長(zhǎng)治盆地淺層地下水位動(dòng)態(tài)分析

牛二偉

摘?要：地下水位控制與水量控制關(guān)系十分密切，針對(duì)地下水水量-水位雙控管理，以長(zhǎng)治盆地為研究對(duì)象，分析降水量、地下水位動(dòng)態(tài)變化規(guī)律及其影響因素，通過(guò)建立的3種地下水?dāng)?shù)理統(tǒng)計(jì)模型，運(yùn)用水均衡法進(jìn)行水位變幅校核，結(jié)果表明：長(zhǎng)治盆地地下水屬于采補(bǔ)均衡區(qū)，降水是當(dāng)年地下水位變幅的主要影響因子，而當(dāng)年開(kāi)采量可能對(duì)下一年地下水位變化有影響，將地下水位變幅作為因變量的數(shù)理統(tǒng)計(jì)模型更加合理;根據(jù)淺層地下水非超采區(qū)水位控制標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)長(zhǎng)治盆地豐水年地下水位年變幅ΔH≥0.97 m，平水年地下水位年變幅ΔH≈0 m，枯水年地下水位年變幅ΔH≤0.83 m時(shí)，可以滿(mǎn)足該盆地淺層地下水采補(bǔ)均衡的要求。

關(guān)鍵詞：降水量;地下水;數(shù)理統(tǒng)計(jì)模型;水均衡法;水位控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TV211.1+2;X523;P641.11?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.05.021

Abstract： Taking the Changzhi Basin as the research object， this paper analyzed the precipitation， the dynamic change law of groundwater and the influencing factors and combined the controlled groundwater level and the exploitable groundwater， through different data processing methods， three kinds of mathematical statistical models of groundwater were established and the accuracy of water balance method was checked. The results show that the groundwater exploitation in the Changzhi Basin is still in the equilibrium zone of exploitation and recharge， precipitation is the main factor affecting the variation of groundwater level in that year and the amount of exploitation in that year may have an effect on the variation of groundwater level in the next year. It is more reasonable to take the variation amplitude of groundwater level as dependent variable. According to the water level control standard of the non-overdrawn area of shallow groundwater， the annual variation amplitude of enough water in the Changzhi Basin is ≥0.97 m， the annual variation amplitude of plain water is ≈0 m and the annual variation amplitude of dry water is ≤0.83 m.

Key words： precipitation; groundwater; mathematical statistical model; water equalization; water level control

長(zhǎng)治盆地屬于水資源比較匱乏的地區(qū)之一，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，用水需求不斷增加，水資源供需矛盾日益突顯，已成為制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人民生活水平提高的重要因素，而且受地下水超采影響，出現(xiàn)了地面沉降、巖溶塌陷、地下水體污染等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。隨著最嚴(yán)格水資源管理制度的逐步實(shí)施與完善，僅利用地下水可開(kāi)采量這一指標(biāo)控制指導(dǎo)地下水資源的開(kāi)發(fā)利用，可能存在忽視局部地區(qū)與整體開(kāi)采程度不同的情況，并且開(kāi)采量作為后評(píng)價(jià)指標(biāo)，受用水統(tǒng)計(jì)水平較低、監(jiān)測(cè)手段不完善等因素限制，無(wú)法定量考核水管部門(mén)實(shí)施取水總量控制的績(jī)效，很難進(jìn)行取水量量化管理。因此，應(yīng)通過(guò)分析研究地下水位動(dòng)態(tài)變化規(guī)律及影響因素，根據(jù)長(zhǎng)治市地下水開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀及用水需求，通過(guò)地下水位、水量雙重指標(biāo)控制地下水開(kāi)采[1]。

地下水位控制與水量控制具有十分密切的關(guān)系。近年來(lái)國(guó)外對(duì)于地下水水量-水位雙控管理的研究較少，有關(guān)地下水水量和水位控制的研究大多是圍繞地下水管理模型的研究展開(kāi)的[2]。國(guó)內(nèi)隨著最嚴(yán)格水資源管理制度的逐步實(shí)施與完善，許多學(xué)者對(duì)地下水水量—水位雙控管理展開(kāi)研究，其研究方法主要有動(dòng)態(tài)資料分析法、水量均衡法、數(shù)值模擬法。劉克巖等[3]提出了基于地下水位年變幅的地下水用水總量控制評(píng)估指標(biāo)與方法;許一川[4]基于水量均衡原理，建立了水位控制和水量控制之間的聯(lián)系，完成了雙控管理模式的方法構(gòu)建;趙孟哲[5]基于水量均衡原理，分析了地下水均衡狀態(tài)與水位變化、開(kāi)采總量與地下水位之間的內(nèi)在關(guān)系，通過(guò)構(gòu)建灌區(qū)地下水均衡模型，以各水文地質(zhì)分區(qū)為計(jì)算單元，進(jìn)行了地下水開(kāi)發(fā)利用程度評(píng)價(jià);王曉瑋[6]提出了長(zhǎng)期和年度動(dòng)態(tài)地下水水量-水位雙控指標(biāo)的概念，將地下水流數(shù)值模型的替代模型作為地下水管理指標(biāo)確定的直接工具，使得地下水雙控管理更具有科學(xué)性和可操作性。

1?研究區(qū)概況

長(zhǎng)治盆地位于山西省東南部、太行山西麓，北與文王山毗鄰，東與太行山接壤，西與太岳山為鄰，南與羊頭山搭界，盆地面積1 169 km2。盆地屬暖溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均降水量為574.7 mm，多年平均蒸發(fā)能力為1 028.2 mm。長(zhǎng)治盆地是太行山西部的斷陷盆地之一，東臨太行山前斷裂，其余三面為低山丘陵，沉降幅度小且緩慢，粗顆粒沉積少而薄，盆地地形東、南、西高，中北低，地勢(shì)由東南向西北傾斜，自然形成邊山丘陵、山前傾斜、沖洪積平原等典型地貌特征。濁漳河南源流經(jīng)盆地，西部支流較發(fā)育，主要支流有絳河、嵐水河、陶清河、石子河。

盆地自上而下主要含水層巖組包括松散巖類(lèi)含水巖組、碎屑巖類(lèi)裂隙含水巖組、碎屑巖夾碳酸鹽巖類(lèi)含水巖組、碳酸鹽巖類(lèi)巖溶裂隙含水巖組。主要隔水層：石炭系中統(tǒng)隔水層，巖性為鋁質(zhì)泥巖等，透水性差;碎屑巖層間隔水層，由具塑性的泥巖組成，呈帶狀分布于碎屑巖各砂巖含水層之間，使各含水層間的垂向水力聯(lián)系被阻;第三系上新統(tǒng)隔水層，巖性為黏土，厚0～30 m;第四系下更新統(tǒng)隔水層，巖性為棕紅、紫紅、黃綠、土黃黏土，厚10～52 m。在新生代斷陷盆地的長(zhǎng)治盆地，地下水補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水垂直入滲補(bǔ)給、山前側(cè)向補(bǔ)給、地表水滲漏補(bǔ)給、松散巖類(lèi)孔隙水總的徑流趨勢(shì)：由四周向盆地中心、由上游向下游流動(dòng)，地下水由盆地東、南、西向漳澤水庫(kù)匯流。人工開(kāi)采和潛水蒸發(fā)為盆地主要排泄方式。

2?降水量分析

2.1?降水量年際變化

對(duì)長(zhǎng)治盆地代表站1980—2018年降水系列值采用皮爾遜Ⅲ型頻率曲線進(jìn)行適線頻率分析，其中偏態(tài)系數(shù)CS與變差系數(shù)CV之比為2.0，其年降水量統(tǒng)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1，其中最大降水量出現(xiàn)在2003年，最小降水量出現(xiàn)在1997年。年際變化情況及特征：?jiǎn)握灸杲邓緾V為0.20～0.24，最小為潞州區(qū)五里后雨量站，最大為屯留區(qū)西河北雨量站。分析時(shí)段內(nèi)，單站最大、最小年降水量極值比為2.42～3.87，屯留區(qū)西河北雨量站極值比為3.87，長(zhǎng)治站極值比為3.16。CV值變化較大，說(shuō)明長(zhǎng)治盆地年降水量具有明顯的連豐連枯現(xiàn)象。

通常用頻率分析法確定降水量的豐枯程度?，F(xiàn)對(duì)長(zhǎng)治盆地年降水量進(jìn)行豐枯等級(jí)劃分，結(jié)果及相對(duì)應(yīng)的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

2.2?降水量的年內(nèi)分配

采用代表站典型年逐月降水量說(shuō)明長(zhǎng)治盆地降水量年內(nèi)分配特征，長(zhǎng)治盆地典型年降水量月分配見(jiàn)表3。從長(zhǎng)治盆地多年實(shí)測(cè)月平均值來(lái)看，降水量年內(nèi)分配呈單峰型，且降水量連續(xù)最大的4個(gè)月基本為6—9月;汛期降水量多集中于7—8月，12月至次年3月是降水量最少的時(shí)期;降水量年內(nèi)分配，各年之間存在較大差異。

3?地下水位動(dòng)態(tài)變化特征及分析

3.1?地下水位年內(nèi)變化特征

長(zhǎng)治盆地地下水資源可分為邊山（丘陵）區(qū)、傾斜平原區(qū)、沖洪積平原區(qū)。通過(guò)收集2014—2018年各分區(qū)代表監(jiān)測(cè)井水位資料及周邊代表雨量站降水資料（見(jiàn)表4），分析長(zhǎng)治盆地地下水位年內(nèi)變化特征。降水作為長(zhǎng)治盆地地下水主要補(bǔ)給來(lái)源，是影響地下水位的主要因素。不同地區(qū)因工業(yè)化、農(nóng)業(yè)灌溉方式不同，地下水開(kāi)采量不同，因此地下水位因不同季節(jié)、不同地區(qū)開(kāi)采量不同而呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律。結(jié)合研究區(qū)水文地質(zhì)、地形地貌特征，根據(jù)長(zhǎng)治盆地地下水動(dòng)態(tài)變化影響因素，把地下水動(dòng)態(tài)類(lèi)型劃分為入滲-徑流型、入滲-開(kāi)采-徑流型、入滲-蒸發(fā)型3種。

（1）邊山（丘陵）區(qū)。屯留、長(zhǎng)子北部屬于邊山（丘陵）區(qū)，以屯留東關(guān)、長(zhǎng)子北部東萬(wàn)戶(hù)監(jiān)測(cè)井為例，補(bǔ)給來(lái)源主要是大氣降水和側(cè)向徑流。6—9月，受春夏季農(nóng)業(yè)灌溉用水影響，地下水開(kāi)采規(guī)模增大，出現(xiàn)低水位;10月及以后，受降水及側(cè)向徑流補(bǔ)給水位開(kāi)始回升，1月水位上升至最高。年內(nèi)水位變幅不大于1.0 m，地下水動(dòng)態(tài)類(lèi)型為入滲-徑流型。

（2）傾斜平原區(qū)。傾斜平原區(qū)主要分布在長(zhǎng)治盆地西南部長(zhǎng)子縣、上黨區(qū)一帶，是農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)用水的地下水集中開(kāi)采區(qū)。大氣降水和山前側(cè)向補(bǔ)給是地下水主要補(bǔ)給來(lái)源，除此之外，還接收地表水入滲補(bǔ)給，開(kāi)采和徑流是主要排泄方式。地下水位變幅受地下水開(kāi)采、降水等因素共同影響，隨著開(kāi)采量增多，枯水季節(jié)地下水位降低，汛期之后開(kāi)始緩慢回升，地下水動(dòng)態(tài)類(lèi)型為入滲-開(kāi)采-徑流型。

（3）沖洪積平原區(qū)。該區(qū)地下水動(dòng)態(tài)主要受大氣降水、灌溉和潛水蒸發(fā)影響，開(kāi)采量少，水位年內(nèi)變幅小于0.6 m，地下水動(dòng)態(tài)類(lèi)型為入滲-蒸發(fā)型。

3.2?地下水位年際變化特征

根據(jù)2000年初至2018年末水位動(dòng)態(tài)資料分析計(jì)算，長(zhǎng)治盆地淺層地下水位變化不大，整體呈上升趨勢(shì)，平均上升速率為0.16 m/a，處于穩(wěn)定上升狀態(tài)，其中：上升區(qū)面積273.9 km2，占研究區(qū)面積的23.4%，平均上升0.86 m;下降區(qū)面積189.0 km2，占研究區(qū)面積的16.2%，平均下降0.54 m;穩(wěn)定區(qū)面積706.1 km2，占研究區(qū)面積的60.4%，平均變幅-0.04 m。

2000—2018年地下水位變幅與年降水量、年開(kāi)采量變化情況見(jiàn)表5。分析可知，長(zhǎng)治盆地地下水位變幅受降水量影響較大。2003年降水量為974.5 mm，地下水位上升3.06 m;2008—2010年，降水量持續(xù)偏小，均小于500 mm，地下水位連續(xù)下降;2013年降水量690.4 mm，地下水位上升1.63 m。長(zhǎng)治盆地地下水位變幅受開(kāi)采量影響，2003年長(zhǎng)治盆地淺層地下水開(kāi)采量?jī)H6 079萬(wàn)m3，地下水位上升3.06 m。2011—2013年地下水開(kāi)采量較多，當(dāng)年地下水位并沒(méi)有大幅下降，2014年、2015年地下水開(kāi)采量減少但出現(xiàn)了地下水位下降現(xiàn)象，說(shuō)明降雨是地下水位變化的主要影響因子。

4?地下水位模型建立

通過(guò)已收集長(zhǎng)治盆地2000—2018年降水量、補(bǔ)給量、淺層地下水位、實(shí)際開(kāi)采量等數(shù)據(jù)，建立長(zhǎng)治盆地淺層地下水統(tǒng)計(jì)模型，利用統(tǒng)計(jì)模型[7]計(jì)算地下水位，同時(shí)利用水均衡法[8-10]進(jìn)行精度校核。

4.1?數(shù)理統(tǒng)計(jì)模型

數(shù)理統(tǒng)計(jì)模型形式為

式中：A、B、C、D、E為模型系數(shù);Hbnm為年末平均水位，m;Hsnm為上年末平均水位，m;Psnp為上年降水量，mm;Pbnp為本年降水量，mm;Q為年開(kāi)采量，萬(wàn)m3。

根據(jù)2000—2018年水位、降水資料，運(yùn)用回歸分析法求得模型系數(shù)，建立長(zhǎng)治盆地淺層地下水位統(tǒng)計(jì)模型。模型建立在原始模型基礎(chǔ)上，為選取最優(yōu)模型，對(duì)數(shù)據(jù)及參數(shù)進(jìn)行了以下3種方式的處理：將降水量、水位數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理;將降水量、水位數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理;將地下水位變幅作為因變量，即地下水位變幅ΔH=APsnp+BPbnp+CQ+D。經(jīng)分析計(jì)算，對(duì)應(yīng)以上3種處理方法分別建立數(shù)理統(tǒng)計(jì)模型。

模型1，將降水量、水位進(jìn)行歸一化處理后的模型：

模型2，將降水量、水位進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后的模型：

模型3，將地下水位變幅作為因變量的模型：

各模型地下水位模擬結(jié)果見(jiàn)圖1、圖2。

4.2?水均衡法分析

（1）水均衡法原理和計(jì)算方法。將長(zhǎng)治盆地作為研究區(qū)域，則1 a內(nèi)地下水水量平衡方程為

式中：W可開(kāi)為年可開(kāi)采地下水資源量;W實(shí)開(kāi)為年實(shí)際開(kāi)采地下水資源量;ΔW為地下水蓄水變量。

根據(jù)長(zhǎng)治盆地水文地質(zhì)條件及多年開(kāi)發(fā)利用狀況，其開(kāi)采系數(shù)小于1，即

式中：W總補(bǔ)為地下水年補(bǔ)給量;α為地下水可開(kāi)采系數(shù)。

將式（6）代入式（5）得：

式中：μ為地下水變幅帶給水度;F為研究區(qū)面積。

將式（8）代入式（7）得：

利用已收集到的2000—2018年地下水實(shí)際開(kāi)采量和地下水位動(dòng)態(tài)資料，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)初設(shè)水文地質(zhì)參數(shù)——給水度μ和可開(kāi)采系數(shù)α，根據(jù)式（9）計(jì)算每年的均衡開(kāi)采量W均衡開(kāi)采量，并反推地下水位變幅ΔH計(jì)。將反推地下水位變幅ΔH計(jì)與逐年實(shí)測(cè)地下水位變幅ΔH實(shí)進(jìn)行模擬，反復(fù)計(jì)算，若地下水位變幅擬合較好，則可以確定水文地質(zhì)參數(shù)給水度μ和可開(kāi)采系數(shù)α。

（2）均衡開(kāi)采量計(jì)算結(jié)果及參數(shù)確定。根據(jù)長(zhǎng)治盆地2000—2018年的開(kāi)采量、地下水位動(dòng)態(tài)資料，按照上述方法計(jì)算得到可開(kāi)采系數(shù)為0.76、給水度為0.035，逐年地下水均衡開(kāi)采量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6，擬合結(jié)果見(jiàn)圖3。

（3）降水量與均衡開(kāi)采量的關(guān)系。為確定長(zhǎng)治盆地不同水平年的均衡開(kāi)采量，建立當(dāng)年降水量以及考慮前一年降水影響的降水量與淺層地下水均衡開(kāi)采量的關(guān)系，見(jiàn)圖4。由圖4可知，考慮前期降水影響的降水量與均衡開(kāi)采量的確定系數(shù)為0.898，不考慮前期降水影響的降水量與均衡開(kāi)采量的確定系數(shù)為0.840，考慮前期降水影響相關(guān)關(guān)系更好，但兩者確定系數(shù)相差不大，為了不同水平年均衡開(kāi)采量確定更方便，最終采用當(dāng)年降水量與均衡開(kāi)采量建立的關(guān)系：

（4）利用水均衡法校核數(shù)理統(tǒng)計(jì)模型。將降水量P和已求得均衡開(kāi)采量W均衡開(kāi)采量分別代入3個(gè)數(shù)理統(tǒng)計(jì)模型，使多年地下水位變幅ΔH≈0，校核結(jié)果見(jiàn)表7。由校核結(jié)果可知，模型3，即以水位變幅為因變量建立的數(shù)理統(tǒng)計(jì)模型的模擬效果最好，多年地下水位變幅ΔH最小。因此，最終數(shù)理統(tǒng)計(jì)模型采用模型3。

5?長(zhǎng)治盆地淺層地下水位控制指標(biāo)

長(zhǎng)治盆地目前屬于非超采區(qū)，因此水位控制標(biāo)準(zhǔn)采用非超采區(qū)標(biāo)準(zhǔn)：Ⅰ豐水年水位差>0;Ⅱ平水年水位差≈0;Ⅲ枯水年水位差絕對(duì)值不大于豐水年水位差。以年降水量頻率12.5%、50%、87.5%為豐、平、枯代表水平年頻率，通過(guò)已建立的降水量與均衡開(kāi)采量關(guān)系，計(jì)算長(zhǎng)治盆地豐、平、枯水年的均衡開(kāi)采量，按照非超采區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，確定開(kāi)采量控制標(biāo)準(zhǔn)，并換算成水位變幅指標(biāo)。

由分析結(jié)果可知：豐水年上年末水位為927.95 m，當(dāng)長(zhǎng)治盆地豐水年降水量為664 mm、開(kāi)采量控制不超過(guò)7 500萬(wàn)m3時(shí)，水位將上升0.97 m，下年應(yīng)控制水位不低于928.92 m;當(dāng)平水年降水量為529 mm、開(kāi)采量控制不超過(guò)8 700萬(wàn)m3時(shí)，水位將上升0.03 m，下年應(yīng)控制水位不低于927.98 m;當(dāng)枯水年降水量為413 mm、開(kāi)采量控制不超過(guò)9 702萬(wàn)m3時(shí)，水位將下降0.83 m，下年應(yīng)控制水位不低于927.12 m。為使長(zhǎng)治盆地淺層地下水不超采，多年水位變幅ΔH≈0，最終確定長(zhǎng)治盆地淺層地下水不同水平年水位控制標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表8。

6?結(jié)?論

長(zhǎng)治盆地地下水屬于采補(bǔ)均衡區(qū)，農(nóng)業(yè)是地下水取用水量的大戶(hù)。通過(guò)對(duì)長(zhǎng)治盆地2000—2018年地下水位動(dòng)態(tài)分析，盆地地下水位年內(nèi)、年際動(dòng)態(tài)變幅與降水量、開(kāi)采量有直接關(guān)系，降水是當(dāng)年地下水位變化的主要影響因子，而當(dāng)年開(kāi)采量可能對(duì)下一年地下水位變化有影響。根據(jù)2000—2018年年末水位動(dòng)態(tài)資料分析計(jì)算，長(zhǎng)治盆地淺層地下水位呈上升趨勢(shì)，平均上升速率為0.16 m/a，處于穩(wěn)定上升狀態(tài)。根據(jù)淺層地下水非超采區(qū)水位控制標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)長(zhǎng)治盆地豐水年地下水位年變幅ΔH≥0.97 m，平水年地下水位年變幅ΔH≈0 m，枯水年地下水位年變幅ΔH≤0.83 m時(shí)，可以滿(mǎn)足該盆地淺層地下水采補(bǔ)均衡的要求。

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[10]?劉波，劉革，束龍倉(cāng).淺層地下水安全開(kāi)采動(dòng)態(tài)控制水位確定[J].水電能源科學(xué)，2014，32（10）：63-66.

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