基于Mann-Kendall法的地下水位埋深動(dòng)態(tài)與影響因素研究

王琴琴

(甘肅省地礦局第二地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，甘肅 蘭州 730020)

對(duì)地下水位埋深的研究，通常是指地下潛水的埋置深度，即潛水層(地下水層中第一個(gè)具有穩(wěn)定性能的地下自由水)到地面表層的直接深度(/距離)。自我國(guó)重視起社會(huì)生態(tài)環(huán)境的規(guī)劃與建設(shè)后，有關(guān)單位便加大了地下水資源的社會(huì)調(diào)研[1]。結(jié)合相關(guān)研究成果可知，地下水是大部分城市的主要供水來(lái)源，對(duì)地區(qū)地下水的連續(xù)多年調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，區(qū)域水位正逐年呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，此種社會(huì)發(fā)展趨勢(shì)，不利于地區(qū)生態(tài)環(huán)境的發(fā)展與建設(shè)，在一定程度上影響了灌溉區(qū)域內(nèi)水資源的持續(xù)供應(yīng)，同時(shí)也對(duì)我國(guó)節(jié)水工程的實(shí)施起到了抑制作用[2]。

針對(duì)我國(guó)地下水位埋深動(dòng)態(tài)與影響因素的研究是十分有必要的，截至目前已有大量研究學(xué)者對(duì)此方面展開(kāi)了學(xué)術(shù)調(diào)查，并提出了影響地下水位埋深的主要因素為人為性因素，由于人類對(duì)自然資源與土地資源的掠奪，導(dǎo)致地下水的補(bǔ)給與供應(yīng)失去平衡，便會(huì)造成地下水位埋深發(fā)生變化[3]。并由相關(guān)研究者提出了應(yīng)用ArcGis軟件，對(duì)地下水位的時(shí)空變化進(jìn)行差異性分析。綜合研究成果可知，我國(guó)目前針對(duì)此方面的研究大多集中在對(duì)地下水位的時(shí)空靜止描述，缺少對(duì)地下水位埋深的動(dòng)態(tài)分析。因此本文將采用收集區(qū)域地下水相關(guān)資料的方式，對(duì)本文課題展開(kāi)深入的研究。

1 地下水位埋深動(dòng)態(tài)

1.1 基于Mann-Kendall法計(jì)算地下水位埋深方差

地下水位深度是感知地區(qū)水文地質(zhì)環(huán)境的關(guān)鍵，為了進(jìn)一步掌握地下水位埋深的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，本章引進(jìn)Mann-Kendall法(又被稱為趨勢(shì)檢測(cè)法)，對(duì)地下水位埋深方差展開(kāi)計(jì)算研究[4]。目前，此種方法是經(jīng)過(guò)專業(yè)認(rèn)證后，可實(shí)現(xiàn)排除外界相關(guān)因素對(duì)其檢驗(yàn)結(jié)果干擾的最直接檢測(cè)方法，相比其他檢測(cè)方法，Mann-Kendall更加適用于對(duì)地下水位埋深的計(jì)算[5]。在計(jì)算過(guò)程中，可將區(qū)域地下水統(tǒng)計(jì)量表示為Z，也可用Z表示為與時(shí)間相關(guān)序列水位變化數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)[6]。在結(jié)果統(tǒng)計(jì)過(guò)程中，假定Z>0，則表示地下水位埋深呈現(xiàn)上漲趨勢(shì)；假定Z<0，地下水位埋深呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；假定|Z|>或=2.32、1.64、1.28等數(shù)值，則代表對(duì)地下水位埋深的置信值為99.0%、95.0%、92.0%，在此種條件下，對(duì)數(shù)值的最終檢測(cè)結(jié)果可被認(rèn)定為具有顯著的價(jià)值性。

綜合上述分析，在數(shù)據(jù)理論分析的過(guò)程中，數(shù)據(jù)方差值是用于表示數(shù)據(jù)組或集群數(shù)據(jù)與期望值的偏差，因此對(duì)地下水位埋深可直接使用埋深方差表達(dá)[7]。當(dāng)?shù)叵滤宦裆罘讲钤礁?，表示控制?shù)據(jù)組變量的離散程度越高，證明地下水位埋深動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)越為顯著；當(dāng)?shù)叵滤宦裆罘讲钤叫?，表示控制?shù)據(jù)組變量的離散程度越低，證明地下水位埋深動(dòng)態(tài)變化無(wú)顯著趨勢(shì)[8]。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)不同區(qū)域地下水位埋深動(dòng)態(tài)波動(dòng)性的有效監(jiān)測(cè)，提出襯度系數(shù)表達(dá)方式，即將地下水位埋深不同埋深程度的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，并將不等值的埋深數(shù)據(jù)，按照一定形式轉(zhuǎn)換成對(duì)等形式的埋深數(shù)據(jù)。結(jié)合下述計(jì)算公式，對(duì)地下水位埋深的襯度系數(shù)進(jìn)行方差求解。公式表示為如下。

(1)

1.2 分析地下水位埋深動(dòng)態(tài)特征

綜合上述對(duì)地下水位埋深方差的計(jì)算，能夠看出地下水位埋深的動(dòng)態(tài)變化，基于水系統(tǒng)層面分析，在“量”層面具備明顯響應(yīng)，而這種響應(yīng)則直接體現(xiàn)在水位的埋深動(dòng)態(tài)特征層面。因此，結(jié)合地下水位的埋深動(dòng)態(tài)變化，使用Mann-Kendall法，對(duì)地下水位埋深動(dòng)態(tài)特征走向與趨勢(shì)進(jìn)行檢驗(yàn)。如圖1所示。

如上述圖1所示的大致趨勢(shì)，可看出地下水位在走向方面呈現(xiàn)一種基礎(chǔ)上升趨勢(shì)(其中僅C-17與C-16檢測(cè)點(diǎn)水位的變化不顯著)，其他變化呈現(xiàn)顯著性趨勢(shì)[9]。因此，綜合上述分析的研究，可知地下水位埋深動(dòng)態(tài)在逐個(gè)點(diǎn)呈現(xiàn)顯著趨勢(shì)，但隨著時(shí)間變化與推移，不同檢測(cè)點(diǎn)所呈現(xiàn)的變化趨勢(shì)是不同的，忽略相關(guān)因素對(duì)地下水位埋深動(dòng)態(tài)特征的影響，此種現(xiàn)象也在一定程度上反映了不同檢測(cè)點(diǎn)，群體活動(dòng)行為對(duì)于地下水位變化所展現(xiàn)的差異是不同的。

圖1 地下水位埋深動(dòng)態(tài)特征走向與趨勢(shì)

2 地下水位埋深影響因素分析

2.1 基于灰色關(guān)聯(lián)度分析地下水位埋深驅(qū)動(dòng)因素

在完成上述研究成果的基礎(chǔ)上，本文引進(jìn)灰色關(guān)聯(lián)度分析法，結(jié)合我國(guó)現(xiàn)下發(fā)行的非參數(shù)檢驗(yàn)方法，在降低或減少相關(guān)外界因素的基礎(chǔ)上，按照正態(tài)變化趨勢(shì)，對(duì)各個(gè)因子的特征進(jìn)行序列曲線差異分析。應(yīng)用此種方法分析地下水位埋深驅(qū)動(dòng)因素的優(yōu)勢(shì)為：無(wú)須檢測(cè)大量地下水位埋深數(shù)據(jù)作為依據(jù)與發(fā)展依據(jù)；不需要線性數(shù)值對(duì)數(shù)據(jù)分布規(guī)律進(jìn)行挖掘。并結(jié)合因子序列X1與X0在各處關(guān)聯(lián)點(diǎn)的關(guān)系，用γ0i表示，γ0i的取值在(0,1〗之間。在研究中，γ0i的數(shù)值越高，代表X1對(duì)X0的影響越大，反之，γ0i的數(shù)值越小，代表X1對(duì)X0的影響越小。因此，通常情況下，將γ0i=0.55作為接線，當(dāng)γ0i>0.55時(shí)，認(rèn)為提出的因素對(duì)于地下水位埋深具有顯著影響。

在研究過(guò)程中，將地下水位埋深潛水水位與水位沉壓作為X1與X0因素的母序列，在研究過(guò)程中，將區(qū)域降雨量、季度平均氣溫、水汽蒸發(fā)量、對(duì)區(qū)域地下水的開(kāi)采量、利用率等作為影響判斷結(jié)果的灰色關(guān)聯(lián)因素，對(duì)X1與X0的關(guān)系展開(kāi)關(guān)系分析。分析的序列如表1所示。

表1 基于灰色關(guān)聯(lián)度分析X1與X0關(guān)系

綜合上述表1中內(nèi)容，可看出，影響判斷結(jié)果的灰色關(guān)聯(lián)因素包括對(duì)地下水的利用量、開(kāi)采量等。因此可以認(rèn)為地下水位埋深驅(qū)動(dòng)因素與對(duì)地下水的利用量、開(kāi)采量等因素具有直接關(guān)系，而上述提出的兩點(diǎn)因素也均屬于人類社會(huì)行為，為此可表示地下水位埋深與人類社會(huì)活動(dòng)有直接關(guān)系。同時(shí)，在研究中發(fā)現(xiàn)區(qū)域地下水蒸發(fā)量、區(qū)域平均氣溫、降雨量等也會(huì)在一定程度上對(duì)地下水位埋深造成一定程度的影響。但產(chǎn)生的影響綜合效果較差，即影響因素中占比較低，無(wú)顯著影響。

綜合上述分析可知，地下水的利用量、開(kāi)采量等因素，對(duì)于地下水位埋深造成的影響是較為顯著的；地下水蒸發(fā)量、區(qū)域平均氣溫、降雨量，對(duì)于地下水位埋深造成的影響是可相對(duì)忽略不計(jì)的。但無(wú)論提出的任意一種因素，均會(huì)在某種程度上，對(duì)地下水位埋深造成影響。

2.2 分析地下水位埋深動(dòng)態(tài)響應(yīng)因素

除上述提出的內(nèi)容，在展開(kāi)對(duì)地下水位埋深動(dòng)態(tài)響應(yīng)因素的分析過(guò)程中，可同樣結(jié)合緊密度指標(biāo)，對(duì)各個(gè)影響因素之間的響應(yīng)程度展開(kāi)研究。并結(jié)合上文提出的計(jì)算公式，對(duì)襯度系數(shù)方差對(duì)因素進(jìn)行計(jì)算，此種分析方式的優(yōu)勢(shì)為：將數(shù)值波動(dòng)性放大。因此，通過(guò)上述分析，進(jìn)一步得出，當(dāng)埋深程度出現(xiàn)較大的改變時(shí)，則可將其認(rèn)為越容易受到周圍環(huán)境的干擾，并且隨著波動(dòng)幅度的增加，影響程度逐漸提升。

除此之外，通過(guò)對(duì)潛水井和盛水壓等區(qū)域的數(shù)據(jù)進(jìn)行全面分析，并結(jié)合襯度系數(shù)計(jì)算公式完成對(duì)埋深方差的計(jì)算，從整體上來(lái)看更大于潛水區(qū)域的埋深方差，通過(guò)計(jì)算得出承水壓時(shí)潛水埋深方差的5.368～6.956倍。這一數(shù)據(jù)結(jié)果又能夠進(jìn)一步說(shuō)明，承壓水位的埋深對(duì)于當(dāng)前變化環(huán)境的影響程度明顯大于潛水埋深，并呈現(xiàn)出更加明顯的波動(dòng)現(xiàn)象。同時(shí)，也進(jìn)一步說(shuō)明在研究區(qū)域當(dāng)中，人類在進(jìn)行各項(xiàng)活動(dòng)的過(guò)程中，其周圍地下位的埋深也會(huì)受到一定程度的影響。再進(jìn)一步對(duì)上述存在現(xiàn)象進(jìn)行分析，本文研究的區(qū)域當(dāng)中由于具有較大一部分的農(nóng)田面積，因此人類活動(dòng)頻繁發(fā)生，使得地下水位埋深的波動(dòng)又會(huì)進(jìn)一步受到內(nèi)在因素的影響。

同時(shí)，為了明確埋深的波動(dòng)與氣候環(huán)境和人類活動(dòng)的具體影響關(guān)系，再對(duì)被研究區(qū)域的氣候環(huán)境變化、人類活動(dòng)變化等趨勢(shì)對(duì)于地下水位埋深的動(dòng)態(tài)影響以及埋深響應(yīng)情況進(jìn)行研究，得出在研究區(qū)域當(dāng)中地下水位埋深對(duì)氣候變化以及人類活動(dòng)的響應(yīng)機(jī)制：當(dāng)氣候環(huán)境由濕冷向干熱趨勢(shì)轉(zhuǎn)變，地下水體系的天然補(bǔ)給量會(huì)隨之降低、排泄量會(huì)增加。當(dāng)人類活動(dòng)多樣并且更加劇烈時(shí)，地下水體系中降水入滲量會(huì)隨之減少。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)開(kāi)展地下水位埋深動(dòng)態(tài)與影響因素研究從多個(gè)方面綜合分析地下水位埋深波動(dòng)狀態(tài)及各項(xiàng)因素，在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，氣候變化和人類活動(dòng)是主要影響地下水埋深波動(dòng)的原因，在其雙重作用影響下，地下水體系將會(huì)發(fā)生巨大的改變，并且也會(huì)反作用到氣候環(huán)境和人類活動(dòng)當(dāng)中。同時(shí)，通過(guò)研究得出，被研究區(qū)域應(yīng)當(dāng)通過(guò)調(diào)整用水結(jié)構(gòu)的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)地下水位波動(dòng)控制，并實(shí)現(xiàn)對(duì)潛水利用率的提升。