干旱半干旱地区随着人口的增长、灌溉农业和经济的发展，由地下水的过度开发引发的地下水位下降、水质恶化、含水层枯竭等问题日益突出。Wada等^[1]的研究表明，全球干旱半干旱地区地下水位下降的面积2000年比1960年增加了50 %以上。研究地下水位的时空变化和影响因素对实现地下水资源的可持续管理具有重要意义^[2]。目前各种分析技术已被用于地下水系统演变的评估之中。例如，交叉理论方法^[3]、大气环流模型^[4~6]、地下水模型^[7]、水均衡法^[8]、地质统计法^[9~11]、数理统计法^[12]以及利用重力卫星数据解释地下水储量的变化^[13~14]。对于地下水数据不满足建模的数据要求时，空间分析与数理统计方法的结合是诠释地下水时空变化、解释复杂的地下水资料和确定因素综合影响的一种有效可靠的方法。

在干旱内陆河流域，水是维系绿洲稳定发展的纽带^[15~17]。来自山区的地表水流经冲洪积扇地带时，大量渗漏补给地下水，在绿洲区经农业灌溉田间渗漏转化为地下水，地下水自上游向下游多次转化^[18]。在干旱地区，浅层地下水控制非饱和带的含水条件，影响陆面蒸散和植被生态过程，维持着依赖于地下水的干旱区生态系统的稳定^[19~20]。和田河流域属极端干旱区，年均降水量小于50 mm，随着经济的发展，以农牧业为主的高耗水传统产业加大了地下水资源的需求量，直接影响地下水系统的演变和绿洲的稳定^[21]。研究地下水埋深的时空变化与成因，是保证地下水的采补平衡和地下水资源的健康循环的基础^[22]。本文阐明了和墨洛绿洲区地下水时空变化的分异特征，利用空间分析与灰色关联分析法揭示了气候变化和人类活动对和田河流域地下水位动态变化的影响，定量评估各因子的影响及重要程度，为内陆河流域的水资源利用、生态环境保护和社会经济可持续发展提供科学依据。

研究区位于昆仑山北麓，塔克拉玛干沙漠南缘的和田河流域绿洲。地处36°50′~37°40′N, 79°20′~80°40′E之间，研究区面积为4668 km²。和墨洛绿洲是昆仑山北坡最大的绿洲，包括墨玉、和田、洛浦三县与和田市(图 1a)。气候干燥，属于暖温带大陆性干燥荒漠气候，光热资源丰富。多年平均气温12.2 ℃，多年平均降水量38.4 mm，多年平均蒸发量2646 mm。水资源贫乏，和墨洛绿洲的生存和发展主要依赖流经的和田河地表径流，和田河由东西两支流组成(图 1b)：东支玉龙喀什河(简称玉河)长504 km，1960~2010年多年平均径流量为22.71×10⁸ m³；西支喀拉喀什河(简称喀河)长808 km，1957~2010多年平均径流量为21.97×10⁸ m³。两支流于阔什拉什汇合后汇入和田河长319 km。2010年和田地区供水以地表水引水工程为主，占总供水量的91.74 %，地下水开采占8.26 % ^[23]。

图 1(Fig. 1)

图 1 研究区位置图(a)与地下水观测井的分布图(b) 标记字母a~f的红点为图 2中地质钻孔位置 Fig. 1 Location of He-Mo-Luo oasis (a) and observation wells in the study area (b) The red circles named a~f are the geological drillings in Fig. 2

喀拉喀什河与玉龙喀什河水系源于昆仑山，汇流于塔里木盆地，自南至北横跨昆仑山褶皱带和塔里木地台两大构造单元。研究区主要处于其中的和田坳陷次级构造单元内^[24]。含水层主要由砾质平原冲洪积含水层和冲洪积细土平原沉积层组成(图 2)。砾质平原冲洪积含水层主要由全新统冲积层(Q₄^al)和上更新统冲洪积层(Q₃^al+pl)的砂砾石、卵砾石夹薄层中细砂为主，地下水类型为单一结构的孔隙潜水，地下水径流大体由南向北流动，透水性好，水力坡度大，地下水径流强烈。砾质平原区上部地下水埋藏较深，潜水位埋深大于20 m，向下部潜水位埋深逐渐变浅。随着地形坡度变缓，冲洪积细土平原地层沉积颗粒变细，含水层主要由上更新统的冲洪积层(Q₃^al+pl)和全新统风积层(Q₄^eol)组成，岩性较细一般为中粗砂、细砂，地下水水力坡度逐渐变小，地下水水位埋深变浅。地下水的补给主要以河道、渠系渗漏补给和灌溉水入渗补给为主，地下水排泄以植物蒸腾、潜水蒸发、泉水排泄及地下水开采为主。

图 2(Fig. 2)

图 2 和田河流域冲洪积平原水文地质剖面图[22] Fig. 2 Hydrogeological profile of the alluvial plain of Hotan basin

研究区3眼地下水长期观测井(G1、G2和G3)月数据(1989~2015年)来自于新疆和田水文勘测局，1979年区域地下水埋深数据来自1981年《和田地区区域水文地质普查报告(1 ︰ 200000)》^[24]，1999年与2004年区域地下水埋深数据来自世界银行贷款项目子课题“和田子项目区水盐平衡与地下水模拟”^{[21, 25]}，2010年区域地下水埋深数据来自2013年《新疆和田地区地下水资源评价报告》^[26]；表 1为4期地下水埋深数据的统计特征，可以看出1979年地下水埋深空间分布呈强变异性，其他年份均呈中等变异。土地利用数据来自于中国科学院资源环境遥感调查项目的1980年、1990年、2000年和2010年的4期土地利用数据；气象数据来源国家气象科学数据共享服务平台(http://data.cma.cn/)；灌溉引水数据、灌溉定额、渠系利用系数等数据来自和田地区水利局。

表 1(Table 1)

表 1 地下水埋深数据来源与统计特征表 Table 1 Data sources and summary statistics of groundwater depth 年份 数据个数 所在地层 最大值 最小值 平均值 标准差 变异系数 资料来源 1979 29 Q4al，Q3al+pl 18.95 0.28 4.09 4.19 1.02 文献[24] 1999 58 Q4al，Q3al+pl 18.50 0.80 4.13 3.52 0.85 文献[21, 25] 2004 58 Q4al，Q3al+pl 19.70 1.40 4.22 3.51 0.83 文献[21, 25] 2010 43 Q4al，Q3al+pl 26.30 2.24 6.51 5.58 0.86 文献[26]

表 1 地下水埋深数据来源与统计特征表 Table 1 Data sources and summary statistics of groundwater depth

了解气候变化和人类活动影响下的地下水时空动态变化，是实现地下水可持续管理的关键^[5]。采用广泛应用于水文气象数据趋势检测的非参数法Mann-Kendall^[27]和线性回归法^[22]，分别检测地下水埋深的月、季和年动态变化趋势，统计地下水埋深变化趋势在显著性水平p＜0.05和p＜0.01时的统计学意义。利用箱线图分析地下水埋深月变化的变异程度。

地下水埋深空间变化更直观的反映地下水系统的演化特征^[8]。利用1979年、1999年、2004年和2010年4期地下水埋深数据，应用ArcGIS软件的地统计模块中反距离权重插值法，获取研究区地下水埋深的4期空间分布图，并对其进行不同范围埋深(< 1 m；1~3 m；3~6 m；6~10 m；10~15 m；15~20 m；> 20 m)重新分类。生成各专题的直方图，计算不同埋深范围的区域面积，并分析其交叉变化。

地下水储量变化，应用下式计算^[28]：

(1)

公式(1)中：ΔQ_储为含水层系统地下水体积的变化量(m³/a)，μ_i为各分区给水度，i=1，…n；F_i为各分区含水层分布面积(m²)；Δh_i为计算期分区平均水位变化值(m)；Δt为时间(a)。给水度的取值为砂土0.1、亚砂土0.08以及壤土0.05^[29]。

地下水时空动态演变主要受自然因素和人类活动的综合影响，自然因素一般包括气温、降水量、蒸发量、地表径流量等，人为因素主要为地下水开采，以及由灌溉活动产生的渠系渗漏、灌区入渗补给等引起的地下水位变化^[25]。采用灰色关联法^[30~32]，定量分析各影响因素与地下水储量变化间的相关程度。灰色关联分析是用灰色关联度顺序来描述因素间关系的强弱和大小，通过数学的方法确定因素间的几何关系。设目标序列为X₀={X₀ (1)，X₀ (2)，…X₀ (n)}和m个比较序列X_i={ X_i (1)，X_i(2)，…X_i (n)}(i=1，2，…m)，对数据进行无量纲化处理后，计算目标序列X₀ (k)与比较序列X_i (k)的点关联系数r(X₀ (k)，X_i(k))为^[30]：

(2)

公式(2)中：ρ为分辨系数，取值范围为(0，1)，本研究取ρ=0.5；k=1，2，…n；i=1，2，…m。目标序列X₀ (k)与比较序列X_i(k)的灰色关联度γ(X₀，X_i)为：

(3)

灰色关联分析是综合考虑各影响因素的共同作用，可有效的进行横向对比，可以显示出各个因子对自变量的影响程度大小^[31]。

地下水潜水动态特征反映了含水系统的补排条件与开采程度^[28]，本文分析了和田市周边的长观井1989~2015年地下水埋深的动态变化。结果表明，和田市周边地下水埋深有逐年增大的趋势。和田市北部细土平原区上部托甫卡村的观测井G1地下水埋深由1989年的5.92 m增加到2015年的9.77 m，水位下降值为3.65 m，下降幅度为0.089 m/a；洛浦县玉龙喀什镇技校的观测井G2的20年内地下水水位下降值为0.19 m，下降幅度为0.02 m/a，地下水位埋深变化不大；和田市原自来水公司的观测井G3的地下水埋深由1989年的6.09 m增加到2015年的8.16 m，地下水水位下降2.07 m，下降幅度为0.074 m/a。MK趋势分析法^[27]的结果表明(表 2)，观测井G1的月、季、年地下水埋深均呈显著性增加(p＜0.05)；观测井G2在2~6月和年均埋深呈不显著下降趋势，而在7~12月、1月及枯水季和丰水季呈不显著上升趋势；G3除3月外，其他月、季、年埋深呈增加趋势；但仅有9~12月通过的置信水平95 %的显著性检验。图 3为3眼观测井的1989~2015年月序列变化和地下水月埋深的最大最小值、中位值及四分位值。从箱线图可以看出，地下水埋深最大一般在6月和7月，G1在9月变异程度最大，1月变异程度最小；G2在5月变异程度最大，1月变异程度最小；G3与G1相反，1月变异程度最大，9月变异程度最小。

表 2(Table 2)

表 2 1989~2015年和田地区地下水埋深的变化趋势与显著性 Table 2 Significance of annual, seasonal and monthly trends in groundwater depth for observation wells(G1, G2 and G3) during 1989~2015 时间 G1(时间长度1989~2015年)(37.13°N，79.93°E) G2(时间长度1989~2008年)(37.11°N，79.97°E) G3(时间长度1989~2014年)(37.12°N，79.91°E) MK LM MK LM MK LM Z β p Z β p Z β p 1 2.72** 0.06 0.00** 0.19 0.02 0.03* 0.25 0.07 0.00** 2 2.39* 0.05 0.00** -0.15 0.02 0.15 0.11 0.07 0.00** 3 2.66** 0.05 0.00** -0.62 0.02 0.12 -0.40 0.06 0.00** 4 2.63** 0.07 0.00** -0.52 0.02 0.13 0.14 0.06 0.00** 5 3.18** 0.08 0.00** -0.11 0.02 0.07* 0.61 0.06 0.00** 6 2.94** 0.09 0.00** -0.11 0.02 0.04* 1.37 0.06 0.00** 7 2.53* 0.10 0.00** 0.49 0.02 0.02* 1.64 0.06 0.00** 8 2.42* 0.11 0.00** 0.21 0.02 0.01** 1.94 0.06 0.00** 9 2.87** 0.11 0.00** 0.75 0.02 0.01** 2.04* 0.07 0.00** 10 2.78** 0.10 0.00** 1.19 0.02 0.05** 2.60** 0.07 0.00** 11 2.71** 0.09 0.00** 0.70 0.02 0.07* 2.51* 0.08 0.00** 12 2.60** 0.09 0.00** 0.61 0.02 0.06* 2.19* 0.08 0.00** 4~9月 2.93** 0.09 0.00** 0.14 0.02 0.02** 1.65 0.06 0.00** 10~3月 3.06** 0.08 0.00** 0.23 0.02 0.04** 1.14 0.07 0.00** 年平均 3.11** 0.09 0.00** -0.04 0.02 0.02** 1.39 0.05 0.14   MK为Mann-Kendall趋势检验法的缩写，Z为标准化统计变量值；LM是线性回归法的缩写，β为回归系数，p是F检验的显著性水平   *表示p＜0.05，* *表示p＜0.01

表 2 1989~2015年和田地区地下水埋深的变化趋势与显著性 Table 2 Significance of annual, seasonal and monthly trends in groundwater depth for observation wells(G1, G2 and G3) during 1989~2015

图 3(Fig. 3)

图 3 1989~2015年和田观测井月地下水埋深曲线图(a)和箱线图(b) 图 3a中的直线为地下水埋深的线性趋势线 Fig. 3 Monthly groundwater depths (a) along with box-plots of their monthly variation (b) The straight line on the hydrographs indicate linear trends in groundwater depths

1979年、1999年、2004年和2010年4期地下水埋深空间变异如图 4所示。1979年地下水的埋深分布，基本反映了天然情况下冲洪积扇含水层地下水的分布规律，受地形条件、含水层赋存条件及地下水补给条件的控制，山前地下水埋深大于10 m，砾质平原区上部地下水埋深6~10 m，中部3~6 m，细土平原区与河道附近地下水埋深多为1~3 m，其面积超过了研究区总面积的60 %；局部区域小于1 m。随着农业经济的发展，灌溉面积的增加，地下水埋深呈逐年增大的趋势。1999年地下水埋深比1979年1~3 m埋深范围面积减小了15.41 %，而3~6 m和6~10 m范围埋深面积增加了39.73 %和48.03 %。与1999年相比，2004年地下水1~3 m埋深范围面积减小了17.24 %，而3~6 m和10~15 m范围埋深面积分别增加了40.85 %和33.46 %，6~10 m范围埋深面积变化不大，仅增加了3.93 %。2010年地下水埋深较前期下降幅度较大，埋深为1~3 m的区域基本上下降为3~6 m，而原3~6 m区域下降到6~10 m，埋深大于10 m的面积也有大幅度增加(表 3)。

图 4(Fig. 4)

图 4 研究区1979~2010年地下水埋深空间变化图 Fig. 4 Spatial variation of groundwater depth from 1979 to 2010

表 3(Table 3)

表 3 不同地下水埋深范围的面积(1979~2010年) Table 3 Area under different depth zones(1979~2010) 地下水埋深(m) 1979 1999 2004 2010 面积 (km2) 百分比 (%) 面积 (km2) 百分比 (%) 面积 (km2) 百分比 (%) 面积 (km2) 百分比 (%) < 1 71 1.5 1 0.0 0 0.0 0 0.0 1~3 3187 68.3 2696 57.7 2231 47.8 137 2.9 3~6 712 15.3 995 21.3 1401 30.0 2883 61.8 6~10 611 13.1 905 19.4 940 20.1 746 16.0 10~15 73 1.6 71 1.5 95 2.0 584 12.5 15~20 14 0.3 0 0.0 0 0.0 289 6.2 >20 0 0.0 0 0.0 0 0.0 29 0.6

表 3 不同地下水埋深范围的面积(1979~2010年) Table 3 Area under different depth zones(1979~2010)

地下水储量的变化反映了长期地下水位变化和地下水均衡^[28]。我们根据地下水位的时空变化，计算了和墨洛绿洲区30年间地下水储水量的变化。30年间地下水储量呈减小趋势，平均下降速率为2567×10⁴ m³/a。1990年比1979年地下水储量减少了0.887×10⁸ m³，2000年比1990年减少了0.994×10⁸ m³，20世纪80~90年代地下水储量下降速率缓慢而稳定，平均下降速率为940.6×10⁴ m³/a，而2000~2010年地下水储量的下降速率为0.5821×10⁸ m³/a，后10年的下降速率是前20年的6.19倍。尤其是2004年以后地下水储量锐减，2004~2010年地下水位下降速率是1979~2004年的8.16倍。

研究区地下水系统的主要补给来源于出山口径流的渗漏与转化，主要排泄为蒸发。而气候变化直接影响着出山口径流和蒸发作用^[4]。气温、降水、蒸发、出山口径流等因素构成地下水时空演化的自然影响因素^[25]。气温变化虽与地下水变化无直接关系，但气温变化影响潜水蒸发强度，进而影响地下水位变化。气象因子年际变化(来源国家气象科学数据共享服务平台(http://data.cma.cn/))可以看出，研究区气温自1979年以来呈逐年上升的趋势，20 cm²的蒸发皿蒸发量呈先下降后上升的趋势。降水量的年际变化呈丰枯转换的规律性变化，总体仍呈上升趋势。玉河与喀河的总径流量呈增加趋势(图 5所示)。

图 5(Fig. 5)

图 5 气象水文因子年际变化图 Fig. 5 Annual mean time series of hydrological and meteorological variables

人类活动对地下水系统演变的影响主要体现为地下水开采和农业引水灌溉造成的地下水的变化^[32]。1979~2010年30年间和田流域总灌溉面积共增长1261.93 km²，年均增长40.70 km²(图 6)；灌溉引水量增加了19.21 %。农业灌溉工程也有了较大的改善，渠系利用系数从20世纪80年代的0.3提高到2000年代的0.51；灌溉定额从1264 m³/亩减小到910 m³/亩。随着灌溉过程引起地表水的再分配，进一步影响了地下水的补给和排泄。随着灌溉面积的增加，在地表水不足时，通过开采地下水解决灌区的季节性缺水。地下水开采量从0.29×10⁸ m³增加到2.1×10⁸ m³，增长了7.2倍。

图 6(Fig. 6)

图 6 灌溉面积与地下水开采量变化 Fig. 6 The changes of abstraction and increase in irrigation area

应用灰色关联法^[30~32]，分析1979~2010年地下水储量变化与4个气象水文因子如气温、降水、蒸发和年均径流量，3个人类活动影响因子如灌溉面积、地下水开采量和灌溉渗漏补给的关联程度，经计算，各因子对地下水储量变化的影响由大到小依次为：地下水开采量>灌溉面积>降水>蒸发>平均径流量>气温>灌溉渗漏补给(表 4)。

表 4(Table 4)

表 4 地下水储量与气象水文因子、人类活动影响因子的关联度 Table 4 The correlation degree between groundwater storge and human active factors 影响因素 气温 降水 蒸发 年均径流 灌溉面积 灌溉渗漏补给 地下水开采量 关联度(R) 0.571 0.614 0.583 0.578 0.624 0.474 0.824

表 4 地下水储量与气象水文因子、人类活动影响因子的关联度 Table 4 The correlation degree between groundwater storge and human active factors

研究区降水相对贫乏，大部分降水在未补给地下水之前已通过蒸发而消耗，喀河和玉河水源是研究区地下水补给的重要部分，并沿程与地下水进行反复转化；但由于研究区绿洲垦殖农业的大发展，一方面导致地下水位下降迅速，另一方面由于渠系引水、灌区回渗改变了地下水的天然补给过程。研究结果表明，研究区人类活动对地下水均衡变化的影响是大于自然要素的影响。

本文应用非参数法Mann-Kendall趋势检验法和线性回归法，分析了1989~2015年和墨洛绿洲区月、季和年尺度地下水埋深的变化趋势，应用地质统计法研究了1979年、1999年、2004年和2010年地下水埋深的空间分布特征，并估算了1979~2010年地下水储量的变化。结果表明，研究区地下水埋深呈总体增大的趋势，枯水季增大趋势略大于丰水季节。不同观测井月埋深的差异性较大。从空间分布上，1979~2010年地下水埋深增大的区域有从冲洪积扇缘地下水排泄区向扇顶地下水补给区逐渐变化的趋势，2004年之前地下水埋深增大的区域主要分布在细土平原区，而2004年以后砾质平原区和细土平原区地下水埋深均有不同程度的增加。1979年和墨洛绿洲区60 %以上的区域地下水埋深在1~3 m，而到2010年普遍增大到3~6 m。地下水储量减小的平均速率为2567×10⁴ m³/a，2004年以后地下水储量锐减，2004~2010年地下水储量的减小速率是1979~2004年的8.16倍。应用灰色关联法分析气候水文条件和人类活动因素对地下水储量变化的影响，各因素的影响程度由大到小依次为：地下水开采量>灌溉面积>降水>蒸发>平均径流量>气温>灌溉渗漏补给。地下水埋深增大、地下水储量递减主要是由地下水开采和灌溉面积增加引起的，人类活动对地下水均衡变化的作用大于自然要素的影响。

由于绿洲垦殖农业的大发展，改变了地下水的天然补给机制和补给量，大规模拦蓄引用地表水、开采地下水和改变土地利用方式等活动使地表-地下水交互过程变得更为复杂。在过去的30年里，尤其是近10年中，地下水系统受到严重的威胁，地下水系统的时空变化受人类活动的影响越来越大，这也是内陆河流域地下水资源可持续管理中存在的普遍问题。如何通过地表水和地下水的联合管理，合理的配置绿洲区水土资源，是维持内陆河流域未来地下水安全稳定的基本策略。

致谢: 感谢同行评审专家和编辑部老师提出的宝贵修改意见!