石羊河流域凉州区段地下水埋深演变特征及驱动机制

Evolution characteristics and driving mechanisms of groundwater burial depth in Liangzhou section of Shiyang River Basin

摘要

目的 揭示自然因素与人类活动双重驱动下石羊河流域凉州区段地下水动态演变规律，为区域地下水资源科学管理与高效利用提供理论依据。 方法 基于凉州区9眼监测井2003—2023年地下水埋深实测数据，采用皮尔逊相关分析、累积距平法、敏感性分析和ARIMA模型等方法研究地下水埋深动态特征及影响因素，并预测未来变化趋势。 结果 （1） 近21年来研究区除W₄监测井呈减小趋势外，其余8眼监测井地下水埋深均呈显著增大趋势，整体增大速率为0.4 m/a；（2） 2012—2016年为地下水埋深的显著突变期，在转折之后监测井地下水埋深增大趋势减缓，趋于稳定变化；（3） 研究区地下水埋深的变化对自然因素较敏感；人为因素对地下水埋深变化的贡献率高达84.48%，其中GDP是埋深变化的主要驱动因子；（4） 在未来五年内，地下水埋深将继续增加，年增幅保持在0.04~0.64 m。 结论 石羊河流域凉州区地下水埋深受到社会经济因素的影响呈现增大的趋势，但是通过人为采取科学有效的管控措施，有利于抑制地下水埋深继续增大，促进地下水位逐步恢复。

Abstract

Objective This study reveals the evolution patterns of groundwater dynamics in the Liangzhou section of the Shiyang River Basin under the dual drivers of natural factors and human activities， providing a theoretical basis for the scientific management and efficient utilization of regional groundwater resources. Methods This study used measured groundwater burial depth data from 9 monitoring wells in Liangzhou District from 2003 to 2023. Pearson correlation analysis， cumulative anomaly method， sensitivity analysis， and the autoregressive integrated moving average （ARIMA） model were employed to investigate the dynamic characteristics and influencing factors of groundwater burial depth and to predict future trends. Results （1） Over the past 21 years， groundwater burial depth in the study area showed a significant increasing trend in eight out of the nine monitoring wells， except for monitoring well 4 （W₄）， which exhibited a decreasing trend. The overall increase rate was 0.4 m/a. （2） The period from 2012 to 2016 marked a significant abrupt change in groundwater burial depth. After this turning point， the increasing trend slowed down and tended to stabilize. （3） Groundwater burial depth in the study area was sensitive to natural factors. However， the contribution rate of anthropogenic factors to groundwater burial depth changes reached up to 84.48%， with gross domestic product （GDP） identified as the primary driving factor. （4） In the next five years， groundwater burial depth is projected to continue increasing， with an annual increase ranging from 0.04 to 0.64 m. Conclusion Groundwater burial depth in the Liangzhou section of the Shiyang River Basin has shown an increasing trend influenced by socio-economic factors. However， the implementation of scientific and effective control measures can help curb further deepening of groundwater depth and promote groundwater-level recovery.

Graphical abstract

关键词

地下水埋深 / 趋势检验 / 土地利用 / 驱动因素 / 凉州区

Key words

groundwater burial depth / trend analysis / land use / driving factors / Liangzhou District

地下水作为重要的供水水源，具有水量稳定、水质良好、分布广泛且不易受到污染等特点，在地表水资源短缺的西北地区，地下水具有不可替代的作用^［1］。凉州区地处石羊河流域中游绿洲区，是河西走廊东端重要的生态屏障和农业基地。作为流域的核心区域，其地下水系统对维系绿洲生态、支撑农业灌溉及居民生活至关重要^［2］。然而，自20世纪50年代以来，大规模垦荒与机井建设导致地下水超采严重，2010年前全区年均地下水开采量达3.53亿m³，地下水位持续下降，天然绿洲面积退化，巴丹吉林沙漠向绿洲逼近^［3］。尽管2011年《石羊河流域重点治理规划》实施后开采量有所控制，但地下水位恢复速率缓慢，生态功能尚未根本修复。这一背景下，厘清地下水埋深动态演变机制并分析其影响因素，已成为区域水资源可持续管理的核心科学问题。研究可为当地科学管理地下水资源，恢复和重建生态环境提供参考。

目前，有关学者对地下水动态特征做了大量研究，分析了地下水埋深动态变化规律及主要影响因素等^［4］。陈彬鑫等^［5］以莫索湾灌区为研究对象，采用近22年地下水埋深实测数据，分析发现该区地下水埋深总体呈增加趋势，地下水埋深主要受地下水开采量的影响；严聆嘉等^［6］收集西辽河平原区30 a的地下水埋深数据，分析发现该区域地下水位呈现不同程度的显著下降趋势；王京晶等^［7］基于对济南市区1997—2016年地下水水位实测资料的研究，发现近20年间市区地下水埋深上升的态势得到了有效控制，埋深转而呈现下降的态势；Cai等^［8］采用小波分析方法探究不同埋深条件下浅层地下水位与降水、气温等4个因素的响应规律，发现随着地下水埋深的增加，地下水位与降水和气温的关系减弱；Zhang等^［9］以黑河流域黑河金盆水库为研究对象，发现黑河金盆水库建成后，关中盆地下游黄土灌区地下水水位平均下降约6.05 m；仲生年等^［10］针对石羊河流域地下水埋深变化，分析发现流域从20世纪80年代开始研究区平均地下水埋深呈现下降的趋势且地下水埋深季节性变化明显，但2000年以来，地下水位开始回升。国外学者也做了许多相关的研究，Kim等^［11］探讨了回归增强随机森林（RERF）模型在地下水变化中的应用，将地下水开采量作为主要输入参数来预测地下水位深度异常，预测的地下水位深度异常与实际观测结果吻合良好；Abdureyim等^［12］基于2018—2023年的归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index， NDVI）数据以及地下水埋深监测数据，分析了额济纳地区植被覆盖的时空变化特征及其与地下水埋深的关系。已有研究从不同区域和方法角度揭示了地下水埋深的时空变化以及成因等方面的内容。然而，现有的针对石羊河流域地下水埋深的研究多以流域整体分析，且侧重于地下水与生态需水、化学特征等方面的研究^［13-15］，缺乏对于作为生态屏障及农业基地的凉州区地下水埋深变化的定量分析及对未来变化趋势的预测。在气候变化与人类活动的双重驱动下，亟需深入分析干旱内陆河区域地下水埋深变化规律，以应对所面临的问题并及时做出关键性的调整。

鉴于此，本文以石羊河流域凉州区地下水埋深为重点，选取该区域9眼典型地下水监测井，分析凉州区埋深动态演变特征及规律，并对未来变化趋势进行预测，以期为该地区地下水资源利用与保护提供参考。

1 研究区概况

石羊河流域位于甘肃省河西走廊的东部，流域太阳辐射强烈，昼夜温差显著，降水量稀少、蒸发作用强烈^［16］。凉州区地处石羊河流域中上游，其东部与内蒙古接壤，南邻天祝、古浪两县，西接肃南裕固族自治县，北与永昌、民勤两县毗邻。地理范围是东经101°59′—103°23′，北纬37°23′—38°12′，面积为4 907.96 km²，年平均降水量为170 mm，年蒸发量约为2 020 mm。凉州区属于温带大陆性干旱气候，气候特征为降水稀少、阳光充沛、昼夜温差明显。作为石羊河流域极为关键的组成部分，也是流域人口最为密集、水资源相对匮乏、用水冲突最为显著且生态环境相对脆弱的区域之一。研究区的含水层系统主要由第四纪孔隙含水层系统构成，覆盖从浅层的无承压砾石层到中深层的多层砾石与黏土互层结构^［17］。区域地势西南高东北低，其地貌组合以祁连山山地、腾格里沙漠及走廊平原绿洲为主体。监测井多分布在研究区平原绿洲耕地附近，具体分布如图1所示。

2 数据与方法

2.1 数据来源

地下水埋深监测资料和地下水开采量数据主要由水文部门提供。影响因素数据中，降水量和气温数据均来自甘肃省水资源公报；径流量由石羊河流域水文部门提供；人口和GDP等社会经济数据收集自甘肃省人口统计、凉州区统计年鉴。收集的数据中除了地下水开采量年限为2014—2023年外，其余数据年限均统一为2003—2023年。凉州区6期土地利用数据（2003年、2007年、2011年、2015年、2019年和2023年）来源于中国科学院资源环境科学数据平台。所有实测数据真实可靠，满足“三性”要求。

2.2 凉州区9眼典型井选取原则

为准确研究石羊河流域凉州区地下水埋深演变规律和影响因素，监测井的筛选综合考虑其空间代表性、监测井设立时间早晚以及数据记录的完整程度等关键因素。基于以上原则，在剔除地下水观测数据异常值后，选用具有代表性的9眼监测井。选取的典型井均为潜水井，大多为农业和居民生活用井，监测井自身情况比较稳定且地下水埋深观测数据序列相对较完整，用于研究区地下水埋深的探究具有良好的代表性。具体信息如表1所示。

2.3 研究方法

2.3.1 累积距平

累积距平法常用于水文气象上的数据特征检验，可依据累积距平值曲线的波动起伏，判断离散数据变化趋势发生突变的时间^［18］。同时也用来确定某个时间点或时间段的数据值相对于该数据长期平均值的高低。采用该方法分析研究区2003—2023年监测井的地下水埋深突变特征，当数据高于平均值时，累积距平值增加，曲线上升；低于平均值时，累积距平值减少，曲线下降，拐点即可能为突变点。计算公式如下：

\mathrm{L}{\mathrm{P}}_i={\displaystyle \sum _{\mathrm{1}}^i}\left(X_i-\overline{X}\right)（1）

式中：LP _i 为累积距平值（m）；\overline{X}为地下水埋深均值（m）；X_i 为第i年的地下水埋深（m）。

2.3.2 多元线性回归计算相对贡献率

首先采用皮尔逊相关系数^［19］初步判断各监测井地下水埋深与各要素之间的相关程度；其次采用多元线性回归方程来计算各影响因子对地下水埋深变化的贡献率，计算式为：

Y_i=a{{}_{\mathrm{1}}{}^{}X}_{\mathrm{1}}+a_{\mathrm{2}}{X}_{\mathrm{2}}+a_{\mathrm{3}}{X}_{\mathrm{3}}+\dots +a_i{X}_i（2）

{\eta }_i=\frac{\left|a_i\right|}{\left|a_{\mathrm{1}}\right|+\left|a_{\mathrm{2}}\right|+\left|a_{\mathrm{3}}\right|+\dots \left|a_i\right|}(i=\mathrm{1,2},\mathrm{3}\cdots )（3）

式中：Y_i为标准化后的地下水埋深；X₁、X₂和X₃分别为标准化后的影响因素值；a₁，a₂和a₃分别为其对应的回归系数；{\eta }_i为影响因子对埋深变化的相对贡献率。

2.3.3 敏感性分析

文章采用敏感性分析方法^［20］分析2003—2023年凉州区地下水埋深与各影响因子之间的敏感系数：

S=\frac{\overline{x}}{\overline{Y}}\times \frac{\sum \left(x_i-\overline{x}\right)\left(Y_i-\overline{Y}\right)}{\sum {\left(x_i-\overline{x}\right)}^{\mathrm{2}}}（4）

式中：S为敏感性系数，S值绝对值越大，说明敏感性越强；x_i 为某一影响因素的第i个值；Y_i 为地下水埋深的第i个值。

2.3.4 预测模型

ARIMA模型是常用的时间序列模型之一^［21］，是一种分析和预测非平稳时间序列的方法，设｛Y_t，t=0，1，2…｝是一组随机时间序列，则差分自回归移动平均模型ARIMA（p，d，q）表示，其中，AR表示自回归，MA表示移动平均；p为自回归项数，q为滑动平均项数；d则是形成平稳序列所需要进行差分的阶数。具体表达式为：

Y_t=c+{\alpha }_{\mathrm{1}}{Y}_{t-\mathrm{1}}+{\alpha }_{\mathrm{2}}{Y}_{t-\mathrm{2}}+\cdots +{\alpha }_p{Y}_{t-p}+{\epsilon }_t+{\beta }_{\mathrm{1}}{\epsilon }_{t-\mathrm{1}}+{\beta }_{\mathrm{2}}{\epsilon }_{t-\mathrm{2}}+\cdots +{\beta }_q{\epsilon }_{t-q}（5）

式中：c是常数项；{\alpha }_i和{\beta }_i为回归系数；{\epsilon }_t表示白噪声序列。

3 结果与分析

3.1 地下水埋深年际变化分析

基于实测地下水埋深数据分析21年间凉州区地下水埋深年际变化趋势，结果如图2所示。对比分析研究区各监测井地下水埋深变化可知，2003—2023年各监测井地下水埋深年际变化除W₄呈减小趋势外，其余监测井地下水埋深均呈增大趋势。W₁—W₃埋深变化低于10 m；W₄和W₅埋深变化相对较深，在10~35 m之间变化；W₆—W₉地下水埋深较大，均超过95 m， W₉在2023年地下水埋深最大，为132.45 m；W₆，W₇和W₈地下水埋深截至2023年增大至93.81 m，101.66 m和115.05 m。年均地下水埋深最大和最小的监测井分别为W₉（124.58 m）和W₁（5.63 m）。结合显著性检验得到9眼代表井地下水埋深变化趋势通过了0.05显著性水平，除W₄地下水埋深呈显著减小外，其余监测井埋深均呈现显著增大趋势，其中W₁—W₃增加速率均小于0.1 m/a， W₈地下水埋深增大速率最大为0.87 m/a，其余监测井则在0.1~0.6 m/a之间变化。综上可知，近21年石羊河流域凉州区地下水埋深呈显著增大趋势，平均增大速率为0.4 m/a。

3.2 地下水埋深年际突变分析

采用累积距平法对地下水埋深数据进行分析后，在结果分析阶段发现（图3），累积距平曲线呈现出较为明显的波动形态，且整体呈现增大趋势。各监测井中除W₄外，其余监测井地下水埋深累积距平值以负值为主，累积距平最小值在2010—2018年的变化范围为-46.62~-2.95 m。各监测井地下水埋深累积距平曲线均具有两个显著的变化阶段，其中W₁，W₃，W₄和W₇监测井以2016年为转折点，W₅，W₆和W₈监测井以2015年为转折点，W₂和W₉以2012年为转折点，可以得到2012—2016年为地下水埋深的显著突变期。转折点之前，曲线呈显著的下降趋势，表明此阶段地下水埋深不仅持续增大，且其增大速率（即偏离平均值的程度）在不断加快。这种下降态势反映该时期内，地下水开采量持续超过其自然补给量，导致地下水埋深增大趋势显著，可能与当时人口增长、工农业用水需求增加以及缺乏科学合理的水资源管理措施等因素密切相关，使得地下水系统处于一种失衡的开采状态^［22］。转折点之后，曲线呈现出上升趋势，表明地下水埋深增大的趋势发生逆转，即埋深增大的速率显著放缓、趋于稳定，可能进入恢复阶段。这种转折与多种因素有关^［23］，一方面可能是由于近年来实施更为严格的地下水保护政策和水资源管理措施，如限制地下水开采量、加强节水技术推广以及开展生态补水等工程，使得地下水开采与补给之间的关系得到一定程度的调整和改善。另一方面，气候变化导致降水模式改变，使得某些年份降水量的增加可能为地下水的补给提供更有利的条件。而W₄的变化规律与之相反。

3.3 地下水埋深影响因素分析

3.3.1 影响因素变化特征

地下水埋深影响因素通常分为自然因素及人类活动因素，自然因素包括降水、径流、气温和蒸散发等，人类活动因素包括农业灌溉、人工开采和社会经济发展等^［20］。在西北干旱地区的石羊河流域，地下水埋深变化受农业灌溉和城镇生活的用水需求、产业结构升级以及人口增长等社会经济因素的影响。为进一步确定凉州区地下水埋深变化的主控因素，本研究选取对地下水埋深普遍有影响的自然因素（降雨量、径流量和温度）和人类活动因素（用水量、凉州区GDP和人口数量）进行分析，力求找出影响区域地下水埋深变化的主要影响因素。对影响地下水埋深变化的自然和社会经济因素进行特征分析，如图4所示。研究区的径流量、用水量及人口波动下降趋势，温度与GDP呈现上升趋势。

3.3.2 影响因素的主导性识别

相关性分析结果如表2和图5所示。分析得到自然因素中除W₃和W₄外，其余监测井地下水埋深与温度显著相关；社会经济因素中除W₂和W₃外，各监测井地下水埋深与用水量、人口和GDP均极显著相关（相关系数大于0.7），表明人为因素可能是主要影响因素。但是地下水埋深与降水基本不相关，与径流量的相关性相对较弱，原因可能有以下3点：其一，西北地区降水稀少，且多为短时降水，降水在地表形成超渗产流难以抵达地下形成地下水；其二，存在滞后效应；其三，降水补给远小于开采量，导致地下水埋深未能有效响应降水影响^［24］。

3.3.3 影响因子的贡献率及敏感性分析

进一步探究影响区域地下水埋深的主要驱动力因子，选取敏感性分析方法。分别计算各影响因素的敏感系数，基于标准化多元线性回归的结果，评估各因子的相对贡献。由表3可知，凉州区地下水埋深对各影响因子的敏感程度为温度>径流>GDP>降水>用水>人口。研究区地下水埋深对温度的敏感性系数高达0.69，说明地下水埋深随着温度的变化而出现敏锐的增大变化，人口对地下水埋深的敏感性最低，仅为0.07。同时自然因素的敏感系数普遍高于社会因素。此外，研究区各影响因子对地下水埋深的贡献率为GDP>人口>用水量>降水量>温度>径流量。其中凉州区GDP发展对地下水埋深变化的贡献率最大，达到43.88%，凉州区是农业大区，农业在经济中占有重要地位，农业的发展离不开农田作物的灌溉用水，这间接导致对地下水的开发较大；径流量对埋深变化的贡献率不足5%。社会经济因素对地下水埋深变化的贡献率高达84.48%，而自然因素贡献率为15.52%，说明社会经济因素中的用水量、人口和GDP是导致地下水埋深变化的主要因素，其中GDP为主要的驱动因子。结合雷达图（图6）可知，9眼监测井中除W₃之外，其余监测井的埋深变化主要受到GDP及人口等社会经济因素的影响。

3.4 地下水埋深预测分析

基于凉州区地下水埋深变化的历史趋势，利用R/S分析方法和ARIMA模型对9眼代表监测井平均埋深未来5 a的变化趋势进行预测。利用R/S分析大致判断地下水埋深变化的未来趋势，由表4可知，地下水埋深序列的赫斯特指数均大于0.5，表明该过程持续性较强，石羊河流域凉州区地下水埋深在未来一定阶段内整体上呈现增加的态势，且短时期内不会发生明显改变。

采用ARIMA模型预测9眼代表井未来5 a的地下水埋深变化。通过检验发现W₁，W₄和W₉三眼监测井预测模型的R²约为0.6，W₂为0.7，模型表现为良好；其余5眼监测井预测模型的R²均大于0.9，表现为优秀。由图7和表4可知，在2024—2028年除W₄监测井地下水埋深呈减小变化外，其余监测井均呈现增大趋势。其中，W₅，W₈和W₉增幅最为明显，分别增大了3.14 m，3.18 m和2.56 m；W₆和W₇变化也较为显著，增大了1.7 m和1.78 m；其余监测井变化幅度较小，均小于0.4 m，预测值与实测值较接近，预测效果较为理想。2024—2028年凉州区地下水埋深将持续增大，年均增幅为0.04~0.64 m，2028年西北部农业区及人类建设区的W₉监测井埋深突破135 m，而位于北部边缘区域的W₁—W₃监测井埋深均小于10 m，埋深空间异质性显著。

4 讨论

4.1 地下水埋深增大趋势的成因分析

地下水埋深受地形条件、气象变化及人类活动等多种因素的影响，长时序观测数据是揭示其演变规律的关键。研究分析得到石羊河流域凉州区地下水埋深总体呈现增大趋势，这与李生潜等^［14］针对石羊河流域中游地下水埋深变化趋势的研究结果一致。其中，埋深增幅最大的3眼井（W₅，W₈和W₉，年均增加超0.6 m）均位于凉州区西南部的高耗水农耕区，这也印证了农业集约化种植对地下水系统的持续压力。进一步对石羊河流域凉州区土地利用变化分析（图8），得到凉州区主要土地利用类型为耕地、草地和裸地。通过对比分析2003—2023年各类型土地利用面积（表5）发现，耕地、林地、草地、水域和人类建设用地面积呈增大趋势，相比2003年，到2023年面积分别增加13.36 km²，5.08 km²，166.39 km²，0.39 km²，20.65 km²，相应的裸地面积则出现减小趋势，减少205.87 km²。人类活动将大量的天然裸地开垦为耕地、草地和建设用地，这些人类活动需要消耗大量的水资源，而干旱区地表水较为稀缺，农业灌溉和城市用水主要依赖开采地下水，从而导致地下水埋深增大。土地利用类型的转变往往伴随着水资源利用结构的改变，耕地以及建设用地面积的增加反映出人类对地下水的利用程度加强。

累积距平分析发现各监测井分别于2012年、2015年、2016年发生转折，转折之后地下水埋深增大趋势减小，整体有明显的波动回升趋势。通过对政策性文件分析发现2012年《石羊河流域重点治理规划》中期评估以及2015年“水十条”的实施，在工程实施水资源配置与节水方面取得显著成效。具体措施包括“四河十三池”水系连通网的建成，形成以河流水系为脉络、调蓄水池为骨干、受益村庄和企业为节点的水系连通网，凉州区在西营、杂木、黄羊灌区建设调蓄水池13座，总容积1 998.82万m³。此外，该区域的农业节水措施取得成效，灌溉用水效率提高，地下水开采量得到有效控制，部分区域地下水位回升^［25］。监测井W₁，W₃，W₄和W₇均于2016年发生转折，分析原因可能是“引黄济石”工程调水量增加后，部分区域通过水权交易减少开采量^［26］。然而，政策响应存在1~2 a的滞后期，也间接突出2012—2016年为地下水埋深的显著突变期。总体而言，累积距平曲线呈现先下降后上升的转折特征，指示地下水埋深在观测期内经历显著的动态演变。这一过程反映人类活动与自然因素对地下水系统的交互作用，为解析地下水系统响应机制及制定可持续利用策略提供重要依据。

4.2 地下水埋深驱动因素探讨

地下水资源作为干旱地区的重要水源，受到日益变暖的气候以及愈发强烈的人类活动影响，面临着严峻挑战。众多学者研究了地下水埋深影响因素，如孙继能等^［24］针对黄土区长武塬地下水埋深动态特征及影响因素进行分析，发现人为因素主导年际地下水埋深波动，贡献率达到74%；柴娜英等^［27］针对新疆三工河流域中部（划分3个水力区）研究发现地下水埋深整体呈持续下降趋势，耕地面积、地下水开采量和山区径流量为主要影响因素；林若静等^［20］基于汾河下游区域采用敏感性分析等方法研究发现人口对地下水埋深变化的贡献率最大；丁启振等^［28］基于新疆石河子—昌吉地区44眼监测井的逐月地下水埋深数据，分析得到耕地面积和地下水开采量是潜水水位和承压水水位变化的主控因素。本研究综合运用皮尔逊相关性分析与多元线性回归方法，探讨地下水埋深变化的主要驱动因素。得到其埋深变化与人口、GDP和用水量等社会经济因素为主，与上述学者关于地下水埋深影响因素的研究结果基本一致。进一步分析地下水开采量的变化，作为石羊河流域中游核心绿洲，凉州区地下水埋深动态直接关系绿洲稳定性与近百万居民生计。近10年来，研究区年均降水量不足160 mm，而平均地下水年开采量达3.57亿m³（图9），对埋深也有一定的影响。但可以看出2014—2023年开采量呈现出下降趋势，速率为0.03亿m³/a，说明受到政策的管控，开采量得到限制。人为采取有效措施限制开采活动，有利于地下水埋深的恢复。

贡献率计算得到GDP变化为主要的人类活动驱动因子，但本质反映的是一二产业扩张对地下水的间接消耗，凉州区多年平均农业用水占用水总量的85%以上，农业用水在水资源消耗中占据主导地位，其中地下水约占总用水量的35%^［3］，工业、生活和生态用水也呈现增长态势。自然因素中温度敏感性最高（S=0.69），这与区域气候特征密切相关，凉州区年均蒸发量高达2 020 mm，气温升高，潜在蒸发加强，导致包气带水分滞留时间缩短，间接抑制地下水补给。而降水敏感性较低（S=0.33），可能因研究期（2003—2023年）平均降水量仅160 mm，且80%降水集中在7—9月，短时强降雨下渗效率不足所致。

4.3 地下水埋深预测方法讨论

随着我国经济的高速发展，水资源短缺问题日益突出。在这种背景下，精准预估地下水埋深变化，在干旱区域对地下水资源的科学调配使用、社会经济的长远稳定发展以及生态环境的良性维持均有着极为关键的作用。ARIMA模型作为一种经典的、基于统计理论的时间序列预测方法，能有效捕捉线性趋势和季节性规律，具有理论基础坚实、模型结构清晰、短期预测精度高的优势，长期以来被广泛应用于经济、气象、水文等领域的时间序列分析中^［29］。本研究基于ARIMA模型构建的地下水埋深时间序列预测模型拟合效果良好，实现了对序列内在动态的单变量精准建模，对短期预测特定区域地下水埋深变化趋势效果显著。但是ARIMA模型在应用时可能存在对数据平稳性要求严格、难以捕捉复杂非线性关系、忽略外生变量影响等局限。后续可通过融合机器学习方法（如Prophet， LSTM， XGBoost等）或结合能够体现空间异质性或物理机制的分布式水文模型框架，对提升区域尺度地下水动态模拟与水资源演化规律研究的可靠性更具潜力。

本文分析得到河西走廊凉州区地下水埋深将呈增大趋势，但是随着对石羊河流域地下水开采量持续科学有效地管理，地下水埋深增大的趋势将得到有效遏制，部分区域地下水位将缓慢回升。为了保持目前的良好态势，应继续限制地下水开采，并采取一些节水措施，例如建设集约化农田以推广滴灌，利用大数据等计算机技术优化水资源管理，以及提高水资源利用效率。另外，由于西北干旱内陆河流域地下水动态的复杂性，地下水埋深受多种因素综合影响，其变化特征时空差异很大。基于此，在今后的研究中，应根据新的地下水开采管控措施的实施以及地下水补排关系的改变，进一步结合先进的监测技术和模型模拟方法，深入研究地下水系统的动态响应机制，为实现河西走廊地区水资源的可持续利用和生态保护提供更加精准的决策支持，并有效指导凉州区绿洲灌溉农业的可持续发展。

5 结论

（1）石羊河流域凉州区地下水埋深整体以0.4 m/a的速率呈显著增大趋势；累积距平突变分析表明，W₁，W₃，W₄和W₇监测井以2016年为转折点，W₅，W₆和W₈监测井以2015年为转折点，W₂和W₉以2012年为转折点，2012—2016为埋深的显著突变期。

（2）研究区地下水埋深对自然因子中的温度最为敏感，对社会经济因子中的用水量和人口的敏感性较弱；人为因素对地下水埋深变化的贡献率高达84.48%，其中GDP的贡献率最大。

（3） ARIMA模型预测显示，2024—2028年凉州区地下水埋深将持续增大，年均增幅为0.04~0.64 m。分析预测趋势得到埋深增速在2023年后略有减缓，凉州区整体年均增幅从0.3 m降至0.2 m。

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基金资助

甘肃省2025年水利科学试验研究及技术推广计划“气候变化下出山径流的不确定性分析及缺水风险评估”(25GSLK078)

“金昌市水资源—经济发展—生态环境协调发展研究”(25GSLK087)