淮北平原淺層地下水動(dòng)態(tài)研究

陳 璽， 郝振純， 戴明龍

(1.長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局，湖北武漢 430010;2.河海大學(xué)水文水資源與水利工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210098)

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淮北平原淺層地下水動(dòng)態(tài)研究

陳 璽1， 郝振純2， 戴明龍1

(1.長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局，湖北武漢 430010;2.河海大學(xué)水文水資源與水利工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210098)

[目的]研究近年淮北平原淺層地下水空間動(dòng)態(tài)變化特征。[方法]參照美國地質(zhì)調(diào)查局于2002年在美國賓夕法尼亞的基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)方法的地下水動(dòng)態(tài)預(yù)警研究方案，利用1975～2008年淮北地區(qū)71個(gè)站點(diǎn)逐月地下水動(dòng)態(tài)資料，研究地下水埋深的年內(nèi)、年際及空間動(dòng)態(tài)變化特征。[結(jié)果]淮北平原淺層地下水多年平均埋深從南部的1 m向北部的3 m逐漸增大，1990年之前地下水年均埋深較淺、變幅較小，1990年以后地下水埋深變幅加大，埋深加深，但2003～2008年埋深又趨向變淺。北部碭山縣、蕭縣、亳州市地下水埋深較深，南部潁上縣、鳳臺(tái)縣、五河縣、阜陽市地下水埋深較淺。[結(jié)論]為淮北平原農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

淮北平原；地下水；動(dòng)態(tài)分析；干旱

近年來，淮北平原地下水資源過度開發(fā)利用，導(dǎo)致安徽淮北平原地下水埋深下降、地下水資源減少。適度開發(fā)利用地下水有利于淮北地區(qū)地下水的循環(huán)更新[1]。地下水預(yù)警是根據(jù)地下水監(jiān)測(cè)實(shí)際資料分析地下水系統(tǒng)采補(bǔ)平衡、水質(zhì)狀況及其引發(fā)的環(huán)境地質(zhì)問題的危害程度，綜合診斷地下水情，也能在一定程度上為干旱預(yù)警提供重要指標(biāo)。學(xué)者尋找著適合當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)環(huán)境條件的安全地下水位，如利于地下水補(bǔ)給的最佳水位埋深值，控制地面沉降(地裂縫)的臨界水位埋深值及海水入侵臨界水位埋深值，防止鹽漬化的臨界水位埋深值及維護(hù)干旱區(qū)生態(tài)的臨界水位埋深值等。國內(nèi)外對(duì)地下水預(yù)警進(jìn)行了大量探索性工作，主要方法有統(tǒng)計(jì)學(xué)方法、多元回歸方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法和地下水?dāng)?shù)值模型方法，比較有代表性的是統(tǒng)計(jì)學(xué)方法[2-5]。筆者采用1975～2008年淮北平原71個(gè)地下水站點(diǎn)地下水埋深逐月動(dòng)態(tài)觀測(cè)資料，參照2002年美國地質(zhì)調(diào)查局采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)美國賓夕法尼亞進(jìn)行的動(dòng)態(tài)預(yù)警研究[6]，分析該區(qū)域地下水埋深的年內(nèi)、年際及空間動(dòng)態(tài)變化特征，從淺層地下水動(dòng)態(tài)變化反映出該地區(qū)旱情的程度，旨在為地下水開采和抗旱指揮提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況 淮北平原地處安徽省北部，114°55′～118°10′ E，32°25′～34°35′ N，全區(qū)總面積37 437 km2，其中平原區(qū)面積占總面積的98%，包括淮北市、宿州市、亳州市、阜陽市、蚌埠市及淮南市淮河以北地區(qū)的27個(gè)縣(市、區(qū))。該地區(qū)人口稠密，自然環(huán)境受人類活動(dòng)的影響強(qiáng)烈，地表水體污染嚴(yán)重，工農(nóng)業(yè)發(fā)展對(duì)水資源的需求量不斷增大，主要抽取地下水用于生產(chǎn)生活和農(nóng)業(yè)灌溉，因此淮北平原區(qū)淺層地下水埋深變化在一定程度可以反映出該區(qū)干旱情勢(shì)。

圖1 淮北平原地下水位觀測(cè)站點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of groundwater level observation stations in Huaibei Plain

1.2 研究方法 首先，利用1975～2008年71個(gè)站點(diǎn)(圖1)整理出的逐月地下水動(dòng)態(tài)資料，計(jì)算出各縣市多年平均地下水埋深值和各季節(jié)平均地下水埋深值，利用surfer軟件繪制出該區(qū)多年平均地下水埋深空間分布圖。其次，以歷年各季節(jié)各縣市地下水動(dòng)態(tài)變化為基礎(chǔ)，用Arcgis展示淮北平原地下水動(dòng)態(tài)的總體變化趨勢(shì)和典型干旱年份的地下水埋深與多年均值在空間分布上的差異。最后，參考文獻(xiàn)[6]分析淮北平原區(qū)地下水豐枯5種狀態(tài)的空間分布，歸納出該區(qū)地下水的豐枯交替規(guī)律，并為地下水開采利用提供參考依據(jù)。

具體方法如下：定義第p百分位數(shù)是這樣一個(gè)值，它使得至少有p%的數(shù)據(jù)項(xiàng)小于或等于這個(gè)值，且至少有(100-p)%的數(shù)據(jù)項(xiàng)大于這個(gè)值。地下水位埋深值等于第75百分位表示至少有75%的埋深值等于或者小于該值。在通常情況下，水位值大于第75百分位以上的稱為高于平常狀態(tài)下的水位值，為非預(yù)警區(qū)；水位值為第25至第75百分位的稱為正常狀態(tài)水位值，為綠色預(yù)警；水位值為第10至第25百分位的稱為低于正常狀態(tài)的水位值，為黃色預(yù)警；水位值為第5至第10百分位的稱為干旱狀態(tài)的水位值，為橙色預(yù)警；水位值為0至第5百分位的稱為緊急狀態(tài)的水位值，為紅色預(yù)警。

2 結(jié)果與分析

2.1 地下水動(dòng)態(tài) 從圖2、3可以看出，淮北平原地下水位由東南向西北整體呈逐步下降的趨勢(shì)，其中中南部地區(qū)地下水埋深最淺，北部最深，具體來說，亳州市、碭山縣、渦陽縣、太和縣、臨泉縣等西北地區(qū)地下水埋深較深，而鳳臺(tái)縣、潁上縣、固鎮(zhèn)縣、五河縣等中南部區(qū)域地下水埋深較淺。究其原因，南部降水較北部稍大，靠近淮河的地區(qū)水量豐富，因而沿淮埋深變化不大，另外淺層地下水開發(fā)利用程度由20世紀(jì)80年代初的15%提升到21世紀(jì)初的30%，特別是在西北地區(qū)嚴(yán)重依賴地下水地區(qū)，在干旱年份高達(dá)40%～60%。

選取3～5月地下水埋深均值作為春季地下水位值，6～8月均值作為夏季值，9～11月均值作為秋季值，12月與次年1～2月均值為冬季值分析地下水位季節(jié)變化特征。從圖4可以看出，淮北地區(qū)夏季地下水埋深較淺，冬、春季較深，四季變化幅度較大。從波動(dòng)情況來看，春、夏季地下水位變化滯后于秋、冬季，其中以春季滯后尤為明顯。這說明當(dāng)年雨季之后的地下水位下降要到次年的春季才能反映出來。同時(shí)，春季水位埋深最深，這與春季降水少且農(nóng)業(yè)需水量增加密不可分。2000年春旱時(shí)地下水埋深為3.77 m。

注：圖中數(shù)值表示地下水位，單位m。Note:Data in the figure indicates groundwater level,the unit is m.圖2 淮北平原多年平均地下水埋深分布Fig.2 Average groundwater depth of several years in Huaibei Plain

圖3 各季節(jié)淮北平原各縣市多年平均地下水埋深Fig.3 Average groundwater depth of several years in each county and city of Huaibei plain in each season

圖4 淮北平原逐年地下水埋深季節(jié)動(dòng)態(tài)變化Fig.4 The seasonal change of groundwater depth in Huaibei Plain

近年來，隨著人類活動(dòng)的影響和地下水開采量的大幅度提高，開采層位、開采井?dāng)?shù)量、開采水量、單井出水量均有較大變化，地下水動(dòng)態(tài)也隨之發(fā)生了明顯改變；在農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)，大部分地區(qū)以分散開采淺層地下水灌溉為主，據(jù)初步分析，該區(qū)域地下水位在波動(dòng)中下降，下降趨勢(shì)為0.09 m/10a。從圖5可以看出，1974～2008年淮北平原地下水位呈高低交替變化，最低點(diǎn)為1994～1996和2000～2001年的3.2 m，這幾個(gè)時(shí)段是在可考證的大旱年1994、2000、2001年前后。

平均水位最深值出現(xiàn)在1995和2002年，選取這2個(gè)年份作為代表年份，分析其與90 s地下水水位均值的差異，地下水水位增大值的空間分布如圖6所示。從圖6可以看出，1995年淮北平原上邊緣地帶地下水水位比均值下降明顯，尤其是亳州市、渦陽縣部分地區(qū)地下水水位比多年均值下降4.0 m，其次是蕭縣、泗縣、界首市、臨泉縣、太和縣的部分地區(qū)，下降2.5 m以內(nèi)，其他地區(qū)下降1.0 m以內(nèi)，泗縣的赤山站、固鎮(zhèn)的固鎮(zhèn)站、碭山的周寨站附近甚至比多年均值的水位略淺。2002年地下水水位與多年均值的差異與1995年不同，水位下降明顯的地區(qū)有宿州市、蕭縣、靈璧縣、泗縣、碭山縣、濉溪縣、蒙城縣等東北部地區(qū)，下降1.0 m以上，其他地區(qū)均有不同程度的下降，說明全區(qū)地下水都明顯減少。

圖5 淮北平原地下水埋深逐年變化Fig.5 The annual change of groundwater depth in Huaibei Plain

2.2 地下水預(yù)警 利用1975～2008年淮北平原71個(gè)站點(diǎn)

圖6 1995、2002年與90年代后多年均值埋深差異分布Fig.6 Depth difference of several years mean in 1995, 2002 and 1990s’

地下水監(jiān)測(cè)資料，統(tǒng)計(jì)不同百分?jǐn)?shù)下的地下水位埋深值，作出代表某種水文地質(zhì)單元信息的地下水水位埋深判據(jù)，利用判據(jù)對(duì)地下水位的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)。從圖7可以看出，逐月排頻得到各個(gè)臨界指標(biāo)百分位，據(jù)淮北地區(qū)降雨排頻選出2007、2006、2001和2002年作為降雨的豐、平、枯、特枯年份，比較各年份地下水埋深值的年內(nèi)分布，與預(yù)警模板進(jìn)行對(duì)照，發(fā)現(xiàn)特枯年2002年1～4月處于干旱緊急狀態(tài)，5～12月在干旱狀態(tài)，而枯水年2001年下半年旱情嚴(yán)重，特別是7、10～12月處于干旱緊急狀態(tài)。 根據(jù)地下水埋深百分?jǐn)?shù)，確定75%、25%、10%、5%、0共5個(gè)特征百分位分別代表淮北平原地下水埋深偏豐狀態(tài)、偏旱狀態(tài)、中旱狀態(tài)、重旱狀態(tài)、歷史極值狀態(tài)，其空間分布見圖8。從圖8可以看出，淮北地區(qū)地下水埋深值從北向南遞減，北部碭山縣、蕭縣、亳州市地下水埋深較深，5個(gè)狀態(tài)下埋深值分別為2.64、4.46、5.52、6.23、7.16 m， 南部潁上縣、鳳臺(tái)縣、五河縣、阜陽市地下水埋深較淺，5種狀態(tài)下埋深分別為0.73、1.27、1.59、1.80、2.31 m。

3 結(jié)論

從1975～2008年淮北平原地區(qū)多年平均的地下水埋深分布情況可以看出，該區(qū)域地下水位整體呈由東南向西北逐步下降趨勢(shì)，其中中南部地區(qū)地下水埋深最淺，北部最深。具體來說，亳州市、碭山縣、渦陽縣、太和縣、臨泉縣等西北部地區(qū)地下水埋深較深，而鳳臺(tái)縣、潁上縣、固鎮(zhèn)縣、五河縣等中南部區(qū)域地下水埋深較淺。從季節(jié)波動(dòng)情況來看，春、夏季地下水位變化滯后秋、冬季，其中以春季滯后尤為明顯。據(jù)地下水埋深百分?jǐn)?shù)，確定75%、25%、10%、5%、0共5個(gè)特征百分位分別代表淮北平原地下水埋深為偏豐、偏旱、中旱、重旱、歷史極值5種狀態(tài)，為區(qū)域地下水開采和抗旱指揮提供了重要的參考依據(jù)。

圖7 淮北平原地下水預(yù)警模板Fig.7 Groundwater early-warning mould in Huaibei Plain

圖8 淮北平原地下水埋深各個(gè)臨界狀態(tài)分布Fig.8 Distribution of each critical state of groundwater depth in Huaibei Plain

[1] 胡巍巍,王式成,王根緒,等.安徽淮北平原地下水動(dòng)態(tài)變化研究[J].自然資源學(xué)報(bào),2009,24(11):1893-1901.

[2] United States Geological Survey. Real-time groundwater level network[EB/OL].[2016-07-01]. http://groundwater-watch.usgs.gov/Net/OGWNetwork.asp.

[3] ADAMS B,BLOOMFIELD J P,GALLAGHER A J, et al. An early warning system for groundwater flooding in the Chalk[J].Quarterly journal of engineering geology and hydrogeology,2010,43:185-193.

[4] MYERS N C, FINNEGAN P J,BREEDLOVE J D. Analysis of water level data and groundwater flow modeling at Fort Riley,Kansas[R].Kansas: US Geological Survey Water-Resources Investigations Report 99-4115,1999:15-44.

[5] U.S.Department of the Interior U.S.Geological Survey.Real-time ground-water data for the nation[R].USGS Fact Sheet 090-01,2001:1-10.

[6] 李文鵬,鄭躍軍,郝愛兵.北京平原區(qū)地下水位預(yù)警初步研究[J].地學(xué)前緣，2011，17(6)：166-173.

Dynamic Analysis of Shallow Groundwater in Huaibei Plain

CHEN Xi1, HAO Zhen-chun2, DAI Ming-long1

(1. Bureau of Hydrology, Changjiang Water Resources Commission, Wuhan, Hubei 430010; 2. State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, Hohai University, Nanjing, Jiangsu 210098)

[Objective] The aim was to study dynamic changes of shallow groundwater in Huaibei Plain. [Method] According to groundwater dynamic early warning system in Pennsylvania, USA in 2002 based on the mathematical statistics method by United States Geological Survey, using monthly groundwater dynamic data of 71 stations in Huaibei Region during 1975-2008, annual and spatial dynamic characteristics of groundwater bury were studied. [Result] Results showed that the average groundwater depth was increasing from 1m in the south region to 3 m in the north region; shallow groundwater depth were at a higher level with a relative small amplitude before 1990 while it performed opposite after 1990; northern Dangshan, Xiaoxian and Bozhou had a deeper shallow groundwater depth than that in southern Ying, Fengtai, Wuhe and Fuyang. [Conclusion] The study can provide basic data for agriculture development in Huaibei Plain.

Huaibei Plain; Groundwater; Dynamic analysis; Drought

陳璽(1986- )，男，河南鄭州人，工程師，博士，從事水文水資源分析計(jì)算、洪旱規(guī)律演變、水資源可持續(xù)性研究。

2016-08-12

P 641

A

0517-6611(2016)28-0073-04