孫繼能，王萬洲，燕 鑫，李冰冰，李 志

（西北農林科技大學 資源環(huán)境學院，陜西 楊凌 712100）

黃土區(qū)長武塬地下水埋深動態(tài)特征及影響因素分析

孫繼能，王萬洲，燕 鑫，李冰冰，李 志*

（西北農林科技大學 資源環(huán)境學院，陜西 楊凌 712100）

【目的】明確地下水補給機制并指導地下水資源合理開發(fā)?！痉椒ā炕?976—2017 年長武塬區(qū)5 眼監(jiān)測井的地下水埋深數據，分析了地下水埋深動態(tài)變化，并利用互相關和多元線性回歸等方法識別地下水埋深的影響因素?！窘Y果】長武塬區(qū)地下水埋深介于25～95 m 之間，各井因水文地質和人為干擾程度等差異表現出不同的波動特征。地下水埋深總體呈波動下降趨勢，降幅介于0.08～0.21 m/a。氣象因子、植被和人為因素在年內或年際尺度對地下水埋深都有一定影響，但主導性不同。年際尺度，人為因素主導地下水埋深變化，貢獻率達74%。年內尺度，植被是影響地下水埋深的主要因素，貢獻率為40%。【結論】人口、GDP 和蘋果園面積的增加對地下水埋深影響較大，需要考慮人類活動與水資源間的可持續(xù)性。

長武塬區(qū)；地下水埋深；影響因素；貢獻率

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，對地下水的依賴性極強[1]。隨社會經濟發(fā)展及人口增長，地下水開發(fā)程度越來越大，導致地下水埋深逐漸下降。因此，亟須探討地下水的可持續(xù)利用對策。但深厚黃土中地下水補給機制不明確[2-3]，導致難以進行相關的對策探討。地下水埋深作為表征地下水動態(tài)的重要指標，可直觀反映出地下水儲量及補給情況。因此，研究塬區(qū)地下水埋深動態(tài)特征及其影響因素，對合理開發(fā)和管理地下水資源意義重大?！狙芯窟M展】地下水埋深時空變異復雜，在不同時空尺度上具有不同的波動特征。作為一個復雜的水文過程，地下水埋深波動具有隨機性、模糊性、非線性以及多時間尺度變化等特點[4]。地下水埋深在不同尺度由于受到氣候、人類活動影響程度不同，表現出不同的波動特征。空間上，水文地質背景決定了地下水的賦存條件、補排關系，導致地下水埋深對各影響因子敏感性不同，從而表現出復雜多樣的波動特征。明確地下水埋深時空變異是分析其變化機制的前提，但由于監(jiān)測時段短和點位有限等原因，黃土高原的當前研究并不充分。地下水埋深的時空波動歸結于各影響因素的作用時間和強度，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地下水埋深變化的貢獻，是調控地下水的關鍵環(huán)節(jié)。目前已在地下水埋深動態(tài)特征分析、地下水埋深與降水的關系、時間序列模型對地下水埋深動態(tài)的模擬等方面取得了一定進展[7-9]。此外，不同學者利用Budyko 假設水量平衡法、彈性系數法、情景模擬法、累計斜率法、多元線性回歸法以及水文模型法等量化了影響因素對水文要素變化的貢獻[10-12]。其中，多元線性回歸法簡單實用，有效量化了影響因素對基流、地下水補給量等變化的貢獻[13-14]，為地下水埋深波動的歸因分析提供了借鑒。

【切入點】目前，針對黃土塬區(qū)地下水埋深波動特征的相關研究缺乏考慮多重因子的機理層面的深入分析，且多為定性分析。【擬解決的關鍵問題】為此，本文以長武塬為研究區(qū)，基于1976—2017 年5 眼監(jiān)測井的地下水埋深數據，分析地下水埋深時空動態(tài)變化特征，進一步探討自然因素（氣象、植被等）和人為因素（人口、GDP 和蘋果園面積等）與地下水埋深的關系，識別不同時空尺度上的主導因素并量化其對地下水埋深變化的貢獻率，以期為黃土區(qū)地下水補給機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

長武塬所在的長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合部的過渡地帶（圖1（a））。其西部和東部分布著董志塬和洛川塬。地勢北高南低，海拔為1 220 m，是典型的黃土塬。氣候屬于半濕潤大陸性季風氣候，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。長武塬的水文地質狀況相對均勻，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，無側向補給，降水是地下水唯一補給來源[1]。地下水資源是長武塬區(qū)生產生活用水的重要來源。地下水年供水量達到5×106m3，僅次于地表水提水量，約占區(qū)域總用水量的25%。

圖1 長武塬區(qū)地理位置、地下水監(jiān)測點位和水文地質剖面Fig.1 Location，groundwater monitoring sites and hydrogeological profiles of the Changwu loess tableland

1.2 數據來源

研究區(qū)設有5 眼監(jiān)測井，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），位置見圖1（a）。水位監(jiān)測間隔為5 d，于每月1、6、11、16、21、26 日使用測繩測定。5 眼井地下水埋深數據的監(jiān)測時段有差異，分別為1976—2006、1977—1993、1977—2005、2002—2017 年和1980—2002 年。1976—2017 年氣象數據來源于中國氣象數據網，其中潛在蒸散發(fā)（ET0）基于氣象數據利用Hargreaves公式[16]計算，人口和GDP 等社會經濟數據來自中國人口統計、中國縣域統計等年鑒。NDVI所用數據為GIMMS NDVI 數據集，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、降水、蒸散發(fā)、氣壓和NDVI，而人為因素考慮人口、國內生產總值和蘋果園面積。

水文地質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)地下水唯一的補給來源，必定會對地下水動態(tài)產生影響。蒸散發(fā)在很多地區(qū)是潛水減少的唯一自然途徑。氣壓會影響與大氣連通的非飽和帶，進而對地下水產生壓差導致地下水埋深波動。隨人口數量增加和GDP 增長，地下水開采量可能會受到影響。蘋果作為研究區(qū)主要經濟作物，其種植面積達到耕地面積的73%[5]，是農業(yè)種植結構中的主要耗水作物。果園面積增加會加劇深層土壤水消耗，尤其是在生長季對水分需求巨大，進而影響降水對地下水的補給[17-18]。

1.4 研究方法

使用線性擬合和滑動t檢驗分析地下水埋深、氣象等數據的變化趨勢；利用互相關法[19]探究地下水埋深與影響因素間的滯后相關，應用Pearson 相關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性并識別主導因子。利用多元線性回歸方程量化各因素對地下水埋深波動的貢獻[13]，計算式為：

式中：Ys為標準化后的地下水埋深；X1s、X2s和X3s分別為標準化后的影響因素；a、b和c分別為相應因子的回歸系數；n1為第1 個影響因素對地下水埋深變化的相對貢獻率。

2 結果與分析

2.1 地下水埋深時空變異

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。W1 井地下水埋深為27 m 左右，年內6—9 月為上升階段，變幅達到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武站內，其地下水埋深為83 m，年內5—9 月為上升階段，變幅為1.18 m；年際上地下水埋深波動劇烈，變幅高達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。

地下水埋深基本呈下降趨勢。滑動t檢驗表明，W1、W2 和W5 井地下水埋深以1983 年為轉折突變點，W3、W4 井地下水埋深分別以1992、2007 年為轉折突變點，突變年后下降趨勢更加顯著。

2.2 影響因素的定性分析

結合年內和年際地下水埋深與各影響因素的關系，定性分析自然因素和人為因素對地下水埋深的影響。

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)測井地下水埋深較淺，在降水集中的7—9 月明顯上升，說明地下水埋深對降水響應較為敏感；而地下水埋深較大的井對降水響應具有明顯的滯后（圖2）。從年際變異性來看，各井地下水埋深動態(tài)在部分時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。W3 監(jiān)測井地下水埋深的波動與降水量之間的關系不明顯，由于其位于塬邊，可能更多接受塬中心地下水的間接補給。地下水埋深波動在某些年份顯示出對降水的滯后性，在其他年份由于降水較小或其他因素的干擾未表現出。因此，對所有表現出滯后效應的時段采用互相關模型估算滯后時間，該方法基于降水量與地下水埋深先后產生峰值的時間差進行估算。各時段對應的降水量大小不同，所得的滯后時間也不相同。因此將通過顯著性檢驗年份的滯后時間進行平均，得到各井整體滯后時間（表1）。W1、W2、W3、W4 和W5 井地下水埋深對降水的平均滯后時間分別為2.57、4.33、5.25、4.86、6.88 個月。

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下降（圖3），因此二者可能存在負相關關系。為減少人為因素干擾選擇埋深尚未大幅下降的時段，以1980—1981 年為例，蒸散發(fā)在夏季達到峰值，而此時地下水埋深上升或下降的波動程度較大（圖4）。但地下水埋深遠超過了黃土區(qū)土壤蒸發(fā)的最大深度5.3 m[19-20]，說明研究區(qū)的潛水很難直接蒸發(fā)，其影響可能是間接的。

表1 各井互相關分析結果Table 1 Cross-correlation analysis results of each well

年際尺度上，年均氣壓基本維持不變，對地下水埋深波動的影響不大（圖3）。但年內尺度上（圖4），氣壓與W2、W5 井地下水埋深表現出一定的氣壓效應（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相關趨勢較1980 年更明顯。但氣壓與其余2 井的地下水埋深無明顯關系，可能被降水和開采的影響所掩蓋。

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

人口數量、GDP 和蘋果園面積整體呈上升趨勢（圖3）。人口數量增加和GDP 增長可能導致地下水開采量增加，導致地下水埋深持續(xù)下降，W2 井甚至在1993 年后干涸。蘋果園面積持續(xù)增加，占農業(yè)種植面積的73%左右。由于蘋果樹是深根植物，在生長季會大量消耗深層土壤水，形成土壤干層，阻止降雨入滲對地下水的補給，也會影響地下水埋深[17-18]。

2.3 影響因素的主導性識別

從年際和年內分析地下水埋深的主導影響因素，其中年內不考慮人為因素，并用NDVI值表示植被狀況。為保證各井在影響因素主導性識別和量化貢獻率時處于同一時段，年際選取1976—2006 年的W1、W2、W3、W5 井進行分析；年內則選取該時段每年進行分析，顯著相關次數最多的因子作為主導因素。表2 和表3 為各井在年際和年內的相關性分析結果。

表2 年際水平各井不同因子與地下水埋深的相關系數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，*代表在0.05 水平上顯著相關。

年際上，除W3 監(jiān)測井外，各井地下水埋深與蘋果園面積、人口數量和GDP 均極顯著相關，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，可能是由于滯后效應或降水補給遠小于開采量，導致地下水埋深的下降趨勢掩蓋了降水入滲的影響；而蒸散深度難以到達地下水。地下水埋深與氣壓在W2 和W3 井顯示出一定的相關性。年內分析中，NDVI被識別出顯著相關的次數最多，其次為氣壓，表明年內地下水埋深波動可能與植被和氣壓有緊密的相關性。

表3 年內各影響因素顯著次數統計Table 3 Statistics on the significant times of each influencing factor during the year

進一步對各井年際和年內地下水埋深與影響因素進行多元線性回歸，并剔除有多重共線性的影響因子。年際分析針對同步期1976—2006 年，年內分析只基于回歸關系顯著的年份進行分析。X1、X2、X3、X4、X5、X6分別代表降水、蒸散發(fā)、氣壓、蘋果園面積（或NDVI）、人口數量、GDP。根據標準化多元線性回歸方程，各自變量系數絕對值可反映對因變量的影響程度。由表4 各井所得方程可知，代表人為因素的人口數量、GDP 變量的系數絕對值最大（Plt;0.05），因此人為因素主導了地下水埋深的年際波動，而NDVI對地下水埋深年內波動的影響最大，這與相關性分析的結果一致。

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

2.4 影響因子對地下水埋深變化的貢獻量化

利用標準化多元線性回歸結果進行各因子的貢獻分析。圖5 為各監(jiān)測井的影響因子在不同時間尺度上的平均貢獻。地下水埋深在年際水平上由人為因素主導，貢獻率達到74%；其余各因子貢獻率較低，均在7%左右。年內水平上NDVI主導了地下水埋深的波動，貢獻率為40%；其次是氣壓，貢獻率達到了30%；降水和蒸散發(fā)貢獻率較低，二者平均貢獻率為15%。

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

3 討 論

地下水埋深時空變異的原因復雜多樣，各影響因素在不同尺度以不同強度影響地下水埋深。各井地下水埋深、季節(jié)波動程度與其位置有一定相關性[8,21]。塬中心地下水埋深較塬邊淺，季節(jié)波動更明顯。根據等水位線和水力梯度，推測水是從塬中心流向塬邊緣，導致塬邊地下水可能接受塬中心地下水的間接補給。而地下水埋深的年際波動，特別是拐點年份可能表征了環(huán)境因子影響程度的時間變異。W1、W2 和W5 井地下水埋深以1983 年為轉折突變點，W3 和W4 分別以1992、2007 年為轉折突變點。在突變年之前，自然因素主導了地下水埋深的波動；在突變年之后，人口激增、經濟發(fā)展導致人類活動對地下水的干擾日益增大，致使人為因素成為主導因素。人類活動對地下水的影響主要有以下2 個方面，一是人口數量增長帶來的城鎮(zhèn)面積擴大和為尋求經濟利益大面積種植果園。城鎮(zhèn)面積的擴大使得不透水面積顯著增加，導致降水很難入滲進入土壤，停留在不透水面從而迅速蒸散；深根植物的大面積種植，導致土壤水分損耗研究，形成土壤干層[17-18]。這都會大大減少降水資源對地下水系統的補給。二是對于地下水資源的直接開采。長武塬區(qū)的機井數量由1993 年101 眼增加到2008 年的181 眼，地下水開采量更是從1999 年的1.84×106m3增加到2008年的3.31×106m3[5]。人畜用水、工業(yè)用水和農業(yè)用水的普遍增加，使地下水位開始顯著下降。人類活動正是通過以上2 個方面對地下水系統產生負面影響。因此，人為因素是長武塬區(qū)地下水埋深動態(tài)變化的主要驅動因子。

在估算各因子對地下水埋深變化的貢獻時，得出降水的貢獻率相對偏小，這是由于人為干擾以及地下水埋深對降水的滯后效應所致；蒸散發(fā)也表現出較小的貢獻率，因為各井深度遠超黃土區(qū)潛水蒸發(fā)極限[20]，故只能通過間接作用影響到地下水埋深的波動。比如蒸散發(fā)會消耗更多的土壤水，或者使低洼處的降水積水迅速蒸散，減少降水對地下水的補給，從而影響地下水埋深波動。氣壓的貢獻率相對較大，一般來說氣壓效應在承壓井中表現得比較明顯，但在長武塬區(qū)潛水井周圍存在深厚的黃土層，也表現出一定的氣壓效應。在降水量較大的年份，氣壓波動更為頻繁，與地下水埋深之間的負相關關系越為明顯。

互相關分析發(fā)現降水與地下水埋深波動存在滯后，且隨地下水埋深變大滯后時間增加。5 眼監(jiān)測井的滯后時間介于2—7 個月，說明7 個月內從塬中心到塬邊的地下水普遍得到補給。但相關研究表明，降水以活塞流方式補給地下水的時間為167～834 a，且地下水14C 年齡為幾百至上萬年[1,22]，說明地下水可能來自深層土壤中“老水”的補給。但也有研究基于氫氧穩(wěn)定同位素和水化學指標表明，地下水可能以優(yōu)先流形式的降水快速補給[2,6]。可見，塬區(qū)地下水補給機制復雜，仍需深入研究地下水補給機制和補給量，為水資源合理開發(fā)和管理提供依據。

在分析了長武塬區(qū)地下水埋深動態(tài)特征及影響因素的基礎上，需要制定科學合理的地下水管理對策。一方面，減小對地下水的開采。塬區(qū)地下水埋深整體呈增大趨勢，故需嚴格規(guī)劃塬區(qū)年度地下水資源總開采量。另一方面，增加對地下水的補給。降水作為塬區(qū)地下水唯一補給源，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，增加入滲補給[23]；土地利用方式的改變及植被狀況在年際和年內都會影響地下水補給，其中蘋果園對地下水補給過程產生了嚴重影響[17-18]，要合理規(guī)劃蘋果等深根植物的種植區(qū)域和面積，減輕土壤干化現象的發(fā)生。

4 結 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，存在地下水埋深波動的突變年；年內各井地下水埋深上升時段不同，地下水埋深越淺，其季節(jié)波動越強。

2）氣候與非氣候因素對地下水埋深的波動均有影響，且在不同時間尺度上影響程度不同。蒸散發(fā)間接地影響地下水埋深，年際和年內表現均不明顯；NDVI和氣壓主要在年內影響地下水埋深；蘋果園面積、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，滯后時間介于2—7 個月。

3）年際、年內地下水埋深變化的主導因素不同。人為因素主導了年際地下水埋深波動，貢獻率達到74%；植被覆蓋率（NDVI）是影響年內地下水埋深波動的主要因素，貢獻率為40%。

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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

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TV21

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021656

1672 - 3317（2022）10 - 0090 - 08

2021-12-30

國家自然科學基金項目（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)境演變機理與調控方面的研究。E-mail: lizhibox@nwafu.edu.cn

責任編輯：韓 洋