An Analysis of the Relationship between the Groundwater Depth and the Land Use Change in Arid and Semi-arid Areas：Taking Kashgar Delta as an Example

Yun ZHANG, Sheng LI, Yuan GAO, Yan-yan GE, Jiang-xiang YU

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节水灌溉
China Rural Water and Hydropower ›› 2022 ›› (5) : 38-44.

An Analysis of the Relationship between the Groundwater Depth and the Land Use Change in Arid and Semi-arid Areas：Taking Kashgar Delta as an Example

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Abstract

The ecological environment in arid and semi-arid areas is relatively fragile， and the groundwater level decreases obviously due to the low efficiency of groundwater exploitation and irrigation. The research on the interaction mechanism between groundwater resources and land use types in these areas is still relatively limited， and a further exploration is needed. This paper takes the Kashgar Delta as the research area， combining Kriging interpolation method， land use dynamic degree model and transfer matrix to study the relationship between groundwater depth and the land use change and the impact mechanism of land use change on groundwater resources. The results show that ：① during 2010-2018， the area of cultivated land and construction land in Kashgar Delta is increasing， while the area of forest land， grassland and unused land is decreasing. ② The depth of groundwater is high in the northwest and low in the middle and south， and the depth ranges from 0.5 to 31 m. The depth of underground water in the north is between 10~31 m and that in the middle and south is shallow， generally between 0.5~10 m. ③ Compared with 2010， the groundwater depth of 5~10 m accounted for an increasing proportion of all land use types in the study area in 2018， while other land use depths， especially 0~5 m， accounted for an increasing proportion. The average groundwater depth range of different land use types was 5~10 m. Groundwater resource is the main water supply source and irrigation water source of cultivated land in the study area， the increase in groundwater depth corresponding to cultivated land area is more obvious. The results indicate that the groundwater depth in arid and semi-arid areas is sensitive to the changes in land use types caused by human activities， and the groundwater resources in these areas are closely related to land use types. This study provides a strong theoretical basis for protection and rational development of groundwater resources and the construction of regional ecological civilization in arid and semi-arid areas.

Key words

groundwater table depth / land use type / spatiotemporal change / Kriging interpolation

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Yun ZHANG , Sheng LI , Yuan GAO , Yan-yan GE , Jiang-xiang YU. An Analysis of the Relationship between the Groundwater Depth and the Land Use Change in Arid and Semi-arid Areas：Taking Kashgar Delta as an Example. China Rural Water and Hydropower. 2022, 0(5): 38-44

0 引 言

随着社会经济的发展，建设用地蔓延扩展及水资源利用需求逐渐增长，人类活动引起的水文循环状况和水量平衡要素在时间、空间和数量上发生着不可忽视的变化［1］，对区域水循环、环境质量、生物多样性及陆地生态系统的生产力和适应能力的影响愈加深刻［2］，其主要体现在下垫面土地利用／覆被变化上，并通过径流及其表现形式的变化来实现［3］。我国干旱半干旱地区地下水资源匮乏，加之近年来人类活动频繁，土地利用类型时空变化较大，从而导致部分地区地下水位呈下降趋势，生态环境恶化［4］。我国喀什地区地处亚洲内陆深部，气候干燥少雨，水资源匮乏，地下水成为重要的来源之一。由于水资源需求呈逐年上涨趋势，地下水水位持续下降，由此引发地的生态环境问题越发严重，如湿地公园面积缩减，已威胁到当地社会经济发展以及人类生存［5，6］。
地下水动态变化是地下水系统对外界环境改变（包括气象、水文、人类工程活动和地球内部构造应力等）的一种响应［7］，其过程是补给源动态、含水层调节功能、水文地质条件以及人类开采活动等影响因素相互作用的综合反映，其实质上是含水层系统体积和弹性贮存量的变化，是含水层系统与外界发生水量交换的结果［8，9］。影响地下水位埋深变化的因素有自然因素与人为因素，包括气候、径流、含水层特征、人类开采、土地利用等，不同区域其地质、水文地质条件不同，其主导因素也不同［10］。
进入90年代以来，全球环境变化研究领域逐渐加强了对土地利用/土地覆被变化的研究［11］。郭跃［12］研究了Cooms brook小流域对有限的土地利用变化和酸雨侵入的系统响应行为。R. S. Muyungi等［13］对土地利用变化和农业造成的温室气体的排放进行了研究分析。邓慧平［14］系统地研究并总结了多年气候数据与土地利用变化对水文水资源的影响。近年来，数值模型作为一种有效研究工具被大量学者应用，对土地利用变化与水文效应［15，16］、土地覆被变化对地下水资源及储量的影响［17，18］、流域土地利用类型变化与地表径流的定量关系［19，20］以及土地利用与地下水水位及矿化度的响应关系［21-25］进行了研究分析。通过对土地利用类型变化规律进行研究，及时把握土地利用及其变化状况，可对地下水资源优化提供理论依据，对变化环境下的水资源规划管理与应用具有十分重要的科学意义和应用价值。
尽管土地利用类型与环境变化关系领域的相关研究已积累了大量的富有洞察力的研究成果和经验。然而，干旱半干旱地区地下水资源和土地利用类型之间的相互影响机制研究仍相对有限，仍有科学问题需进一步探索。本文寻求找到以下两个科学问题的答案：①干旱半干旱地区地下水水位埋深和土地利用之间存在什么样的关系？②干旱半干旱地区地下水水位埋深如何受土地利用类型变化影响？为回答以上科学问题，本文以地处典型干旱半干旱地区的喀什三角洲为研究区域，以量化干旱半干旱地区地下水资源和土地利用变化关系为研究目标，利用克里金插值、动态度、转移矩阵等方法，分析不同区域多年地下水埋深与土地利用变化关系及地下水埋深与土地利用的时空变化趋势。本文研究方法和结果可为干旱半干旱地区地下水水资源保护和合理开发、及区域生态文明建设提供有力理论依据。

1 区域概况及研究方法

1.1 区域概况

喀什三角洲位于新疆维吾尔自治区西南部，塔里木盆地西缘，地理位置介于东经75.17°~76.56°，北纬38.27°~39.52°之间，总面积7 182.2 km2（如图1所示）。主要包括的行政区有喀什市、疏勒县、疏附县、阿克陶县、英吉沙县等，包括的河流有克孜河、盖孜河、库山河、依格孜牙河、恰克马克河、布谷孜河及卡浪沟吕克河7条河（如图1所示）。平原区地势平坦开阔，地面坡降2‰~5‰，地面表层岩性主要为细砂、亚细砂及亚黏土组成。多年平均气温在11.4~11.7 ℃，降水量60~90 mm/a，春夏秋冬四季分明，日照时间长，蒸发强，气候干燥；冬季低温期长，夏季长而炎热［26］。喀什三角洲属于干旱-半干旱区，水资源极度缺乏，土地与水资源利用的不合理导致部分区域地下水位埋深增大、土壤盐渍化-次生盐渍化现象滋生［27］。
Fig.1 Schematic diagram of study area and monitoring well

图1 研究区及监测井示意图

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1.2 数据来源

研究区内监测井共24口（见图1），地下水埋深数据来源于喀什市水文勘测局及喀什市国土部门对监测井2010、2018年的实测数据，统一采用1月平均埋深数据，监测井分布较为均匀。获取得到地下水埋深数据来源可靠，满足研究地下水埋深与土地利用变化关系分析的需求。
2010、2015及2018年土地利用类型栅格影像数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心 （http：//www.resdc.cn）。其分辨率为30 m，主要以Landsat-TM／ETM遥感影像为数据源，本次获取各期土地利用类型数据为全国土地利用类型25个Ⅱ级分类，结合相关野外考察验证表明该土地利用类型数据具有较高准确率，均达到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，又称空间自协方差最佳插值法，广泛地应用于地下水模拟、土壤制图等领域［30］。其普通克里金法是一种单个变量的局部线形最优无偏估计方法，首先考虑的是空间属性在空间位置上的变异分布，确定对一个待插点值有影响的距离范围，然后用此范围内的采样点来估计待插点的属性值。本文采用普通克里金法对研究区不同时期地下水埋深进行空间插值分析，其方程公式如下［31］：
Z*XP=∑i=1NλiZ(Xi)
式中：Z*（XP）为在位置Xp 克里金插值；Z*（Xi）为在位置Xi 处实测值；λi 为克里金法权重系数。

1.3.2 土地利用动态度模型

单一土地利用动态度可表达区域一定时间范围内，不同土地利用类型地变化速度的情况，计算公式如下［32］：
K=Ub-UaUa×1T×100%
式中：Ua 、Ub 分别为研究期初和研究期末某一种土地的面积，km2；T为研究步长，当设定T为年时，K为研究时时段内某种类型土地的年变化率，%。

1.3.3 土地利用转移矩阵

土地利用可以定量地表明不同土地利用类型之间的转化情况，还可以揭示不同土地利用类型间的转移速率。根据以下公式计算［33］：
Sxy=S11…S1n︙⋱︙Sn1…Snn
式中：S为土地利用类型的面积，km2；n为土地利用类型；Sxy 为研究区研究时段初期x类土地到研究末期转为y类土地的面积，km2。

2 结果与分析

2.1 土地利用时空变化分析

根据获取到分辨率30 m的2010、2015、2018年土地利用类型二级分类的栅格影像数据，利用ArcGIS 10.5对不同年份数据按掩膜提取，后进行重分类，最终将其分为6大类：耕地、林地、草地、水域、建筑用地（为描述方便，城乡、工矿、居民用地统称为建筑用地）及未利用地（未利用地是指目前还未利用及难利用的土地。其中包括：沙地、戈壁、盐碱地、沼泽地、裸土地、裸岩石质地及荒漠。），如图2所示。为更易于土地利用随时间变化特征分析，本研究将2010-2018年分为2个时间段（2010-2015年和2015-2018年），计算两个时间段内的土地利用类型单一动态度与土地利用转移矩阵，分析土地利用类型的年变化率及相互转化关系。
Fig.2 Land use distribution map of Kashgar Delta in 2010， 2015 and 2018

图2 喀什三角洲2010、2015、2018年土地利用分布图

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喀什三角洲2010、2015、2018年土地利用类型分布图见图2。表1与表2为两个阶段不同土地利用类型的动态度计算结果。从图2、表1及表2可以看出，除水域的年变化率趋势有所不同外，两个阶段相同土地利用类型的年变化率均较为相似。由于当地社会经济与农业的迅速发展，耕地与建筑用地面积在2010-2015年、2015-2018年两个阶段均逐渐增大。其中耕地利用的年均变化率分别为2.04%、1.17%，建筑用地在2015-2018年间年均增长率尤为突出，为10.47%。相应地，研究区林地、草地及未利用地面积在两个时期均有不同程度的减少。
Tab.1 Single dynamic degree of land use types in Kashgar delta from 2010 to 2015

表1 2010-2015年喀什三角洲土地利用类型单一动态度 (%)

土地利用类型 耕地 林地 草地 水域 建筑用地 未利用土地
K 2.04 -0.03 -3.10 1.62 2.40 -0.50
Tab.2 Single dynamic degree of land use types in Kashgar delta from 2015 to 2018

表2 2015-2018年喀什三角洲土地利用类型单一动态度 (%)

土地利用类型 耕地 林地 草地 水域 建筑 用地 未利用土地
K 1.17 -0.51 -2.74 -1.20 10.47 -0.89
两个时期（2010-2015年和2015-2018年）土地利用类型的转移矩阵如表3、4所示。在两个时期内，不同土地利用类型在时间与空间上均呈现不同的变化。喀什三角洲土地利用类型主要以耕地、未利用地及草地为主。本文主要针对影响地下水埋深相对较大的类型进行研究分析，故暂不考虑未利用地。至2015年，研究区耕地面积由原来的38.88%变化为42.85%，除原有的38.52%的耕地面积较之前维持不变外，有3.55%的草地转化成耕地，说明在2010-2015年间，耕地在逐渐占用小部分草地面积。该趋势与2015-2018年结果相似：转移矩阵表明（表4），转移面积在该时间段占比为2.44%。为满足经济的发展，建筑用地面积已开始向城市周边扩展［34］，在两个时期内，分别有0.25%和0.79%的耕地面积转化为建筑用地。草地主要分布在研究区东南部，在2010-2018年间，面积由23.49%减少至18.22%，草地面积的减少也是喀什地区生态环境的恶化的体现，而这也进一步表明研究区生态环境保护还面临着严峻的考验。
Tab.3 Land use transformation matrix in Kashgar Delta between 2010 and 2015

表3 2010-2015年喀什三角洲土地利用转移矩阵 (%)

年份/耕地类型 2015年
耕地 林地 草地 水域 建筑用地 未利用土地 总计
2010年 耕地 38.52 0.03 0.05 0.02 0.25 0.02 38.88
林地 0.03 2.43 0 0 0 0 2.47
草地 3.55 0 19.73 0.12 0.08 0.01 23.49
水域 0.02 0 0.02 1.25 0 0 1.29
建筑用地 0.04 0 0 0 2.88 0 2.92
未利用土地 0.70 0 0.05 0 0.06 30.14 30.95
总计 42.85 2.47 19.85 1.39 3.27 30.17 100.00
Tab.4 Land use transformation matrix in Kashgar Delta between 2015 and 2018

表4 2015-2018年喀什三角洲土地利用转移矩阵 (%)

年份/耕地类型 2018年
耕地 林地 草地 水域 建筑用地 未利用土地 总计
2015年 耕地 40.86 0.10 0.92 0.04 0.79 0.14 42.85
林地 0.11 2.31 0.01 0 0.03 0 2.47
草地 2.44 0.01 17.15 0.06 0.14 0.05 19.85
水域 0.05 0 0.10 1.23 0.01 0.01 1.39
建筑用地 0.17 0 0 0 3.09 0 3.27
未利用土地 0.72 0 0.04 0.01 0.24 29.16 30.17
总计 44.35 2.43 18.22 1.34 4.30 29.36 100.00

2.2 地下水位埋深动态变化分析

根据研究区地下水位埋深数据，通过克里金插值法得到喀什三角洲2010和2018年地下水位埋深空间分布（见图3）。研究区地下水主要接受上游侧向径流、河谷潜流与地表水入渗补给。地下水位埋深呈西北高中南部低的特点，埋深范围为0.5~31 m。而这也与我们实际调查结果相似，由于北部位于出山口附近，含水层颗粒较粗，地下水径流条件好，埋深相对较大，水位埋深介于10~31 m，同时，也有极个别点由于受构造阻水影响，局部有泉水溢出，地下水埋深浅，范围在0~2 m。研究区中、南部为平原区，且南部有典型的地质构造：英吉沙背斜及英吉沙断裂，是阻碍区域地下水径流的最主要因素，致使形成大面积湿地，地下水位埋深较浅，一般介于0.5~10 m，极个别点大于10 m。
Fig.3 Spatial distribution of groundwater table depth in Kashgar Delta in 2010 and 2018

图3 喀什三角洲2010、2018年地下水位埋深空间分布图

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基于2010及2018年地下水埋深统计数据，利用2018年埋深减去2010年埋深数据进行插值计算，得到地下水位埋深变化分布图（如图4所示）。2010-2018年间，研究区近78%区域的地下水埋深处于增大的状态，主要集中在东北部及南部。其中，埋深增加0~2 m的区域占44%；埋深增加2~4 m的区域分布于喀什市、疏勒及阿图什附近。该区域由于处于城市中心，工农业发达，用水量较大，个别区域地下水位埋深下降明显，可达4.96 m。埋深减小的区域主要分布于疏附、阿克陶县及阿图什市西北部附近。这些区域由于处于出山口，含水层颗粒较粗，且处于人口密度较小地区，埋深减小范围为0~3 m。这与阿尼克孜·麦麦提［35］研究结果相似。
Fig.4 Spatial distribution of groundwater table depth variation in Kashgar Delta

图4 喀什三角洲地下水位埋深变化空间分布图

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2.3 地下水位埋深与土地利用变化关系分析

利用2010及2018年土地利用类型分布，本文提取出各土地利用类型（例如：耕地）的不同地下水埋深范围，计算得到土地利用类型的地下水位埋深占比（如表5所示）。总体来说，2018年较2010年，除草地、未利用地地下水位埋深变化不大外，各土地利用类型的地下水埋深在5~15 m范围的占比越来越大，其他埋深区间（特别是在0~5 m范围）占比越来越小。其中，林地、水域面积地下水位埋深在5~10 m范围及建筑用地在10~15 m范围的占比均呈较大增长，分别为14.64%、13.88%及13.67%，说明研究区大部分地下水位埋深在不同程度地增大，其原因为喀什地区工农业发展、耕地面积扩增导致需水量逐渐增大，地下水资源作为工业生产、农业灌溉以及生产生活用水的重要来源，其受到人类活动不同程度的影响。
Tab.5 Proportion of groundwater depth of land use types in Kashgar delta in 2010 and 2018

表5 喀什三角洲2010、2018土地利用类型的地下水埋深占比

时间 埋深/m 不同土地利用类型地下水埋深占比/%
耕地 林地 草地 水域 建筑用地 未利用地
2010 0~5 22.27 17.41 62.68 19.84 20.57 48.14
5~10 44.04 42.89 28.62 48.18 37.68 16.96
10~15 24.37 32.80 7.15 26.32 30.50 28.34
15~20 6.52 4.35 1.04 5.47 8.07 4.33
20~25 2.02 2.44 0.35 0.20 2.57 1.67
25~30 0.78 0.11 0.15 0 0.62 0.56
2018 0~5 18.93 11.01 64.99 2.33 9.38 47.70
5~10 51.22 57.58 25.62 62.06 42.17 14.80
10~15 28.03 30.43 8.80 34.82 44.16 36.15
15~20 1.57 0.55 0.47 0.78 4.17 1.31
20~25 0.22 0.44 0.10 0 0.12 0.05
25~30 0.03 0 0.03 0 0 0
为进一步分析喀什三角洲地区地下水埋深与土地利用变化关系，将2010年和2018年地下水位埋深与土地利用数据叠加，得到各土地利用类型的地下水平均埋深（如表6所示）。不同土地利用类型的地下水埋深范围在5~10 m，其中随着耕地面积逐渐扩大，其平均埋深由8.79 m减小至8.17 m。林地面积稍有减小，地下水平均埋深也由9.06 m减小到8.62 m。建筑用地面积的增加对其区域的地下水位影响较小，埋深变化不大。
Tab.6 Groundwater depth of different land use types in Kashgar delta in 2010 and 2018

表6 喀什三角洲2010、2018不同土地利用类型的地下水平均埋深

时间 项目 土地利用类型
耕地 林地 草地 水域 建筑用地 未利 用地
2010 面积/km2 2 789.11 177.74 1 685.57 92.58 210.1 2 220.66
平均埋深/m 8.79 9.06 5.87 8.38 9.39 8.21
2018 面积/km2 3 181.27 174.72 1307.41 96.47 309.25 2 106.65
平均埋深/m 8.17 8.62 5.73 8.90 9.62 7.59
根据研究区地下水埋深变化（表6），将其划分为地下水埋深增大与减小两个区域，并分别计算其土地利用变化，分析土地利用变化对地下水位埋深的响应机制。由表7可看出，两类地下水埋深分区中，土地利用类型变化相似：耕地、建筑用地及水域面积均呈增长趋势，林地、草地及未利用地呈减小趋势。其中，水域面积占比小，且其与未利用地对地下水埋深变化影响较小；建筑用地变化率虽大，但其面积总占比较小。因此，暂不考虑以上3种土地利用类型对地下水埋深的影响。面积增大的土地利用类型（例如，耕地和草地所占面积较大）所对应的地下水位埋深变化更为明显。由2.2节分析可知，地下水埋深增大的区域主要分布在研究区东北部及南部。该部分地区为城市聚集区，人口密集，地下水为主要的供水源且用水量较大，加之耕地面积的扩大导致大面积开采地下水用来灌溉，而灌溉效率低，综合导致该地区地下水埋深增大。埋深减小的区域主要分布在以未利用地及草地为主的西北部地区，该部分地区城市发展较缓慢，未利用地占比较大，因此，地下水埋深增大的区域相应增长率低；该部分地区本身地下水埋深较大，地下水位主要受上游侧向补给及其含水层岩性影响，含水层颗粒较粗且受人类活动干扰较小，导致地下水埋深减小。
Tab.7 Land use change in different groundwater depth zones of Kashgar delta from 2010 to 2018

表7 喀什三角洲2010-2018不同地下水埋深变化分区的土地利用类型变化

地下水埋深变化 土地利用类型
项目 耕地 林地 草地 水域 建筑用地 未利用土地
地下水埋深减小 2010年/km2 971.85 62.32 125.32 29.05 62.34 352.14
2018年/km2 996.14 62.09 98.66 29.19 96.98 319.96
变化率/% 2.50 -0.37 -21.27 0.48 55.58 -9.14
地下水埋深增大 2010年/km2 1 816.81 114.82 1 558.39 63.39 147.19 1 865.54
2018年/km2 2 184.20 112.07 1 207.20 67.15 211.53 1 784.00
变化率/% 20.22 -2.40 -22.54 5.94 43.71 -4.37
干旱半干旱地区地下水位的变化由多种因素共同影响［36］。基于以上分析，干旱半干旱地区地下水位埋深对因人类活动导致的土地利用类型变化敏感，表明干旱半干旱地区地下水水资源与土地利用类型息息相关。随着耕地与建筑用地面积的不断扩展，地下水位埋深主要呈增大趋势。受人类活动影响，如地表岩土体性质、耕种农作物种类、灌溉制度的改变，地下水水位埋深发生不同的变化，尤其处于平原区山前含水层颗粒较粗的区域，地下水埋深变化较大。因此在进行流域水资源规划时，应全面综合地考虑人类活动的影响，包括土地利用变化在内的多种因素，以便为合理利用水、土地资源提出对策和措施。

3 结 论

本文以地处干旱半干旱地区的喀什三角洲为研究区域，结合克里金（Kriging）插值法、土地利用动态度模型、转移矩阵3种方法分析了研究区地下水埋深与土地利用变化之间的关系及二者之间的影响机制，对文章开始所提出的两个科学问题进行了深入分析探讨。结果如下：
（1）喀什三角洲地区2010-2018年期间，耕地、建筑用地面积均呈增大趋势，林地、草地及未利用地呈现减小态势，其中2010-2015年间，耕地面积占比由原来的38.88%变化为42.85%，建筑用地在2015-2018年间年均增长率尤为突出，为10.47%；
（2）近78%的区域处于地下水位埋深增大的状态，主要集中在东北部及南部，其中大部分区域处于埋深增大0~2 m的区域；
（3）研究结果显示因干旱半干旱地区地下水水资源为其主要供水水源与耕地灌溉水源，耕地面积所对应的地下水埋深增幅更为明显。
本文研究方法与成果可对干旱半干旱地区地下水水资源保护和合理开发、及区域生态文明建设提供有力理论依据。在今后进行土地与水资源规划时，干旱半干旱地区应更多考虑合理规划土地利用、用水结构、人工活动干扰等。由于植被恢复缓慢［37-39］，在后续研究中，还可深入开展研究长时间序列植被恢复与地下水、土地利用变化的关系。

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