萊州灣南岸淺層地下水特征的空間變異性研究

劉文全，于洪軍，徐興永，陳廣泉

（國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061）

土壤鹽漬化是制約萊州灣南岸地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的主要障礙因子之一。20世紀(jì)70年代開始由于過量開采地下水，該區(qū)的咸淡水界面不斷向內(nèi)陸推移（張祖陸等，2007），直接導(dǎo)致地下水水質(zhì)下降，而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中抽取地下水進(jìn)行大面積灌溉又對(duì)土壤質(zhì)量產(chǎn)生不利影響，誘發(fā)大規(guī)模次生鹽漬化。土壤鹽漬化與地下水關(guān)系密切，因此在萊州灣南岸地區(qū)開展地下水質(zhì)量定量分析研究，對(duì)地下水質(zhì)量評(píng)估和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。圍繞地下水性質(zhì)與土壤鹽漬化的研究國內(nèi)外開展了大量的工作，有關(guān)這方面的研究已有很多詳細(xì)的文獻(xiàn)（劉廣明等，2003；陳小兵等，2008；郭全恩等，2010）。

研究表明，地統(tǒng)計(jì)學(xué)是研究地下水特征空間變異的有效工具（Morio et al，2010），它能解釋屬性變量在空間上的分布、變異和相關(guān)特征（王政權(quán)，1999）。國內(nèi)學(xué)者在利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)研究地下水模擬、空間變異方面也取得了很好的科研成果。王水獻(xiàn)等（2007）采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)經(jīng)典理論分析了焉耆盆地不同時(shí)期地下水TDS和埋深在時(shí)間和空間的變異特征，結(jié)果表明地下水TDS和埋深在時(shí)間和空間上都存在明顯的空間變異性。阮本清等（2008）應(yīng)用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)寧夏青銅峽灌區(qū)地下水水位空間變異特性的研究表明灌區(qū)地下水埋深總體上逐年增加，在年內(nèi)變化上，順著地下水自南向北的流向，地下水位隨灌溉呈周期性漲落變化。買買提等（2010）采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)經(jīng)典理論分析了伊犁河谷典型區(qū)域在不同時(shí)期地下水TDS和埋深在時(shí)間和空間上的變異特征，結(jié)果表明在該地區(qū)地下水TDS和埋深在時(shí)間和空間上存在明顯的變異性。本文以整個(gè)萊州灣南岸區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，運(yùn)用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法對(duì)該區(qū)2007-2009年地下水礦化度和水埋深這兩個(gè)重要指標(biāo)的空間變異性進(jìn)行了綜合分析與評(píng)價(jià)，研究成果為萊州灣南岸水鹽調(diào)控及土壤鹽漬化防治提供參考。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

本文的研究區(qū)位于萊州灣南岸濱海平原北部，沿海岸近平行分布的東西長(zhǎng)約120 km，南北寬度約40km的帶狀區(qū)域。地理位置介于118°38′-119°50′E，36°45′-37°15′N 之間。該區(qū)屬于暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)型大陸性氣候，降水量較少，海洋性特征并不明顯。光照充足，熱量豐富，雨熱同期，四季分明，全年平均氣溫一般在11.5℃～13℃；多年平均降雨量為670～800 mm，年內(nèi)降雨分布不均，雨量多集中在6月下旬至9月上旬，占全年的70%～80%；蒸發(fā)強(qiáng)烈，蒸散量大，全區(qū)干旱系數(shù)一般在1.2左右。研究區(qū)地勢(shì)南高北低，作物種類北部以棉花為主，南部主要是小麥和玉米，土壤類型主要以潮土與鹽化潮土兩類為主。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集

本文主要通過對(duì)農(nóng)用水井的監(jiān)測(cè)來分析地下水特征變化，根據(jù)研究區(qū)地勢(shì)南高北低及當(dāng)?shù)刂脖桓采w等特點(diǎn)對(duì)監(jiān)測(cè)井進(jìn)行選擇。共監(jiān)測(cè)水井63口，具體位置如圖1所示，監(jiān)測(cè)時(shí)間為2007年、2008年和2009年連續(xù)3年時(shí)間，監(jiān)測(cè)頻率為每月一次，進(jìn)行地下水埋深測(cè)量和地下水取樣，各監(jiān)測(cè)井坐標(biāo)采用差分GPS定位技術(shù)確定。本文所用數(shù)據(jù)為每年的監(jiān)測(cè)均值，取樣方式為地下水礦化度：現(xiàn)場(chǎng)取水樣置于100 mL塑料瓶中，在冰箱中保存，用重量法測(cè)定（HJ/T 51-1999）；地下水埋深：利用平尺水位計(jì)（北京西化儀科技有限公司，CN61/DDZ300）測(cè)量地下水的埋深，這是目前測(cè)量地下水埋深最精確的儀器，其原理是儀器平尺前端的探頭設(shè)有針式水位傳感器，當(dāng)探針接觸水面時(shí)將觸發(fā)卷輪內(nèi)的聲光報(bào)警器，從而通過平尺上的刻度來指示水面距離地面的深度。

圖1 研究區(qū)地下水取樣點(diǎn)位分布

1.2.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用了統(tǒng)計(jì)軟件SPSS 18.0和地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件GS+V9.0，地下水埋深及礦化度空間分布圖的繪制采用ArcGIS 9.3軟件。

1.2.3 地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法

地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法是在經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的空間分析方法，此方法不僅能夠有效提示屬性變量在空間上的分布變異特征，而且能夠有效解釋空間格局對(duì)生態(tài)過程與功能的影響。變異函數(shù)是以區(qū)域化變量理論為基礎(chǔ)，分析自然現(xiàn)象空間變異和空間相關(guān)的統(tǒng)計(jì)學(xué)，是地統(tǒng)計(jì)學(xué)的基本工具。其理論模型公式為（王政權(quán)，1999）：

式中：r（h）為變異函數(shù)；h為步長(zhǎng)，即樣點(diǎn)空間間隔距離；N（h）為抽樣間隔為h時(shí)的點(diǎn)對(duì)數(shù)；Z（xi）和Z（xi+h）分別是變量Z在空間位置xi和xi+h上的取值。

2 結(jié)果與分析

2.1 地下水特征的描述性統(tǒng)計(jì)分析

地下水礦化度和埋深的統(tǒng)計(jì)特征值如表1所示。由于變異函數(shù)的計(jì)算一般要求數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，否則可能存在比例效應(yīng)（李哈濱等，1998）。進(jìn)一步通過K-S法進(jìn)行正態(tài)檢驗(yàn)（P＜0.05，2-tailed）發(fā)現(xiàn)地下水埋深符合正態(tài)分布，變異函數(shù)計(jì)算采用原始數(shù)據(jù)；地下水礦化度經(jīng)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)化后符合近似的正態(tài)分布，變異函數(shù)計(jì)算采用對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)化后的數(shù)據(jù)。

表1 地下水埋深及礦化度含量的統(tǒng)計(jì)特征值T

從變幅來看，二者的變化幅度均較大，2007年礦化度最大變幅為18.82 g/L，2008年埋深最大變幅達(dá)到38.08 m。從平均值來看，2007-2009年地下水礦化度和埋深比較穩(wěn)定，變幅不大；地下水礦化度均值均大于2.3 g/L，按照地下水礦化度劃分標(biāo)準(zhǔn)，屬于微咸水；除少數(shù)井的礦化度＞3 g/L（咸水），絕大多數(shù)監(jiān)測(cè)井礦化度值屬于微咸水和淡水范圍。從變異系數(shù)來看，2007-2009年地下水礦化度在水平方向的變異強(qiáng)度均超過100%，屬于強(qiáng)變異強(qiáng)度，其中2007年超過150%，造成這種現(xiàn)象的原因在于區(qū)內(nèi)地質(zhì)背景條件、海咸水入侵等自然條件影響；地下水埋深的變異系數(shù)均介于10%～100%之間，屬于中等強(qiáng)度的變異，這主要是受農(nóng)業(yè)灌溉、土地利用方式以及耕作方式差異等因素的影響。

2.2 地下水特征的空間變異趨勢(shì)分析

圖2和圖3為地下水礦化度和埋深空間分布趨勢(shì)圖，X-Z和Y-Z投影面上曲線分別表示東-西向和南-北向全局性趨勢(shì)效應(yīng)變化情況，X-Y投影面上的散點(diǎn)表示采樣點(diǎn)的二維平面空間分布。對(duì)趨勢(shì)效應(yīng)的處理辦法一般是在半方差/協(xié)方差函數(shù)建模時(shí)去掉趨勢(shì)效應(yīng)，而在克立格預(yù)測(cè)時(shí)再把趨勢(shì)效應(yīng)追加回來（姚榮江等，2007）。在本文中，盡管地下水礦化度和埋深的偏、峰度檢驗(yàn)結(jié)果均呈正態(tài)（或?qū)?shù)正態(tài)）分布，但都表現(xiàn)出明顯的趨勢(shì)效應(yīng)，顯然本研究中趨勢(shì)效應(yīng)的分析已不容忽略。

圖2 地下水礦化度趨勢(shì)效應(yīng)分析

圖3 地下水埋深趨勢(shì)效應(yīng)分析

從圖2可以看出，地下水礦化度從西向東呈逐漸增加趨勢(shì)，呈比較微弱的二階趨勢(shì)效應(yīng)；而在南北方向二階趨勢(shì)比較明顯，南部低，北部高，這主要是受地質(zhì)背景條件、海咸水入侵等自然條件影響，靠近萊州灣的位置數(shù)值較大。從圖3中可以看出，地下水埋深在東西方向和南北方向都呈現(xiàn)較明顯的二階趨勢(shì)效應(yīng)，其中南北方向變化比較大，呈倒“U”型的拋物線變化，這主要是在萊州灣南岸地區(qū)有幾個(gè)地下漏斗區(qū)，使得中間位置地下水比較深，而越往南部地區(qū)，受地勢(shì)的影響，地下水埋深數(shù)值逐漸升高。從這里可以看出，隨著埋深的增大，礦化度濃度值逐漸減小，二者在空間上具有一定的關(guān)聯(lián)性。

2.3 地下水特征的空間變異分析

由于經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)方法只能揭示地下水礦化度和埋深變化的總體，不能反映樣本的獨(dú)立性，解決這一問題的方法是研究其空間變異的結(jié)構(gòu)性，即應(yīng)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法研究地下水埋深和礦化度的空間變異結(jié)構(gòu)。

變異函數(shù)揭示了整個(gè)尺度上的空間變異，隨間隔距離h的增大，變異函數(shù)r（h）從非零值達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)值，該數(shù)值稱為基臺(tái)值C0+C，表示系統(tǒng)內(nèi)總的變異，其中C0為塊金值，表示由試驗(yàn)誤差和小于試驗(yàn)取樣尺度等隨機(jī)部分引起的空間異質(zhì)，較大的塊金值表明較小尺度上的某種生態(tài)過程不可忽視。塊金值（C0）與基臺(tái)值（C0+C）之比表示隨機(jī)部分引起的空間異質(zhì)性占系統(tǒng)總變異的比例；比值小于25%，說明具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，比值在25%～75%之間，說明為中等空間相關(guān)，比值大于75%，說明具有較弱的空間相關(guān)性（侯景儒等，1998）。變程а反映屬性因子的空間自相關(guān)范圍的大小，與觀測(cè)尺度及其取樣尺度有關(guān)，在變程之內(nèi)，變量具有空間自相關(guān)性，反之不存在。表2是通過計(jì)算得到的地下水礦化度和埋深的半方差函數(shù)擬合理論模型及其參數(shù)，模型參數(shù)采用交叉驗(yàn)證法進(jìn)行修正，直至達(dá)到所需要的要求。圖4為地下水礦化度和埋深均值的半方差函數(shù)圖，二者均符合球狀模型。

由表2可見，2007-2009年地下水礦化度和埋深的半方差函數(shù)理論模型均符合球狀模型。從塊基比（C0/（C0+C））的比值可以看出，除2009年地下水埋深的塊基比略大于25%外，其他時(shí)間內(nèi)地下水礦化度和埋深在研究尺度上具有強(qiáng)烈的空間自相關(guān)；其中，地下水埋深的塊基比接近25%，大于礦化度的塊基比值，這種現(xiàn)象與研究區(qū)的實(shí)際情況完全符合，地下水礦化度和埋深主要受地質(zhì)背景、地形地勢(shì)及海咸水入侵等自然因素影響，人為影響較小。地下水礦化度的空間相關(guān)距離均為20 km左右，而地下水埋深的空間相關(guān)距離則集中在11 km左右，說明在研究區(qū)內(nèi)地下水礦化度主要受自然因素影響較大，而埋深除受自然因素影響外還受到部分人為因素（灌溉和種植制度等）的影響。由于分維數(shù)D表示變異函數(shù)r（h）曲線的曲率大小，因此，D值越大，由空間自相關(guān)部分引起的空間變異性越高。D值是一個(gè)無量綱，因此可以對(duì)不同變量的D值進(jìn)行比較，以確定空間變異性程度。地下水礦化度和埋深的分維數(shù)D值都較高，均超過1.8，說明空間自相關(guān)部分引起的空間變異性高，這點(diǎn)也從塊基比的值得到驗(yàn)證。

表2 地下水礦化度和埋深的半方差模型及參數(shù)

圖4 地下水礦化度和埋深均值的半方差函數(shù)圖

2.4 地下水特征的空間分布

基于經(jīng)過對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)化的地下水礦化度數(shù)據(jù)及原始埋深數(shù)據(jù)，結(jié)合普通克里格插值分析方法，選取二階趨勢(shì)參數(shù)并考慮各向異性，繪制了萊州灣南岸地區(qū)淺層地下水礦化度和埋深的空間分布圖（圖5、圖 6）。

從圖5中可以看出地下水礦化度在空間分布上具有相似性，基本為北高南低趨勢(shì)，礦化度含量從海邊逐漸往內(nèi)陸地區(qū)降低，東南部和西南部含量最低。出現(xiàn)這種現(xiàn)象主要是因?yàn)檠睾Ｒ痪€受海咸水入侵影響，特別是中間的寒亭區(qū)與昌邑市交界的區(qū)域，礦化度值有向內(nèi)陸延伸趨勢(shì)，這主要是該區(qū)域分布眾多鹽場(chǎng)，過度抽取地下鹵水導(dǎo)致海水沿河道入侵造成。東部地區(qū)受膠萊河和濰河兩大淡水河流的影響，沿著河流延伸方向地下水不斷得到補(bǔ)充，弱化了地下水礦化度濃度，因此含量較低，達(dá)到淡水水平。

圖6 地下水埋深的空間分布圖

從圖6中可以看出，2007-2009年地下水埋深同樣具有空間分布的相似性，萊州灣南岸沿海一線、東南部和西北部地下水埋深較淺，昌邑市區(qū)和西南部埋深較大，這主要是由于東南部地區(qū)靠近膠萊河濰河兩大河流，經(jīng)常對(duì)地下水進(jìn)行補(bǔ)給，從而抬高了地下水位；沿海一線則主要受地勢(shì)影響，地下水埋深較淺；西南部地區(qū)靠近南部的山區(qū)，地勢(shì)較高，因此地下水埋深較大，最高達(dá)到39.79 m。

3 結(jié)論

（1）研究區(qū)地下水礦化度和埋深的均值較高，地下水礦化度均值屬于微咸水；地下水埋深服從正態(tài)分布，地下水礦化度符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布；二者變異系數(shù)較大，其中礦化度達(dá)到強(qiáng)的變異強(qiáng)度，而埋深則屬于中等變異強(qiáng)度。

（2）地下水礦化度和埋深在東西和南北兩個(gè)方向都呈二階趨勢(shì)效應(yīng)，地下水埋深二階趨勢(shì)較明顯；二者均符合球狀模式分布，具有強(qiáng)的空間自相關(guān)性，受自然因素影響加大，人為影響較小。

（3）受地形地勢(shì)影響，2007-2009年地下水礦化度表現(xiàn)出離海岸線距離越近而越大的規(guī)律，地下水埋深表現(xiàn)為西南部較深，而東南部和西北部較淺；地下水埋深和礦化度空間分布具有一定的相關(guān)性，表現(xiàn)為埋深越大礦化度越小的規(guī)律；地質(zhì)構(gòu)造、河流及海水入侵等自然因素作用是形成該空間格局的重要因素。

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