溉入滲、山前側(cè)向、大氣降水入滲補(bǔ)給3種，其中灌溉入滲是銀川平原地下水的主要補(bǔ)給來(lái)源，約占地下水資源補(bǔ)給總量的87%[13]。自20世紀(jì)60、70年代以來(lái)，黃河流域及相關(guān)地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，引黃用水量需求大幅度增加，加之黃河徑流普遍呈現(xiàn)減少趨勢(shì)[14]，黃河水資源供需矛盾日益突出[15]，導(dǎo)致黃河斷流在1972年首次出現(xiàn)之后愈演愈烈。1999起，國(guó)務(wù)院授權(quán)黃河水利委員會(huì)統(tǒng)一調(diào)度黃河水量[16-17]。黃河水量統(tǒng)一調(diào)度實(shí)施后，寧夏段引黃水量逐漸減少，對(duì)銀川平原脆弱的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不利影響，比如河湖水系等補(bǔ)給水源已逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐蕾嚾斯ふ{(diào)蓄保障，植被生態(tài)穩(wěn)定受到威脅等[7,18]。

隨著引黃水量的不斷變化，銀川平原的地下水勢(shì)必然受到影響，而黃河水量統(tǒng)一調(diào)度后銀川平原地下水如何響應(yīng)，以及未來(lái)的變化趨勢(shì)如何目前尚無(wú)明確定論。因此，本研究基于近20年來(lái)引黃水量、地下水資源量、降雨以及地下水埋深等數(shù)據(jù)資料，分析銀川平原地下水埋深的時(shí)空變化及主要影響因素，探索20年來(lái)黃河水量統(tǒng)一調(diào)度對(duì)銀川平原地下水的影響，為保障區(qū)域水資源安全和維持生態(tài)環(huán)境健康提供科學(xué)支撐。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

銀川平原位于寧夏回族自治區(qū)的北部地區(qū)，東經(jīng)105°45′～106°56′，北緯37°46′～39°23′，海拔高度介于981～1 476 m，自西南向東北方向緩傾，平原區(qū)主要由沖洪積平原構(gòu)成。黃河由青銅峽流入銀川平原，至石嘴山頭道坎的麻黃溝出境，全程約193 km。銀川平原屬于中溫帶干旱區(qū)，多年平均氣溫為9.5 ℃，多年平均降雨量和蒸發(fā)量分別為171、1 689 mm，年蒸發(fā)量接近降雨量的10倍。行政區(qū)劃上銀川平原隸屬銀川市、石嘴山市和吳忠市的10個(gè)縣市，區(qū)域內(nèi)地形平坦，自古修建秦、漢等渠，優(yōu)越的地理位置使其能充分利用黃河水資源發(fā)展水利灌溉，農(nóng)牧業(yè)發(fā)達(dá)，湖泊眾多，濕地連片，具有“塞上江南”之稱。銀川平原位置及范圍如圖1所示。

圖1 銀川平原位置及范圍

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

銀川平原地下水埋深數(shù)據(jù)來(lái)源于寧夏水利相關(guān)部門1995-2019年110眼地下水埋深動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)井的實(shí)測(cè)埋深數(shù)據(jù)，銀川平原地下水監(jiān)測(cè)井(按埋藏條件均為潛水監(jiān)測(cè)井)的具體分布見(jiàn)圖2。

圖2 銀川平原地下水監(jiān)測(cè)井分布

寧夏引黃水量及地下水資源量數(shù)據(jù)采用1995-2019年寧夏回族自治區(qū)水資源公報(bào)等資料。降雨數(shù)據(jù)來(lái)自國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心。

2.3 研究方法

銀川平原引黃水量、降雨量等因素的變化采用線性趨勢(shì)分析及相關(guān)分析方法，地下水埋深動(dòng)態(tài)描述采用ArcGIS軟件進(jìn)行時(shí)空刻畫(huà)。地下水埋深的趨勢(shì)性特征采用Hurst指數(shù)分析，該指數(shù)通過(guò)R/S分析法(rescaled range analysis)計(jì)算，是一種分析非線性時(shí)間序列的統(tǒng)計(jì)方法，最初由英國(guó)水文學(xué)家Hurst提出，目前已在氣候、環(huán)境等要素的趨勢(shì)分析中得到廣泛應(yīng)用[19]。R/S分析通過(guò)計(jì)算Hurst指數(shù)揭示長(zhǎng)時(shí)間序列的趨勢(shì)性特征，并以此推斷其未來(lái)變化趨勢(shì)。具體應(yīng)用形式為：

對(duì)于時(shí)間序列x(t)，t=1,2,…,n，將數(shù)據(jù)劃分為長(zhǎng)度為r的g組互不重疊的子序列，則：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

通過(guò)不斷調(diào)整序列長(zhǎng)度r，得到不同的統(tǒng)計(jì)量t，由此得到數(shù)據(jù)對(duì)(logrm，logtm)，m=1,2,…,k，以logrm為自變量，logtm為因變量，用此m對(duì)數(shù)據(jù)做線性回歸，得到的直線斜率即為Hurst指數(shù)H。

通過(guò)Hurst指數(shù)的大小揭示數(shù)據(jù)序列趨勢(shì)方向。若H值在0～0.5區(qū)間內(nèi)，表示數(shù)據(jù)序列未來(lái)趨勢(shì)與過(guò)去趨勢(shì)相反，若H值在0.5～1區(qū)間內(nèi)，表示數(shù)據(jù)序列未來(lái)趨勢(shì)與過(guò)去趨勢(shì)相同，若H=0.5，則表明數(shù)據(jù)序列為隨機(jī)序列。

3 結(jié)果與分析

3.1 銀川平原地下水水位時(shí)間變化特征

3.1.1 地下水年均埋深動(dòng)態(tài)分析 綜合研究區(qū)內(nèi)110眼觀測(cè)井1995-2019年數(shù)據(jù)，計(jì)算銀川平原地下水埋深的年平均值并繪制其埋深年際動(dòng)態(tài)過(guò)程圖，如圖3所示。

圖3 1995-2019年銀川平原地下水埋深年際動(dòng)態(tài)過(guò)程圖

由圖3可以看出，銀川平原范圍內(nèi)的地下水埋深在2001年前后發(fā)生了明顯變化，整個(gè)序列的地下水埋深變化可分為兩個(gè)階段，第1階段(1995-2001年)為波動(dòng)變化時(shí)期，年均埋深在1.35～1.65 m波動(dòng)，第2階段(2001-2019年)為線性增加時(shí)期，年均埋深由2001年的1.35 m增加到2019年的2.35 m，埋深傾向率為0.47 m/10a。

3.1.2 地下水埋深時(shí)間序列的R/S分析 地下水埋深年際變化可從直觀上反映出研究區(qū)地下水位的整體走勢(shì)，為進(jìn)一步揭示地下水埋深時(shí)間序列的分形特征，以1995-2019年銀川平原的地下水埋深月平均值構(gòu)建時(shí)間序列，采用R/S分析法計(jì)算Hurst指數(shù)。根據(jù)公式(8)，序列長(zhǎng)度r依次取3、4、5、6、10、12、15、20、25、30、50、60、75、100、150、300，不同的序列長(zhǎng)度可相應(yīng)計(jì)算得出地下水埋深月平均值的統(tǒng)計(jì)量t，繪制logrm與logtm關(guān)系的散點(diǎn)及線性擬合圖，結(jié)果如圖4所示。

圖4 銀川平原地下水埋深月平均值序列R/S分析圖

由圖4可以看出，線性趨勢(shì)地下水埋深月平均值序列的Hurst指數(shù)為0.780 6，大于0.5，表明銀川平原地下水埋深未來(lái)變化趨勢(shì)與現(xiàn)狀增加趨勢(shì)相同。

3.2 銀川平原地下水水位空間變化特征

根據(jù)研究區(qū)地下水埋深的序列長(zhǎng)度，以5 a為間隔展布銀川平原地下水埋深的空間分布與變化，如圖5所示。

由圖5可以看出，在2000年，即黃河水量統(tǒng)一調(diào)度之初，銀川平原地下水埋深基本維持在2 m以內(nèi)，局部地區(qū)地下水埋深零星伴有超過(guò)2 m的現(xiàn)象，最大埋深為2.78 m。此后銀川平原地下水埋深整體呈增加趨勢(shì)，以銀川市和石嘴山市增加幅度最大，出現(xiàn)明顯的地下水降落漏斗，并且以漏斗為中心不斷向外緩沖。

圖5 2000-2019年銀川平原地下水埋深時(shí)空動(dòng)態(tài)

根據(jù)研究區(qū)地下水埋深變化情況，以2 m為埋深間隔，各埋深范圍面積及變化情況如表1和圖6所示。

表1 2000-2019年地下水不同埋深范圍面積變化 km2

由表1和圖6可以看出，黃河水量統(tǒng)一調(diào)度之初，銀川平原96%的面積地下水埋深在2 m范圍內(nèi)。此后地下水埋深小于2 m的面積逐漸減少，其面積占比減少至2019年的39%，而且分布上趨于破碎化；2～4 m埋深范圍的面積占比增加最為明顯，由2000年的4%增至2019年的48%。4 m以上的埋深面積雖然占比較少，但整體也呈現(xiàn)持續(xù)增加的態(tài)勢(shì)。截至2019年，大于4 m的埋深面積達(dá)到822.5 km2，占比為13%。

圖6 2000-2019年銀川平原地下水不同埋深范圍面積占比

根據(jù)銀川平原的埋深空間展布結(jié)果，繪制2000-2019年銀川平原地下水埋深不同變幅的空間分布，如圖7所示。依據(jù)地下水埋深變幅情況，以1 m為間隔，各埋深變幅范圍的面積占比如圖8所示。

由圖7可以看出，地下水埋深變幅最大的區(qū)域以銀川市和石嘴山市為中心漸次緩變，其中又以銀川市地下水埋深變幅最大，達(dá)到4～5 m。由圖8可以看出，銀川平原范圍內(nèi)埋深變淺的面積占比僅為1.4%，且零星分布。在埋深增加的各區(qū)域，0～1 m埋深變幅范圍內(nèi)的面積占比最大，為59.1%，其次為1～2 m埋深變幅，其范圍內(nèi)的面積占比為23.8%，剩余埋深增加幅度在2～3、3～4、4～5 m的面積占比分別為7.7%、6.2%、1.8%。

圖7 2000-2019年銀川平原地下水埋深不同變幅空間分布

圖8 2000-2019年銀川平原地下水不同埋深變幅面積占比

3.3 銀川平原地下水水位變化影響因素

根據(jù)《寧夏水資源公報(bào)》等資料數(shù)據(jù)，點(diǎn)繪寧夏引黃灌區(qū)引黃水量及地下水資源量動(dòng)態(tài)變化，如圖9、10所示。

由圖9、10可以看出，黃河水量在1999年統(tǒng)一調(diào)度之后，灌區(qū)引黃水量呈線性減少趨勢(shì)，由1999年的87.8×108m3逐漸削減至2019年的59.7×108m3，引黃水量減少了32%。同時(shí)，區(qū)域地下水資源量也呈顯著線性減少趨勢(shì)，根據(jù)2001-2019年的寧夏引黃灌區(qū)地下水資源量變化圖(圖10)，黃河水量統(tǒng)一調(diào)度之后，地下水資源量由23.0×108m3逐漸削減至14.1×108m3，地下水資源量減少了37%。

圖9 1995-2019年寧夏引黃灌區(qū)引黃水量變化 圖10 2001-2019年寧夏引黃灌區(qū)地下水資源量變化

對(duì)黃河水量統(tǒng)一調(diào)度之后的引黃灌區(qū)的引黃水量與銀川平原的地下水年均埋深進(jìn)行相關(guān)分析，如圖11所示；同時(shí)分析該時(shí)段銀川平原的降水量年際變化趨勢(shì)，如圖12所示。

由圖11可以看出，2001-2019年的地下水年均埋深與引黃水量呈顯著相關(guān)，即隨著引黃水量減少地下水埋深逐漸增加；由圖12可以看出，自2000年開(kāi)始，銀川平原降雨呈波動(dòng)增加的趨勢(shì)，與地下水埋深增加的趨勢(shì)相反。另?yè)?jù)銀川平原范圍內(nèi)的銀川市片區(qū)和石嘴山市片區(qū)兩個(gè)主要開(kāi)采區(qū)的地下水開(kāi)采量水資源公報(bào)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，銀川平原地下水開(kāi)采量2000-2003年平均為1.75×108m3，2016-2019年平均為1.79×108m3，近20年來(lái)銀川平原地下水開(kāi)采量變化相對(duì)較小。

圖11 2001-2019年銀川平原地下水埋深與引黃水量關(guān)系 圖12 2000-2019年銀川平原降水量年際變化趨勢(shì)

綜上，從對(duì)影響銀川平原地下水變化的3個(gè)主要因素的分析可得出，引黃水量的減少是導(dǎo)致地下水埋深增加的主要原因。

4 討 論

地下水是干旱地區(qū)水循環(huán)的重要構(gòu)成，支撐著區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)安全。對(duì)銀川平原而言，地下水一方面保障工農(nóng)業(yè)發(fā)展，如銀川等城市的不斷發(fā)展需要加大對(duì)地下水的開(kāi)發(fā)，寧夏引黃灌區(qū)的糧食供給安全需要適宜的地下水位支持[20]；另一方面地下水維持著區(qū)域脆弱生態(tài)系統(tǒng)的基本格局，如天然林草的生長(zhǎng)依靠地下水的潛水蒸發(fā)，河湖水系的維持更是依賴其與地下水的補(bǔ)排平衡[21]。黃河是銀川平原的重要過(guò)境水資源，地下水的補(bǔ)給主要來(lái)源于引黃水量。隨著黃河水量統(tǒng)一調(diào)度的實(shí)施，寧夏的引黃水量有所削減，數(shù)據(jù)分析表明地下水埋深也在不斷增加。劉光龍[22]在對(duì)銀川平原河?xùn)|灌區(qū)地下水動(dòng)態(tài)模擬研究的結(jié)果也表明，引黃水量是灌區(qū)地下水的重要“補(bǔ)源”，引黃水量的減少將會(huì)直接影響區(qū)域的地下水埋深。關(guān)于引黃水量對(duì)地下水的影響，在內(nèi)蒙古的河套灌區(qū)也存在類似銀川平原的現(xiàn)象。河套灌區(qū)地下水的補(bǔ)給主要來(lái)源于引黃灌溉的入滲[23]，黃河水量統(tǒng)一調(diào)度后，河套灌區(qū)的引黃水量由52×108m3逐步減少為40×108m3，成為河套灌區(qū)地下水埋深增加的主要原因之一[24]。在全球氣候變化和人類活動(dòng)的雙重影響下，黃河流域的水資源面臨著多維格局演變[25]，相應(yīng)的地下水資源也會(huì)發(fā)生多樣變化，揭示區(qū)域地下水水位對(duì)引黃水量變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，辨識(shí)區(qū)域地下水水位的變化態(tài)勢(shì)，將是未來(lái)黃河流域各地區(qū)地下水水位時(shí)空變化的重要研究方向。

5 結(jié) 論

(1)銀川平原地下水埋深在1999年的黃河流域水量統(tǒng)一調(diào)度后，呈現(xiàn)出逐年增加的變化趨勢(shì)，由2001年的1.4 m增加到2019年的2.3 m，主要地下水埋深范圍由1～2 m向2～3 m范圍發(fā)展；通過(guò)R/S分析，銀川平原地下水埋深序列的Hurst指數(shù)為0.780 6，表明銀川平原地下水埋深未來(lái)變化趨勢(shì)與現(xiàn)狀增加趨勢(shì)相同?？臻g上，銀川平原地下水埋深變幅最大的區(qū)域以銀川市和石嘴山市為中心漸次緩變，其中以銀川市地下水埋深變幅最大。

(2)通過(guò)回歸分析表明，2001-2019年的地下水年均埋深與引黃灌區(qū)引黃水量呈顯著相關(guān)關(guān)系，隨著引黃水量的減少地下水埋深逐漸增加；綜合分析影響地下水變化的降水量、地下水開(kāi)采量和引黃水量表明，引黃水量的減少是導(dǎo)致地下水埋深增加的主要原因。

(3)銀川平原生態(tài)環(huán)境脆弱，地下水埋深的增加對(duì)該地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)提出了新的挑戰(zhàn)。為了維護(hù)銀川平原的地下水安全、防范重大生態(tài)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，未來(lái)有必要進(jìn)一步量化分析銀川平原地下水埋深對(duì)引黃水量的響應(yīng)關(guān)系，明確維護(hù)銀川平原地下水和生態(tài)安全的引黃水量閾值。