辛安泉流量衰減成因分析

通信作者:張幼寬,教授。E-mail: ykzhang@nju.edu.cn

辛安泉流量衰減成因分析

陳犖1,2,張幼寬1,朱敏1

(1.南京大學(xué)水科學(xué)研究中心,江蘇 南京210093; 2.江蘇上田環(huán)境修復(fù)有限公司, 江蘇 常州213022)

摘要：利用Kendall秩相關(guān)法判別辛安泉泉流量的變化趨勢,建立1981—2006年的泉流量衰減方程,分析泉域內(nèi)的降水規(guī)律和地下水開采量變化規(guī)律,并研究降水量變化和地下水開采對泉流量衰減的影響。結(jié)果表明:辛安泉泉流量在1980年以后有明顯的衰減趨勢,并服從負(fù)指數(shù)方程衰減;降水量變化和地下水開采是導(dǎo)致泉流量衰減的主要成因,地下水開采所導(dǎo)致的泉流衰減量占泉流衰減總量的83%。

關(guān)鍵詞：泉流量;衰減成因;降水規(guī)律;地下水開采;Kendall秩相關(guān)法;辛安泉

基金項(xiàng)目:國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2012ZX07204-003;2012ZX07204-001)

作者簡介:陳犖(1988—),男,碩士研究生,研究方向?yàn)樗膶W(xué)及水資源。E-mail:chenluocumt@163.com

中圖分類號(hào)：P641.8文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：(2014-04-23編輯：彭桃英)

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2015.03.015

Analysis of cause of Xin’an Spring flow attenuation

CHEN Luo1,2， ZHANG Youkuan1, ZHU Min1

(1.CenterforHydrosciencesResearch,NanjingUniversity,Nanjing210093,China;

2.JiangsuSuntimeEnvironmentRemediationCo.Ltd,Changzhou213022,China)

Abstract：The author of this paper tried to judge the change trend of the Xin'an Spring flow by using Kendall rank correlation method, and set up an equation of Xin’an Spring flow attenuation of the years from 1981 to 2006, analyzing the precipitation rule and the changing patterns of groundwater exploitation amount so as to study the influence of the variation of precipitation and groundwater exploitation on the spring flow attenuation. The results show that there has been an obvious attenuation trend in Xin'an Spring since 1980, obeying a negative exponential decay equation; changes in precipitation and groundwater exploitation are the main reasons for the spring flow attenuation, and the spring flow attenuation resulted from groundwater exploitation accounts for 83% of the total flow attenuation.

Key words： spring flow; attenuation causes; precipitation patterns; groundwater exploitation;Kendall rank correlation method;Xin’an Spring

山西省是我國北方碳酸巖分布面積最廣的地區(qū),區(qū)域內(nèi)分布著眾多的巖溶泉。但對巖溶泉不合理的開發(fā)利用,導(dǎo)致眾多泉流量減少,甚至斷流。據(jù)統(tǒng)計(jì),完全斷流的泉已有3處,即晉祠泉、蘭村泉和古堆泉,接近斷流的有兩處[1]。從20世紀(jì)50年代有關(guān)部門就開始記錄這些泉流量的變化情況。從20世紀(jì)70年代末起,山西省大規(guī)模開發(fā)利用巖溶水。1980年以后,山西省泉平均流量較1980年以前減少52.13%[1]。辛安泉是山西省的第三巖溶大泉,該泉1981—2006年的平均流量比1960—1980年的平均流量減少了42%,2000年以后平均流量較1960—1980年的平均流量減少了56%。山西省巖溶泉流量的衰減不僅加劇了山西省水資源的短缺,也對山西省的生態(tài)環(huán)境、旅游資源造成了難以彌補(bǔ)的損失。為了避免巖溶泉斷流,有必要研究泉流量的衰減趨勢及成因。

郭振中[2]對辛安泉的巖溶水特征進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)泉流量的衰減趨勢遵循負(fù)指數(shù)方程衰減規(guī)律,并呈現(xiàn)一個(gè)21a左右的大周期和5a左右的小周期,且以小周期為主,降水量的滯后期為4～5a。鄧安利[3-4]研究了泉流量和降水量的相關(guān)性,認(rèn)為導(dǎo)致辛安泉泉流量衰減的成因主要是降水量的減少。武鵬林等[5]對1956—2000年的辛安泉泉流量進(jìn)行了細(xì)致的研究,發(fā)現(xiàn)泉流量與11a降水和泉水的開采相關(guān),開采量的增加和降水量的減少是導(dǎo)致辛安泉泉流量衰減的原因。陳犖等[6]研究了泉流量與降水量的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)1980年以前泉流量與7a降水相關(guān),而1980年以后,與5a降水相關(guān),并且泉域系統(tǒng)水資源量與21a平均降水量相關(guān)性最好。

上述研究主要針對泉流量與降水量之間的關(guān)系,而對泉流量衰減的成因尚未有細(xì)致的研究。筆者采用相關(guān)性分析、最小二乘回歸擬合等方法定量研究降水量變化及泉域內(nèi)深井開采(包括礦坑排水)對泉流量衰減的影響。

1辛安泉域地質(zhì)環(huán)境條件

辛安泉域系統(tǒng)[7](圖1)分布在長治市12個(gè)縣內(nèi),總面積10950km2,其中碳酸鹽裸露面積2200km2,覆蓋與埋藏區(qū)面積8750km2。辛安泉域系統(tǒng)的北部和西部邊界為沁水向斜核部,該處寒武、奧陶系地層埋深在1000m以上,巖溶水呈封閉的滯流狀態(tài);南部邊界為濁漳河和沁河與丹河的地表分水嶺;東部邊界的東北段與娘子關(guān)泉相鄰,以清漳河與濁漳河地表分水嶺及神煙地下分水嶺為界,中段為受上遙背斜影響寒武系下統(tǒng)以及長城系的非可溶巖形成的隔水邊界,南段為平順縣虹梯關(guān)、趙城一帶燕山期閃長巖侵入構(gòu)成的阻水邊界。

辛安泉的補(bǔ)給區(qū)主要分布在東部寒武、奧陶系碳酸鹽巖裸露區(qū),補(bǔ)給來源除了大氣降水入滲外,還有區(qū)內(nèi)河流線狀補(bǔ)給以及河流之上水庫的滲漏補(bǔ)給。受到區(qū)內(nèi)構(gòu)造太行山復(fù)背斜及沁水復(fù)向斜和泉群出露位置控制,地下水由西、北、南向泉群匯集,泉域的排泄主要集中在辛安村一帶,其原因除了濁漳河侵蝕以外,最主要的是由于上奧陶統(tǒng)(O1)白云巖弱透水層在此處出露,使上游中奧陶統(tǒng)(O2)巖溶水受阻而匯集形成泉群。

圖1　辛安泉域示意圖

2泉流量衰減現(xiàn)狀

2.1泉流量衰減研究方法

圖2給出了1950—2006年辛安泉泉流量的變化曲線。由圖2可見,1981—2006年的平均流量較1960—1980年減少了42%,2000年以后的平均泉流量較1960—1980年的平均泉流量減少了56%;泉流量的顯著變化發(fā)生在1980年前后。本文將泉流量分為1956—1980年和1981—2006年兩個(gè)序列,分析研究這兩個(gè)序列的泉流量趨勢變化。

首先通過Kendall秩相關(guān)法[8]判別泉流量的變化趨勢。在隨機(jī)序列{Xi}(i=1,2,…,n)中,p表示隨機(jī)序列中所有對偶值{Xi,Xj}(i=1,2,…,n;j=i+1,i+2,…,i+n}中的Xi

(1)

式中,n為序列長度。

由式(1)可知: ①當(dāng)n增加時(shí),U很快收斂于標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。在顯著性水平α下,若|U|0,說明序列有增加的趨勢;若U<0,表示序列有減少的趨勢。③在本文中顯著性水平α取0.05。

圖2　辛安泉泉流量變化過程

流量演化方程研究采用回歸分析法,建立泉流量與時(shí)間的回歸方程:

(2)

由此可知,泉流量為時(shí)間t的函數(shù),流量隨著時(shí)間而變化。

2.2研究結(jié)果

利用Kendall秩相關(guān)法計(jì)算1959—1980年和1981—2006年的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)變量U,分別為1.73和-5.29,取α為0.05,則U0.05=1.96。由此可知,1959—1980年的泉流量沒有明顯的變化趨勢,而1981—2006年的泉流量衰減趨勢明顯。

通過回歸分析方法得出泉流量的衰減服從負(fù)指數(shù)方程,泉流量擬合方程見式(3):

(3)

式中:t為計(jì)算時(shí)段(t=0的時(shí)間為1973年)。

辛安泉泉流量趨勢擬合結(jié)果圖見圖3。圖3中復(fù)相關(guān)系數(shù)R=0.97,剩余標(biāo)準(zhǔn)差S=0.72。

圖3　辛安泉泉流量趨勢擬合結(jié)果

由圖3可知,辛安泉泉流量均勻分布在衰減曲線附近,擬合曲線能夠很好地反映出泉流量的衰減規(guī)律。1980年以后,辛安泉泉流量服從負(fù)指數(shù)方程衰減,至2006年,泉流量衰減至5m3/s左右，僅為1980年流量的50%左右。

綜合上述,辛安泉流量逐年衰減,早期(1956—1980年)趨勢變化不明顯,后期(1981—2006年)泉流量下降明顯,服從負(fù)指數(shù)衰減規(guī)律。

3結(jié)果與討論

3.1地下水開采量的影響

20世紀(jì)80年代初,山西省開始開采利用辛安泉泉域內(nèi)的巖溶地下水資源,開發(fā)利用程度逐步增大(圖4)。在起始階段開采量僅為0.03m3/s。1987年長治市城市供水和山西化肥廠兩個(gè)大型水源地投產(chǎn),地下水開采量急劇上升,達(dá)到1.2m3/s,1994年地下水開采量超過2m3/s,2006年達(dá)到2.85m3/s。由于辛安泉是封閉式泉域系統(tǒng),在系統(tǒng)水均衡維持原狀的條件下,系統(tǒng)補(bǔ)給量保持不變,而且地下水開采量與泉流量之和是原先系統(tǒng)的補(bǔ)給量,地下水開采量的急劇增加必然導(dǎo)致泉流量的衰減。

圖4　辛安泉泉域系統(tǒng)內(nèi)地下水開采量的變化

地下水開采量對泉域系統(tǒng)的影響,不僅僅表現(xiàn)為泉流量的衰減,而且對泉域系統(tǒng)的補(bǔ)給量和資源量也會(huì)造成一定的影響。由于地下水開采的影響,泉域系統(tǒng)地下水水位逐漸下降,降雨補(bǔ)給地下水的量在逐漸衰減,造成資源量的衰減和系統(tǒng)功能的退化。

地下水開采井主要位于泉域系統(tǒng)的補(bǔ)給區(qū)以及排泄區(qū),人為開采巖溶地下水水必然會(huì)造成泉流量的減少。地下水開采井的開采量和泉流量之和為系統(tǒng)得到的補(bǔ)給量,兩者之間必然存在一定的相關(guān)關(guān)系。鑒于此,筆者利用相關(guān)系數(shù)法來判別地下水開采量和泉流量之間的相關(guān)關(guān)系。先計(jì)算泉流量和多年平均地下水開采量之間的相關(guān)系數(shù),再通過系數(shù)的大小來判別地下水開采對泉流量的影響。表1中給出了泉流量和地下水多年平均開采量之間的相關(guān)系數(shù)。由表3可知,當(dāng)年地下水開采量和泉流量之間的相關(guān)系數(shù)最大,為-0.92。地下水開采對泉流量的影響不存在滯后作用。

表1　辛安泉泉流量和地下水多年平均

隨后采用回歸分析法建立泉流量和地下水開采量之間的相關(guān)關(guān)系,擬合方程為

(3)

擬合方程的復(fù)相關(guān)系數(shù)R=0.92,剩余標(biāo)準(zhǔn)方差S=0.84。擬合曲線見圖5。

圖5　辛安泉泉流量和地下水開采量之間的擬合關(guān)系

從擬合方程和圖5可以看出泉流量和地下水開采量之間的定量關(guān)系。當(dāng)泉域內(nèi)的地下水開采量增加1m3/s時(shí),泉流量減少1.63m3/s,說明地下水開采量的增加加劇了泉流量的衰減,使系統(tǒng)得到的補(bǔ)給量也逐漸減少。

3.2降水量的影響

降水是辛安泉的主要補(bǔ)給來源,降水量的變化直接影響泉域內(nèi)巖溶水資源量的變化,進(jìn)而影響泉流量的變化。相關(guān)研究表明,辛安泉的天然資源量與21a平均降水量密切相關(guān)(相關(guān)系數(shù)為0.91);泉流量在1980年以前與7a降水量相關(guān)(相關(guān)系數(shù)為0.68),而1980年以后與5a降水量相關(guān)(相關(guān)系數(shù)為0.53)?？梢钥闯?天然資源量、泉流量均與多年降水量相關(guān),說明降水量對泉域系統(tǒng)的補(bǔ)給存在一定的滯后,系統(tǒng)能夠調(diào)節(jié)多年降水量。泉流量與降水量的相關(guān)關(guān)系表明,系統(tǒng)能夠調(diào)蓄的降水量愈來愈少,1980年以前能夠調(diào)蓄7a的降水量,而1980年以后僅能調(diào)節(jié)5a的降水量,泉流量和降水量的相關(guān)系數(shù)也在減少,說明系統(tǒng)受到了除降水以外的因素,如地下水開采、礦坑排水等的影響。

圖6中給出了辛安泉泉域系統(tǒng)內(nèi)降水量的變化過程,并給出了降水量的變化規(guī)律。從圖6可以看出,泉域內(nèi)降水量具有一定的周期性,但2000年以后系統(tǒng)內(nèi)的降水規(guī)律有明顯的改變,降水的周期性減弱,降水量集中在平均降水量附近,總降水量并沒有明顯減少。降水周期性規(guī)律的減弱導(dǎo)致每年泉域系統(tǒng)得到的補(bǔ)給量相近,豐水年并沒有大規(guī)模的補(bǔ)給,而地下水開采量逐漸增加,必然會(huì)導(dǎo)致泉流量的減少。

圖6　辛安泉泉域系統(tǒng)內(nèi)降水及其變化規(guī)律

3.3綜合因素的影響

筆者借鑒前人研究成果[6],得到在無地下水開采情況下的穩(wěn)定泉流量,見圖7。從圖7可見,辛安泉穩(wěn)定泉流量變化趨勢與降水變化趨勢基本一致,與實(shí)測泉流量的差異逐漸變大,兩者之間的差值為外界因素影響條件下泉流量的衰減量。

圖7　辛安泉穩(wěn)定泉流量、實(shí)測泉流量及降水趨勢變化關(guān)系

導(dǎo)致泉流量衰減的成因主要為降水量變化、泉域系統(tǒng)因素、人類開采地下水以及礦坑排水。降水量變化在穩(wěn)定泉流量計(jì)算中已經(jīng)考慮,而且前文已經(jīng)對降水的影響進(jìn)行分析,因此本文中將礦坑排水和人類地下水開采活動(dòng)看成同一影響因素——開采量,則泉流量的衰減主要是由于地下水開采和泉域系統(tǒng)因素的影響,因此有:

(4)

1980年以前穩(wěn)定泉流量和實(shí)測泉流量基本沒有明顯差別,本文主要討論1980年以后兩者的變化過程。表2中給出了泉流量總衰減量、地下水開采量以及地下水開采導(dǎo)致的泉流量衰減量。由表2可以看出,在1981—1985年間泉流量的總衰減量為負(fù)值,說明地下水開采導(dǎo)致了泉流量的增加,在地下水開采的刺激下,由于泉域系統(tǒng)存在趨穩(wěn)能力,系統(tǒng)為了維持原來的狀態(tài)而得到了更多的降水補(bǔ)給。后期由于地下水開采的持續(xù)以及地下水開采量的增加,導(dǎo)致泉流量衰減,尤其是在1987年以后,泉流量衰減幅度逐漸加大。但1996—2000年,除去1999年降水導(dǎo)致泉流量的衰減為負(fù)值外,泉域系統(tǒng)因素是使泉流量增加的因素。

總體而言,地下水開采導(dǎo)致的泉流量衰減量占泉流量衰減總量的83%。深井開采巖溶地下水對泉流量衰減有放大作用,但目前泉域系統(tǒng)的地下水開采井主要分布在徑流區(qū)和排泄區(qū),不過近年來由于地下水水位的持續(xù)下降及用水量的增加,開采井的深度有所增加,且開采范圍也向補(bǔ)給區(qū)逐步推進(jìn),地下水開采對泉流量的衰減影響逐步加大。目前泉域內(nèi)的用水來源仍然以深井地下水開采為主,巖溶深井達(dá)到162口,正在使用的大約有129口。2000年巖溶泉水開采量為2.68m3/s(8434.9萬m3),其中泉口引水量為0.12m3/s,提水工程量為1.19m3/s,深井地下水開采量1.37m3/s[8],深井地下水開采量僅占全部用水量的51%。因此增加泉口引水量以及提水工程量,減少地下水深井開采量,將有效減少泉流量的衰減。

表2　辛安泉泉流量衰減分析結(jié)果

4結(jié)論

筆者采用Kendall秩相關(guān)法判別辛安泉泉流量變化趨勢,結(jié)果表明,1980年以前泉流量變化趨勢不明顯;1981—2006年泉流量具有明顯的衰減趨勢。利用回歸分析法得出泉流量服從負(fù)指數(shù)方程衰減(復(fù)相關(guān)系數(shù)R=0.9702)的研究結(jié)果。分析造成辛安泉泉流量衰減的原因,認(rèn)為是降水量變化及人工地下水開采。

辛安泉泉域內(nèi)降水量變化具有一定的周期性,但2000年以后周期性減弱,降水量集中在多年平均降水量附近。降水周期性規(guī)律的減弱導(dǎo)致每年泉域系統(tǒng)得到的補(bǔ)給量相近,缺乏豐水年大規(guī)模的補(bǔ)給,而地下水開采量的逐漸增加,必然會(huì)導(dǎo)致泉流量的減少。研究發(fā)現(xiàn),地下水開采量的增加造成泉流量減少了100%,開采量增加1m3/s,泉流量相應(yīng)減少1.63m3/s,地下水開采所造成的泉流衰減量占全部泉流衰減量的83%。

辛安泉天然資源量(泉流量與開采量的和)與21a平均降水量密切相關(guān)。目前辛安泉天然資源量為7.5m3/s左右,平均泉流量為3.65m3/s[6],在合理的開采條件下可供開采的最大地下水開采量為3.85m3/s。

為了確保辛安泉不斷流,增加泉域系統(tǒng)資源量,應(yīng)采取適當(dāng)措施防止泉流量持續(xù)衰減:① 減少泉域系統(tǒng)內(nèi)的地下水開采量,減少開采井?dāng)?shù)量,尤其減少泉域上游的開采井?dāng)?shù)量;② 增加礦井排水的資源化利用率,將礦區(qū)內(nèi)排水作為礦區(qū)及其周邊地區(qū)工業(yè)用水;③ 增加泉口引水量。目前泉域系統(tǒng)內(nèi)的供水以深井地下水開采為主,泉口引水量較小,增加泉口引水量必然減少地下水深井開采量,減緩泉流量衰減趨勢。

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