唐山豐南區(qū)地下水豐枯季埋深空間變異性分析

劉海若，白美健，史源，劉群昌，馮兵楷

（1.國(guó)家節(jié)水灌溉工程技術(shù)研究中心（北京），北京100048；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院水利研究所，北京100048；3.河北省石家莊市冶河灌區(qū)引崗管理處，河北石家莊050200）

唐山豐南區(qū)地下水豐枯季埋深空間變異性分析

劉海若1，2，白美健1，2，史源1，2，劉群昌1，2，馮兵楷3

（1.國(guó)家節(jié)水灌溉工程技術(shù)研究中心（北京），北京100048；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院水利研究所，北京100048；3.河北省石家莊市冶河灌區(qū)引崗管理處，河北石家莊050200）

探究豐南區(qū)豐枯季地下水埋深空間變異規(guī)律，為地下水資源管理和調(diào)度提供指導(dǎo)。本文基于2001年和2014年豐枯季地下水埋深實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，結(jié)合GS+和GIS軟件，分析了淡水區(qū)潛水和咸水區(qū)承壓水豐枯季地下水埋深的空間變異規(guī)律。結(jié)果表明：淡水區(qū)和咸水區(qū)豐枯季地下水埋深空間變化范圍較大，豐枯季最大埋深差距明顯，最小埋深差異不大，14年間埋深呈增加趨勢(shì)，其中淡水區(qū)和咸水區(qū)枯季的最大埋深分別增加23.82 m和36.82 m。不同時(shí)期地下水埋深具有中等空間變異強(qiáng)度，空間變異結(jié)構(gòu)可用球狀模型進(jìn)行描述，空間相關(guān)距離隨年份呈減小趨勢(shì)；空間分布趨勢(shì)呈現(xiàn)出南深北淺，帶狀分布規(guī)律；隨著人類活動(dòng)增加，地下水開采量增大引起的采補(bǔ)失衡愈發(fā)明顯，造成地下水埋深不斷增大，補(bǔ)給修復(fù)效應(yīng)減弱，人類可利用地下水的埋深段持續(xù)下移。通過研究探明豐南區(qū)地下水埋深豐枯季變化規(guī)律，可在壓采穩(wěn)產(chǎn)目標(biāo)下，為地下水開采利用上的優(yōu)化調(diào)控和作物種植結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整提供理論依據(jù)。

地下水埋深；豐枯季；地統(tǒng)計(jì)學(xué)；空間變異

1 研究背景

地下水是華北平原的重要水源，近年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，華北平原許多地區(qū)地下水位持續(xù)下降，引發(fā)了地面沉降、土壤鹽堿化、生態(tài)退化等一系列地質(zhì)環(huán)境問題。研究證明：華北平原地下水位下降與農(nóng)業(yè)灌溉用水有著密切聯(lián)系［1］。范建勇提出農(nóng)業(yè)灌溉是華北地下水超采主因［2］；Ahmed和Umar研究發(fā)現(xiàn)開采地下水用于農(nóng)業(yè)灌溉是導(dǎo)致地下水疏干的主要原因［3］；賈金生等通過研究灤縣地下水位對(duì)地下水開采量響應(yīng)發(fā)現(xiàn)［4］：在現(xiàn)狀農(nóng)業(yè)開采量1.01×108m3基礎(chǔ)上分別減少14%、29%和增加29%的情況下，地下水位分別上升0.33 m、0.64 m和下降0.45 m。胡玉坤等對(duì)河北晉州-篙城-欒城農(nóng)業(yè)區(qū)用水量對(duì)地下水位變化影響研究表明［5］：農(nóng)業(yè)用水量是引起地下水位持續(xù)下降的最大誘因，該地區(qū)農(nóng)業(yè)用水減少118.75 mm時(shí)，地下水位下降趨勢(shì)才可得到緩解。豐南灌區(qū)作為華北平原重要的地下水灌區(qū)，灌溉用水量大，年內(nèi)地下水位波動(dòng)劇烈。通過分析灌區(qū)豐枯季地下水埋深空間分布和變化特征，可為如何有效采取作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)整與節(jié)水灌溉措施遏制地下水水位下降趨勢(shì)提供依據(jù)。

本文根據(jù)豐南灌區(qū)2001年和2014年豐枯季（注：豐季為全年地下水埋深較淺的月份，即12月；枯季為全年地下水埋深較深的月份，即5月）地下水埋深實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，結(jié)合GIS和GS+軟件，分析了不同時(shí)期豐枯季的地下水埋深空間變化范圍、空間變異結(jié)構(gòu)、空間分布特征和年際變化趨勢(shì)等。

2 材料與方法

2.1 區(qū)域概況豐南灌區(qū)位于唐山市南部，冀東濱海平原，全區(qū)地勢(shì)平緩，東北高西南低，東北部為沖洪積形成的傾斜平原，西南部為沖積、湖海形成的低平原。受東亞季風(fēng)大陸性氣候影響，春季干燥多風(fēng)，夏季炎熱多雨，秋季天高氣爽，冬季寒冷少雪，四季分明。年平均氣溫為10.5℃，最低氣溫為-24.8℃，最高溫度為38.6℃，年平均降雨量為593.25 mm，蒸發(fā)量為623.20 mm。根據(jù)地形地貌形態(tài)、成因、地下水賦存條件可劃分為南北兩個(gè)水文地質(zhì)區(qū)，大體以咸淡水分布界線為界，以北為山前沖洪積傾斜平原水文地質(zhì)區(qū)，地下水類型為潛水，主要為北部的淡水區(qū)；以南為濱海沖洪積、海（湖）積低平原水文地質(zhì)區(qū)，地下水類型為承壓水，主要為南部的咸水區(qū)。

2.2 基本資料研究區(qū)域以咸淡水界為分界線，分為淡水區(qū)和咸水區(qū)兩個(gè)研究單元，其中淡水區(qū)主要研究的是第Ⅱ含水組和第Ⅲ1含水組上段的潛水（開采層深度范圍為0～150 m）咸水區(qū)主要研究的是第Ⅱ含水組下段Ⅱ2（Q13）和第Ⅲ含水組上段Ⅲ1（Q22）的承壓水（開采層深度為80～250 m）；本文采用2001年和2014年豐枯季實(shí)測(cè)的地下水埋深數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其中2001年為枯水年，2014年為平水年；觀測(cè)井空間位置分布見圖1，淡水區(qū)觀測(cè)井共計(jì)92眼，咸水區(qū)觀測(cè)井共計(jì)70眼；觀測(cè)時(shí)間分別為2001年5月和12月，2014年5月和12月（每間隔5天讀取一次地下水埋深數(shù)據(jù)，求取平均埋深）

圖1 觀測(cè)井分布圖

2.3 研究方法本文以豐南區(qū)地下水埋深Z(x)以區(qū)域變量，以半方差函數(shù)γ(h)描述其相應(yīng)的空間結(jié)構(gòu)關(guān)系［6］，計(jì)算公式如下：

其中：γ(h)為半方差函數(shù)，m2；h為兩觀測(cè)井之間的距離，m；Nh為觀測(cè)距離為h時(shí)的樣本對(duì)數(shù)。

應(yīng)用GS+對(duì)唐山豐南區(qū)各時(shí)期地下水埋深進(jìn)行半方差函數(shù)擬合，依據(jù)決定系數(shù)R2最大和殘差平方和RSS最小選取最佳半方差函數(shù)模型的原則［7-8］，唐山市豐南區(qū)各時(shí)期地下水埋深空間變異函數(shù)符合球狀模型，如式（2）所示。半方差函數(shù)擬合參數(shù)選取原則為平均誤差與標(biāo)準(zhǔn)平均值誤差接近于0，平均標(biāo)準(zhǔn)誤差與均方根誤差相接近以及標(biāo)準(zhǔn)化均方根誤差接近于1［9-10］。

其中：C0為塊金值，m2；C為偏基臺(tái)值，m2；a為變程，m；C0+C為基臺(tái)值，m2。

基于Kriging方法，利用GIS軟件獲得不同時(shí)期地下水埋深空間分布圖。Kriging計(jì)算公式如下：

其中：Z(x0)是觀測(cè)井x0處的估測(cè)地下水埋深，m；Z(xi)為觀測(cè)井xi處的已知地下水埋深，m；λi為權(quán)重，表示第i個(gè)位置上測(cè)得值的未知的權(quán)重，取決于已知點(diǎn)的擬合模型、距預(yù)測(cè)位置的距離和預(yù)測(cè)點(diǎn)周圍的已知點(diǎn)間的空間關(guān)系。

3 結(jié)果與分析

3.1 豐枯季地下水埋深統(tǒng)計(jì)特征表1分別給出了淡水區(qū)和咸水區(qū)2001與2014年豐枯季地下水埋深的統(tǒng)計(jì)特征值，結(jié)果表明，兩個(gè)研究區(qū)不同時(shí)期地下水埋深經(jīng)過對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)化后符合正態(tài)分布；不同時(shí)期地下水埋深空間變化范圍較大，淡水區(qū)2001年枯豐季的變化范圍分別為2.05～36.80 m和1.20～26.18 m，2014年分別為4.44～60.62 m和4.02～54.86 m；咸水區(qū)2001年枯豐季的變化范圍分別為13.02～56.34 m和11.32～47.40 m，2014年分別為17.66～93.16 m和14.17～75.29 m。淡水區(qū)年內(nèi)枯豐季最大埋深間的差異由2001年的10.62 m減少到2014年的5.76 m，平均埋深差異由2001的3.06 m減少到0.43 m；咸水區(qū)年內(nèi)枯豐季最大埋深間的差異由2001年的8.94 m增加到2014年的17.87 m，平均埋深差異由2001的5.42 m減少到5.19 m。年際變化來看，以枯季為例淡水區(qū)和咸水區(qū)14年間最大埋深分別增加23.82和36.82 m，平均埋深分別增加3.7和9.24 m。

總體而言，淡水區(qū)和咸水區(qū)14年間枯豐季地下水埋深統(tǒng)計(jì)特征值均呈增加趨勢(shì)，且咸水區(qū)增加趨勢(shì)更為明顯。因?yàn)橄趟畢^(qū)主要在承壓層取水，降雨等垂向補(bǔ)給相對(duì)困難，地下水開采量大，采補(bǔ)失衡更為明顯，地下水位年際下降趨勢(shì)更大。淡水區(qū)枯豐季地下水埋深統(tǒng)計(jì)特征值之間的差異在14年間呈減小趨勢(shì)，主要因?yàn)榻陙碡S南北部淡水區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)面積增加較大，5月到10月之間盡管有降雨對(duì)地下水進(jìn)行補(bǔ)給，但因?yàn)檫@期間的農(nóng)業(yè)用水量增加明顯，使得這期間的補(bǔ)給與取用之間的差值越來越小，故5月后地下水位的回復(fù)上升趨勢(shì)也逐漸減弱，因而豐枯季埋深之間的差異縮小，甚至在部分設(shè)施農(nóng)業(yè)特別集中的區(qū)域呈現(xiàn)出12月地下水埋深比5月還深的情況。各個(gè)時(shí)期地下水埋深空間變異系數(shù)均小于1，屬于中等變異強(qiáng)度。

表1 豐南區(qū)地下水埋深豐枯季統(tǒng)計(jì)特征值

3.2 豐枯季地下水埋深空間變異結(jié)構(gòu)表2和表3給出不同的半方差函數(shù)理論模型的擬合指標(biāo)值，結(jié)果表明不同區(qū)域各個(gè)時(shí)期地下水埋深的空間變異函數(shù)均符合球狀模型，相應(yīng)的球狀模型參數(shù)擬合值見表4，擬合結(jié)果的交叉驗(yàn)證統(tǒng)計(jì)特征值見表5，部分半方差函數(shù)擬合曲線見圖2。表5結(jié)果顯示兩個(gè)研究區(qū)域各時(shí)期的平均誤差和標(biāo)準(zhǔn)化平均誤差均接近于0，平均標(biāo)準(zhǔn)差接近于均方根誤差，標(biāo)準(zhǔn)化均方根誤差均接近于1，各項(xiàng)指標(biāo)值表明擬合結(jié)果較好。

變程指空間相關(guān)性作用的范圍，當(dāng)觀測(cè)井之間的距離超過變程時(shí)，彼此之間則不存在空間相關(guān)性。表4顯示淡水區(qū)2001年枯豐季變程分別為20.51 km和10.91 km，2014年分別為2.03 km和1.58 km；咸水區(qū)2001年枯豐季的變程分別為35.25 km和42.47 km，2014年的分別為4.23 km和7.73 km。兩個(gè)區(qū)域枯豐季變程都呈現(xiàn)大幅度減小，說明地下水埋深空間相關(guān)范圍減小，人類活動(dòng)對(duì)地下水埋深的影響在不斷加強(qiáng)。

各個(gè)時(shí)期的塊金值均為正值，說明存在隨機(jī)因素（實(shí)驗(yàn)誤差、短距離變異、固有變異）引起的塊金效應(yīng)。地下水埋深的空間相關(guān)性強(qiáng)弱可根據(jù)塊金值/基臺(tái)值進(jìn)行劃分，兩者的比值小于0.25時(shí)，空間相關(guān)性強(qiáng)；當(dāng)兩者比值在0.25～0.75時(shí)，空間相關(guān)性中等；當(dāng)兩者比值大于0.75時(shí)，空間相關(guān)性弱，當(dāng)兩者比值為1時(shí)，變量恒定不變［8，11-13］。由表4可知，淡水區(qū)2001和2014年枯豐季的比值均在0.25～0.75之間，均屬中等空間相關(guān)性。咸水區(qū)2001年枯豐季塊比值均小于0.25，屬?gòu)?qiáng)空間相關(guān)性，2014年枯季為0.88，屬弱空間相關(guān)性，豐季為0.38，屬中等空間相關(guān)性。淡水區(qū)枯季的比值均小于豐季，咸水區(qū)不同年份豐枯季的比值則不同，表明：淡水區(qū)地下水埋深空間相關(guān)性枯季強(qiáng)于豐季，而咸水區(qū)則在不同的年份豐枯季地下水埋深的空間相關(guān)性強(qiáng)弱則不同；其主要是由于淡水區(qū)為主要的農(nóng)業(yè)活動(dòng)區(qū)，枯季是農(nóng)業(yè)灌溉的高峰期，地下水開采活躍；而咸水區(qū)則利用的是承壓水層，主要用于工業(yè)和生活用水，相對(duì)于淡水區(qū)開采活動(dòng)不頻繁。因此，隨著時(shí)間的推移，淡水區(qū)和咸水區(qū)的豐枯季空間相關(guān)性強(qiáng)弱差異更為明顯。

表2 淡水區(qū)各時(shí)期地下水埋深擬合半方差函數(shù)決定系數(shù)與殘差平方和

表3 咸水區(qū)各時(shí)期地下水埋深擬合半方差函數(shù)決定系數(shù)與殘差平方和

3.3 豐枯季地下水埋深空間分布趨勢(shì)圖3和4分別給出了淡水區(qū)和咸水區(qū)不同時(shí)期地下水埋深空間分布趨勢(shì)，由圖可知淡水區(qū)和咸水區(qū)各時(shí)期地下水埋深呈現(xiàn)南深北淺，帶狀分布的規(guī)律，且2014年地下水平均埋深較2001年呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。

圖2 不同區(qū)域豐枯地下水埋深半方差函數(shù)擬合曲線圖（典型）

表4 豐南區(qū)豐枯季地下水埋深半方差函數(shù)擬合參數(shù)值

表5 豐南區(qū)豐枯季地下水埋深半方差函數(shù)擬合結(jié)果交叉驗(yàn)證統(tǒng)計(jì)值

由圖3和表6可知：淡水區(qū)枯豐季大部分區(qū)域地下水埋深較淺，只有西北部和南部小部分區(qū)域地下水埋深較大，且2014年?yáng)|北部分區(qū)域豐季地下水埋深大于枯季。在地下水各埋深段內(nèi)，2001年小于10 m的埋深段內(nèi)豐季控制的面積比枯季多84.65 km2，2014年則是小于25 m的埋深段內(nèi)，豐季控制的面積比枯季多26.53 km2；通過雨季的補(bǔ)給2001年大部分區(qū)域在豐季的埋深能恢復(fù)到10 m以下，而2014年大部分面積只能恢復(fù)到25 m以下。

表6 豐南區(qū)枯豐季地下水埋深分級(jí)面積統(tǒng)計(jì)（單位：km2）

圖3 淡水區(qū)各時(shí)期地下水埋深空間分布趨勢(shì)

圖4水區(qū)各時(shí)期地下水埋深空間分布趨勢(shì)

圖4 和表6則表明：咸水區(qū)地下水埋深較淡水區(qū)大，南部區(qū)域枯季地下水埋深較豐季大，北部區(qū)域變化不大。地下水各埋深范圍內(nèi)，2001年小于30 m的埋深段內(nèi)豐季控制的面積比枯季多147.12 km2，2014年則是小于50 m的埋深段內(nèi)豐季控制的面積比枯季多85.83 km2。通過雨季的補(bǔ)給，2001年大部分區(qū)域在豐季的埋深能恢復(fù)到30 m以下，但2014年大部分面積只能恢復(fù)到50 m以下。

上述表明：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，用水量的增加，地下水采補(bǔ)之間的不平衡日益嚴(yán)重，補(bǔ)給修復(fù)效應(yīng)不斷減弱，個(gè)別設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展集中，農(nóng)業(yè)用水量激增的區(qū)域（對(duì)比圖3（c）與（d））甚至出現(xiàn)雨季后地下水埋深都難以恢復(fù)到雨季前，甚至埋深更大的情況。14年間地下水埋深利用段不斷下移，采補(bǔ)失衡愈發(fā)明顯，人類活動(dòng)對(duì)地下水埋深的影響在不斷加強(qiáng)。

4 結(jié)論

基于淡水區(qū)和咸水區(qū)2001年及2014年枯豐季的地下水實(shí)測(cè)埋深數(shù)據(jù)分析表明：淡水區(qū)和咸水區(qū)枯豐季地下水埋深空間變化范圍較大，空間變異強(qiáng)度呈中等，淡水區(qū)2001和2014年埋深范圍分別為30 m左右和50 m左右，咸水區(qū)分別為40 m左右和70 m左右；從年內(nèi)枯豐季差異來看，淡水區(qū)枯豐季地下水埋深統(tǒng)計(jì)特征值之間的差異在2001—2014之間呈減小趨勢(shì)，從年際變化來看，兩個(gè)區(qū)域枯豐季地下水埋深的統(tǒng)計(jì)特征值都呈增加趨勢(shì)，且咸水區(qū)增加趨勢(shì)更為明顯，以枯季為例，淡水區(qū)和咸水區(qū)14年間最大埋深分別增加23.82和36.82 m，平均埋深分別增加3.7和9.24 m。2001—2014年間地下水埋深利用段不斷下移，且采補(bǔ)失衡愈發(fā)明顯。

淡水區(qū)和咸水區(qū)各時(shí)期地下水埋深空間變異結(jié)構(gòu)球狀模型進(jìn)行較好描述，空間相關(guān)距離隨著年份的增加不斷縮短，淡水區(qū)豐枯季平均值由2001年的15.71 km減小到2014年的1.81 km，咸水區(qū)則由2001年的38.86減小到2014年的5.98 km；空間分布趨勢(shì)呈現(xiàn)出南深北淺，帶狀分布規(guī)律。14年間淡水區(qū)地下水埋深小于10 m的面積減小175.01 km2，埋深大于25 m的面積增加了47.73 km2；咸水區(qū)埋深小于20 m的面積減小了110.34 km2，埋深大于50 m的面積增大208.43 km2。淡水區(qū)和咸水區(qū)地下水埋深呈現(xiàn)一定的季節(jié)性變化規(guī)律，但枯季埋深大于豐季埋深的規(guī)律隨著人類活動(dòng)的加強(qiáng)已逐漸被打破。

豐南區(qū)淡水區(qū)和咸水區(qū)地下水埋深均呈現(xiàn)南深北淺，呈帶狀分布的規(guī)律。然而近幾年隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，用水量也隨之增大。其中，農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)做了很大調(diào)整，糧食作物種植面積由73.3%減小至59.8%，經(jīng)濟(jì)作物則由26.7%增大至40.15%，設(shè)施農(nóng)業(yè)也得到飛速的發(fā)展；其次工業(yè)和生活開采量不斷增大，地下水開采井由2001年7 258眼增大至2014年的10 302眼；而降水對(duì)地下水的補(bǔ)給修復(fù)作用逐漸減弱，甚至在部分區(qū)域出現(xiàn)了12月份地下水埋深比5月份還深的情況。由此可知，枯水年和平水年條件下，地下水開采量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于補(bǔ)給量，人類活動(dòng)是引起豐南區(qū)地下水埋深不斷下降的主要原因，針對(duì)目前的趨勢(shì)，合理規(guī)劃，科學(xué)用水，及時(shí)調(diào)整農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)，采取合理節(jié)水措施已勢(shì)在必行。

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Analysis on spatial variability of groundwater depth in Feng Nan County of Tangshan wet and drought season

LIU Hairuo1，2，BAI Meijian1，2，SHI Yuan1，2，LIU Qunchang1，2，F(xiàn)ENG Bingkai3
（1.National Center for Efficient Irrigation Engineering and Technology Research，Beijing100048，China；
2.China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing100048，China；3.Yehe Irrigation District，Shijiazhuang050200，China）

Exploring the spatial variability of groundwater depth in wet and drought season inFengnan county can provide guidance for managing and scheduling groundwater resources.The spatial variability of groundwater depth in fresh water and salt water area was studied by the usage of the method of geostatis?tics based on groundwater depth measuring data from 2001 to 2014 with the combination of GIS and GS+. The result shows a wide range of variation for groundwater depth in each season.The gap between the max?imum depth in wet and drought season is significant while not notable in the case of minimum depth，and the groundwater depth increased from 2001 to 2014.The gap between the maximum depth in 2001 and 2014 was 23.82m in fresh water area，and 36.82m in saltwater area.The spatial variability of groundwater depth possesses moderate intensity.The structure of the spatial variability can be described as a spherical model.The spatial distance tends to decrease over time.The groundwater depth in the southern region is deeper than in the northern region and the groundwater depth of study area shows the tendency to obey zon?al distribution.With the increase of human activities，the unbalance of ground water mining and supple?ment is becoming more and more significant while supplemental effect for groundwater depth becoming weak?er.Human activities lead to the increase of groundwater depth.The investigation in the variation regular pat?terns of the spatial variability of groundwater depth in wet and drought season in Fengnan county can pro?vide theoretical basis for the optimization of groundwater mining and crop planting structure adjusting，and simultaneously reach the target of a stable groundwater level as well as crop yield.

Groundwater depth；Wet and drought season；Geostatistics；Spatial variability

S276

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2016.06.002

1672-3031（2016）06-0412-07

（責(zé)任編輯：祁偉）

2016-07-04

國(guó)家重大專項(xiàng)（2016YFC0401403）

劉海若（1991-），男，河南人，碩士生，主要研究方向?yàn)楣?jié)水灌溉。E-mail：497784570@qq.com

白美?。?974-），女，四川人，教授級(jí)高級(jí)工程師，博士，主要從事節(jié)水灌溉技術(shù)研究。E-mail：baimj@iwhr.com