河西走廊重点区域地下水资源承载状态与影响因素的多维诊断研究

《Hydrology》：Groundwater Resource Carrying Status and Influencing Factors in Key Areas of the Hexi Corridor

　　

本研究以河西走廊的酒泉、嘉峪关、张掖、金昌和武威为研究区，在地下水开采总量压减背景下，从资源本底、开发压力和水位—储量变化三个维度考察了当地地下水承载状态的变化及区域差异。研究联合运用地下水开采压力指数（abstraction pressure index）和净超采量（net abstraction excess），分别辨识相对开发强度与超出允许开采量的绝对水量；利用515个监测站的地下水位埋深变化和浅层地下水储量变化进一步识别区域差异；在控制月份效应和线性趋势后，通过残差相关分析及稳健性检验，考察了降水、河流径流和地下水开采与地下水位埋深的关联。结果表明：2018—2025年五市地下水开采总量下降23.8%，但2024年重点超采区开采压力指数仍介于1.12—2.08之间，说明区域总量压减与局部超采并存；金昌相对开采压力最大，武威净超采量最大，表明相对开发强度与超采水量对应不同的管理重点；研究期内404个监测站地下水位下降，累计浅层地下水储量变化为?69.14 × 108 m3，储量亏损主要集中在张掖和酒泉，与开发压力的区域排序并不对应，凸显了当前开发强度与累计储量变化之间的差异；在控制月份效应和线性趋势后，15个相关系数中14个绝对值减小，11个由正转负，表明共同的季节循环和长期趋势显著影响原始同期关联。通过相对强度与水量超采的双指标诊断、水位与储量变化的对比以及时间结构校正，本研究细化了地下水承载状态的区域识别，为空间差异化压采和地表水—地下水联合管理提供了依据。

一、研究背景与问题提出

河西走廊是中国西北典型干旱区，也是重要的绿洲农业区。石羊河、黑河和疏勒河等内陆河流域支撑着区域绿洲发展和经济社会增长。由于降水稀少且水资源时空分布不均，地下水是农业灌溉和城乡供水的重要来源，持续开发引起的地下水位下降和储量消耗受到广泛关注。地下水资源承载状态不仅取决于开采量，还受资源条件、补给—排泄过程和长期累计消耗的影响。已有监测和遥感研究揭示了河西走廊地下水位变化的区域差异和地下水储量的显著时空变异，表明区域总量变化无法完全代表局部地下水状况。在开采总量压减背景下，识别局部开发压力和水位—储量变化、厘清不同区域承载状态的主要特征，对于评估治理成效和制定差异化管控措施具有重要意义。

现有研究主要通过综合评价、地下水动态识别和水文过程分析考察地下水资源承载状态，但仍有两个问题有待澄清：其一，相对开发强度、超出允许开采量的水量和累计储量消耗是否识别出相同的优先区域，单一指标导出的管理优先级是否一致；其二，降水、径流、开采和地下水位埋深均呈现季节和年际变化，原始月序列的同期关系在剔除共同季节循环和长期趋势后是否仍然存在，其方向和量级是否依赖于特定年份。这两个问题直接影响开发压力的区域诊断和影响因素合理解读。

二、研究内容与总体结论

研究以酒泉、嘉峪关、张掖、金昌和武威为研究区，采用开发压力双指标诊断、水位与储量变化对比和时间调整关联分析相结合的方法。开采压力指数表示实际开采量对允许开采量的偏离，净超采量表示超出允许开采量的水量，二者联合使用可区分相对强度高的区域与超采水量大的区域；与超采区平均水位埋深、站点水位变化和评价区储量变化的对比进一步识别当前开发压力与累计地下水变化之间的区域差异。影响因素分析比较原始相关与控制月份效应和线性趋势后的残差相关，并采用秩相关和逐次剔除年份检验评估稳定性。研究回答了三个问题：总量压减下重点超采区的相对开发压力和超采量级如何差异；超采区、监测站和评价区数据揭示的水位与储量变化具有何种区域特征，其排序是否与开发压力一致；降水、径流和开采与水位埋深的关联在控制月份效应和线性趋势后如何变化，方向是否稳定。

研究得出三点主要结论：第一，区域地下水开采总量压减与局部地下水压力持续并存，承载状态改善必须从开发压力和水位动态两方面联合判断；第二，相对开发强度、超采水量和累计储量消耗识别出不同的优先区域，三者提供互补的评价信息；第三，共同季节循环和长期趋势显著影响水位埋深与水文和开采因素的同期关联，影响因素解读应考虑时间结构和区域差异。

三、主要技术方法

研究采用的关键方法包括：开采压力指数（R = Q_a/Q_e）与净超采量（Q_a ? Q_e）的双指标诊断；水位埋深差（ΔH = H_t ? H₀）计算与站点统计；季节变化统计采用同月多年算术平均；原始相关与时间调整相关分析采用普通最小二乘回归，以截距、11个月历月份虚拟变量和线性趋势项分别拟合各变量，对残差计算Pearson相关；稳定性检验采用Spearman秩相关和逐次剔除一个完整年份后重新拟合与计算；滞后与前期降水关联分析将水位埋深与0—6个月滞后降水及前3个月和前6个月累计降水配对；浅层地下水储量变化采用水位波动法（ΔW = 0.01μAΔh）估算。数据来源包括水资源评价数据、地下水开发利用数据、地下水动态监测数据和降水、径流、开采月序列，其中515个监测站覆盖五市，监测期为2018年12月至2025年12月。

四、研究结果

4.1 地下水资源本底与开发特征

五市平原区地下水资源总量为42.55亿m³，评价面积32021.09 km²。酒泉和张掖地下水资源分别为16.42亿和14.72亿m³，合计占五市总量的73.2%。单位面积地下水资源量介于9.1—27.2 × 10⁴ m³/(km²·a)，嘉峪关最高（27.2），金昌最低（9.1）。2018—2025年五市地下水开采总量呈波动下降趋势，2025年较2018年减少7.35亿m³，降幅23.8%；酒泉、金昌和武威降幅分别为33.6%、31.1%和26.5%，嘉峪关降幅7.8%，张掖波动较大。2024年重点超采区用水结构呈两种模式：酒泉、张掖、金昌和武威农业用水占比均超过90%，嘉峪关则以工业（67.3%）和城乡生活（32.7%）用水为主。

4.2 开发压力与水位变化的区域差异

2024年五市重点超采区开采压力指数R均大于1，金昌最高（2.08），武威次之（1.42），嘉峪关、酒泉和张掖分别为1.21、1.19和1.12。净超采量排序与R不同，武威最大（0.209亿m³），高于金昌（0.155亿m³），净超采量占实际开采量比例金昌为51.8%、武威为29.7%。2020—2024年五市超采区年末平均水位埋深均增加，累计增幅0.87—2.06 m，张掖（2.06 m）和金昌（1.65 m）增幅最大；年均水位变化速率分别为酒泉?0.27、嘉峪关?0.22、张掖?0.52、金昌?0.41、武威?0.28 m/a。2018年12月至2025年12月，515个监测站中404个水位下降、109个上升、2个不变，水位埋深差介于?22.42—12.95 m。五市中位数水位埋深差均为正：酒泉0.78 m、嘉峪关2.14 m、张掖1.22 m、金昌1.49 m、武威0.80 m。按面积计，水位下降面积占比酒泉83.7%、嘉峪关96.0%、张掖81.7%、金昌49.0%、武威81.0%，金昌站点占比（70.3%）与面积占比相差21.3个百分点，表明监测站点在下降区集中分布。2018—2025年五市浅层地下水储量变化均为负，合计?69.14 × 10⁸ m³，张掖（?31.91 × 10⁸ m³）、酒泉（?21.92 × 10⁸ m³）和武威（?10.27 × 10⁸ m³）分别占46.2%、31.7%和14.9%；单位面积储量损失嘉峪关最高（31.7 × 10⁴ m³/km²）。

4.3 降水、径流和开采与水位埋深的关联

2018—2025年区域多年平均降水7—9月较高，8月达42.78 mm；同期平均水位埋深从3月最小值39.34 m增至8月最大值41.31 m，高降水期与水位埋深增大期季节重叠。径流季节集中明显，8月区域月均达1.205亿m³。2018—2023年区域多年平均月开采量7月最高（0.598亿m³），水位埋深8月最大，开采峰值超前水位埋深峰值一个月。2018—2023年五市水位埋深与降水、径流和开采的15个原始相关系数均为正，径流—埋深相关系数介于0.473—0.700，开采—埋深介于0.388—0.586。控制月份效应和线性趋势后，14个相关系数绝对值减小，11个由正转负；开采—埋深调整后Pearson相关均为负（?0.309至?0.038），Spearman秩相关亦为负，逐次剔除年份检验中酒泉、张掖和武威保持为负，嘉峪关和金昌跨越零值。滞后分析显示酒泉1个月滞后降水相关最负（?0.361），张掖3个月滞后最负（?0.180），金昌4个月滞后最负（?0.243）；前3个月累计降水相关酒泉为?0.352、张掖为?0.231，前6个月累计相关绝对值减小。逐次剔除年份检验中仅张掖前3个月累计降水相关保持为负（?0.562至?0.006）。

五、讨论总结

区域地下水开采量压减与地下水系统恢复是两个不同过程。开采量下降意味着人为取水压力有所缓解，而水位和储量恢复取决于补给与排泄的平衡。2024年重点超采区实际开采量仍超过允许开采量，表明总量压减后部分地区开发压力持续存在。与前期监测研究相比，本研究监测站水位下降比例（78.4%）高于石羊河和疏勒河流域此前报道的约50%，但两研究在空间覆盖、观测日期和统计时段上存在差异，站点比例差异不能直接推断区域地下水状况进一步恶化。储量变化排序与水位变化排序不完全对应，因为储量变化同时受评价面积、给水度和水位变化影响；张掖水位降幅大且评价面积广，储量损失最大，酒泉水位降幅较小但评价面积更大，储量损失居第二。GRACE遥感研究显示黑河流域1990—2019年地下水储量总体下降，与本研究储量消耗方向一致，但空间分辨率、含水层覆盖和储量分离方法不同，仅适合比较变化方向。相对开发强度、超采水量和累计储量消耗对应不同管理重点：金昌应关注当前开采与允许开采量的偏离，武威应关注较大水量缺口下的需水削减和水源配置，张掖和酒泉应加强连续水位跟踪以判断压采后消耗是否减缓。用水结构决定管理措施的主要对象，农业用水占比超90%的区域应协调作物布局、灌溉需求与地表水供水，嘉峪关应强调工业用水效率、回用和供水水源配置。评价调控成效应同时记录取水变化和地下水响应，在下降与恢复并存的区域进一步识别持续下降站点及其周边取水条件，避免局部问题被区域均值改善所掩盖。

六、研究结论翻译

本研究通过开发压力、水位与储量变化以及时间结构校正关联分析的结合，评价了河西走廊五市地下水资源承载状态，主要结论如下：

（1）区域地下水开采总量压减与局部地下水压力持续并存，承载状态改善必须从开发压力和地下水动态两方面联合判断。2018—2025年五市开采总量下降23.8%，但重点超采区实际开采量仍超过允许开采量，研究期内地下水位下降和净储量消耗仍广泛存在。开采规模压减与地下水系统恢复不是同一过程，区域总量变化不足以完全代表局部承载状态。

（2）相对开发强度、超采水量和累计储量消耗识别出不同的优先区域，提供互补的评价信息。金昌相对开采压力最大，武威超出允许开采量的水量最大，张掖和酒泉是储量消耗的主要区域。这些差异表明当前开发压力与多年累计消耗反映地下水承载状态的不同方面，联合运用强度、水量和动态变化指标有助于区分区域压力特征、识别空间差异化管理优先级。

（3）共同季节循环和长期趋势显著影响水位埋深与水文和开采因素的同期关联，影响因素解读应考虑时间结构和区域差异。控制月份效应和线性趋势后，15个相关系数中14个绝对值减小、11个方向改变，部分关联对样本年份敏感。原始序列的同步变化不能直接解释为独立效应，时间调整和稳定性检验可进一步区分季节同步性与残差变异，为地下水动态解读和后续过程分析提供依据。