石家莊滹沱河山前沖洪積扇地下水位動態(tài)演變特征及影響機(jī)制

閆佰忠,蓋俊百,王昕洲,占新凱,馬苗苗

1.河北省地質(zhì)資源環(huán)境監(jiān)測與保護(hù)重點實驗室(河北地質(zhì)大學(xué)),石家莊 050031

2.河北省水資源可持續(xù)利用與開發(fā)重點實驗室(河北地質(zhì)大學(xué)),石家莊 050031

3.河北省水資源可持續(xù)利用與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)化協(xié)同創(chuàng)新中心(河北地質(zhì)大學(xué)),石家莊 050031

0 引言

石家莊滹沱河沖洪積扇處于干旱、半干旱地區(qū),降水量較小,水資源較為貧乏[1],而且地下水資源的過度開發(fā)利用導(dǎo)致地下水超采情況嚴(yán)重[2]。1965年以來石家莊滹沱河沖洪積扇便存在地下水降落漏斗,直到2015年河北地下水超采治理國家級試點的啟動,提出了設(shè)立地下水超采、禁采和壓采區(qū)域以及充分利用外流域調(diào)水和生態(tài)補(bǔ)水等方案[3],研究區(qū)地下水超采的情況才得以改善。無論是持續(xù)近50 a年的地下水超采還是近些年的地下水人工壓采都影響著當(dāng)?shù)氐叵滤粍討B(tài)的變化[4],因此探明地下水位動態(tài)時空演變特征及影響因素對于未來地下水超采治理起著指導(dǎo)性的作用。

眾多學(xué)者對地下水位動態(tài)時空演變問題的研究,可分為長時間尺度和短時間尺度兩個方面。在長時間尺度上:于占江等[5]分析了1970—2010年石家莊地區(qū)大氣數(shù)據(jù),判斷出石家莊地區(qū)地下水情況正不斷惡化;閆佰忠等[6]針對石家莊市藁城區(qū)2001—2018年的地下水埋深動態(tài)規(guī)律,探究了氣候變化與人類活動對其所造成的影響;王水獻(xiàn)等[7]利用焉耆盆地1960—2005年的地下水埋深數(shù)據(jù),指明了近50 a來當(dāng)?shù)氐叵滤裆詈偷V化度的時空演變特征;Wang等[8]利用多元統(tǒng)計分析的方法對關(guān)中盆地1960—2015年地下水動態(tài)特征的影響因素進(jìn)行探究,發(fā)現(xiàn)人類活動是主導(dǎo)其發(fā)生變化的主要因素;Shevchenko等[9]對1951年以來烏克蘭南布格河流域的氣象與地下水位觀測資料進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)氣候周期對當(dāng)?shù)氐叵滤粍討B(tài)周期有較強(qiáng)影響;Liu等[10]利用地統(tǒng)計分析方法,研究了1997—2015年拉薩河谷區(qū)地下水動態(tài)特征影響因素,得出城市化和氣候因素共同影響當(dāng)?shù)氐叵滤畡討B(tài)。在短時間尺度上:Chen等[11]利用地統(tǒng)計分析等方法,探究了2015—2020年人工治理前后衡水市地下水系統(tǒng)的時空演變特征;李夢濤[12]運(yùn)用克里金法,探究了人工壓采實施后的石家莊平原區(qū)地下水時空動態(tài)分布特征;帥官印等[13]針對2018年以來石家莊平原區(qū)的農(nóng)業(yè)限水灌溉,探究了其對地下水恢復(fù)的影響;Wang等[14]利用Arcgis插值法探究石河子灌區(qū)地下水位變化幅度的空間分布特征,得出了各影響因素對地下水位變化的敏感性;Fan等[15]利用STL(seasonal-trend decomposition procedure based on loess)分解及空間插值等方法,對黃河三角洲2004—2010年地下水位動態(tài)進(jìn)行分析,探究了地下水位動態(tài)與季節(jié)變化的關(guān)系;Li等[16]通過分析中國西北綠洲2013—2019年地下水位變化特征,結(jié)合遙感技術(shù),確定了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)地下水位。可見針對地下水位動態(tài)時空演變的研究中,長時間尺度下多為地下水位空間分布特征的趨勢性變化分析,短時間尺度下多為地下水位空間分布規(guī)律分析。在長時間尺度下地下水位動態(tài)時空演變特征的影響因素眾多,受人類活動、氣候條件等的綜合影響,有著較強(qiáng)的階段性特點[17];因此在長時間序列下探究地下水時空演變特征與不同歷史時期相結(jié)合,可以更好地探討城市發(fā)展及人類活動對地下水動力場的影響因素。

本文以石家莊滹沱河沖洪積扇為研究區(qū),基于區(qū)內(nèi)的降水量、地下水埋深、地下水開采量,人口、GDP等數(shù)據(jù),對研究區(qū)地下水位動態(tài)時空特征及其影響因素進(jìn)行研究。將1980—2021年按其歷史特點分為3個階段,利用多元統(tǒng)計分析及Arcgis反距離權(quán)重插值等方法,闡明地下水動力場時空演變特征,并探討不同時期多種人類活動對地下水動力場時空演變特征的影響,以期為當(dāng)?shù)氐叵滤Y源合理利用和科學(xué)管理提供理論指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

本文研究區(qū)范圍集中于石家莊滹沱河沖洪積扇區(qū),位于37°56′N—38°22′N,114°18′E—114°33′E之間,是石家莊市漏斗核心區(qū)(圖1a)。南北長約36 km,東西寬約26 km,總面積約為672.47 km2,區(qū)內(nèi)有滹沱河穿流而過。研究區(qū)氣候?qū)贉貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候,四季分明,夏季炎熱多雨,冬季寒冷干燥,區(qū)內(nèi)多年平均降雨量約為514.9 mm,主要集中在7—8月。研究區(qū)地下水為第四系松散巖類孔隙水(圖1b),含水層巖性主要以中粗砂和砂卵礫石為主[18]。按照石家莊市水文地質(zhì)特征和第四系沉積規(guī)律,可將第四系含水層劃分為淺層孔隙水和深層孔隙水含水層,研究區(qū)內(nèi)僅存在淺層孔隙水含水層,其巖性主要以砂礫卵石為主[1]。由于人類活動影響,研究區(qū)自1965年便開始出現(xiàn)地下水漏斗,并持續(xù)存在50余a,當(dāng)?shù)氐牡叵滤到y(tǒng)也因此發(fā)生了較大的變化。

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

本研究使用1980—2021年平均地下水埋深、降水量、地下水開采量數(shù)據(jù)和1996—2021年人口及GDP數(shù)據(jù),以反映自然因素與人類活動對研究區(qū)地下水位時空動態(tài)演變的影響。年平均地下水埋深、年降水量、地下水開采量數(shù)據(jù)均來自石家莊市1980—2021年水資源公報,人口和GDP數(shù)據(jù)均來自石家莊市1996—2021年統(tǒng)計年鑒。

為分析研究區(qū)淺層地下水在該時段內(nèi)的時空動態(tài)變化和分布情況,本研究針對年平均地下水位埋深數(shù)據(jù)繪制了1980—2021年階段性水位變幅圖,利用1980—2021年地下水監(jiān)測井?dāng)?shù)據(jù)結(jié)合Arcgis軟件中反距離插值法繪制了1980—2021年地下水等水位線圖,地下水監(jiān)測井分布(圖2)密度滿足插值精度要求;為分析不同時段下人類活動對研究區(qū)地下水位動態(tài)的影響特征,繪制了1980—2021年不同階段的年平均地下水埋深與降水量、工農(nóng)業(yè)地下水開采量的關(guān)系曲線圖,1996—2021年地下水埋深與研究區(qū)人口、GDP的關(guān)系曲線圖,以及研究區(qū)1985—2021年土地利用類型圖。結(jié)合上述因素之間的相關(guān)性分析,探究不同時段下主導(dǎo)研究區(qū)地下水埋深變化的影響因素。

圖2 研究區(qū)地下水監(jiān)測井與降水監(jiān)測站分布圖

3 地下水位動態(tài)時空演變特征及影響因素

3.1 地下水位動態(tài)時空演變特征

研究區(qū)淺層地下水自1965年出現(xiàn)下降趨勢后,便出現(xiàn)了地下水降落漏斗,此種情況一直持續(xù)至2015年地下水人工壓采后才有所改善,期間研究區(qū)經(jīng)歷了很多特殊的歷史時期,影響著研究區(qū)的地下水位動態(tài)。就地下水開采而言,改革開放初期(1980—2000年)研究區(qū)年均地下水開采量大(4.42億m3/a),研究區(qū)處于地下水超采狀態(tài);21世紀(jì)初期(2000—2015年)研究區(qū)年均地下水開采量變小(2.83億m3/a),研究區(qū)仍處于地下水超采狀態(tài);地下水人工壓采時期(2015—2021年)研究區(qū)年均地下水開采量大幅減小(0.82億m3/a),研究區(qū)地下水超采問題得以改善。不同的歷史時期對研究區(qū)地下水位動態(tài)時空演變特征有著不同的影響,因此將1980年到2021年分為3個時段進(jìn)行討論,分別是1980—2000年、2000—2015年、2015—2021年。

3.1.1 時間演變特征

1980—2000年,石家莊滹沱河沖洪積扇區(qū)淺層地下水埋深總體呈下降趨勢(圖3),僅在1991年豐水年和1996年特大豐水年有所回升,但很快又轉(zhuǎn)為下降趨勢。1980年研究區(qū)平均地下水埋深為10.06 m,至2000年研究區(qū)平均地下水埋深降至26.46 m,21 a年共降低了16.40 m,平均年降速為0.78 m/a。根據(jù)1980—2000年年均地下水埋深降幅與降速(表1),研究區(qū)地下水埋深的降幅和降速呈現(xiàn)波動狀態(tài),最大降幅在1980—1985年,下降幅度為4.80 m,下降速率為0.80 m/a;最小降幅在1995—2000年,下降幅度為3.24 m,下降速率為0.54 m/a。

表1 研究區(qū)1980—2021年年均地下水埋深變化

a. 1980—2000年;b. 2000—2015年;c. 2015—2021年。

2000—2015年,研究區(qū)淺層地下水埋深下降趨勢增大,在2000—2010年下降幅度較大,在2010—2015年下降幅度逐漸趨于平緩,僅在2014年有所回升。由于2014年是研究區(qū)人工壓采的起步年,當(dāng)年地下水開采量(2.60億m3)較2015年地下水開采量(2.80億m3)小,同時2012、2013年為豐水年,研究區(qū)地面因逐步硬化而導(dǎo)致地下水位對降水的反應(yīng)滯后;因此2014年地下水埋深有所回升。但地下水埋深總體仍處于下降趨勢,至2015年埋深已降至40.65 m,16 a降低了14.19 m,平均年降速為0.89 m/a。根據(jù)2000—2015年其地下水埋深變化(表1)可知,研究區(qū)地下水埋深的降幅和降速呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,最大降幅在2005—2010年,下降幅度為8.41 m,下降速率為1.40 m/a;最小降幅在2010—2015年,下降幅度為1.37 m,下降速率為0.23 m/a。

自2015年地下水超采治理和人工壓采以來,研究區(qū)地下水埋深發(fā)生明顯改善,出現(xiàn)回升趨勢,僅在2016年與2019年地下水埋深有所下降,但其余年份均處于回升狀態(tài),地下水埋深由2015年的40.65 m至2021年已回升至35.50 m,7 a內(nèi)地下水埋深回升5.15 m,回升速率達(dá)0.74 m/a。其中2020—2021年回升幅度最大,為4.18 m。

石家莊滹沱河沖洪積扇區(qū)淺層地下水埋深從1980—2021年總體分為3個階段,分別是1980—2000年較平穩(wěn)下降階段、2000—2015年快速下降階段、2015—2021年回升階段。

3.1.2 空間演變特征

石家莊滹沱河沖洪積扇區(qū)地下水水位整體的大幅下降勢必會引起地下水流場的改變,研究區(qū)長期處于地下水超采狀態(tài),使得地下水位大幅下降,局部區(qū)域形成地下水降落漏斗。1980年地下水降落漏斗核心區(qū)為長安區(qū)與新華區(qū)交界,核心區(qū)地下水水位為50 m,淺層地下水流向由西北(黃壁莊鎮(zhèn))流向東南(裕華區(qū)),在鹿泉區(qū)一帶流向變?yōu)闁|向,而后淺層地下水在地下水降落漏斗核心區(qū)匯流,匯流后繼續(xù)流向西南(圖4a);進(jìn)入1990年,核心區(qū)地下水水位為36 m,較1980年核心區(qū)水位降低了14 m,研究區(qū)淺層地下水流向與1980年淺層地下水流向大部分一致,僅在長安區(qū)一帶流向轉(zhuǎn)變?yōu)槟舷?圖4b)。

圖4 1980—2021年研究區(qū)地下水等水位線圖

2000年研究區(qū)的地下水降落漏斗出現(xiàn)第一次大幅擴(kuò)張,漏斗核心區(qū)淺層地下水水位達(dá)30 m以下,此時研究區(qū)北部淺層地下水流向由西北流向東南,中部淺層地下水流向由東向西,南部淺層地下水流向由西南流向東北,均在地下水降落漏斗核心區(qū)——長安區(qū)發(fā)生匯流(圖4c)。到2010年,由于淺層地下水的持續(xù)開采和研究區(qū)工業(yè)格局的變化,地下水降落漏斗核心區(qū)開始向東偏移,漏斗面積也進(jìn)一步擴(kuò)大,其北部邊界已越過滹沱河到達(dá)正定縣一帶,西部邊界仍維持在新華區(qū)一帶,南部與東部邊界均已超出研究區(qū),淺層地下水水位達(dá)20 m以下,此時研究區(qū)淺層地下水流向與2000年基本一致,僅在研究區(qū)東部地下水降落漏斗邊界處有地下水匯流(圖4d)。

2014年國家啟動了河北地下水超采治理國家級試點工作,2015年是研究區(qū)地下水人工壓采的第一年,淺層地下水流向已基本轉(zhuǎn)變成由西向東,地下水降落漏斗僅剩下西邊界在研究區(qū)內(nèi),因此在研究區(qū)內(nèi)沒有明顯的地下水匯流現(xiàn)象存在(圖4e)。至2021年10月,研究區(qū)東南部的裕華區(qū)和樓底鎮(zhèn)一帶水位恢復(fù)較為明顯,同時研究區(qū)內(nèi)地下水降落漏斗面積大幅減小,研究區(qū)東部地下水水位為20 m,較2015年的16 m回升了4 m;但研究區(qū)西北部地下水水位有所下降,水力梯度最大達(dá)9.84‰,整體呈現(xiàn)增長趨勢(圖4f)。

3.2 地下水位動態(tài)變化影響因素

1980年以來研究區(qū)地下水位動態(tài)共經(jīng)歷了3個演變階段,不同的演變階段內(nèi)其主導(dǎo)地下水動態(tài)變化的影響因素也有不同。按照各因素的性質(zhì),將其分為自然因素、人類活動因素、其他因素進(jìn)行分析。其中,自然因素主要為降水,人類活動因素主要包括地下水開采與人工壓采,其他影響因素主要包括人口、GDP和土地利用類型。1980年以來研究區(qū)地下水埋深整體呈增大趨勢,隨著自然因素與人類活動因素的變化,研究區(qū)年際地下水埋深變化存在較大差異,本文利用斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)法研究地下水埋深變化與自然因素和人類活動因素變化間的相關(guān)性,結(jié)果見表2。

表2 研究區(qū)1980—2015年年均地下水埋深變化與年降水量、開采量變化幅度的相關(guān)性

3.2.1 自然因素

降水量變化在1980—2000年間與年均地下水埋深變化有負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖5),相關(guān)系數(shù)為-0.477,在2000年后二者相關(guān)性逐漸減弱,相關(guān)系數(shù)為-0.318,到2015年后二者相關(guān)性微弱,相關(guān)系數(shù)為-0.086(表2);說明降水量對年均地下水埋深的影響逐漸減弱,究其原因是2000年后研究區(qū)整體地下水埋深較深,地下水埋深對降水的反應(yīng)滯后,降水補(bǔ)給地下水的路徑較長,地下水處于超采狀態(tài),因此降水量對其影響越來越小。

Fig.5 研究區(qū)1980—2021年降水量與年均地下水埋深關(guān)系

3.2.2 人類活動因素

地下水開采按其用途可分為地下水農(nóng)業(yè)開采與地下水工業(yè)開采,在不同的時段主導(dǎo)研究區(qū)地下水埋深變化的地下水開采類型有所不同,因此將地下水開采分為地下水農(nóng)業(yè)開采與工業(yè)開采兩類進(jìn)行討論。1980—2000年的年均地下水埋深與地下水工業(yè)開采量的相關(guān)性弱,相關(guān)系數(shù)為0.183,但與地下水農(nóng)業(yè)開采量呈現(xiàn)較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為0.529(表2),尤其研究區(qū)在1986、1987年遭遇大旱,地下水的農(nóng)業(yè)開采量增加幅度較大,導(dǎo)致研究區(qū)整體地下水埋深在這兩年降幅較大(圖6)。2000—2015年,年均地下水埋深與地下水工業(yè)開采量呈現(xiàn)較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為0.574,但與地下水農(nóng)業(yè)開采量的相關(guān)性弱,相關(guān)系數(shù)為0.266(表2);原因是2000年后研究區(qū)工業(yè)化進(jìn)程發(fā)展迅速,地下水工業(yè)開采量逐漸增大,農(nóng)業(yè)開采量逐漸減小,研究區(qū)地下水處于超采狀態(tài),年均地下水埋深連年增大,因此地下水工業(yè)開采量對年均地下水埋深的影響越來越大(圖7)。到2015年后,人工壓采使得地下水年開采量大幅下降,此時地下水總開采量與年均地下水埋深變化呈現(xiàn)出較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為0.786,2015年后地下水年開采量逐年下降,同時年均地下水埋深也常顯出上升的趨勢(圖8),表現(xiàn)出人工壓采對年均地下水埋深變化有著積極的作用。

圖6 研究區(qū)1980—2015年地下水農(nóng)業(yè)開采量與年均地下水埋深關(guān)系

圖7 研究區(qū)1980—2015年地下水工業(yè)開采量與年均地下水埋深關(guān)系

圖8 研究區(qū)2015—2021年地下水總開采量與年均地下水埋深關(guān)系

通過對自然因素和人類活動因素的探討,研究區(qū)總體地下水埋深的變化在1980—2021年間主要受4種因素所主導(dǎo),分別是降水、地下水農(nóng)業(yè)開采、地下水工業(yè)開采、人工壓采。在不同的時間段內(nèi)研究區(qū)不同的發(fā)展策略也導(dǎo)致各時段的主導(dǎo)因素有所不同,在1980—2000年間降水和地下水農(nóng)業(yè)開采為主導(dǎo)因素,在2000—2015年間主導(dǎo)因素轉(zhuǎn)變?yōu)榈叵滤I(yè)開采,2015年后人工壓采所導(dǎo)致的地下水總開采量下降成為研究區(qū)地下水埋深變化的主導(dǎo)因素。

3.2.3 其他影響因素

在1996—2021年,研究區(qū)內(nèi)人口數(shù)量與GDP整體呈上升趨勢(圖9、10),在該時段內(nèi)地下水埋深整體上呈現(xiàn)增加特征。人口數(shù)量增加和GDP增長可能導(dǎo)致研究區(qū)地下水開采量增加,間接導(dǎo)致地下水埋深持續(xù)增加。一般認(rèn)為,人口數(shù)量增加會導(dǎo)致生活地下水開采量增加[19]。在2015年人工壓采前,人口數(shù)量增幅較大時,年均地下水埋深增幅也相應(yīng)增大,其中:2000—2001年間人口數(shù)量增加了28.2萬人,期間年均地下水埋深增加了1.15 m;2009—2010年間人口數(shù)量增加了17.99萬人,期間年均地下水埋深增加了3.58 m;2007—2008年人口數(shù)量增加了2.99萬人,期間年均地下水埋深增加了0.14 m。2015年后,人口數(shù)量變化對年均地下水埋深變化的影響變得微弱?？砂l(fā)現(xiàn)在人工壓采前,人口數(shù)量變化與年均地下水埋深在變化趨勢上相同,存在弱相關(guān)性,人工壓采后人口數(shù)量變化基本不會影響年均地下水埋深變化。這與前文得出的2000—2015年間主導(dǎo)研究區(qū)整體地下水埋深變化的直接影響因素是工業(yè)地下水開采量而不是農(nóng)業(yè)和生活地下水開采量,以及2015年后的主導(dǎo)因素為人工壓采相呼應(yīng)。

圖9 研究區(qū)1996—2021年人口與年均地下水埋深關(guān)系曲線

圖10 研究區(qū)1996—2021年GDP與年均地下水埋深關(guān)系曲線

GDP增加會導(dǎo)致工、農(nóng)業(yè)地下水開采量增加。在2015年人工壓采前,GDP增幅較大時,年均地下水埋深增幅也相應(yīng)增大,其中:2006—2007年間GDP增加1 426 382萬元,期間年均地下水埋深增加1.11 m;2009—2010年間GDP增加1 576 550萬元,期間年均地下水埋深增加3.59 m;2007—2008年間GDP增加549 626萬元,期間年均地下水埋深增加0.14 m。在人工壓采前,GDP變化與年均地下水埋深變化有較強(qiáng)的趨勢性,在人工壓采后,GDP變化基本不會影響年均地下水埋深變化。

不同的土地利用類型代表著不同的地下水開采類型,隨著研究區(qū)城市的發(fā)展,土地利用類型發(fā)生較大變化,埋深也隨之變化[20]。由圖11可見:1 985—2021年間,研究區(qū)的土地利用類型主要為耕地與人造地表,該時段中耕地占研究區(qū)面積的36%～68%,人造地表占研究區(qū)面積的31%～63%,草地、水體與裸地僅占極少部分。人造地表所占面積呈增長趨勢,17 a年共增長216.33 km2,耕地所占面積呈減少趨勢,17 a共減少218.11 km2,其余土地利用類型均呈現(xiàn)減少趨勢;這導(dǎo)致人工壓采前研究區(qū)的農(nóng)業(yè)地下水開采量持續(xù)下降,工業(yè)地下水開采量持續(xù)增加。人造地表主要集中于研究區(qū)中部,也是研究區(qū)地下水降落漏斗核心區(qū),在未來伴隨著城區(qū)面積的增加人類活動對研究區(qū)地下水動態(tài)的影響越來越強(qiáng)。

圖11 研究區(qū)1985—2021年土地利用類型

4 結(jié)論

1)研究區(qū)的地下水位動態(tài)具有明顯的時代特征,1980—2000年研究區(qū)年均地下水埋深緩慢增大,2000—2015年快速增大,2016—2021年地下水埋深呈現(xiàn)減小趨勢,2016年為轉(zhuǎn)折點;空間上,研究區(qū)地下水埋深整體呈現(xiàn)西北小、東南大的特點,地下水整體流向由西北流向東南。

2)研究區(qū)內(nèi)的地下水流向40 a內(nèi)整體變化不大,由西北(黃壁莊鎮(zhèn))流向東南(裕華區(qū)),僅在細(xì)微處存在差異,1980—2010年地下水在漏斗核心區(qū)(長安區(qū))存在匯流現(xiàn)象,2000—2010年漏斗核心區(qū)延伸至正定縣一帶。漏斗核心區(qū)地下水埋深在30 a內(nèi)持續(xù)增大,1980年核心區(qū)地下水水位為50 m,到2010年核心區(qū)地下水水位降至20 m以下,在2015年后研究區(qū)內(nèi)地下水降落漏斗面積逐漸減小,匯流情況逐漸消失。

3)研究區(qū)內(nèi)地下水位動態(tài)變化的直接影響因素隨時間變化,其中:1980—2000年,地下水農(nóng)業(yè)開采和年降水量為直接影響因素,2001—2015年,地下水工業(yè)開采為直接影響因素,2016—2021年,人工壓采為直接影響因素。

4)人口、GDP以及土地利用類型間接影響研究區(qū)地下水位動態(tài),石家莊滹沱河山前沖洪積扇地下水埋深變化有明顯的階段性特點。