衛(wèi)寧平原近5 年地下水埋深變化特征及其影響因素

唐利君，丁文明，劉桂環(huán)，康錦輝

（1.寧夏回族自治區(qū)國土資源調(diào)查監(jiān)測院,寧夏 銀川 750002；2.寧夏回族自治區(qū)礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查院,寧夏 銀川 750021；3.寧夏回族自治區(qū)國土資源調(diào)查監(jiān)測院,寧夏 銀川 750002；4.寧夏回族自治區(qū)國土資源調(diào)查監(jiān)測院,寧夏 銀川 750002）

1 引言

衛(wèi)寧平原位于寧夏回族自治區(qū)的中北部,屬于我國西北地區(qū)的干旱半干旱帶[1],擁有兩千多年的引黃灌溉歷史[2]。然而,隨著當?shù)亟?jīng)濟的蓬勃發(fā)展,衛(wèi)寧平原工農(nóng)業(yè)對水資源的需求不斷增加,加之全球自然環(huán)境的變化影響,僅依賴黃河的供水能力遠遠無法滿足需求。因此,地下水作為衛(wèi)寧平原的主要水源之一,深入研究地下水埋深在不同時間尺度上的變化特征,對于保障衛(wèi)寧平原地下水資源具有重要的學術(shù)和實踐價值。

衛(wèi)寧平原的地下水補給主要依賴于渠系滲漏和田間灌溉入滲,同時通過蒸發(fā)、開采和地下徑流的方式排泄。根據(jù)不同地段的特征,衛(wèi)寧平原的水位動態(tài)呈現(xiàn)出多樣化的形態(tài)[3]。在黃河漫灘、階地水位埋藏淺以及蒸發(fā)強烈的地區(qū),潛水水位動態(tài)呈現(xiàn)出灌溉—蒸發(fā)—徑流型；而在地下水開采集中地段,則屬于灌溉—開采—徑流型。而大部分地區(qū)則呈現(xiàn)出灌溉—徑流型的水位變化特征[4]。近年來,沿黃經(jīng)濟帶城市群嚴重依賴有限的黃河水資源供應[5],導致每個人可利用的水資源僅為50 m3,遠低于國際公認的500 m3的標準[6]。與此同時,衛(wèi)寧平原對地下水的過度超采和防滲工程,導致地下水位逐漸下降。長期的過度采水對地下水的可持續(xù)利用產(chǎn)生了嚴重影響,進而引發(fā)了一系列環(huán)境地質(zhì)問題,如地面沉降和地下水污染等。針對這些問題,國內(nèi)外許多學者已經(jīng)進行了地下水埋深變化的研究：賈丹[7]采集了95 組水樣,以研究衛(wèi)寧平原地下水的水化學特征及其成因,通過對這些樣本的分析,確定了地下水化學特征形成的主要原因。吉磊等[8]根據(jù)14 個長期觀測井地下水位數(shù)據(jù),運用水量均衡法和Mann—Kendall 突變檢驗法分析了灌區(qū)地下水埋深動態(tài)特征及成因,其結(jié)果表明認為灌溉入滲、地下水開采和潛水蒸發(fā)是影響研究區(qū)地下水埋深變化的主要因素。Hoogland, T.[9]采用時空地理統(tǒng)計分析法研究了荷蘭地下水水位深度及其變化,揭示了精確化水位深度信息的重要性,并提出了未來提高預測精度的建議。

考慮地下水動態(tài)特征的空間分布[10],本文主要基于衛(wèi)寧平原 33 個觀測井2019 年～ 2023 年的地下水埋深序列。該研究旨在探究地下水埋深變化的趨勢、變幅年代際變化特性以及年內(nèi)分配變化特性,并進一步探討地下水埋深相關(guān)影響因素。此次研究成果可以深入了解衛(wèi)寧平原地下水埋深的變化規(guī)律,以期為控制地面沉降以及合理開發(fā)地下水資源提供重要參考。

2 研究方法

2.1 研究區(qū)域概況

衛(wèi)寧平原位于衛(wèi)寧北山與香山、煙筒山、牛首山之間,海拔為1200 m～1300 m,總面積為794.126 km2。這里是新生代斷陷盆地,第四系地層的厚度為100 m～200 m,沉降中心大致在黃莊-中衛(wèi)城區(qū)一帶。一般情況下,50 深度內(nèi)主要是黃河沖積砂礫卵石層,巖性比較穩(wěn)定。表層0～10 m 多為粘性土,50 以下則以粘性土夾砂層或砂礫石層、砂卵石層為主,巖性不穩(wěn)定。

該地下水類型包括潛水和承壓水,潛水含水層巖性主要為砂礫石層,局部夾有中細砂層及粘性土透鏡體,厚度一般為10 m～50 m。水位埋深一般為1 m～5 m。富水性一般由上游向下游、由河床向山邊減弱,單井涌水量在100 m3/d～2000 m3/d之間。本研究所用數(shù)據(jù)為衛(wèi)寧平原區(qū)33 個觀測井在2019 年～2023 年間的地下水埋深序列。

2.2 研究方法

采用Mann-Kendall 法進行研究,Mann-Kendall[11]方法是一種適用于判定時間序列的突變點和趨勢檢驗的非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法。該方法計算簡單,應用范圍廣泛,而且檢驗過程不易受到異常值的影響[12]。

為了滿足n 個樣本的需求,我們需要構(gòu)建一組秩序列,以對時間序列x 進行處理：

其中,Sk的定義是,在i 時刻大于j 時刻數(shù)值個數(shù)的累積值,UFk定義為統(tǒng)計量（時間序列隨機獨立的假設(shè)條件下）。當k=1,此時UFk=0 時,我們可以通過Sk 的累積數(shù)來計算其均值E（Sk）和方差Var（Sk）,假設(shè)序列相互獨立且連續(xù)分布,可以應用式（4）、式（5）來計算它們。 如果,表明其序列呈現(xiàn)上升趨勢,當其值超過臨界值線,則表明序列在上升或下降方面趨勢顯著。按照時間逆序tn,tn-1,…,t1重復該過程,得到UBk,如果UF 和UB 交點在臨界值線之間,則在該交點處會出現(xiàn)突變的開始時間[13]。

3 結(jié)果與分析

3.1 地下水埋深變化

衛(wèi)寧平原監(jiān)測區(qū)潛水水位整體上與地勢高低有關(guān),呈西高東低、南高北低的趨勢,地下水流向整體上與黃河流向一致,由西南流向東北。低水位期與高水位期水位統(tǒng)測分析結(jié)果對比分析發(fā)現(xiàn),在平原中部余丁鎮(zhèn)以西區(qū)域高水位期和低水位期水位無明顯變幅,余丁鎮(zhèn)東側(cè)黃河南岸高水位期水位較低水位期水位有所下降,在中寧縣鳴沙鎮(zhèn)形成局部降落漏斗,低水位期漏斗中心水位標高為1163.74 m,高水位期漏斗中心水位標高為1164.79 m,漏斗面積較小且中心水位埋深較淺。衛(wèi)寧平原監(jiān)測區(qū)大部分區(qū)域內(nèi)潛水水位埋深大于3 m；而在東園—宣和等區(qū)域水位埋深為2 m～3 m 之間；水位埋深小于2 m 區(qū)域零星出露于沙坡頭、趙灘及王營等地。

3.2 年內(nèi)與年際變化

潛水主要接受渠系滲漏、田間灌溉入滲補給,主要排泄于蒸發(fā)、開采和地下徑流。潛水水位動態(tài)除黃河漫灘、階地水位埋藏淺、蒸發(fā)強烈地段屬灌溉—蒸發(fā)—徑流型、地下水開采集中地段屬灌溉—開采—徑流型外,大部分屬灌溉—徑流型。 選取640502210127、640502210140、640502210151幾個典型的監(jiān)測孔為研究對象進行分析。

（1）年內(nèi)變化

衛(wèi)寧平原地下水埋深變化主要受到降雨量,灌溉量,開采量,蒸發(fā)量等因素的影響,以灌溉量和開采量為主,地下水埋深表現(xiàn)出周期性變化特征。

從圖1 中可以分析得出,127 號監(jiān)測點在2019 年灌區(qū)最大地下水埋深出現(xiàn)在4 月,深度約為5.6 m,最小水埋深出現(xiàn)在8 月～9 月,深度約為4.0 m,年內(nèi)變化幅度在1.6 m。2021 年灌區(qū)最大地下水埋深出現(xiàn)在10 月,深度約為5.6 m,最小水埋深出現(xiàn)在6 月,深度約為4.6 m,變化幅度約為1.0 m。

圖1 127 號監(jiān)測點地下水埋深變化

從圖2 中可以分析得出,140 號監(jiān)測點在2019 年最大地下水埋深出現(xiàn)在3 月,深度約為4.4 m,最小地下水埋深在8 月,深度為2.8 m,年內(nèi)變化幅度為1.6 m。2021 年地下最大水埋深出現(xiàn)在4 月,深度為4.1 m,最小地下水埋深在11 月,深度為3.1 m,年內(nèi)變化區(qū)間大約在1.0 m。

圖2 140 號監(jiān)測點地下水埋深變化

從圖3 中可以分析得出,151 號監(jiān)測點在2019 年最大地下水埋深在10 月,深度為5.6 m,最小地下水埋深在6 月,深度為5.05 m,變化區(qū)間在0.55 m。2021 年最大地下水埋深在4 月,深度為5.65 m,最小地下水埋深在11 月,深度為5.15 m,年內(nèi)變化區(qū)間在0.5 m。

圖3 151 號監(jiān)測點地下水埋深變化

綜上所述,衛(wèi)寧平原地下水埋深的年變幅在1 m～1.5 m,最大地下水埋深出現(xiàn)在4 月～5 月,最小地下水埋深出現(xiàn)在9 月～10 月,與灌溉量和開采量變化規(guī)律基本保持一致。主要原因是四月開始進入春季灌溉期,灌溉水和凍融水回補地下,使得地下水埋深變淺,5 月～8 月氣溫逐漸升高,受大量的地下水開采灌溉和高溫導致的潛水蒸發(fā)影響,地下水埋深加深,9 月、10 月進入秋收期,地下水的開采量逐漸減少,11 月冬灌期,因此9 月～11 月地下水埋深深度逐漸減小。2021 年變化幅度在1.0 之間,變化區(qū)間較2019 年有所減小,主要原因在于衛(wèi)寧灌區(qū)的節(jié)水技術(shù)不斷推進,逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樾⊥?、滴灌技術(shù),提高了田間用水效率,降低了地下水埋深變化區(qū)間。

（2）年際變化

衛(wèi)寧灌區(qū)地下水埋深年際變化見圖4,2019 年衛(wèi)寧平原平均地下水埋深為4.51 m,2022 年平均地下水埋深為4.31 m。研究發(fā)現(xiàn)衛(wèi)寧灌區(qū)地下水埋深近幾年呈逐漸減小的趨勢,減小速率為0.067 m/d。由于地下水埋深與灌溉量和開采量的關(guān)聯(lián)緊密,灌區(qū)種植結(jié)構(gòu)及灌溉技術(shù)的調(diào)整對地下水埋深的影響較大[14]。且由此三個監(jiān)測點可以看出,衛(wèi)寧平原地下水埋深由西部到中部無明顯變化,但是由中部到東部逐漸增大,存在明顯的空間差異,主要原因在于東部鳴沙鎮(zhèn)地區(qū)有中國石油建設(shè)的鳴沙輸水站,該輸水站的7 眼地下水輸水井使衛(wèi)寧平原形成局部降落漏斗,導致鳴沙鎮(zhèn)水埋深較大。但是不同監(jiān)測點同時期的地下水水埋深變化基本一致,1 月～3 月為農(nóng)歇期,水位變化幅度較小,地下水埋深大幅變化要出現(xiàn)在4 月～12 月,因此每年下半年地下水埋深值均小于上半年,與灌溉峰值保持一致。

圖4 衛(wèi)寧平原各監(jiān)測點2019 年～2023 年地下水埋深變化

3.3 地下水埋深變化的突變檢驗

利用Mann-Kendall 突變檢測方法,以0.05 作為顯著水平,對衛(wèi)寧平原監(jiān)測孔640502210127、640502210140、640502210151 在2019 年～2023 年的地下水埋深變化和灌區(qū)降水、徑流及氣溫序列進行變化趨勢檢驗,結(jié)果見圖5、圖6。

圖5 127、140、151 號監(jiān)測點 2019 年～2023 年地下水埋深Mann-Kendall 檢驗

圖6 衛(wèi)寧平原2019 年～2023 年降水、徑流及氣溫序列的Mann-Kendall 檢驗

根據(jù)地下水埋深Mann-Kendall 突變檢驗結(jié)果,發(fā)現(xiàn)127號監(jiān)測孔地下水埋深在2019 年年初至2019 年下半年年期間出現(xiàn)短暫增大,但并未達到顯著水平,隨后減小,變化趨勢在2021 年下半年發(fā)生突變,UF 和UB 曲線在|UF|=1.94（a=0.05）信度臨界值之間產(chǎn)生交點,即產(chǎn)生突變點）,之后進入顯著減小水平。140 號監(jiān)測孔地下水埋深在2019 年～2020 年下半年呈先增大趨勢,2020 年8 月逐漸減小,變化趨勢在2022 年初發(fā)生突變,地下水埋深呈現(xiàn)出明顯增大趨勢。151 號監(jiān)測孔地下水埋深在2019 年～2020 年初呈增大趨勢,2020 年～2021 年初變化較為復雜,在2021 年上半年產(chǎn)生突變,之后地下水埋深呈現(xiàn)出減小的趨勢。

將衛(wèi)寧平原地下水埋深檢驗結(jié)果（圖7）與降水、徑流及氣溫序列檢驗結(jié)果（圖8）對比,發(fā)現(xiàn)降水在2020 年發(fā)生突變,之后總體呈現(xiàn)增加的趨勢,3 個監(jiān)測孔地下水位埋深并沒有處于一直減小的狀態(tài)；徑流量在2019 年下半年發(fā)生突變,在2020 年呈現(xiàn)增加,隨后產(chǎn)生下降的變化,而3 個監(jiān)測點地下水位埋深變化一直在上下不斷浮動,因此可以說明地下水位埋深變化與徑流量相關(guān)性不大；氣溫變化在2020 年產(chǎn)生突變,增溫趨勢顯著變大,由于氣溫與蒸發(fā)量呈現(xiàn)正相關(guān),因此蒸發(fā)量應該逐漸增大,而地下水埋深并沒有顯著增大。反而處于波動狀態(tài)。因此,綜合降水、徑流及氣溫的變化趨勢可以得出地下水位埋深與這三者并無明顯的關(guān)聯(lián)。

4 結(jié)論

（1）衛(wèi)寧平原地下水埋深變化主要受到農(nóng)業(yè)灌溉影響,由于分為冬季灌溉高峰期和春夏灌溉高峰期,冬灌為11 月下旬～12 月中旬,春夏主灌期為4 月～9 月,因此年內(nèi)水埋深呈W 形變化,每年出現(xiàn)的兩個水位高峰與灌溉高峰基本一致。

（2）隨著近幾年來科學種植,灌區(qū)節(jié)水灌溉措施的大力實施,衛(wèi)寧平原地下水埋深2019 年～2022 呈現(xiàn)出緩步減小的趨勢,而地下水是西北干旱地區(qū)自然環(huán)境中植被的主要水源,保障衛(wèi)寧平原地下水埋深對衛(wèi)寧平原環(huán)境的影響有著十分重要的意義。

（3）采用Mann-Kendall 突變檢驗結(jié)果表明：衛(wèi)寧平原地下水埋深變化趨勢均在2021 年前后發(fā)生轉(zhuǎn)變,127 號監(jiān)測孔在2021 年下半年發(fā)生突變, 140 號監(jiān)測孔地下水埋深在2022 年初發(fā)生突變,151 號監(jiān)測孔地下水埋深在2021 年上半年發(fā)生突變,這些變化主要是受灌溉入滲和開采量的影響,這與降水、徑流及氣溫序列變化沒有明顯的關(guān)系。因此,人類活動是影響衛(wèi)寧平原地下水埋深的主要因素。