三江平原典型區(qū)地下水流場變化及主要影響因素分析

束龍倉，徐麗麗，袁亞杰，呂 巖，魯程鵬，劉 波

（1.河海大學 水文水資源學院，江蘇 南京 210098；2.河海大學 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210098；3.黑龍江省水文水資源中心，黑龍江 哈爾濱 150001；4.黑龍江省佳木斯水文水資源中心，黑龍江 佳木斯 154002）

1 研究背景

三江平原土壤肥沃，是我國九大商品糧生產(chǎn)基地之一。其所屬的三江盆地屬于一個大型地下水匯水盆地，地下水在重力勢能驅動下，由山前地帶高勢能區(qū)向黑龍江河谷的低勢能區(qū)運動，進而形成三江平原區(qū)域地下水流動系統(tǒng)。1980年代前，三江平原地下水開發(fā)利用程度較低，地下水流場處于天然狀態(tài)，地下水位的年際變化與降水及地表水的年際變化相似［1］。但隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展及水田范圍的不斷擴大，地下水開采尤其是農(nóng)田灌溉用水大幅增加，人工開采的影響日趨明顯［2］。

三江平原地下水開發(fā)利用引發(fā)的問題一直備受關注。郭龍珠［3］應用偏最小二乘法研究了三江平原寶清縣地下水位動態(tài)變化規(guī)律，并建立地下水位動態(tài)模型分析了地下水位變化的轉折點；Yang等［4］采用自適應神經(jīng)模糊推導系統(tǒng)對建三江地區(qū)勝利農(nóng)場的水位進行了分析和預測；劉東等［5-6］采用分形理論與小波理論有機結合方法、近似熵方法對建三江分局地下水埋深序列復雜性進行測度分析；危潤初等［7］采用雙向回歸突變分析方法研究了黑龍江建三江地區(qū)（1992—2011）地下水埋深序列的趨勢突變點；劉偉朋等［8］分析了三江平原地下水流場時空演化特征，并提到不同因素對地下水位會產(chǎn)生的影響；束龍倉等［9］對三江平原典型區(qū)地下水與河流代表性河段河水之間水量交換的時空變化規(guī)律進行了深入分析。雖然目前已有一些學者對三江平原地下水位、流場變化問題進行了相關研究，但對該區(qū)地下水位下降幅度及是否處于超采狀態(tài)結論不一［10］。一些學者研究顯示三江平原由于灌溉用水增多，部分區(qū)域地下水位大幅下降，出現(xiàn)地下水超采問題［8］，甚至有研究表明有些區(qū)域出現(xiàn)嚴重的地下水降落漏斗，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活用水構成了威脅［11-12］。另一些研究則表明整個三江平原的潛水區(qū)可判斷為無超采，還有一定的開采潛力［13-14］，甚至發(fā)現(xiàn)2005—2010年間三江平原地下水位沒有明顯的下降，僅是隨著降雨的豐平枯年份動態(tài)變化［15］。不同學者對于引起研究區(qū)地下水位變化的主要原因也沒有一致結論，王韶華等［16］通過分析得出1997—2002年三江平原地區(qū)地下水位下降是由大規(guī)模種植水稻、大量開采地下水所引起；趙孟芹等［17］對一些代表性區(qū)域地下水位動態(tài)進行了分析，認為氣候因素對地下水位變化起到了決定性的作用；劉東等［5-6］則研究認為地下水開采是影響地下水位動態(tài)變化的關鍵因素。

綜上，受時間、資料等限制，目前對三江平原地下水流場變化情況和主要影響因素還未能得出統(tǒng)一定論。此外，已有對三江平原地下水位變化原因的研究僅僅是停留在定性分析層面，不同影響因素對地下水位的影響程度有待進一步研究揭示。交叉小波變換能夠有效診斷不同信號間的相關性、時延性和相位結構，適宜于分析地下水位和各影響因素間的時延相關特征和時頻相位關系。在交叉小波分析得出時頻相位關系的基礎上，輔以皮爾遜相關分析，能夠較好地研究各影響因素對地下水位的影響。灰色關聯(lián)度分析可以用來分析兩個因素之間的關聯(lián)程度，可以定量比較各影響因素對地下水位影響程度的相對大小。為此，本文選取三江平原典型區(qū)域作為研究區(qū)，進一步探明2001—2019年地下水流場變化情況，并分析地下水位變化的空間差異?；诘叵滤蛔兓臻g差異選取代表性站點，采用交叉小波分析、皮爾遜相關分析及灰色關聯(lián)度分析等方法，研究了降水及地下水開采這兩大主要影響因素對不同區(qū)域地下水位變化的影響程度，對于深入探究區(qū)域地下水位變化和指導該區(qū)地下水資源合理開發(fā)利用具有重要意義。

2 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

2.1 研究區(qū)概況三江平原由黑龍江、烏蘇里江及松花江沖、洪積作用所形成，面積約10.89萬km2。研究區(qū)位于三江平原腹地，是三江平原地下水資源開發(fā)利用問題最為突出的地區(qū)。同時兼顧以河流劃分的自然邊界和行政區(qū)邊界，確定了包括富錦市、同江市、撫遠市、饒河縣部分區(qū)域作為本文的研究區(qū)，北部、東部、南部、西北部分別以黑龍江、烏蘇里江、撓力河、松花江為界，總面積約為2.21萬km2（圖1）。該區(qū)域為溫帶濕潤、半濕潤大陸季風氣候，多年平均氣溫為2.8℃，多年平均降水量為383.5～886.1 mm，其中70%的降水多發(fā)生在6—9月，多年平均蒸發(fā)量約為800 mm。研究區(qū)地勢西南高于東北，除少數(shù)山丘外，絕大部分是平原沼澤地帶，地面坡度為1/10 000～1/5000。

圖1 研究區(qū)位置

研究區(qū)含水層結構單一，區(qū)內堆積有厚達200余米的第四系砂及砂礫等松散沉積物，形成巨厚的孔隙含水巖組，孔隙水在上覆連續(xù)較厚黏土層分布的地區(qū)為微承壓水及層間水，其他地區(qū)為潛水。松散巖類孔隙水具有厚而穩(wěn)定的含水層，地下水蘊藏豐富，是研究區(qū)地下水開采利用的主要對象。根據(jù)單井涌水量Q，區(qū)內松散巖類孔隙水分布可劃分為水量極豐富（Q＞5000 m3/d），水量豐富（1000 m3/d＜Q＜5000 m3/d）、水量中等（100 m3/d＜Q＜1000 m3/d）、水量貧乏（Q＜100 m3/d）4類區(qū)域。此外，研究區(qū)還存在基巖裂隙水，其富水性較差，在區(qū)內分布范圍較小。

大氣降水入滲補給是研究區(qū)松散巖類孔隙水最為主要的補給方式，灌溉入滲量和側向徑流補給也是地下水補給量的重要組成部分。地下水排泄途徑以人工開采為主，同時還存在側向徑流排泄和少量蒸發(fā)排泄。此外，研究區(qū)內的沿河地區(qū)在汛期可接受來自河流的地表水補給，而枯水期則是地下水向河流排泄。

2.2 數(shù)據(jù)來源本文氣象、水文、地下水位動態(tài)觀測資料和水資源開發(fā)利用資料收集于中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)、黑龍江流域水文年鑒、黑龍江省水文局和項目監(jiān)測、統(tǒng)測及實驗數(shù)據(jù)。其中地下水位監(jiān)測井共計100眼，所采用的地下水監(jiān)測井均為潛水或弱承壓水監(jiān)測井，主要為2000年7月—2019年3月序列，部分站點水位資料缺失不連續(xù)；降水資料主要采用研究區(qū)10個雨量站2000年—2018年降水量數(shù)據(jù)。地下水開采數(shù)據(jù)為各級水資源分區(qū)結合行政區(qū)的地下水開采量，為2010—2018年序列，對此根據(jù)灌區(qū)分布等實際情況進行整理得到研究區(qū)地下水開采量及各灌區(qū)地下水開采量等數(shù)據(jù)。地下水位監(jiān)測站和雨量站位置分布見圖1。

3 研究方法

本文采用空間插值及柵格代數(shù)方法研究三江平原典型區(qū)2001—2019年地下水流場變化情況，采用交叉小波分析、皮爾遜相關性分析方法，分析降水及地下水開采變化對不同區(qū)域地下水位變化程度的影響，并采用灰色關聯(lián)度分析方法，定量比較降水及地下水開采對不同區(qū)域地下水位影響程度的相對大小。

3.1 交叉小波分析交叉小波變換（CrossWavelet Transform，XWT）是一種信號分析技術，可以對兩個時間序列在不同時頻域中的相互關系進行分析研究［18］。本研究中采用交叉小波變換分析地下水位變化與降水及地下水開采之間的關系，兩個時間序列xn和yn的交叉小波變換可以定義為WX、WY。其交叉小波譜為WXY＝WXWY*，其中WY*代表WY的復共軛。它們的交叉小波功率譜密度被定義為，其值越大，二者相關程度越高。復數(shù)輻角arg（WXY）可以看作為時頻空間中xn和yn之間的局部相對相位。對連續(xù)交叉小波功率譜的檢驗方法為：假定時間序列xn和yn的期望譜為紅色噪音譜pXk和pYk，兩個時間序列的交叉小波功率譜理論分布可參考文獻［19］，其表示如下：

式中：σX、σY分別為時間序列xn、yn的標準差；v為自由度；Zv（p）為置信度。

3.2 皮爾遜相關分析皮爾遜相關系數(shù)（Pearson Correlation Coefficient），可以反映兩個隨機變量之間的線性相關程度。給定兩個隨機變量X、Y，其皮爾遜相關系數(shù)r的計算公式如下：

式中：r為皮爾遜相關系數(shù)，無量綱；n為樣本數(shù)量；Xi、Yi為變量X、Y對應的i點觀測值；分別為X、Y樣本平均數(shù)。

r的取值在-1與1之間，其絕對值越大表示相關程度越高。r值大于0表示正相關，取值小于0表示負相關，取值等于0表示線性不相關。

3.3 灰色關聯(lián)度分析灰色理論系統(tǒng)是指部分信息已知，部分信息未知的系統(tǒng)［20］?；疑P聯(lián)度分析（Grey Relation Analysis，GRA），是一種以灰色系統(tǒng)為基礎，根據(jù)因素之間發(fā)展趨勢的相似或相異程度來衡量因素間關聯(lián)程度的一種方法。

本研究以研究區(qū)地下水水位變化為母序列，記為x0（t），降水序列x1（t）和地下水開采量序列x2（t）為子數(shù)序列，則在t＝k時刻地下水水位變化與其相關影響因素之間的關聯(lián)系數(shù)γ（x0（k），xi（k））為：

式中：γ（x0（k），xi（k））為關聯(lián)系數(shù)；δ為分辨系數(shù)，研究中取0.5；i為子序列下標；k為某時刻；分別為兩級最小差和兩級最大差。

母序列地下水水位變化與子序列降水、地下水開采量等的關聯(lián)度ri的計算公式為：

式中各參數(shù)意義同式（3）。

4 結果與分析

4.1 2001—2019年三江平原典型區(qū)地下水流場變化分析根據(jù)相關研究［21］，研究區(qū)潛水完整的水文周期劃分自當年3、4月至翌年3、4月較合適，且農(nóng)田灌溉用水主要集中在4—8月份，故取每年3月地下水位作為每年地下水位變化依據(jù)，以進行地下水流場年際變化分析。由于地下水位監(jiān)測站分布較為均勻，利用較為常用的反距離權重法對2001年3月和2019年3月地下水位數(shù)據(jù)進行插值分析，分別繪制流場分布如圖2所示。

圖2 研究區(qū)2001年3月和2019年3月地下水流場對比

由圖可見2001—2019年間地下水整體流向未發(fā)生變化，為自西南流向東北，但區(qū)域內地下水位明顯下降。2001年3月研究區(qū)地下水位平均值為47.51 m，水位最大值為60.30 m，最小值為37.56 m；而到2019年3月地下水位平均值為46.16 m，水位最大值為59.30 m，最小值為36.22 m，均有所減小。研究期間地下水流場形態(tài)發(fā)生了較為明顯的變化，2001年3月西南部富錦市內水位較高，地下水水力梯度比較大，地下水位整體自西南向東北方向逐漸減小，最終在東北方向排泄入河流或在河流下方以地下水側向排泄的方式流出區(qū)外。而到2019年3月富錦市附近區(qū)域水力梯度變小，地下水徑流變緩，中東部地區(qū)地下水位整體下降較為明顯，在中部甚至形成了一定范圍的降落漏斗，改變了流網(wǎng)的形態(tài)，說明研究區(qū)中部地下水開采較多，引起地下水流動路徑發(fā)生變化。從水田面積變化情況來看（圖3），1980—2018年水田面積呈上升趨勢，1980—2000年間呈小幅度增長，而2000年以后呈現(xiàn)大幅度上升趨勢，由2000年的742.56 km2上升為2018年的10 507.87 km2，增長了13.15倍，成為研究區(qū)內的第一大用地類型，占總土地面積的47.68%［22］。而水田的發(fā)展依賴于灌溉，區(qū)內灌溉引用部分地表水，但整體以抽取地下水灌溉為主，地下水灌溉用水量占農(nóng)業(yè)灌溉總用水量的70%以上（圖4），農(nóng)業(yè)地下水灌溉開采量的增加導致地下水位的整體下降。因此，研究期內地下水位整體下降與水田的迅速擴張有關。

圖3 研究區(qū)1980—2018年水田面積變化

圖4 研究區(qū)2010—2018年農(nóng)業(yè)灌溉用水情況

采用柵格代數(shù)方法，將2001年3月和2019年3月地下水位進行代數(shù)運算，得到地下水位變幅如圖5所示。根據(jù)柵格統(tǒng)計，研究區(qū)2001—2019年期間，地下水位下降區(qū)域面積為1.86萬km2，占整個研究區(qū)的83.97%，即大部分地區(qū)地下水位呈現(xiàn)下降趨勢，僅富錦市附近等小部分范圍內有水位抬升現(xiàn)象。地下水位變幅平均值為-1.37 m，區(qū)內平均地下水位年均降幅為0.07 m，中部和東南部地區(qū)水位下降較為嚴重，水位降幅最大可達8.29 m。

研究區(qū)地下水位下降區(qū)域主要分布在中東部。從水田和灌區(qū)分布來看（圖6），研究區(qū)水田主要分布在中東部區(qū)域，灌區(qū)依隨水田也多分布在中東部地區(qū)，區(qū)內分布有青龍山灌區(qū)、八五九灌區(qū)、烏蘇鎮(zhèn)灌區(qū)、勤得利灌區(qū)、三村灌區(qū)以及臨江灌區(qū)。從農(nóng)場分布來看，研究區(qū)農(nóng)場同樣多集中分布在中東部區(qū)域（圖5），并且農(nóng)場集中分布范圍與地下水位降幅1 m以上區(qū)域大體吻合。由此認為研究區(qū)中東部地區(qū)地下水位的明顯下降，主要是由于該區(qū)域是水田、農(nóng)場集中分布區(qū)，因農(nóng)業(yè)灌溉需要開采大量地下水，導致該區(qū)域地下水位出現(xiàn)大幅下降。研究區(qū)西部存在地下水位小幅下降區(qū)域，區(qū)內同樣有零星水田分布（圖6），水田發(fā)展造成該區(qū)域地下水開采量增加，由于該區(qū)域地勢較高，地下水沿東北方向排泄，地下水經(jīng)開采后補給恢復較慢，故地下水位出現(xiàn)輕微下降現(xiàn)象。對于富錦市附近的地下水位上升區(qū)域，認為是由氣象因素造成，2000—2018年間研究區(qū)降水量增加了49.60～259.19 mm，且在富錦市與同江市附近降水量增幅最大［22］。

圖5 2001年3月—2019年3月地下水位變幅圖

圖6 研究區(qū)土地利用類型及灌區(qū)分布

根據(jù)2001—2019年地下水位變化情況，在地下水位變化程度不同區(qū)域選取4個代表性地下水位監(jiān)測站，各站點所在位置如圖5所示。

根據(jù)各站點2001—2019年地下水位過程線（圖7），可見4個代表站點僅菜咀子站地下水位有小幅上升，上升2.74 m，其他3個站點水位有不同程度下降，前鋒農(nóng)場站下降6.06 m，別拉洪站下降1.06 m，臨江站下降0.39 m。4個地下水位監(jiān)測站能夠展現(xiàn)研究區(qū)內2001—2019年不同水位變化情況，具有代表性，以下研究將基于此4個代表站進行。

圖7 代表站2001—2019年地下水位變化過程線

4.2 降水變化對區(qū)域地下水位影響分析

4.2.1 交叉小波分析 為了探究降水變化對不同區(qū)域地下水位變化的影響程度，采用4個代表性地下水位監(jiān)測站2000年7月—2018年12月逐月地下水位和附近雨量站所測得的逐月降水量進行交叉小波分析（圖8）。圖中，實線內區(qū)域通過95%置信度的紅噪聲標準譜檢驗，細弧線區(qū)域表示小波影響椎內的有效譜值。

圖8 代表站降水和地下水位交叉小波功率譜

由菜咀子站降水與地下水位變化的交叉小波譜圖8（a）可知，在11～13月周期內，菜咀子站降水和地下水位序列在整個2000—2018年期間表現(xiàn)出通過95%置信度檢驗的顯著共振關系。箭頭基本指向右下方，表示地下水位與降水同相位，二者為正相關關系，且地下水位滯后于降水。這些特征表明，在整個研究期間，降水對年尺度上的地下水位變化有很強的影響。根據(jù)平均相位角，地下水位相對于降水變化的滯后時間約為11.52 d。此結果說明菜咀子站所在的地下水位上升區(qū)域地下水位受氣候因素影響顯著。

圖8（b）和圖8（c）分別為臨江站和別拉洪站降水與地下水位變化的交叉小波譜，由圖可見箭頭基本指向右下方，說明臨江站和別拉洪站降水和地下水位同相位。二者在整體上同樣存在11～13月尺度上的顯著共振關系，但相關性特征存在不穩(wěn)定現(xiàn)象，如臨江站2005年1月—2008年7月、別拉洪站2000年7月—2006年5月在11～13月尺度上共振關系不顯著，分析認為可能是人為開采等因素在這些時間段內對地下水位的影響較大，從而使地下水位受降水影響程度減小。

圖8（d）為前鋒農(nóng)場站降水與地下水位變化的交叉小波譜，可見此站在11～12月周期尺度上雖然通過了紅噪聲檢驗，但降水與地下水位交叉小波功率譜能量較低，未表現(xiàn)出較強的關聯(lián)性，并且箭頭指向左上方，降水與地下水位變化呈反相位，二者為負相關關系。該結果說明前鋒農(nóng)場所在的農(nóng)場中部地下水位大幅下降區(qū)域，研究期間地下水位變化受降水影響程度非常微小。

4.2.2 皮爾遜相關分析 對4個代表性地下水位監(jiān)測站地下水位變幅與其附近雨量站降水數(shù)據(jù)分別進行皮爾遜相關性分析顯示（表1），菜咀子站地下水位與降水存在相關性，其相關系數(shù)為0.485，通過0.01級別的雙尾檢驗；臨江站和別拉洪站地下水位變幅與降水呈現(xiàn)不同程度的微弱相關性；前鋒農(nóng)場站地下水位變幅與降水相關性較差。該結果進一步說明：地下水位上升區(qū)域地下水位受降水影響較大，在地下水位降幅較小區(qū)域，地下水位在一定程度上受降水變化影響，而地下水位下降較嚴重區(qū)域降水對地下水位的影響程度較小。

表1 代表站水位變化與降水相關性分析結果

4.3 地下水開采對區(qū)域地下水位影響分析

4.3.1 交叉小波分析 為了探究地下水開采對不同區(qū)域地下水位變化的影響程度，采用4個代表性地下水位監(jiān)測站2010—2018年地下水位月降幅和其所在區(qū)域地下水月開采量進行交叉小波分析（圖9），其中臨江站、別拉洪站以及前鋒農(nóng)場站位于灌區(qū)內，地下水開采量數(shù)據(jù)采用其所在灌區(qū)的地下水開采量，菜咀子站位于灌區(qū)外，站點及附近地區(qū)無地下水灌溉開采，其地下水開采量序列采用其所在行政區(qū)生活用水等其他地下水開采量。

由菜咀子站地下水開采與地下水位變化之間的交叉小波譜圖9（a）可知，二者交叉小波功率譜能量較低，未表現(xiàn)出較強的關聯(lián)性，也不存在穩(wěn)定的周期性相關。該結果說明菜咀子站所在的地下水位上升區(qū)域地下水受開采影響程度較小，原因是由于菜咀子站位于灌區(qū)外，該區(qū)域地下水開采主要為生活用水開采，無灌溉開采，地下水開采量較少。

圖9（b）和圖9（c）分別為臨江站和別拉洪站地下水開采與地下水位變化的交叉小波譜，由圖可見兩站地下水開采與地下水位變化整體上主要存在11～13月尺度的顯著共振關系，但是該尺度上的相關性特征不穩(wěn)定。臨江站地下水開采與地下水位變化在2010—2013年間無明顯共振關系，2014年之后兩者共振關系顯著，該結果說明在2010—2013年間，該區(qū)域地下水位受地下水開采影響較小，2014年后影響逐漸增大。此變化與其所在區(qū)域水田發(fā)展有關，由于該區(qū)域水田范圍擴大，地下水開采量漸增，地下水開采對地下水位的影響逐漸增大，2014年之后開始對地下水位有顯著影響。

由前鋒農(nóng)場站地下水開采與地下水位變化的交叉小波功率譜圖9（d）可知，在11～13月周期內，地下水開采和地下水位變化在整個2010—2018年期間表現(xiàn)出通過95%置信度檢驗的顯著共振關系，箭頭基本指向右下方，表示地下水開采與地下水降幅同相位，二者為正相關關系，且地下水位變化滯后于地下水開采。根據(jù)平均相位角計算得，地下水位相對于地下水開采變化的滯后時間約為10.8 d。這些特征表明，前鋒農(nóng)場站所在的中部地下水位大幅下降區(qū)域，在整個研究期間，地下水開采對年尺度上的地下水位變化有很強的影響，地下水位受地下水開采影響顯著。

圖9 代表站地下水開采和地下水位變化交叉小波功率譜

4.3.2 皮爾遜相關分析 對4個代表性地下水位監(jiān)測站地下水位變幅與其所在地區(qū)的地下水開采量數(shù)據(jù)分別進行皮爾遜相關性分析顯示（表2），僅前鋒農(nóng)場站地下水位變化與地下水開采間存在一定相關性，其相關系數(shù)為-0.409，通過0.01級別的雙尾檢驗，其他站點地下水位變化與地下水開采之間的相關性較差。此結果進一步說明在地下水位大幅下降區(qū)域，地下水位受地下水開采的影響較大，而在地下水位降幅較小及水位上升區(qū)域，地下水位受地下水開采影響相對較小。

表2 代表站水位變化與地下水開采相關性分析結果

4.4 降水和地下水開采對區(qū)域地下水位相對影響程度分析地下水位變化受到多種因素影響，而降水變化和地下水開采是影響研究區(qū)地下水位變化的兩個主要因素。菜咀子站由于處于灌區(qū)外，受地下水開采影響較小，上文此站降水與地下水位的交叉小波結果顯示此區(qū)域地下水位變化受降水影響較大，故該區(qū)域降水對地下水位的影響程度明顯大于地下水開采對地下水位的影響程度。為了進一步分析灌區(qū)內地下水開采與降水變化對于不同區(qū)域地下水位變化影響程度的相對大小，對前鋒農(nóng)場站、臨江站、別拉洪站3個代表性站點分別進行灰色關聯(lián)度分析，得到各站點地下水位與降水及地下水開采量之間的關聯(lián)度。

由表3可見，位于研究區(qū)地下水位下降區(qū)域的3個代表站地下水開采與地下水位變化間的關聯(lián)度均大于降水與地下水位變化間的關聯(lián)度，表明其所在區(qū)域地下水開采對地下水位的影響程度均大于降水對地下水位變化的影響程度。前鋒農(nóng)場站位于灌區(qū)中部地下水位大幅下降區(qū)域，受地下水開采影響較大，其地下水開采與地下水位變化間關聯(lián)度明顯大于降水與地下水位變化間的關聯(lián)度。而別拉洪站和臨江站地下水位和降水及地下水開采之間的關聯(lián)度差別不大，表明此兩站所在的地下水位小幅下降區(qū)域雖然受地下水開采的影響程度更大，但同時也很受降水情況的影響。

表3 灰色關聯(lián)度分析結果

5 結論

本文選取三江平原典型區(qū)域作為研究區(qū)，采用空間插值方法分析了區(qū)內2001—2019年地下水流場變化情況。繼而利用柵格代數(shù)方法計算了區(qū)內地下水位變化的空間差異，基于地下水位變化空間差異選取代表性站點，采用交叉小波變換分析了地下水位和降水及地下水開采間的時延相關特征和時頻相位關系，并在小波分析得出時頻相位關系的基礎上，輔以皮爾遜相關分析，使結果更具可靠性。最后，采用灰色關聯(lián)度分析方法，比較了降水和地下水開采這兩大主要影響因素對不同區(qū)域地下水位影響程度的相對大小。相比于已有研究，本研究采用了更充足的研究數(shù)據(jù)和更系統(tǒng)的研究方法，定量地闡明了降水和地下水開采對于三江平原地下水位及其流場的影響。通過研究得出以下具體結論：

（1）研究區(qū)2001—2019年地下水大體流向未發(fā)生明顯變化，但地下水位呈現(xiàn)整體下降趨勢，下降區(qū)域面積為1.86萬km2，占整個研究區(qū)的83.97%，地下水位變幅平均值為-1.37 m。中部和東南部地區(qū)水位下降較為嚴重，在中部甚至形成了一定范圍的降落漏斗，水位降幅最大可達8.29 m；富錦市附近小部分范圍內有水位抬升現(xiàn)象。

（2）研究區(qū)地下水位的整體下降與研究期間水田面積迅速擴張有關。研究區(qū)2000—2018年間水田面積增長了13.15倍。中部地下水位大幅下降區(qū)域主要為水田、農(nóng)場集中分布區(qū)，水位降幅1 m以上區(qū)域與農(nóng)場集中分布范圍大體吻合；西部地下水位小幅下降區(qū)域內同樣有零星的水田分布。

（3）研究區(qū)地下水位上升區(qū)域內，地下水位受降水因素影響顯著，受地下水開采變化影響較小。水位上升區(qū)地下水位與降水在年周期上存在顯著共振關系，二者皮爾遜相關系數(shù)為0.485，而地下水位與地下水開采之間不存在穩(wěn)定的周期性相關，相關性較差。

（4）研究區(qū)中東部地下水位大幅下降區(qū)域內，地下水位受人類開采的影響較大，受降水影響較小。中東部水位大幅下降區(qū)地下水位與降水間不存在穩(wěn)定的周期性相關，相關性較差，而地下水位與地下水開采之間在年周期上存在顯著共振關系，二者皮爾遜相關系數(shù)為-0.409。

（5）研究區(qū)地下水位下降區(qū)域中，中部水位大幅下降區(qū)域地下水位受開采影響明顯大于受降水影響，灌區(qū)內水位小幅下降區(qū)域地下水位與二者之間關聯(lián)度相差不大，受地下水開采影響程度略大于受降水影響。