松遼平原淺層地下水降落漏斗演變及控制因素分析

邱 磊，孫 龍，于 釙，吳昊晨，魯程鵬

(1. 河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.水利部信息中心，北京 100053；3. 松遼水利委員會水文局黑龍江中游水文水資源中心，黑龍江 佳木斯 156499)

地下水是水資源系統(tǒng)中的重要組成部分，是支撐經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要自然資源，也是維系良好生態(tài)環(huán)境的要素之一，地下水的開發(fā)利用在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會發(fā)展中占有十分重要的地位[1-2]。但是在地下水的使用過程中，由于部分區(qū)域地下水集中大量無序開采或者開采布井不合理，在開采過程中形成地下水超采區(qū)[3]，地下水超采引發(fā)了含水層疏干、泉水?dāng)嗔?、地面沉降、熔巖塌陷、海(咸)水入侵、水質(zhì)惡化等一系列環(huán)境地質(zhì)問題，給人民的生產(chǎn)生活帶來了嚴(yán)重危害[4-5]。

2017年6月，農(nóng)業(yè)部、水利部等六部委聯(lián)合印發(fā)的《東北黑土地保護(hù)規(guī)劃綱要(2017—2030年)》指出，近年來東北地區(qū)水稻面積逐年擴(kuò)大，地下水超采嚴(yán)重[6]。遼寧省遼河地下水利用程度達(dá)80.2%，是東北地區(qū)開發(fā)利用程度最高的河流，幾乎所有的大中型城市均存在著嚴(yán)重超采現(xiàn)象，形成了大面積的地下水降落漏斗，引發(fā)一系列環(huán)境地質(zhì)問題[7]。準(zhǔn)確分析近年來東北松遼平原淺層地下水變化及影響因素具有重要意義。

地下水分布的時(shí)空變化不僅能夠反映含水層功能變化，還可以反映地下水系統(tǒng)的變化趨勢及人類活動對其影響程度，隨著地理信息系統(tǒng)的發(fā)展，基于地質(zhì)統(tǒng)計(jì)的空間統(tǒng)計(jì)分析方法已經(jīng)成為描述地下水分布的有力工具。地下水?dāng)?shù)值模擬[8]、灰色關(guān)聯(lián)度[9]、主成分分析[9-10]、回歸分析[11-12]等方法在分析地下水動態(tài)影響方面也都有廣泛的應(yīng)用，其中灰色關(guān)聯(lián)度方法是一種成熟的多因素統(tǒng)計(jì)分析方法，研究表明該方法能夠很大程度減少由于信息不對稱帶來的損失。本文收集2005—2015年以來松遼平原淺層地下水監(jiān)測資料，通過空間分析得到淺層地下水埋深的分布與變化特征，并采用灰色關(guān)聯(lián)度的方法定量評價(jià)影響淺層地下水動態(tài)變化的控制因素。

1 松遼平原地下水超采現(xiàn)狀

松遼平原地區(qū)包括遼寧、吉林、黑龍江三省和內(nèi)蒙古自治區(qū)東部的呼倫貝爾市、興安盟、通遼市和赤峰市，與松遼流域的松花江區(qū)和遼河區(qū)2個(gè)一級水資源分區(qū)基本吻合，因此，亦可用松遼流域代表東北地區(qū)總面積。該區(qū)是中國著名的糧食基地，無論是現(xiàn)在還是將來，在保障國家糧食安全方面，都具有不可替代的地位。中華人民共和國成立以來，東北地區(qū)農(nóng)耕規(guī)模飛速發(fā)展，特別是20世紀(jì)70年代中期以來，東北地區(qū)耕地面積持續(xù)增加。松遼流域地表水資源的開發(fā)利用程度偏低，地下水資源的開采率較高。松嫩平原和遼河平原處于超采狀態(tài)(表1)，地下水資源的開發(fā)潛力已經(jīng)非常有限，一些用水量較大的城市，由于過量開采地表水，致使地下水水位下降，形成了地下水位降落漏斗，對水資源的正常循環(huán)產(chǎn)生了不利影響。

表1 松遼平原2016年淺層地下水超采區(qū)分布

水位降落漏斗是地下水開采在地域上、層位上、時(shí)間上的集中造成的。按出現(xiàn)的含水層位分為淺層地下水降落漏斗和深層水位降落漏斗。東北地區(qū)旱作農(nóng)業(yè)大部分為雨養(yǎng)，正常年份灌溉量較少，干旱年份才需補(bǔ)充灌溉；而水稻每年都需要灌溉，且灌溉定額較高，逐年擴(kuò)大的水稻種植面積帶來灌溉用水需求量不斷增加。這一現(xiàn)狀導(dǎo)致東北地區(qū)水資源供求形勢日漸緊張[13]。松花江-遼河流域2016年地下水開采量318.7億m3，部分地區(qū)地下水開采量已經(jīng)超過補(bǔ)給量。根據(jù)遼寧省超采區(qū)評價(jià)成果，全省淺層地下水超采區(qū)面積為3 221.6 km2，深層承壓水超采區(qū)面積為5 870.1 km2，淺層與深層超采區(qū)垂向上重合部分的面積為227.5 km2，扣除重合部分后，全省超采區(qū)總面積為8 864.2 km2[14]。2016年松遼平原地下水位超采區(qū)總面積達(dá)到3 800 km2，部分地區(qū)地下水位持續(xù)下降。表1所示為松遼平原2016年淺層地下水超采區(qū)分布。

2 地下水埋深、降水及開采量變化趨勢

本次數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)來源于2005—2015年全國水資源公報(bào)與松遼平原淺層地下水控制站的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2.1 地下水埋深分布及動態(tài)

基于2005—2015年全國水資源公報(bào)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與全國地下水控制站的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格篩選，選取14個(gè)典型監(jiān)測站點(diǎn)，選取原則應(yīng)滿足代表性(監(jiān)測站點(diǎn)位于超采區(qū))、可靠性(至少具有近15 a監(jiān)測數(shù)據(jù))、一致性的要求，分析這11 a松遼平原地下水埋深動態(tài)變化，同時(shí)選取2005、2015年為代表年分別繪制地下水埋深分布圖。

選取的吉林省典型測站是位于白城市淺層地下水超采區(qū)的勿蘭花站、長春市的雙井和高家店以及松原市的蔡家溝潛水測站，分析潛水位埋深與降水量的變化過程。由圖1曲線可以看出，4個(gè)測站在2010—2015年數(shù)值及趨勢上基本是一致的，潛水埋深總體上增加。綜合降水量柱狀圖分析，在降水量上升的同時(shí)潛水位埋深下降，而部分年份(如2009年)降水量增加時(shí)，潛水位埋深卻在增加，表明除降水之外地下水埋深變化還受其他因素的控制。

選取的遼寧省潛水典型測站為阜新市淺層地下水嚴(yán)重超采區(qū)的大廟、雙廟潛水測站，位于錦州市淺層地下嚴(yán)重水超采區(qū)的中安潛水測站以及沈陽市的大科莊潛水測站。由圖1可以看出2015年與2005年相比潛水埋深總趨勢是增加的；2010—2011年降水量減少的同時(shí)，地下水埋深也降低，由此可知影響潛水埋深變化的主要原因也并非降水這一要素。

選取的黑龍江省潛水典型測站為海倫市淺層地下水超采區(qū)同江市的樂業(yè)、清河、綏濱縣的北山村以及撫遠(yuǎn)縣的前鋒農(nóng)場場部潛水測站，可以看出2015年與2005年相比潛水埋深是增加的；同時(shí)2011—2012年降水量增加，地下水埋深也增加，同樣可以判斷潛水埋深變化還受其他因素的影響。

a) 吉林省

b) 遼寧省

c) 黑龍江省

d) 內(nèi)蒙古自治區(qū)圖1 松遼平原4省(自治區(qū))典型站點(diǎn)潛水埋深及降水量對比

選取的內(nèi)蒙古潛水典型測站為通遼市淺層地下水嚴(yán)重超采區(qū)的興安村、豐盛村和水泉村潛水測站。由圖可以看出2015年同2005年相比潛水埋深總趨勢是增加的；同時(shí)2011—2012年降水量增加，地下水埋深也增加，可知潛水埋深變化也同時(shí)受到多個(gè)要素的影響。

結(jié)合14個(gè)典型站點(diǎn)的潛水面埋深過程線圖，分別繪制2005、2015年松遼平原潛水埋深等值線(圖2)，用以分析其潛水埋深的空間分布特征。2005年，潛水埋深大于30 m區(qū)域面積164.17 km2，位于吉林省松原市前郭爾羅斯蒙古族自治縣；埋深20～30 m區(qū)域位于吉林省松原市前郭爾羅斯蒙古族自治縣(328.34 km2)和長春市農(nóng)安縣(4.06 km2)；埋深10～20 m區(qū)域分布于吉林省白城市(736.81 km2)、四平市(16.06 km2)，黑龍江訥河市(7 095.69 km2)、綏化市(2 551.52 km2)、海倫市(268.00 km2)、五大連池市(232.00 km2)、雙鴨山市(28 km2)以及內(nèi)蒙古的通遼市(203.07 km2)；其余地區(qū)埋深均小于10 m。

a)2005年

b)2015年圖2 2005、2015年松遼平原潛水埋深等值線

2015年，潛水埋深大于30 m的區(qū)域仍位于吉林省松原市前郭爾羅斯蒙古族自治縣，面積增加至419.54 km2，增加了150%；埋深20～30 m區(qū)域總面積比2005年增加了533.31 km2(其中吉林省松原市前郭爾羅斯蒙古族自治縣增加至747.88 km2，新增長春市農(nóng)安縣117.83 km2)；埋深10～20 m區(qū)域新增吉林省松原市(3 466.83 km2)，此外農(nóng)安縣(674.49 km2)、前郭爾羅斯蒙古族自治縣(725.09 km2)、四平市(176 km2)、海倫市(1 982.39 km2)、綏化市(918.55 km2)和內(nèi)蒙古通遼市(增加1 7531.67 km2)潛水埋深均較2005年有所增大。

2.2 降水量的變化

潛水面埋深變化取決于地下水補(bǔ)給量和排泄量的變化，如果地下水補(bǔ)給量小于排泄量，降落漏斗區(qū)潛水埋深增加。不同地區(qū)降落漏斗的變化成因不同，研究松遼平原地區(qū)地下水降落漏斗成因機(jī)制及各因素貢獻(xiàn)率，從補(bǔ)給來源和排泄兩方面分析，淺層地下水的主要補(bǔ)給來源于降水[15]。

松遼平原屬于溫帶季風(fēng)性氣候，夏季短促而溫暖多雨，冬季漫長而寒冷少雪。根據(jù)這11 a年降水量對比，可得枯水年2007年為409.6 mm，2011年為444.8 mm，豐水年2013年為649.7 mm。豐水年降水量可達(dá)枯水年降水量的1.59倍。從圖3中可以看出，這11 a年降水量均有較大差異，但并無明顯增加或者減少的趨勢。除2010、2012、2013年外都低于多年平均降水量，這11 a年平均降水量為511.5 mm，略低于多年平均降水量514.5 mm(多年平均值采用1956—2000年系列平均值)，較多年平均低0.58%。

圖3 2005—2015年松遼平原降水量

2.3 地下水開采量的變化

地下水開采量增大，并持續(xù)維持較大開采程度，是造成地下水位難以恢復(fù)的另一原因。2005、2010、2015年4省(自治區(qū))地下水開采量見圖4。吉林省2005、2010、2015年的地下水開采量分別為36.8億、44.2億、44.0億m3；遼寧省2005、2010、2015年的地下水開采量分別為64.3億、67.6億、58.6億m3；內(nèi)蒙古2005、2010、2015年的地下水開采量分別為86.2億、88.6億、88.3億m3。以上3個(gè)省(自治區(qū))地下水開采量2005—2010年增加，2010年之后有減少趨勢，這可能是由于之前過量開采導(dǎo)致地下水位下降致開采難度增加以及政策對地下水的保護(hù)造成了地下水開采量的減少。黑龍江省2005、2010、2015年的地下水開采量分別為113.1億、146.1億、157.7億m3，地下水開采量逐年增加?？傮w來說，2015年研究區(qū)地下水總開采量比2005年增加了48.2億m3，淺層地下水開采力度略增加，這可能是由于部分地區(qū)近些年降水偏少、蒸發(fā)強(qiáng)烈、地表水資源相對匱乏不十分發(fā)育，同時(shí)農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)生產(chǎn)及生活用水增加，打破區(qū)內(nèi)原有的生態(tài)環(huán)境平衡狀態(tài)，逐漸形成地下水的超采趨勢。

圖4 2005—2015年松遼平原4省(自治區(qū))地下水開采量

3 地下水埋深變化控制因素分析

地下水埋深動態(tài)變化的影響因素主要有降水量、人工開采量，但對于不同地區(qū)，這些因素對其影響程度并不相同。本次研究采用灰色關(guān)聯(lián)度法[9]的相關(guān)分析來研究影響松遼平原地區(qū)潛水埋深變化的主導(dǎo)因素?；疑P(guān)聯(lián)度是一種確定各自變量指標(biāo)權(quán)重的有效方法，自變量與因變量之間的相關(guān)程度通過關(guān)聯(lián)系數(shù)r來表示，r的絕對值越接近于1，兩變量的關(guān)聯(lián)程度越強(qiáng)，r的絕對值越接近0，兩變量的關(guān)聯(lián)程度越弱。松遼平原包括4個(gè)省(自治區(qū))，其淺層地下水超采區(qū)內(nèi)水文測站數(shù)據(jù)結(jié)合降水量及地下開采量數(shù)據(jù)可得分析結(jié)果見表2。

通過分析計(jì)算可得吉林、遼寧、黑龍江、內(nèi)蒙古4省(自治區(qū))地下水開采量與潛水埋深關(guān)聯(lián)系數(shù)均大于降水量與潛水埋深灰色關(guān)聯(lián)度，所以可得松遼平原降落漏斗潛水位埋深變化受到地下水開采量影響程度大于降水量。

表2 松遼平原4省(自治區(qū))地下水埋深與降水及開采量的灰色關(guān)聯(lián)度

4 結(jié)論

本文根據(jù)全國水資源公報(bào)以及地下水歷史站點(diǎn)與監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析松遼平原淺層地下水超采區(qū)分布，降落漏斗潛水位埋深動態(tài)變化及其主導(dǎo)因素。

a) 2005—2015年松遼平原淺層地下水水位整體呈下降趨勢。

b) 松遼平原淺層地下水降深中心位于吉林省松原市前郭爾羅斯蒙古族自治縣，埋深已達(dá)48 m，埋深大于10 m的區(qū)域面積占全區(qū)總面積的64.74%，與2005年相比，2015年埋深大于10 m的區(qū)域面積增加了1.95萬km2。

c) 降落漏斗淺水位埋深的變化可歸結(jié)為降水量的變化和人工開采的程度，根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度法計(jì)算可以得出主導(dǎo)因素為人工開采，降水影響其次。