彌河流域平原區(qū)地下水埋深時(shí)空變化特征及可開采性分析

楊瀅嘉， 張丹蓉， 莊會(huì)波， 劉 江， 管儀慶， 邵廣文

(1.河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.山東省水文局，山東 濟(jì)南250000)

1 研究背景

水資源是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生產(chǎn)生活的主要影響因素，地下水作為水資源的重要組分，具有水質(zhì)良好、水量穩(wěn)定、調(diào)節(jié)力強(qiáng)、便于開采等優(yōu)點(diǎn)，已成為城鎮(zhèn)發(fā)展建設(shè)、人民飲水安全、生態(tài)環(huán)境改善的重要保障[1]。針對(duì)目前很多地區(qū)出現(xiàn)地下水開采利用過(guò)度的現(xiàn)象，研究地下水變化規(guī)律和分布特征，對(duì)了解區(qū)域地下水量、制定水資源管理方針、合理開采利用地下水至關(guān)重要[2-3]。

地下水觀測(cè)數(shù)據(jù)是進(jìn)行地下水運(yùn)動(dòng)研究和模擬的基礎(chǔ)，主要是對(duì)地下水監(jiān)測(cè)井進(jìn)行水位、水質(zhì)狀況的觀測(cè)。地下水監(jiān)測(cè)井是一群空間離散分布點(diǎn)，因此需要在離散型數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上采用空間插值法來(lái)探討地下水埋深時(shí)空變化特征，其中地統(tǒng)計(jì)學(xué)中的Kriging插值法是普遍使用的一種內(nèi)插法。Machiwal等[4]將地統(tǒng)計(jì)學(xué)與GIS相結(jié)合，利用50眼監(jiān)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，研究了印度Ahar河流域36個(gè)月間地下水位的時(shí)空變化；Ma等[5]采用普通Kriging法模擬了Kansas中南部地下水位變化；Sun等[6]采用簡(jiǎn)單Kriging法，分析了民勤綠洲48眼監(jiān)測(cè)井過(guò)去22年的地下水埋深狀況，揭示了其變化規(guī)律及影響因素。地下水開采量過(guò)大的地區(qū)易形成漏斗區(qū)，引發(fā)地面沉降、咸水入侵、水質(zhì)變差等一系列環(huán)境惡化的問(wèn)題，明確地下水開采現(xiàn)狀及超采區(qū)劃分非常重要，李文體等[7]基于地下水動(dòng)態(tài)資料，對(duì)河北平原區(qū)的地下水開采區(qū)進(jìn)行不同開采程度的劃分，分析了超采情況；黃曉燕等[8]運(yùn)用水位動(dòng)態(tài)法等多種方法，開展江蘇省超采區(qū)評(píng)價(jià)并進(jìn)行對(duì)比分析；陳國(guó)浩[9]運(yùn)用水位動(dòng)態(tài)法，分析了濟(jì)寧市236眼監(jiān)測(cè)井水位動(dòng)態(tài)變化速率，對(duì)淺層孔隙水進(jìn)行超采區(qū)劃分，提出了相應(yīng)整治對(duì)策。目前對(duì)地下水埋深時(shí)空變化特征的研究較多，而在此基礎(chǔ)上科學(xué)合理地評(píng)價(jià)地下水開采適宜度在很多區(qū)域尚未實(shí)現(xiàn)。

山東省濰坊市人均水資源量?jī)H為全國(guó)人均的15.9%，是我國(guó)極度資源型缺水城市之一[10]。濰坊中部平原高產(chǎn)糧食作物，多數(shù)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)灌溉嚴(yán)重消耗水資源，隨著城市化建設(shè)、居民生活、服務(wù)業(yè)需水量不斷增加，過(guò)度開采利用地下水導(dǎo)致流域水循環(huán)的失衡，危及流域的生態(tài)環(huán)境健康，目前已有一些學(xué)者對(duì)濰坊市超采現(xiàn)狀和降落漏斗成因進(jìn)行了分析[11-13]。本文根據(jù)濰坊市中部彌河流域山前平原區(qū)1985-2015年地下水觀測(cè)井五日觀測(cè)資料，分別對(duì)地下水埋深年際年內(nèi)變化趨勢(shì)、埋深變幅速率、不同埋深段面積變化特征進(jìn)行分析，淺析其影響因素，并劃分流域超采區(qū)，評(píng)價(jià)地下水開采適宜性。研究成果有助于了解彌河流域平原區(qū)地下水埋深變化情況，對(duì)有效控制局部降落漏斗及合理開采利用地下水資源有重要的參考價(jià)值。

2 研究區(qū)概況

彌河是山東省15條骨干河道之一，發(fā)源于山東中部魯山和沂山之間，自南向北流經(jīng)臨朐、青州、壽光后入渤海，彌河全長(zhǎng)206 km，流域面積3 847.5 km2，如圖1所示。

研究區(qū)處于魯中以北的沿海平原區(qū)，坐標(biāo)位置為北緯118°22′～119°10′，東經(jīng)36°27′～37°19′，總面積為3 387.2 km2，屬于暖溫帶季風(fēng)區(qū)大陸性氣候，多年平均降雨量為561.5 mm，年均蒸發(fā)量為1 003.6 mm，年均氣溫11.7～14.3℃，年日照時(shí)數(shù)在2 450 h左右，全年多盛行南偏東風(fēng)。地勢(shì)自南向北減小(圖1(a))，地下水含水巖組主要是松散巖類第四系孔隙含水巖組，巖性以中粗砂、礫石為主，區(qū)域總體富水性較強(qiáng)(圖1(b))，主要補(bǔ)給來(lái)源有降水補(bǔ)給、回灌補(bǔ)給、側(cè)向徑流補(bǔ)給等。

3 數(shù)據(jù)來(lái)源和研究方法

3.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

收集整理所需的基本資料，本文所采用的數(shù)據(jù)信息如表1所示。

圖1 彌河流域地理位置、高程分布及水文地質(zhì)圖

表1 研究所需基本資料數(shù)據(jù)信息及來(lái)源

3.2 M-K檢驗(yàn)法

Mann-Kendall是進(jìn)行時(shí)間序列趨勢(shì)分析的一種常用的非參數(shù)檢驗(yàn)法，以使用約束少、人為干擾小、適用范圍寬等優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用，其計(jì)算結(jié)果可信度高[14]。在趨勢(shì)檢驗(yàn)中，統(tǒng)計(jì)變量Z>0，表示序列呈上升趨勢(shì)；Z<0，表示呈下降趨勢(shì)。其中|Z|>1.96，說(shuō)明上升或下降趨勢(shì)顯著。

3.3 相關(guān)性分析法

相關(guān)性分析法是對(duì)兩個(gè)或多個(gè)存在關(guān)聯(lián)的變量因子進(jìn)行分析計(jì)算，通過(guò)相關(guān)系數(shù)來(lái)衡量變量因子之間的密切度[15-16]。

本文使用該方法計(jì)算地下水位數(shù)據(jù)及其影響因子之間的相關(guān)系數(shù)，分析影響地下水動(dòng)態(tài)變化的因素，相關(guān)系數(shù)對(duì)應(yīng)相關(guān)程度如表2。

3.4 Kriging插值法

Kriging法是ArcGIS地統(tǒng)計(jì)學(xué)中的一種對(duì)空間未知樣點(diǎn)的區(qū)域化變量的取值進(jìn)行線性無(wú)偏最優(yōu)內(nèi)插的方法，該方法最大程度地利用了已知樣點(diǎn)包括的所有信息[17-18]。其基本思路是首先通過(guò)分析區(qū)域化變量在空間位置上的分布，選擇最佳理論變異函數(shù)模型，其次確定對(duì)未知樣點(diǎn)進(jìn)行插值的影響范圍，在范圍內(nèi)根據(jù)已知樣點(diǎn)與未知樣點(diǎn)的空間位置和相關(guān)性的不同，賦予每個(gè)已知樣點(diǎn)相應(yīng)的權(quán)重，進(jìn)行加權(quán)平均后估計(jì)出待測(cè)樣點(diǎn)屬性值。本文對(duì)數(shù)據(jù)的空間趨勢(shì)走向和殘差項(xiàng)綜合分析后，采用Geostatistical Analyst工具中的普通Kriging插值法對(duì)研究區(qū)56眼監(jiān)測(cè)井地下水位值進(jìn)行空間插值，轉(zhuǎn)為90 m分辨率的地下水位柵格圖，將90 m分辨率的DEM與同分辨率的水位柵格圖相減，得到1985、1995、2002、2009、2012、2015年地下水埋深分布圖。

3.5 超采區(qū)劃分方法

水位動(dòng)態(tài)法是指以地下水水位年均下降速率和現(xiàn)狀年的地下水埋深作為判斷指標(biāo)進(jìn)行超采區(qū)劃分的方法[19]。柵格計(jì)算是對(duì)多個(gè)柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行空間函數(shù)分析運(yùn)算；重分類是對(duì)原有柵格數(shù)據(jù)按照新的分類標(biāo)準(zhǔn)重整輸出一組新值[20]。本文利用ArcGIS中的重分類和柵格計(jì)算兩個(gè)功能實(shí)現(xiàn)對(duì)研究區(qū)地下水是否超采的劃分。

首先利用ArcGIS中的重分類將研究區(qū)2015年地下水埋深空間分布圖分為3類，即埋深<6 m，賦值1；6 m≤埋深≤25 m，賦值2；埋深>25 m，賦值3；

其次利用柵格計(jì)算器計(jì)算區(qū)域研究期內(nèi)地下水埋深年均變化速率，重分為3類，即小于0.2 m/a的區(qū)域，賦值4(非超采區(qū))；0.2～1 m/a的區(qū)域，賦值5(一般超采區(qū))；大于1 m/a的區(qū)域，賦值6(嚴(yán)重超采區(qū))；

最后對(duì)前兩個(gè)重分類得到的新柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算(2015年地下水埋深重分類數(shù)據(jù)×地下水開采區(qū)重分類數(shù)據(jù))，對(duì)新的結(jié)果再次重分類為4類，得到研究區(qū)地下水可開采情況建議圖，即值為4、5的可大量開采區(qū)，值為6、8的可適宜開采區(qū)，值為10、12的可限量開采區(qū)，值為15、18的禁止開采區(qū)。

4 結(jié)果分析與討論

4.1 氣候因子變化

對(duì)1985-2015年彌河流域平原區(qū)的年降水量和蒸發(fā)量進(jìn)行趨勢(shì)分析和M-K檢驗(yàn)法分析，結(jié)果如圖2所示。

由圖2(a)可以看出，1985-2015年彌河流域多年平均降水量為561.5 mm，年最大降水量為904.3 mm(1990年)，最小降水量為367.5 mm(2002年)；由圖2(b)可知，年蒸發(fā)量多年平均值為1 003.6 mm，在898.3(1990年)～1 173.6 mm(1986年)間波動(dòng)。兩者M(jìn)-K檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量|Z|<1.96，均未通過(guò)0.05置信水平檢驗(yàn)，變化不明顯，年降水量呈極緩慢上升趨勢(shì)，年蒸發(fā)量呈緩慢下降趨勢(shì)。

4.2 地下水埋深動(dòng)態(tài)變化特征

4.2.1 年際變化 計(jì)算彌河流域平原區(qū)56個(gè)監(jiān)測(cè)井1985-2015年地下水埋深平均值，繪制年際變化曲線，結(jié)果如圖3。

由圖3可以看出，地下水埋深總體呈逐漸增大的趨勢(shì)，結(jié)合M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)，|Z|=7.04，通過(guò)了0.05置信水平檢驗(yàn)，埋深從1985年的12.38 m增加到2015年的22.32 m，增速為0.33 m/a。1985-2000年，彌河流域平原區(qū)地下水埋深在12～21 m之間，即地下水埋深從12.38 m增加到20.15 m，平均速率為0.52 m/a。其中1990年平原區(qū)蒸發(fā)量較小，地下水埋深較上年增加速率明顯緩和，由于1990年降雨量較大且1991年流域蒸發(fā)量偏小，水位出現(xiàn)回升。2000-2015年，地下水埋深在19～23 m之間，埋深增加速率逐漸變緩，2000年開始實(shí)際開采量逐漸減小，如2003、2007年，降雨量偏大且蒸發(fā)量較小，地下水位開始有所上升，特別在遇豐水年，如2004年，地下水位明顯有大幅度的上升，此期間地下水位有升有降逐漸趨于平緩，2010年后地下水埋深維持在22 m左右。

表2 地下水位數(shù)據(jù)其及影響因素之間的相關(guān)系數(shù)值與關(guān)聯(lián)程度對(duì)應(yīng)表

圖2 1985-2015年彌河流域平原區(qū)年降水量及蒸發(fā)量的動(dòng)態(tài)變化

圖3 1985-2015年彌河流域平原區(qū)平均地下水埋深年際變化

4.2.2 年內(nèi)變化 繪制年徑流頻率曲線，取25%、50%、75%頻率對(duì)應(yīng)的年份為豐水年(1995年)、平水年(1999年)、枯水年(2006年)，分析豐、平、枯3年的地下水埋深年內(nèi)變化情況結(jié)果如圖4。

由圖4可知，彌河流域平原區(qū)各觀測(cè)井地下水位在豐、平、枯水年內(nèi)的變化趨勢(shì)基本一致，2-3月達(dá)到最高水位，然后水位逐漸開始下降，在5-6月左右降至年內(nèi)最低水位，受6-8月較多的降水補(bǔ)給，地下水位逐漸上升。年降水量大小不同導(dǎo)致年內(nèi)水位回升幅度不同，年降水量越小，地下水位的回升幅度越緩。年降水量越小，年內(nèi)水位受年內(nèi)蒸發(fā)量、地下水開采等其他因素影響的變化越明顯，在枯水年，如果降雨偏小，地下水位會(huì)持續(xù)下降。

4.3 地下水埋深時(shí)空變化特征分析

4.3.1 地下水埋深縱向變化 利用Kriging插值法繪制出1985、1995、2002、2009、2012、2015年6個(gè)年份地下水埋深圖，結(jié)果如圖5所示。

從圖5的地下水埋深空間分布可看出，1985年埋深自西南山前傾斜區(qū)向東北近海區(qū)逐漸變淺，自1985年起，埋深總體逐年增大，東部近海區(qū)和中部平原區(qū)埋深增加速率更快，其中中部平原區(qū)逐漸形成一個(gè)明顯的漏斗區(qū)。

1985年研究區(qū)地下水埋深較淺，平均埋深12.38 m，最小埋深0.27 m，最大埋深36.34 m，東北近海區(qū)埋深普遍低于10 m，青州市與壽光市交界上小范圍出現(xiàn)10～20 m的埋深區(qū)；1995年研究區(qū)中部埋深增加明顯，流域平均埋深17.56 m，青州市與壽光市交界處出現(xiàn)降落漏斗跡象，中心地下水埋深為25.43 m；2002年研究區(qū)平均埋深為20.74 m，最大埋深43.34 m，中部漏斗區(qū)已較明顯，中心埋深達(dá)39.43 m；2009年?yáng)|北近海區(qū)埋深基本都增加至15～20 m，中部降落漏斗迅速擴(kuò)張，漏斗中心埋深為46.08 m；2012年埋深下降速率趨于緩慢，平均埋深21.80 m，最大埋深51.83 m，降落漏斗范圍基本穩(wěn)定不變，中心埋深增加至51.23 m；2015年平均埋深22.32 m，最小埋深0.63 m，最大埋深53.87 m，漏斗中心埋深51.8 m。

4.3.2 不同埋深段面積變化 通過(guò)ArcGIS中的計(jì)算幾何對(duì)各年不同埋深段所占的面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到6個(gè)年份不同地下水埋深的面積變化情況，如表3所示。

圖4 研究區(qū)地下水埋深豐、平、枯年內(nèi)變化

圖5 研究區(qū)不同年份的地下水埋深空間分布

表3 不同年份不同地下水埋深段面積統(tǒng)計(jì)表 km2

由表3可知，彌河流域平原區(qū)在1985-2015年間，地下水埋深不同分段所占面積在1985-2009年間變化較劇烈，自2010年開始變化趨勢(shì)基本平穩(wěn)。小于5 m的埋深段所占面積呈減小趨勢(shì)，減少幅度為24.38 km2/a；埋深大于5 m小于15 m范圍所占面積年均下降幅度先減小后增大，其中1985-1995年間年均面積減少幅度較大，約50.4 km2/a，2009年前后面積減少幅度較小，約18.86 km2/a，2012-2015年間年均面積減少幅度最大，約53.2 km2/a；埋深大于15 m小于25 m范圍所占面積呈先減小后增大的趨勢(shì)增加，其中1995年前年均面積增幅較大，約61.07 km2/a，2012-2015年間面積增加65.07 km2/a，增幅最大，2009-2012年間增加0.58 km2/a，增幅最小；埋深大于25 m范圍所占面積增幅較小，2009年以前逐漸增大，2009年以后基本保持穩(wěn)定不變，面積增幅最大為23.23 km2/a，最小為8.73 km2/a。

4.4 地下水動(dòng)態(tài)變化特征成因分析

地下水動(dòng)態(tài)變化受氣象因素和人為活動(dòng)共同影響。伴隨國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和水資源供需不平衡加劇，開始開發(fā)利用地下水，由《山東省水資源公報(bào)》可知，濰坊市開采量自20世紀(jì)70年代后不斷增加，從1985年10.79×108m3增至2000年15.73×108m3，地下水位不斷下降；社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展也間接地影響地下水位的變化，《山東省水利統(tǒng)計(jì)年報(bào)》 中表明，研究區(qū)近15年來(lái)，GDP由218×108元增至1 538.9×108元，增長(zhǎng)了7倍。

選擇壽光136#、184#、121#和青州115#、100#共5個(gè)典型觀測(cè)井(見圖1)，利用SPSS軟件，對(duì)地下水位數(shù)據(jù)與研究區(qū)的降水量、蒸發(fā)量、開采量、GDP進(jìn)行雙變量相關(guān)性分析，結(jié)果見表4。

由表4可知，觀測(cè)井136#、184#地下水位變化與降水量相關(guān)程度很弱，其余3個(gè)均為強(qiáng)相關(guān)，說(shuō)明該研究區(qū)地下水動(dòng)態(tài)變化明顯受到降水量的影響。5個(gè)觀測(cè)井地下水位變化與蒸發(fā)量和開采量的皮爾遜相關(guān)系數(shù)0.4<|γ|<0.8，均達(dá)到了中等相關(guān)或強(qiáng)相關(guān)，且為負(fù)相關(guān)，說(shuō)明研究區(qū)蒸發(fā)量和人工開采量對(duì)地下水動(dòng)態(tài)變化影響很大，即隨著蒸發(fā)量和開采量的增大，地下水位越低。研究區(qū)地下水位與GDP存在負(fù)相關(guān)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，水資源供不應(yīng)求，過(guò)度地開采使用地下水，導(dǎo)致地下水位持續(xù)下降，出現(xiàn)局部地下水漏斗區(qū)。

4.5 地下水可開采性探討

利用ArcGIS，以1985-2015年為研究期，2015年為現(xiàn)狀水平年，通過(guò)水位動(dòng)態(tài)法分析研究期內(nèi)地下水埋深的分布及變化速率情況，繪制出地下水埋深、研究區(qū)內(nèi)地下水埋深變化及地下水可開采情況建議圖，具體分析結(jié)果見圖6～8，研究區(qū)不同分區(qū)的面積見表5。

表4 雙變量相關(guān)性分析結(jié)果

注：**為通過(guò)1%的顯著性水平檢驗(yàn)；* 為通過(guò)5%的顯著性水平檢驗(yàn)。

圖6彌河流域平原區(qū)現(xiàn)狀水平年(2015年)地下水埋深分布圖 圖7彌河流域平原區(qū)研究期內(nèi)地下水埋深變化圖 圖8彌河流域平原區(qū)地下水可開采情況建議圖

表5 研究區(qū)不同分區(qū)的面積

從圖6可明顯的看出，彌河流域平原區(qū)地下水埋深幾乎均超過(guò)6 m，淺埋區(qū)僅占區(qū)域面積的1.8%，埋深大于25 m的區(qū)域主要集中在壽光與青州交界處以及山前傾斜區(qū)，由圖7和表5可知，彌河流域平原區(qū)的超采區(qū)面積是非超采區(qū)面積的3倍，分別為2549.7和829.5 km2，一般超采區(qū)范圍較大,主要分布于研究區(qū)西北至東南走向。由圖8和表5可知，可適宜開采區(qū)主要位于研究區(qū)北部和南部，其中壽光市、廣饒縣、青州市、昌樂(lè)縣、臨朐縣均有分布，總面積為710.2 km2，占研究區(qū)面積21.0%，可限量開采區(qū)幾乎遍布研究區(qū)，面積高達(dá)2 058.3 km2，而在青州市與壽光市交界線處的降落漏斗處應(yīng)禁止開采地下水。

5 結(jié) 論

本文以彌河流域平原區(qū)56眼監(jiān)測(cè)井五日地下水?dāng)?shù)據(jù)(1985-2015年)為基礎(chǔ)，結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀?、地下水開采、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況，利用ArcGIS和SPSS統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)研究區(qū)地下水埋深時(shí)空變化特征和可開采情況進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

(1)彌河流域平原區(qū)1985-2015年的地下水埋深逐漸增加，2000年后增幅平緩，年內(nèi)地下水位一般在2-3月出現(xiàn)最高值，在5-6月降至最低值；

(2)彌河流域平原區(qū)1985、1995、2002、2009、2012、2015年地下水埋深空間分布相似，從西南到東北，地下水埋深隨地勢(shì)大體降低，也存在一定空間變異性，埋深小于15 m的范圍逐漸縮小，埋深大于15 m的區(qū)域面積不斷增加，其中1995年左右青州市與壽光市交界處開始出現(xiàn)小范圍降落漏斗，漏斗區(qū)不斷擴(kuò)大，至2012年漏斗范圍基本不再增大，但漏斗中心埋深仍不斷增大；

(3)彌河流域平原區(qū)可適宜開采區(qū)僅占總面積的21.0%，主要位于壽光、青州、臨朐等市縣，研究區(qū)大多為可限量開采區(qū)(面積高達(dá)2 058.3 km2)，山前一帶傾斜區(qū)和降落漏斗區(qū)屬于禁止開采區(qū)，應(yīng)當(dāng)采取措施合理保護(hù)利用地下水；

(4)5個(gè)典型監(jiān)測(cè)井的水位數(shù)據(jù)大部分與各影響因子皮爾遜相關(guān)系數(shù)|γ|>0.4，通過(guò)1%顯著性水平檢驗(yàn)，相關(guān)性高，表明氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)地下水的動(dòng)態(tài)變化均有影響。

參考文獻(xiàn)：：

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