基于信息熵原理的遼東超采區(qū)地下水水位時(shí)空變化演變特征

劉 丹

(遼寧省河庫(kù)管理服務(wù)中心(遼寧省水文局)，遼寧 沈陽(yáng) 110003)

地下水是區(qū)域水資源的重要組成部分，是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要水源之一，對(duì)保障城鎮(zhèn)生活、工業(yè)用水和城鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展具有重要作用，也是保障生態(tài)與環(huán)境健康發(fā)展的重要要素[1]。地下水賦存于地質(zhì)介質(zhì)中，具有運(yùn)動(dòng)緩慢、補(bǔ)給周期長(zhǎng)、循環(huán)更新慢、自我修復(fù)能力差、地下水系統(tǒng)遭到破壞后難以治理和修復(fù)等特點(diǎn)[2]。近年來(lái)，部分城鎮(zhèn)地下水源地由于集中、過(guò)量的開(kāi)采，引起水源區(qū)地下水位持續(xù)下降，含水層出水能力降低，許多機(jī)電井報(bào)廢，致使地下水源地不斷地改建和擴(kuò)建，部分地區(qū)引發(fā)了海(咸)水入侵，出現(xiàn)了地下水水質(zhì)惡化現(xiàn)象[3]。地下水源地開(kāi)發(fā)利用中存在的上述諸多問(wèn)題，不僅嚴(yán)重影響了工業(yè)生產(chǎn)和人民生活的正常用水需求，對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境構(gòu)成極大的危害，而且已嚴(yán)重危及地下水資源的可持續(xù)利用[4]。鞍山西郊區(qū)主要包括西郊水源地和鐵西水源地兩處地下水集中開(kāi)采區(qū)，地下水開(kāi)采量占區(qū)域地下水可開(kāi)采量的90%以上，屬于地下水超采區(qū)[5]。根據(jù)《遼寧省地下水保護(hù)條例》《遼寧省禁止提取地下水規(guī)定》《遼寧省人民政府辦公廳關(guān)于印發(fā)遼寧省實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度“十三五”工作方案和遼寧省“十三五”封閉地下水取水工程總體工作方案的通知》等，亟需對(duì)其地下水時(shí)空變化的研究。近些年來(lái)，信息熵在區(qū)域地下水時(shí)空演變分析中得到較為成熟的應(yīng)用[6-15]，但在遼寧地區(qū)還未得到具體應(yīng)用，為此本文基于信息熵原理，以鞍山西郊為研究區(qū)域，對(duì)區(qū)域地下水超采區(qū)時(shí)空演變特征進(jìn)行分析，為鞍山市西郊地下水保護(hù)區(qū)地下水資源合理開(kāi)發(fā)、高效利用、有效保護(hù)和科學(xué)管理提供依據(jù)。

1 地下水超采區(qū)現(xiàn)狀位置

西郊區(qū)域地下水超采區(qū)主要由西郊水源地超采區(qū)和鐵西水源地超采區(qū)組成，目前兩個(gè)水源地超采區(qū)已形成一個(gè)統(tǒng)一的超采區(qū)。西郊地下水超采區(qū)位于運(yùn)糧河以西，紅旗堡—韭菜臺(tái)以南，小鄭家臺(tái)—孫青堆子以東，鞍山—騰鰲公路以北。超采區(qū)涉及達(dá)道灣、寧遠(yuǎn)兩個(gè)鎮(zhèn)的12個(gè)自然村。目前，鞍山市自來(lái)水公司在西郊水源地少量集中開(kāi)采地下水，取水井分布在雙樓臺(tái)村、孫周新村、岳家村、孫青村，水源地面積約15km2。

2 超采區(qū)水位動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)

2.1 超采區(qū)地下水位時(shí)間動(dòng)態(tài)特征

根據(jù)西郊地下水超采區(qū)形成過(guò)程及2005—2018年期間漏斗區(qū)平均最大地下水埋深統(tǒng)計(jì)情況可知，超采區(qū)地下水位降落漏斗最大水位埋深出現(xiàn)在2008年，2008—2012年漏斗區(qū)最大水位埋深小幅下降并表現(xiàn)出總體平穩(wěn)的趨勢(shì)，2012—2018年漏斗區(qū)最大水位埋深逐年減小，表明地下水位存在明顯上升趨勢(shì)，如圖1所示。

圖1 西郊地下水超采區(qū)漏斗中心逐年地下水埋深過(guò)程線

據(jù)統(tǒng)計(jì)，研究區(qū)2012—2018年漏斗區(qū)最大水位埋深變化率為1.30m/a。根據(jù)超采區(qū)地下水位觀測(cè)井的分布特征及數(shù)據(jù)有效性，選取了2012、2015、2016、2018年作為典型年對(duì)地下水水位變化特征進(jìn)行時(shí)空分布分析，以評(píng)價(jià)超采區(qū)在2012—2018年期間水位的總體變化特征。

2.2 豐、枯水期超采區(qū)地下水位變化趨勢(shì)

采用線性回歸分析法對(duì)各典型年1月和8月平均地下水位進(jìn)行計(jì)算，得到各年度枯水期和豐水期地下水位總體變化趨勢(shì)，如圖2所示。

由圖2可知，從2012年到2018年，枯水期地下水位整體呈上升趨勢(shì)，水位上升率為1.20m/a；豐水期地下水位有所波動(dòng)，但整體仍呈上升趨勢(shì)，水位上升率為0.53m/a；枯水期水位上升率高于豐水期水位上升率，至2018年豐水期水位和枯水期水位相差不大，但枯水期水位稍高于豐水期水位，主要受區(qū)域地下水開(kāi)采情況影響。

2.3 超采區(qū)地下水位時(shí)間信息墑變化特征

為更直觀地定量分析西郊超采區(qū)地下水位的時(shí)空變化規(guī)律，本次研究引入時(shí)間信息熵和時(shí)間序列信息熵理論對(duì)超采區(qū)地下水位動(dòng)態(tài)特征進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3所示。時(shí)間信息熵可以體現(xiàn)出研究時(shí)段內(nèi)地下水位的變化強(qiáng)度，熵值越大表示地下水位波動(dòng)的強(qiáng)度越大，熵值越小表示地下水位波動(dòng)的強(qiáng)度越小；時(shí)間序列信息熵可以體現(xiàn)出地下水位的變化趨勢(shì)，熵值為正表示地下水位呈上升趨勢(shì)，熵值為負(fù)表示地下水位呈下降趨勢(shì)，熵值絕對(duì)值的大小表示地下水位上升或下降的程度，絕對(duì)值越大表示地下水位上升或下降的越明顯，絕對(duì)值越小表示地下水位上升或下降的程度越小。

由圖3的時(shí)間信息熵分布圖可以看出，枯水期研究區(qū)西部地下水位波動(dòng)較小，東部地下水位波動(dòng)較大，變化強(qiáng)度最大的區(qū)域集中在2#、4#、5#、6#、18#、19#、20#、21#井附近，最大熵值為8.69。由時(shí)間序列信息熵分布圖可以看出，整個(gè)研究區(qū)地下水位多以上升為主，上升區(qū)域占總區(qū)域的99.996%，上升趨勢(shì)較大的區(qū)域集中在2#、4#、5#、6#、18#、19#、20#、21#井附近，只有0.004%的區(qū)域地下水位下降，位于3#井附近，可忽略不計(jì)。另外，豐水期地下水位波動(dòng)大的區(qū)域集中在觀測(cè)井附近，2#、3#、5#、19#、21#井周圍水位波動(dòng)較大，最大熵值為9.65，而枯水期最大熵值為8.69，表明豐水期地下水位波動(dòng)強(qiáng)度大于枯水期；研究區(qū)地下水位上升區(qū)域主要分布在研究區(qū)中部16#井和東北部5#、18#、20#、21#井附近，占整個(gè)研究區(qū)域的34.516%，下降區(qū)域主要分布在西部和東南部，占整個(gè)研究區(qū)域的65.484%，其中下降最明顯的區(qū)域位于13#、14#井附近。

2.4 超采區(qū)地下水位空間信息墑變化特征

采用各觀測(cè)井2018年與2012年地下水位的差值，可以得出地下水位變化情況，如圖4所示。

圖2 各年度枯水期和豐水期地下水位總體變化趨勢(shì)

圖3 2012—2018年1月和8月地下水位時(shí)間熵及時(shí)間序列信息熵分布圖

圖4 2012—2018年1月和8月地下水位變化分布圖

由圖4可以得到，枯水期地下水位上升區(qū)域占整個(gè)研究區(qū)域的99.996%，下降區(qū)域可忽略不計(jì)，這與從時(shí)間序列信息熵得出的結(jié)果一致，枯水期地下水位上升均值為3.250m，最大值為7.190m，出現(xiàn)在5#井附近。豐水期地下水位上升區(qū)域占45.345%，下降區(qū)域占54.655%，與從時(shí)間序列信息熵得出的結(jié)果略有不同，這是因?yàn)榈叵滤蛔兓瘓D只考慮了2012、2018年兩個(gè)初末時(shí)刻的地下水位，忽略了中間年份地下水位變化導(dǎo)致的水位波動(dòng)。豐水期地下水位變化均值為0.698m，上升最大值為9.130m，出現(xiàn)在21#井附近，下降最大值為3.293m，出現(xiàn)在3#、13#、14#井附近?？偟膩?lái)看，豐水期地下水位波動(dòng)大于枯水期。

2.5 超采區(qū)地下水位變化等級(jí)信息墑變化特征

利用自然間斷點(diǎn)分級(jí)法將枯水期地下水位變化分為5個(gè)等級(jí)，并求出每個(gè)等級(jí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間序列信息熵的熵值，得到A1=4.2298、B1=7.1298、C1=8.3597三個(gè)閾值，將2012—2018年研究區(qū)域枯水期地下水位變化情況分為輕微上升、上升、明顯上升、劇烈上升4個(gè)等級(jí)，如圖5所示。

由圖5左圖可以看出，枯水期研究區(qū)地下水位變化程度由西向東逐漸增大，水位上升最大區(qū)域分布在5#、18#、20#、21#井周圍。利用由枯水期確定的地下水位變化范圍對(duì)應(yīng)的豐水期時(shí)間序列信息熵熵值A(chǔ)2=0.3245、B2=4.588、C2=6.1798，以及由自然間斷點(diǎn)分級(jí)法確定D=-2.9105，將2012—2018年研究區(qū)域豐水期地下水位變化情況分為明顯下降、輕微下降、輕微上升、上升、明顯上升、劇烈上升6個(gè)等級(jí)。由圖5的右圖可以看出，豐水期研究區(qū)13#—15#井周圍地下水位下降最明顯，18#、20#、21#井周圍水位上升最為明顯。在豐水期以地下水位下降為主的范圍內(nèi)，16#井地下水位上升，可能是因?yàn)?6#井周圍開(kāi)采井關(guān)停，導(dǎo)致其所在位置處地下水位明顯抬升。

3 地下水超采區(qū)治理措施

對(duì)于地下水超采區(qū)，建議采取以下措施進(jìn)行治理：

(1)地下水人工回灌，建立地下水水庫(kù)。為了解決鞍山西郊地下水超采問(wèn)題，在運(yùn)糧河及楊柳河沖洪積扇建設(shè)地下水回灌場(chǎng)，引太子河流域汛期洪水或大伙房輸水工程的水對(duì)地下水進(jìn)行回灌補(bǔ)給，增加地下水補(bǔ)給量，形成地下水庫(kù)，從而達(dá)到洪水資源化和實(shí)現(xiàn)超采區(qū)地下水資源新的采補(bǔ)平衡，以修復(fù)西郊超采區(qū)，防止生態(tài)環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題發(fā)生，并保證地下水資源的可持續(xù)利用。

(2)大力推進(jìn)工農(nóng)業(yè)節(jié)水建設(shè)，減少現(xiàn)有工農(nóng)業(yè)用水的地下水開(kāi)采需求。對(duì)于不具備替代水源的地下水用水戶，如超采區(qū)周邊工業(yè)企業(yè)用水及干旱期農(nóng)業(yè)灌溉用水等，需大力推廣節(jié)水型企業(yè)建設(shè)，加強(qiáng)農(nóng)業(yè)節(jié)水建設(shè)，減少不必要的地下水開(kāi)采，以促進(jìn)地下水超采區(qū)恢復(fù)。

(3)建立水權(quán)市場(chǎng)，引導(dǎo)水資源商品化。積極發(fā)展水權(quán)分配制度，實(shí)行總量控制與定額管理，將水權(quán)分配到鎮(zhèn)、村、農(nóng)戶，分配到每個(gè)用水企業(yè)。外來(lái)企業(yè)用水要在原用水戶手中購(gòu)買用水權(quán)，原用水戶賣掉部分水權(quán)得到的資金，用來(lái)建節(jié)水工程。用經(jīng)濟(jì)杠桿調(diào)節(jié)生活、生產(chǎn)和生態(tài)等各方面的水量，促進(jìn)節(jié)水型社會(huì)建設(shè)，以減少超采區(qū)地下水分散性開(kāi)采行為，促進(jìn)超采區(qū)快速恢復(fù)。

4 結(jié)論

(1)為保證鞍山市西郊超采區(qū)恢復(fù)治理、地下水資源合理開(kāi)發(fā)利用及預(yù)防生態(tài)環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題發(fā)生，建議環(huán)境上限水位埋深不低于2m，工程上限水位埋深不低于5m，下限水位以超采區(qū)地下水位開(kāi)始明顯回升的節(jié)點(diǎn)時(shí)間水位為準(zhǔn)，選擇2012年枯水期水位。

(2)建議在西郊增加地下水補(bǔ)給量，建立地下水庫(kù)，從而達(dá)到洪水資源化和實(shí)現(xiàn)超采區(qū)地下水資源新的采補(bǔ)平衡，以修復(fù)超采區(qū)，防止生態(tài)環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題發(fā)生，并保證地下水資源的可持續(xù)利用。

圖5 2012—2018年1月和8月地下水位變化等級(jí)分布圖

(3)后續(xù)研究應(yīng)重點(diǎn)分析鞍山西郊地下水變化的主因，為制定相對(duì)應(yīng)的治理措施提供依據(jù)。