寧柏隆地下水漏斗水位變化影響因素分析

趙 偉，賈新穎，武麗生，劉 鵬，張 昊

(河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，河北 石家莊 050021)

河北省水資源短缺，地下水超采嚴(yán)重，局部地下水開(kāi)采強(qiáng)度大、超采最嚴(yán)重的地區(qū)形成了多個(gè)淺層和深層地下水漏斗，地下水漏斗的治理在地下水超采綜合治理中難度最大。地下水位及其變化趨勢(shì)是反映地下水采補(bǔ)平衡與否的客觀標(biāo)尺和晴雨表，也是衡量地下水資源開(kāi)發(fā)是否合理的重要評(píng)判依據(jù)[1]。通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)利用系統(tǒng)分析的方法，可以得到精度較高的成果，且具有需要參數(shù)少，便于推廣的優(yōu)點(diǎn)[2]。本次研究采用了SPSS軟件中的多元回歸分析的功能，從地下水補(bǔ)給和地下水開(kāi)采兩方面對(duì)漏斗中心地下水埋深影響因素進(jìn)行了回歸分析，可為合理有效利用地下水資源提供參考，為地下水可開(kāi)采量評(píng)價(jià)和地下水超采治理、評(píng)估提供依據(jù)[3- 11]。

本次以寧柏隆漏斗為例進(jìn)行分析，寧柏隆漏斗為淺層地下水漏斗，位于河北省邢臺(tái)市寧晉縣西南部、柏鄉(xiāng)縣東部和隆堯縣的北部[12]，屬于太行山山前平原。2018年寧柏隆漏斗中心位于寧晉縣李家營(yíng)，漏斗中心埋深81.20m，50m地下水埋深等值線包圍漏斗區(qū)面積為1330km2[13]，為河北省面積最大的淺層地下水漏斗。

1 漏斗中心地下水位埋深變化分析

根據(jù)歷年《河北省水資源公報(bào)》，2001—2018年(共18年)寧柏隆漏斗中心地下水位埋深變化如圖1所示。對(duì)寧柏隆漏斗中心地下水位埋深進(jìn)行一元線性回歸分析，可看出漏斗中心埋深逐年下降趨勢(shì)明顯，年均下降1.64m。

分階段看，2001—2015年漏斗中心埋深年均下降1.82m，2014年河北省開(kāi)始大規(guī)模在黑龍港運(yùn)東地區(qū)實(shí)施地下水超采綜合治理試點(diǎn)，2015年地下水超采綜合治理試點(diǎn)擴(kuò)大到寧柏隆漏斗區(qū)，2015—2018年，漏斗中心埋深年均下降0.92m，下降速率明顯減小，減小幅度達(dá)49%。

2 降雨影響分析

統(tǒng)計(jì)分析2001—2018年寧晉縣、柏鄉(xiāng)縣、隆堯縣年降雨量數(shù)據(jù)，三縣18a平均面降雨量為459.3mm，最大降水量為2016年的608.5mm，最小降水量為2014年的322.8mm，如圖2所示。對(duì)降雨量進(jìn)行一元線性回歸分析，年降雨量呈緩慢增加的趨勢(shì)。利用M-K檢驗(yàn)對(duì)降雨變化進(jìn)行趨勢(shì)檢驗(yàn)，降雨量M-K統(tǒng)計(jì)量曲線如圖3所示，Z=0.84，小于α=0.05(1.96)，沒(méi)有通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，說(shuō)明降雨增加趨勢(shì)不明顯。

對(duì)降雨量和寧柏隆漏斗中心地下水位埋深變化進(jìn)行分析，2003、2009、2013、2016年為豐水年，相應(yīng)寧柏隆漏斗中心地下水位埋深比上一年分別增加0.4、-1.92、3.58、5.38m；2007、2010、2014年為枯水年，相應(yīng)寧柏隆漏斗中心地下水位埋深比上一年分別減少-3.57、-3.49、-4.68m；2004、2008、2018年為平水年，相應(yīng)寧柏隆漏斗中心地下水位埋深比上一年分別減少-1.86、2.3、0.3m。進(jìn)行相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)為0.02，不具有相關(guān)性。

從圖2中可分析，18a中降雨量豐枯交替明顯，存在4個(gè)豐枯變化周期，基本上3a是一個(gè)豐平枯周期，首先計(jì)算降雨量和漏斗中心水位埋深年變化量，然后以3a滑動(dòng)平均計(jì)算降雨量和漏斗中心水位埋深，進(jìn)行相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)為0.713，在0.1(雙側(cè))具有顯著相關(guān)。如圖4所示。

綜上，降雨量對(duì)寧柏隆漏斗中心地下水位埋深變化具有影響，特別是在3a平均變化狀態(tài)下，降雨量的變化對(duì)漏斗中心水位埋深變化具有顯著影響，但在目前地下水超采狀況下不能改變漏斗中心地下水位埋深整體下降的趨勢(shì)，只是影響前后年份地下水埋深變化。

3 供用水量影響分析

根據(jù)河北省水資源公報(bào)，2018年三縣總供用水量4.13億m3。分供水水源看，其中，當(dāng)?shù)氐乇硭┧?.53億m3，占總供水量的12.8%；跨流域調(diào)水量0.45億m3，占總供水量的10.8%；地下水供水量2.82億m3，占總供水量的68.2%；非常規(guī)水源供水量0.33億m3，占總供水量的8.1%。由此可知，目前地下水是主要供水水源。分用水行業(yè)看，其中，城鎮(zhèn)生活(含公共)用水量0.09億m3，占總用水量的2.1%；農(nóng)村生活用水量0.20億m3，占總用水量的4.8%；工業(yè)用水量0.14億m3，占總用水量的3.4%；農(nóng)業(yè)灌溉用水量3.53億m3，占總用水量的85.5%；生態(tài)環(huán)境用水量0.17億m3，占總用水量的4.2%。由此可知，目前農(nóng)業(yè)灌溉是主要用水對(duì)象。如圖5所示。

圖1 寧柏隆漏斗中心地下水位埋深變化圖

圖3 降雨量M-K統(tǒng)計(jì)曲線

圖4 3年滑動(dòng)平均降雨量變化與漏斗中心水位埋深變化關(guān)系

圖5 2018年寧柏隆供用水情況

統(tǒng)計(jì)分析2001—2018年寧晉縣、柏鄉(xiāng)縣、隆堯縣年供用水情況?？偣┧砍什▌?dòng)下降趨勢(shì)，2001—2004年呈下降趨勢(shì)，2005—2009年呈上升趨勢(shì)，2010—2013年呈下降趨勢(shì)，2015—2018年基本保持在4.0億m3。從供水方面分析，地下水開(kāi)采量呈逐年下降趨勢(shì)，從2001年的5.68億m3下降到2018年的2.82億m3，下降了50%；地表水供水量(當(dāng)?shù)氐乇硭屯庹{(diào)水)，特別是2014年南水北調(diào)中線通水以來(lái)，隨著引江水供水量的逐年增加，地表水供水量呈逐年增加趨勢(shì)。從用水方面分析，重點(diǎn)分析農(nóng)業(yè)灌溉用水量，農(nóng)業(yè)灌溉用水量和總供用水量變化趨勢(shì)基本保持一致，從2001年的5.38億m3下降到2018年的3.53億m3，下降了34%。

對(duì)地下水開(kāi)采量和寧柏隆漏斗中心地下水位埋深變化進(jìn)行相關(guān)分析，相關(guān)系數(shù)為-0.929，為負(fù)相關(guān)，兩者具有顯著相關(guān)性，說(shuō)明地下水開(kāi)采量決定漏斗中心地下水位埋深。

對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉用水量變化進(jìn)行分析，2001—2014年，農(nóng)業(yè)灌溉用水量和地下水開(kāi)采量相關(guān)系數(shù)為0.947，變化趨勢(shì)基本一致；2015—2018年，農(nóng)業(yè)灌溉用水量和地下水開(kāi)采量相關(guān)系數(shù)僅為0.26，出現(xiàn)明顯偏離，特別是2017年為平水年、2018年為偏枯年，農(nóng)業(yè)灌溉用水量基本保持不變呈稍增加趨勢(shì)，但地下水開(kāi)采量缺呈下降趨勢(shì)，分析原因主要是地表水供水量增加較快，通過(guò)地表水置換了地下水的開(kāi)采量。

從圖6中可以看出，2016年為豐水年，地下水開(kāi)采量相比上一年減少4.3%，按趨勢(shì)地下水水位應(yīng)下降6.3%，但地下水卻上升了6.9%，說(shuō)明2016年降雨量對(duì)地下水位變化起到重要作用；2017年為平水年、2018年為偏枯年，用水總量、農(nóng)業(yè)灌溉用水量均稍增加，但漏斗中心地下水水位保持持平狀態(tài)，分析原因主要為，地表水供水量特別是南水北調(diào)中線引江水的增加一方面減少了地下水開(kāi)采量，另一方面增加了地下水補(bǔ)給量，外調(diào)水對(duì)漏斗中心地下水位埋深具有一定影響。

圖6 2001—2018年供用水量與漏斗中心地下水位埋深關(guān)系圖

圖7 寧柏隆漏斗中心地下水位埋深實(shí)測(cè)與模擬地下水位埋深對(duì)比

4 影響因素分析

在地下水超采狀態(tài)下，通過(guò)降雨量和供用水量分析，得出地下水開(kāi)采量、降雨量、外調(diào)水供水量三個(gè)因素共同對(duì)寧柏隆漏斗中心地下水位埋深發(fā)展變化起關(guān)鍵作用。

為了量化地下水開(kāi)采量(K，億m3)、降雨量(P，mm)、外調(diào)水供水量(W，億m3)三個(gè)因素對(duì)寧柏隆漏斗中心地下水位埋深(H，m)的影響作用，利用SPSS數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行多元線性回歸分析。得出回歸方程如下：

H=-137.947+14.03K+0.018P+21.405W

圖7為寧柏隆漏斗中心地下水位埋深與擬合地下水位埋深的對(duì)比。利用SPSS數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)模型關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，復(fù)相關(guān)系數(shù)R=0.955，確定性系數(shù)R2=0.913，表明擬合的方程能夠反映91.3%的原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。從圖6中，可以看出除個(gè)別年份出現(xiàn)偏離外，回歸方程擬合優(yōu)度好，特別是2015—2018年近幾年，基本為完全擬合。對(duì)模擬值和實(shí)測(cè)值誤差進(jìn)行分析，從表1可看出相對(duì)誤差控制在9%以內(nèi)，說(shuō)明回歸方程模擬效果好。

為了消除地下水開(kāi)采量、降雨量、外調(diào)水供水量三個(gè)因素量綱的影響，利用SPSS數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，從表2可以看出地下水開(kāi)采量、降雨量、外調(diào)水供水量標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)分別為1.25、0.15、0.34，說(shuō)明地下水開(kāi)采量對(duì)寧柏隆漏斗中心地下水位埋深影響起決定作用，外調(diào)水利用量次之，降雨量最小。

表2 回歸方程各變量非標(biāo)準(zhǔn)化和標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)表

5 地下水超采治理對(duì)策

經(jīng)過(guò)2015年至今的地下水超采綜合治理，寧柏隆漏斗中心地下水位埋深下降的趨勢(shì)基本得到遏制。通過(guò)以上分析，在不考慮降雨量因素影響下，寧柏隆漏斗地下水超采綜合治理關(guān)鍵是增加外調(diào)水量和減少地下水開(kāi)采，提出以下治理措施。

(1)引足用好外調(diào)水。寧晉、柏鄉(xiāng)、隆堯首先應(yīng)引足南水北調(diào)中線分配指標(biāo)內(nèi)的引江水，加快城鎮(zhèn)公共供水管網(wǎng)建設(shè)與改造，實(shí)施城鄉(xiāng)水源置換，置換地下水開(kāi)采量。大力實(shí)施河湖生態(tài)補(bǔ)水，利用臨城水庫(kù)、南水北調(diào)中線工程，通過(guò)泜河、午河等主要河流進(jìn)行補(bǔ)水，回補(bǔ)地下水。

(2)減少地下水開(kāi)采。全面推進(jìn)全社會(huì)節(jié)水，基于農(nóng)業(yè)灌溉用水占用水總量85%的狀況，大力推廣小麥節(jié)水品種及配套技術(shù)，因地制宜發(fā)展節(jié)水灌溉，在穩(wěn)定糧食生產(chǎn)能力的基礎(chǔ)上，大力實(shí)施季節(jié)性休耕、退灌、旱作雨養(yǎng)等農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整，統(tǒng)籌推進(jìn)工業(yè)和生活節(jié)水，持續(xù)減少地下水開(kāi)采。

6 結(jié)語(yǔ)

本次分別從地下水補(bǔ)給和地下水開(kāi)采兩個(gè)方面對(duì)地下水位變化影響進(jìn)行分析，提出了降雨量、外調(diào)水量、地下水開(kāi)采量是影響寧柏隆漏斗中心地下水位埋深變化的關(guān)鍵影響因素，提出下階段地下水超采綜合治理重點(diǎn)是引足用好外調(diào)水、減少地下水開(kāi)采。影響地下水位的變化因素還有很多，比如本次未考慮山前平原的側(cè)滲影響，下階段需進(jìn)一步研究其影響。下階段應(yīng)研究基于地下水水位不同降雨量下地下水可開(kāi)采量和地下水超采量；對(duì)于地下水超采綜合治理考核，需進(jìn)一步量化降雨量的影響，更精準(zhǔn)的評(píng)價(jià)地下水超采綜合治理措施效果。