黑河流域中游地下水时空变异性分析及其对土地利用变化的响应

第24卷　第3期自　然　资　源　学　报Vol124No13　2009年3月JOURNAL OF NAT URAL RES OURCES Mar.,2009　

黑河流域中游地下水时空变异性分析及其

对土地利用变化的响应

周　剑1,李　新1,王根绪1,2,赵　洁3

(1.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所,兰州730000; 2.中国科学院成都山地与环境研究所,成都610041;

3.兰州大学资源环境学院,兰州730000)

摘要:应用遥感、地理信息系统和地统计学方法,分析黑河流域中游土地利用变化对地下水位

时空变异性的响应。首先,通过半变异函数模型分析黑河中游地下水的变异特征,进而利用克

里格插值拟合黑河流域中游1985年和2005年地下水位时空分布。其次,结合遥感解译生成的

1985年和2005年两期土地利用类型分类图,叠加分析地下水位变化与土地利用类型转移之间

的关系。结果表明:①1985～2005年间,整个黑河中游地下水位变化表现为冲洪积扇中上部荒

漠区地下水位下降显著,而河谷盆地中部和下游河谷绿洲区地下水位相对稳定,随机(人为)因

素对地下水的影响所占的比重增大,整个黑河流域地下水的连通性和脆弱性增加;②土地利用

变化表现出区域面积上的自然植被退化,人工灌溉耕地的扩张变化;③地下水位和土地利用的

时空变化具有密切的相关性,地下水位急剧变化的区域均是自然植被变化加剧的区域,主要表

现为草地退化,戈壁增加。进一步分析得出冲积扇下部和河流细土平原耕地扩张的土地利用方

式是导致冲积扇中上部地下水位下降和植被退化的主要因素,这种趋势将影响整个黑河中游地

下水系统的补排关系,对地下水资源时空变异性产生深远的影响。

关　键　词:黑河中游;地统计;土地利用变化;地下水

中图分类号:P641.8 文献标识码:A 文章编号:1000-3037(2009)03-0498-09

1　概述

土地利用与覆被变化对区域地下水变异的响应是目前国际水文科学最具活力的研究领域,大量研究表明大尺度土地覆盖与土地利用变化是导致区域气候与水文循环变化的重要因素[1,2],因此国际地圈生物圈计划(1G BP)、国际全球环境变化人文因素计划(I HDP)、世界气候研究计划(WCRP)、生物多样性计划(D I V ERSI T AS)等将水循环中生物圈作用研究(BAHC)与土地利用与覆被变化的关系及其气候脆弱性等作为其核心计划[3,4],而在I G BP 与I HDP共同确立的国际间研究计划LUCC中,一个主要问题就是要了解区域土地利用与覆被变化对水文过程与水资源的响应[5～7]。土地覆盖与土地利用变化引起的区域植被生态系统改变反过来又对区域水文循环过程也有着极其显著的影响[2,8,9]。关于流域尺度土地利用和覆盖变化对水文过程的影响以及植被组成结构与变化的区域水文响应机制已成为近10年来水文科学研究的热点领域,并成为水文科学发展的另一个重要领域[3,7]。

干旱地区的水资源特性决定了地下水通常是干旱地区最重要的水源和供水选择,地下水

收稿日期:2008-05-13;修订日期:2008-11-07。

基金项目:973计划“干旱区绿洲化、荒漠化过程及其对人生活动、气候变化的响应与调控”(2009CB421305);中国科学院西部行动计划(二期)项目“黑河流域遥感-地面观测同步试验与综合模拟平台建设”(KZ CX2-XB2-09);中国科学院寒区旱区环境与工程研究所知识创新工程项目(2003102)。

第一作者简介:周剑(1979-),男,浙江杭州人,助理研究员,博士,主要从事地下水、陆面过程的研究。E2mail:zhou2 jian@

3期周　剑等:黑河流域中游地下水时空变异性分析及其对土地利用变化的响应499　

资源往往成为维持干旱区生命绿洲,尤其是沙漠、荒漠地区社会、经济发展的首要因素[10,11]

。

从世界范围看,地下水资源确实在解决干旱区缺水问题中起到了不可替代的作用,科学的论证和有效的管理是开发利用好干旱区地下水资源的重要保证和必要前提,其中准确判断地下水在干旱区的空间分布及其时空的变异、变化程度是制定区域地下水合理利用规划的关键[12,13]

。以往对干旱区地下水的分析以人为开采为目标,主要集中在对地下水开采利用的强度与合理性方面,忽略了土地利用变化对流域地下水系统的响应,实际上,作为区域水文循环

的重要环节,地下水系统对流域土地利用与覆被变化具有强烈的影响及其响应[10,11]

。本文以河西地区黑河流域中游的张掖盆地为研究区域,利用地统计方法分析干旱内陆河流域中游地下水系统的时空变化特征,并初步探讨地下水的时空变异对土地利用变化的影响及其响应。

2　研究区域

黑河流域(97°20′～102°13′E,37°28′～39°59′N )是我国西北干旱区较大的内陆河流域

之一[14]

,位于祁连山和河西走廊的中段。包括张掖市的甘州区、陆泽县和高台县(图1),总面积41214×104

km 2

。该地区属典型的温带大陆性气候,降水少而蒸发强烈,区内多年平均降水量62～280mm ,多年平均潜在蒸发量1000～2000mm 。黑河出山河流是张掖盆地唯　图1　黑河中游地貌及其地下水观测点分布

　Fig 11　Landf or m and gr oundwater observati on sites in the Zhangye basin

一地表水径流,研究区域地势自东南向西北倾斜,地形坡度4‰～25‰,地貌上分为南部山前冲洪积戈壁平原和盆地中部冲洪积细土平原两类。受地貌、沉积物和构造条件制约,地下水主要为第四系孔隙水,并依地貌单元自南部山前至北部盆地中心,划分为4个地下水单元:南部冲洪积扇中上部、冲洪积扇下部、盆地中部冲洪积细土平原、盆地下游河谷平原区。在各地下水单

元内,从1980年开始先后建立了近100个地下水动态长期观测点(图1)。

3　研究方案

采用1985年和2005年研究区域卫星遥感T M 数据,在1:100000地形图的基础上,依据国家土地类型分类标准划分土地利用图斑,提取不同时期与地下水位变化密切相关的灌

溉土地、草地、林地、荒漠(裸岩、土,沙漠、戈壁等)、河流、渠系等类型的土地利用面积。然后根据1985年和2005年研究区域的地下水位观测数据,利用地统计的方法获得地下水位的变异特征及其空间分布,并与1985和2005年两期解译的土地利用变化叠加,对比分析地下水位的时空变异对土地利用变化的影响及其响应。311　地下水位时空变异分析

地统计学方法日益被证实能够用来很好地描述环境的空间变异规律,揭示自然现象的空间异质性和空间格局

[15,16]

,在水文和生态学领域应用日渐广泛

[17～19]

。半变异函数模型

分析与克里格插值法是最常用的地统计分析方法[20～23]

。