許昌市地下水位動態(tài)變化及影響因素分析

劉曉博，王磊，劉力瑋

（華北水利水電大學(xué)測繪與地理信息學(xué)院，河南 鄭州 450046）

0 前言

地下水作為水資源的重要組成部分，是推動中國城鎮(zhèn)發(fā)展建設(shè)、提高廣大人民群眾的飲水安全、促進(jìn)生態(tài)環(huán)境良好改善的一個重要基礎(chǔ)性保障。地下水位的動態(tài)變化的主要原因在于外界各種環(huán)境因素對地下水系統(tǒng)的綜合影響，通過研究分析地下水位的動態(tài)變化特點，可以幫助了解當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件和人類活動對地下水系統(tǒng)的影響程度及其變化趨勢，也有助于人類正確認(rèn)識和理解自然界。地下水位是反映地下水動態(tài)的重要因素，能夠在空間上直接反映地下水資源的分布。隨著當(dāng)前社會經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步，人類對地下水資源的依賴性越來越強，地下水的利用量已經(jīng)大大超過了自然補給量，使地下水循環(huán)系統(tǒng)受到威脅，削弱了生態(tài)系統(tǒng)的抗干擾能力，威脅到區(qū)域的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展。因此，研究地下水埋深動態(tài)規(guī)律并分析其影響因素對于當(dāng)?shù)氐叵滤Y源可持續(xù)利用有至關(guān)重要的現(xiàn)實意義。

許昌市的地表水資源相對稀缺，地下水的綜合開發(fā)和利用彌補了地表水資源的短缺和不足，提高了各部門行業(yè)的供水保障率，為中國社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展提供了一個良好的基礎(chǔ)條件。然而，隨著城市的快速進(jìn)步與發(fā)展、人口急劇擴(kuò)張，人類社會對水資源的依賴程度越來越高，因此很多地區(qū)都出現(xiàn)了地下水超采的現(xiàn)象，基于這種現(xiàn)象，研究當(dāng)?shù)氐叵滤坏臅r空變化規(guī)律，對于了解當(dāng)?shù)氐牡叵滤Y源儲存總量、科學(xué)合理地開發(fā)地下水資源、發(fā)展區(qū)域經(jīng)濟(jì)有著重要的意義。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

許昌市位于河南省中部地區(qū)（113°03′E～114°19′E，33°42′N～34°24'N）。全市地形西高東低，以平原地區(qū)為主，摻雜山地、丘陵和崗地，分別占全市總面積的72.80%、10.40%、16.80%，地處從山地通過丘陵和崗地到平原的過渡地帶；地處第四系松散巖系地層，地下水的儲藏、富水程度受地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性和補給方式等的制約；許昌市屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，全市降水由北向南遞增，多年平均降雨量為701.10 mm，受境內(nèi)河流和季風(fēng)的影響，降水量的年際變動較大，境內(nèi)河流的豐水期與枯水期水量最高之間相差2.50倍，年降水量的變異系數(shù)CV值為0.30，降雨集中在汛期6-9月份（夏季和初秋），占全年累計降雨量的62%以上，蒸發(fā)能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了降雨，屬于偏干旱區(qū)，多年平均水面蒸發(fā)量（913.30 mm）大于降水。

此次地下水位時空動態(tài)變化規(guī)律的研究是基于許昌市水文水資源局提供的1980-2018年46口水井的地下水位觀測數(shù)據(jù)開展進(jìn)行的，水井位置的分布涵蓋了全市所轄5 個縣域，水井位置分布見圖1。

圖1 觀測井位置分布圖

2 地下水水位的時空變化規(guī)律

2.1 地下水水位的時間變化規(guī)律

取46 口井的年平均地下水位繪制許昌市1980-2018 年地下水位變化圖，從圖2 可以看出，許昌市地下水位呈波蕩起伏的趨勢，整體上經(jīng)歷了三個上升階段和三個下降階段，第一個上升階段是1980-1983年，上升率為1.34%，但上升率相對來說較??；第二個上升階段是1985-1995年，上升率為99.94%，上升率大且上升時期持續(xù)時間最長；第三個上升階段為2013-2014年，上升率為76.61%且上升時期持續(xù)時間最短，此階段時間間隔為一年，視為地下水位驟升現(xiàn)象，初步分析與2014年南水北調(diào)中線工程通水有關(guān)，南水北調(diào)中線工程分配許昌市水量為2.26×104m3，一定程度上緩解了許昌市的供水壓力，從而使得許昌市地下水位有所上升。在1985年許昌市地下水位達(dá)到歷史最低，最低值為5.17 m，而隨后十年開始回升，至1995年，地下水位上升到10.33 m，達(dá)到歷史最高。

圖2 許昌市1980-2018年地下水位變化圖

利用Mann-Kendall秩相關(guān)檢驗法對許昌市地下水年際變化進(jìn)行進(jìn)趨勢分析和突變狀況檢驗，結(jié)果表明：地下水位UFk和UBk曲線大部分處于α=0.05顯著水平線之間，說明其變化不顯著。UFk曲線在1980-1993年小于0，說明這段時間地下水位呈下降趨勢，UFk曲線在1994-2005 年大于0，說明這段時間地下水位呈上升趨勢，其他時間UFk曲線小于0，說明地下水位呈下降趨勢。UFk曲線在研究期內(nèi)頻繁與UBk曲線在顯著水平線內(nèi)相交，說明許昌市地下水位在1980年、1992年和2003年都有突變點出現(xiàn)且均通過了顯著性檢驗。利用小波進(jìn)行周期分析，通過小波分析表明，許昌市地下水波動無明顯的周期性現(xiàn)象，如圖3。

圖3 許昌市1980-2018年地下水位M-K曲線圖

2.2 地下水水位的空間變化規(guī)律

地下水觀測井是一群離散性的空間分布點，因此針對數(shù)據(jù)的離散性，采用空間插值法來探索地下水位的空間變化特征，其中的統(tǒng)計學(xué)理論中的克里金插值法是一種被廣泛使用的內(nèi)插法。選用研究區(qū)1980-2018年地下水的年平均埋深數(shù)據(jù)，利用Kriging插值法對46眼監(jiān)測井地下水位值的數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值，在GIS 中進(jìn)行空間表達(dá)，得到1980 年、2000 年、2010 年、2012年、2014年、2016年、2018年地下水位分布圖。

從圖4 中可以看出，1980-2018 年許昌市地下水埋深整體表現(xiàn)出由西北向東南方向，地下水埋深越來越淺，大部分區(qū)域的地下水埋深在8.79 m以下，只有禹州市的地下水埋深基本上處于8.79～14.62 m 之間，在空間上出現(xiàn)漏斗狀。1980-2018 以來，禹州市是許昌市地下水埋深最深的地區(qū)，1980-2010 年禹州市地下水埋深值在7～11.34 m 之間且呈現(xiàn)較小面積的漏斗狀，2012-2018 年禹州市大部分地區(qū)的地下水埋深值在7.81～13.17 m之間且漏斗狀面積較大，2016年禹州市地下水埋深值在10.93～14.62 m 之間的面積增大，但漏斗狀面積較小且地下水埋深最深值達(dá)到歷年來最大值，為14.62 m；1980年許昌市地下水位埋深最淺的為襄城東南地區(qū)和鄢陵南部地區(qū)，地下水埋深最淺值為3.08 m，1990-2010年間襄城縣是許昌市地下水埋深最淺的地區(qū)，此期間地下水埋深最淺值為3.51 m，2012-2018年，襄城東南和鄢陵南部地區(qū)成為地下水埋深最淺的區(qū)域，地下水埋深最淺值達(dá)到最小，為2.17 m，且鄢陵縣地下水埋深淺值區(qū)的面積較襄城縣地下水位低值區(qū)的面積大。1980-2018年間，長葛市和建安區(qū)地下水埋深處于中間值區(qū)域，1980-2010年間長葛西部地區(qū)和建安區(qū)西北地下水埋深處于中高值區(qū)域，2012-2014 年長葛西部地區(qū)和建安區(qū)西北地下水埋深由中高值區(qū)變?yōu)橹兄祬^(qū)，而2016-2018年長葛西部地區(qū)和建安區(qū)西北地下水埋深由中值區(qū)又轉(zhuǎn)變?yōu)橹懈咧祬^(qū)。

圖4 地下水位時空分布圖

3 地下水水位影響因素

3.1 自然因素影響

大氣降水是地下水的主要補給來源，其多年的變化規(guī)律，會導(dǎo)致地下水位發(fā)生相應(yīng)的變化。許昌市降水具有年內(nèi)分配不均且年際變化大的特點，該研究對1980-2018 年許昌市降水總量進(jìn)行分析，該市最大的一次降水出現(xiàn)在1984 年，為1 095 mm，最小一次降水出現(xiàn)在2013 年，為467 mm，相差2 倍多；39 年來，許昌市降水量總體上呈現(xiàn)減少趨勢，2000-2012年降水量略有回升，2000-2018 年平均降水量690 mm，略高于39 年平均值680 mm，其中2012 年、2013 年和2015 年為枯水年，降水量分別為476 mm、467 mm 和487 mm。2000、2013年為豐水年，降水量均為1 000 mm。降水量的年際變化規(guī)律會影響地下水位動態(tài)規(guī)律，降雨對地下水位的影響具有主導(dǎo)作用，降雨量的大小、降雨強度對地下水位埋深均會產(chǎn)生顯著影響，許昌市地下水位的變化和降水量在時間上的變化基本相一致，但是在一段時間內(nèi)會稍微有些滯后。分析許昌市1980-2018 年年際降水量及地下水位變化情況，由圖5 可以看出，1984 年降水量最大，1985 年地下水位最低，1992-1994 年降水量較小，1995 年地下水位較高，2003-2006 年降水量較多，地下水位有所下降，2011-2013 年連續(xù)3 年降水量都非常少，2014年地下水位開始升高。

圖5 降水量與許昌市地下水位年際變化圖

水文因素對地下水位動態(tài)的影響，河流對地下水位動態(tài)的影響最大，當(dāng)河水下滲補給地下水導(dǎo)致地下水位抬升時，其受到影響的程度隨著距離的增大而減弱，而影響的滯后期則隨距離的增大而逐漸延長。潁河、清潩河是該市的兩條主要河流，是該市地表主要的灌溉水源，該市多年平均地表徑流量為3.37×104m3，此次分析中這兩條河流對該市地下水位的影響較小，因此不予考慮。

3.2 人類活動影響

由于許昌市的地表水資源非常匱乏，因此該市的供水水源主要來自地下水。許昌市的淺層、深層地下水開采量分別為2 764.63 萬m3/a、2 157.18 萬m3/a，淺層地下水的多年平均開采量高于深層地下水。多年來由于該市對地下水的利用和開采強度過高，使得該市大面積的地下水水位下降，逐漸形成了降落漏斗，漏斗面積年平均達(dá)67 km2，隨著時間的推進(jìn)，許昌市降落漏斗面積逐年擴(kuò)大，至2018年許昌市的降落漏斗面積達(dá)160 km2，是該市年平均漏斗面積的2 倍多。地下水降落漏斗可能會產(chǎn)生地質(zhì)災(zāi)害，如發(fā)生地面沉降、地裂痕、誘發(fā)滑坡等，因此要科學(xué)合理地開采地下水資源。

4 結(jié)論

研究利用許昌市1980-2018年觀測井水位監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制地下水位隨時間變化的動態(tài)曲線、突變特征以及地下水位的空間分布圖，分析地下水位時空動態(tài)變化規(guī)律以及地下水位的影響因素。得到的主要結(jié)論如下：多年來，許昌市地下水位總體呈波蕩起伏的趨勢，動蕩幅度較大且未呈現(xiàn)出明顯的周期性；許昌市地下水位動態(tài)規(guī)律隨著空間分布的變化而有明顯的差異，許昌市整體表現(xiàn)出地下水埋深從西北向東南方向越來越淺的態(tài)勢；許昌市地下水位動態(tài)主要是由降水狀況和地下水過度開采所造成，水文因素對該市的地下水位動態(tài)影響較小。

研究選取46口井研究整個許昌市地區(qū)地下水變化規(guī)律，建議在后期研究的過程中補充更多監(jiān)測點，能夠更加綜合地反映地下水位動態(tài)特性。在深入研究水位動態(tài)影響因素的過程中，研究僅分析了人工開采、大氣降水以及水文因素對地下水位動態(tài)的影響，地下水動態(tài)變化是對外界各個影響因子的一種綜合反應(yīng)，建議在之后的研究中增加多因素對地下水位變化影響的探討。