[美國] B.F.托馬斯 等

美國西南干旱地區(qū)可持續(xù)地下水管理

[美國] B.F.托馬斯 等

可持續(xù)地下水管理需要評估氣候和管理活動對地下水系統(tǒng)演變的影響。 利用傳統(tǒng)的連續(xù)性方法評估地下水可持續(xù)性，無法掌握含水層響應(yīng)空間變化。 為彌補這一不足，研究了加州柯契拉谷的地下水位資料，考慮到該河谷實施了綜合管理策略，研究在地下水可持續(xù)框架下進行。 詳細介紹了所采用的創(chuàng)新方法，即利用傳統(tǒng)統(tǒng)計方法深化對含水層響應(yīng)的理解。評估了單個地下水觀測井的變化趨勢，利用區(qū)域顯著性分析了區(qū)域地下水特性。檢驗表明，在1973年開始的大強度地下水補給時段內(nèi)，盡管單個觀測井空間變化趨勢明顯，但區(qū)域地下水位變化趨勢并不明顯。 說明了長期地下水消耗背景下補給效果存在空間局限性，提出應(yīng)關(guān)注利用綜合管理策略進行可持續(xù)地下水管理。

干旱地區(qū)；地下水；可持續(xù)管理；地下水趨勢；統(tǒng)計分析；美國

1 概述與背景

地下水約占不凍淡水的90%，為超過20億人口提供重要的淡水資源。 資料表明，全球范圍內(nèi)，包括美國，不可持續(xù)地下水的利用減少了地下水儲量，對地下水資源滿足未來水需求的關(guān)注度不斷增加。

為評估地下水可供水量，使用了安全開采量這一概念，其定義是維持含水層儲量條件下含水層可開采的最大水量。 2004年，有學(xué)者提出了含水層可持續(xù)概念，將其核心由年補給和年取水量轉(zhuǎn)移到取水時間模式和地下水特性。 他們認為，地下水監(jiān)測為測量自然及人類活動對地下水資源影響的一種手段。 加州柯契拉谷(Coachella Valley)覆蓋廣泛的測井站網(wǎng)，這為評價復(fù)雜且嚴格管理的地下水系統(tǒng)、評估地下水系統(tǒng)對自然和人類活動的響應(yīng)提供了可能。

資料表明，加州部分地區(qū)大量使用地下水，使得地下水儲量減少，由此產(chǎn)生了諸如地面下沉、含水層壓密等后果。 觀測資料表明，在柯契拉谷，1936～1967年地下水抽取量增加10倍，含水層水位下降30 m或者更多，棕櫚泉附近地下水位平均每年下降1.5 m，地面每年沉降速度高達6 mm。 目前柯契拉谷地區(qū)水務(wù)部門正在對地下水資源進行有效管理，對地表水配置、地下水抽取、水再利用和地下水儲庫進行綜合安排。

研究分析了地下水位歷史資料，總結(jié)了影響含水層系統(tǒng)特性的地下水管理特點和氣候特征。 之前的研究利用遙測資料評估了區(qū)域含水層特性，但是沒有考慮局部地下水特性。 考慮到水文時間序列常常為非正態(tài)分布，使用非參數(shù)分析方法比較理想，本文利用非參數(shù)趨勢分析評估了單個測井以及區(qū)域地下水特性。 潘達等人于2007年首先使用該方法分析了地下水特性。 此次研究擴展了之前的區(qū)域地下水位趨勢評估研究，并考慮了地下水位互相關(guān)。 評測含水層管理成效的目標是：①研究地下水位趨勢，評估地下水管理和氣候的影響；②評價區(qū)域地下水特性，并考慮空間相關(guān)和序列相關(guān)；③檢驗研究成果在地下水可持續(xù)框架下的意義。

2 研究區(qū)域

柯契拉谷位于加利福尼亞州南部，西北走向，北鄰圣貝納迪諾(San Bernardino)山脈，南接索爾頓(Salton)海。 索爾頓海槽是一種脊轉(zhuǎn)換斷層系統(tǒng)，來自科羅拉多河的三角洲沉積物填充于其中，據(jù)報道，其深度高達3 700 m。 主要含水層系統(tǒng)分為上半?yún)^(qū)(基準標高以下45～90 m)和下半?yún)^(qū)(基準標高以下90～180 m)，半承壓層貫穿整個含水層。

由于地質(zhì)控制和多個水務(wù)機構(gòu)管理含水層的綜合作用，谷區(qū)含水層響應(yīng)是不同的。 包括圣安德烈亞斯(San Andreas)斷層帶在內(nèi)的結(jié)構(gòu)性地質(zhì)特征因其阻礙水流而影響地下水響應(yīng)。 盡管柯契拉谷水區(qū)、柯契拉水務(wù)局、沙漠水務(wù)局、印第歐(Indio)水務(wù)局和米申(Mission)泉水區(qū)等多家水務(wù)機構(gòu)之間存在密切聯(lián)系，但是每個機構(gòu)對于取水的管理是不同的。 之前的地下水評價將該區(qū)域分為上白水流域和下白水流域，描述了柯契拉運河1949年竣工后流域地下水位上升和下降的情況。 區(qū)域水規(guī)劃(MWH 2012)繼續(xù)通過將白水流域分為上白水流域和下白水流域來評價地下水管理?；谘芯磕康?，評價了白水流域地下水特征，同時，為適應(yīng)現(xiàn)有的管理結(jié)構(gòu)，評價了上白水流域和下白水流域地下水特征。

就流域水文氣候特征而言，該區(qū)域?qū)儆诘湫偷拿绹喜扛珊祬^(qū)域。 谷底區(qū)域年均降水量為80～100 mm，而山區(qū)年均降水量高達800 mm。 在典型的干旱地下水系統(tǒng)中，天然地下水補給僅限于虧水河誘導(dǎo)補給和河谷邊緣補給。 研究表明，谷區(qū)含水層地下水補給源為降水及來自于周邊山區(qū)的徑流，據(jù)估算，白水流域年凈天然補給量為4 440萬m3。 截止到1999年，每年的地下水總抽取量為46 380萬m3，大約為估算天然補給量的10倍。 人口中心集中在上白水流域，如棕櫚泉地區(qū)，其總需水量的92%依賴地下水。 下白水流域主要是農(nóng)業(yè)，其總需水量的36%依賴地下水。 從1973年開始，為了彌補天然補給的不足，利用地表水對上白水流域和下白水流域進行人工補給，補給水來源于《加州水計劃》的調(diào)水量以及《定量調(diào)節(jié)協(xié)議》中規(guī)定的科羅拉多河分配水量。

3 方 法

3.1 數(shù) 據(jù)

各水務(wù)機構(gòu)設(shè)立了觀測井測量并記錄地下水位的變化。 地下水位觀測次數(shù)每年大約為4次，然而，由于沒有正式生效的觀測計劃，觀測次數(shù)并不是固定的。 本文選取了1960～2013年的資料，并將數(shù)據(jù)分組，從1960年開始，每10 a一組。 進行了單個地下水觀測井趨勢分析，觀測井選取要求為5 a期間內(nèi)觀測數(shù)據(jù)超過10個(用于10 a期分析)、且1960～2013年時間段內(nèi)至少25 a內(nèi)超過30個觀測數(shù)據(jù)。

分析了獨立斜率參數(shù)-高程回歸模型項目(PRISM)中的降雨數(shù)據(jù)，評價了研究區(qū)域4 km分辨率網(wǎng)格年降水數(shù)據(jù)。

針對此次研究，分析了1910～2010年的數(shù)據(jù)，分析結(jié)果表明，實測地下水位趨勢主要受10 a期平均降水量特征的影響。

3.2 假設(shè)檢驗

理解地下水動態(tài)是實現(xiàn)可持續(xù)地下水管理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，這一環(huán)節(jié)包括對響應(yīng)天然和人類活動影響的地下水特性的時空變化進行評估，利用多種方法評價了地下水動態(tài)，包括時間序列分析、地下水徑流模擬模型和遙測遙感等。 但這些方法也存在局限，即不能評價局部地下水特性。 本文利用MK趨勢檢驗評價局部地下水特性，擴展后利用區(qū)域顯著性評價區(qū)域地下水趨勢。

3.2.1 MK趨勢檢驗

之前的地下水研究，主要討論地下水/地表水相互作用變化的特點，或者探討氣候變化對地下水系統(tǒng)的影響。 MK趨勢檢驗分析地下水趨勢這一方法一直都用于水質(zhì)數(shù)據(jù)，直到最近才應(yīng)用于地下水位的分析。 非參數(shù)方法更適用于非正態(tài)分布數(shù)據(jù)，避免了線性回歸中相關(guān)殘差的復(fù)雜性，可以利用類似于預(yù)白噪聲化的各種轉(zhuǎn)換進行校正，如Cochrane-Orcutt 轉(zhuǎn)換或者Hildreth-Lu轉(zhuǎn)換等。

MK趨勢檢驗是一種非參數(shù)、基于秩次的方法，用于評價時間序列中存在的趨勢。 檢驗根據(jù)按時間進行排序的數(shù)據(jù)進行，并評價每一個連續(xù)數(shù)據(jù)點。 檢驗的統(tǒng)計量S計算如下式：

(1)

式中，x為時間i和j的數(shù)據(jù)點，如果xj>xi，sgn(xj-xi)為1，如果xj

E(S)=0

(2)

如果考慮秩相等的情況(xi=xj)，統(tǒng)計量S的方差計算如下式：

(3)

式中，ti表示序列長度i中秩相等的數(shù)量。

用Sen斜率估計量(b)估算趨勢度如下式：

?j>i

(4)

式中，Y為時間X的實測地下水位。

3.2.2 區(qū)域顯著性

區(qū)域顯著性，表示區(qū)域特性顯著性的術(shù)語，用來評價整個柯契拉谷的10 a期趨勢。 之前評估區(qū)域地下水特性使用的方法是齊性檢驗，這種分析為匯集單站趨勢提供空間資料，但是不能評價整個含水層系統(tǒng)的統(tǒng)計特性。 區(qū)域顯著性檢驗利用單井特性確定區(qū)域趨勢，檢驗結(jié)果與用拔靴(bootstrap)法獲得的可能是偶然的趨勢進行了比較。 檢驗過程受序列相關(guān)影響，包括單站地下水觀測時間序列的時間相關(guān)和空間相關(guān)，即地下水測井位置之間直接水力聯(lián)系導(dǎo)致的空間關(guān)系。

針對空間相關(guān)，學(xué)者們解釋說明了空間相關(guān)在解讀趨勢中的重要性。 他們舉例說明了位置相關(guān)違反評價區(qū)域趨勢顯著性時的獨立性假設(shè)。 此次研究評價了位置之間存在直接水力聯(lián)系的地下水觀測數(shù)據(jù)的趨勢，假定位置相關(guān)需要使用其他方法評價區(qū)域顯著性。

使用靴化法評價區(qū)域顯著性。 該法包括重新抽樣以獲得樣本，根據(jù)所獲取的樣本估計統(tǒng)計特性。 這里使用的拔靴法包括對地下水觀測數(shù)據(jù)進行N次重新抽樣，利用肯德爾統(tǒng)計量S的平均值 估計統(tǒng)計性質(zhì)，其計算公式如下：

(5)

式中，Sk為m個測井中第k個井的肯德爾統(tǒng)計量S。 零假設(shè)為：空間不相關(guān)且獨立的估計值Sk無趨勢，因此，E(Sm) = 0。 對于N個拔靴樣本，建立Sm經(jīng)驗分布函數(shù)，確定區(qū)域顯著性。 利用威布爾經(jīng)驗頻率繪制共10 000個樣本(N=10 000)，則

(6)

式中，r為拔靴結(jié)果的秩。

針對空間相關(guān)，水文數(shù)據(jù)常常呈現(xiàn)序列相關(guān)，違背序列獨立性假定，可能在無趨勢存在的情況下拒絕無趨勢假設(shè)。 有學(xué)者建議對數(shù)據(jù)進行預(yù)白噪聲化處理，消除時間序列的序列相關(guān)。 最簡單的方法是通過消除一階自相關(guān)進行預(yù)白噪聲化處理，其假定數(shù)據(jù)由一階自回歸模型生成，計算公式如下：

(7)

式中，Yt為時間t時的原始地下水觀測值，r1為一階自回歸。 有學(xué)者舉例說明了“TFPW”預(yù)白噪聲化處理方法在評價趨勢顯著性時效果較好。 按照該方法，需要估計并消除Sen斜率趨勢、消除一階自相關(guān)關(guān)系、重新估計時間序列的斜率趨勢。 其他研究包括利用類似方法估計徑流量趨勢、降水量趨勢或者蒸散發(fā)趨勢。研究的目的并非評價各種預(yù)白噪聲化處理的特性，相反，在之前趨勢評價研究成果的基礎(chǔ)上評價了TFPW方法。

4 結(jié) 果

4.1 10 a期趨勢

對10 a期的分析結(jié)果(20世紀60～21世紀初)進行了統(tǒng)計，趨勢度用Sen斜率估計量(見公式4)估算。 利用普通克里格法對單個井趨勢度進行插值，評價趨勢空間特性，這一空間估算方法可以最大限度地減少誤差方差。 在該研究成果中，利用地表水補給、地下水利用以及降水量等歷史資料分析了10 a期地下水特性。

4.1.1 20世紀60年代

上白水流域呈現(xiàn)明顯的反向趨勢，原因是農(nóng)業(yè)增產(chǎn)以及20世紀60年代棕櫚泉地區(qū)人口增長55%，而上白水流域依賴地下水滿足用水需求，導(dǎo)致地下水抽取量增加。

索爾頓海附近的下白水流域，其地下水位略呈正向趨勢。 柯契拉運河1949年竣工，柯契拉河經(jīng)該運河向下白水流域輸送灌溉水，減少地下水抽取量，滿足用水需求，可能導(dǎo)致了地下水的正向響應(yīng)。

4.1.2 20世紀70年代

20世紀70年代人口增長以及農(nóng)業(yè)快速增產(chǎn)導(dǎo)致地下水超采。 柯契拉谷大部分觀測井(85%)呈現(xiàn)反向趨勢。 然而，趨勢度空間插值圖顯示，下白水流域部分觀測井呈現(xiàn)中性趨勢或者略呈正向趨勢(23 %)。 隨著白水河流域恢復(fù)雨水徑流配置和地表水配置，上白水流域1973年開始實施地下水補給，直到1979年，系統(tǒng)補給率達到最低，這一措施可能對這10 a期內(nèi)的地下水位產(chǎn)生局部影響。

4.1.3 20世紀80年代

隨著上白水流域補給配置增加，局部地下水位呈現(xiàn)抬升趨勢。 整個柯契拉谷區(qū)域大約有40%測井的地下水位呈正向趨勢，而上白水流域大部分測井地下水位呈正向趨勢(62%)。 上白水流域補給地下水的地表水配置增加，可能是由于科羅拉多河水量配置增加以及這一10 a期降水量高于多年平均值引起的。 下白水流域，盡管利用柯契拉運河進行灌溉，地下水位依然呈現(xiàn)反向趨勢。

4.1.4 20世紀90年代

空間趨勢表明，柯契拉谷區(qū)域地下水補給情況是不一致的且效果也有限。 上白水流域補給地下水的地表水配置增加，使得大約28%的觀測井地下水位抬升。 另外，下白水流域試點補給研究表明，谷區(qū)東部區(qū)域產(chǎn)生了正向含水層響應(yīng)，大約16%的觀測井呈現(xiàn)正向趨勢。 谷區(qū)大部分區(qū)域地下水位明顯下降，表明地下水超采空間變化大。

4.1.5 21世紀初

21世紀初，美國東南地區(qū)遭受長時間干旱，影響了含水層天然補給能力。 干旱還影響了補給地下水的地表水引水，為滿足灌溉需求和城市水需求，可能導(dǎo)致地下水開采增加。 氣候條件和地下水持續(xù)開采的共同影響導(dǎo)致了這一10 a期的地下水超采。

4.1.6 1960～2013年

為解決地下水超采問題，水務(wù)部門開始實施地下水補給，同時實施水再利用和地表水引水。 從2009年開始，柯契拉谷水分區(qū)基于《定量調(diào)節(jié)協(xié)議》訂立的各種協(xié)議，增加了用于上白水流域地下水補給系統(tǒng)的地表水配置量。 1960～2013年地下水位特性說明了人工補給地下水抬高地下水位的效果。分析表明，在谷區(qū)中部區(qū)域地下水位每年急劇下降高達2 m的情況下，地下水補給的空間影響是有限的。

4.2 區(qū)域顯著性

根據(jù)區(qū)域趨勢評估，可以進行基于含水層的可持續(xù)地下水管理評價。 在4.1節(jié)中，討論了10 a趨勢，為說明地下水特性提供了令人信服的可視證據(jù)，但不能用這樣的方法檢驗區(qū)域地下水趨勢的顯著性。 為解決這一問題，評價了單站假設(shè)檢驗的區(qū)域顯著性，以確定區(qū)域趨勢的顯著性。 在該分析中，零假設(shè)為：在0.05顯著性水平下，不存在區(qū)域趨勢。

分析TFPW數(shù)據(jù)的區(qū)域顯著性表明，20世紀60年代、90年代和1960～2013年整個研究周期存在不顯著趨勢。 整個白水流域20世紀70年代和21世紀初存在明顯趨勢，下白水流域20世紀80年代和21世紀初存在明顯趨勢，上白水流域21世紀初存在明顯趨勢。

補水設(shè)施附近正向地下水位趨勢以及谷區(qū)中心部分反向地下水位趨勢相互交織，使得整個研究周期內(nèi)地下水位無明顯趨勢，凸顯了可持續(xù)地下水管理評價過程的復(fù)雜性。

地下水空間分布特性以及研究成果所展示的趨勢度對區(qū)域趨勢都具有影響。 例如，20世紀80年代這一10 a期。 在上白水流域，地下水補給活動有效地抬升了地下水位，含水層西北部分呈現(xiàn)正向地下水位趨勢，而上白水流域西南部分地下水位呈現(xiàn)下降趨勢。 交織出現(xiàn)的上升趨勢和下降趨勢，導(dǎo)致上白水流域無明顯區(qū)域趨勢。 下白水流域整個區(qū)域呈現(xiàn)明顯的反向趨勢，且具有明顯的區(qū)域趨勢。 分析表明，研究周期內(nèi)情況類似，說明了地下水補給活動對于實測地下水特性的影響。

5 討 論

為滿足區(qū)域用水需求，柯契拉谷地下水長期超采，超采歷史可追溯到20世紀初。 目前，該區(qū)域依賴地下水、科羅拉多河配置的地表水和再利用水支撐包括農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、高爾夫球場和旅游業(yè)在內(nèi)的經(jīng)濟活動以及包括印第歐和棕櫚泉地區(qū)等人口中心地區(qū)的用水。

研究結(jié)果表明，地下水補給措施對于谷區(qū)地下水超采的緩解程度不一，補水設(shè)施附近的觀測顯示，地下水位由反向趨勢向正向趨勢轉(zhuǎn)變；而其他區(qū)域，特別是河谷區(qū)中心區(qū)域，地下水依然處于超采狀態(tài)。 21世紀初的干旱以及地表水配置量減少，對地下水位影響很明顯，出現(xiàn)了大范圍的地下水位反向趨勢。 本文的區(qū)域顯著性分析表明，21世紀初存在顯著趨勢，這一趨勢凸顯了區(qū)域地下水管理對利用地表水配置補給地下水的依賴。 在長期地下水趨勢統(tǒng)計評價中，該研究成果未發(fā)現(xiàn)顯著趨勢，這一結(jié)果表明，地下水補給有效抬升了局部地下水位。

為了說明整個柯契拉谷的地下水位特性，計算了每一年的平均地下水位。 對于每一個區(qū)域，根據(jù)每個測井的觀測次數(shù)以及研究期內(nèi)觀測到的變化的地下水觀測井數(shù)量計算年均地下水位。 作為參照，將該平均地下水位與1960年的平均地下水位進行了對比。 在分析中，提供了單站平均地下水位，分析認為，單站水位不能代表地下水位的空間和時間特性。 然而，該分析對年均地下水位特性所做的比較是有價值的，有助于理解氣候及區(qū)域水管理影響引起的含水層系統(tǒng)演變。

上白水流域平均地下水位特性表明，20世紀60～80年代期間地下水儲量快速消耗，相反，下白水流域之前地下水位呈下降趨勢，大約從2010年開始，儲量呈正向趨勢。 在上白水流域，1980年的地下水特性變化，可能是降水量超過平均值和上白水流域地下水補給量穩(wěn)定增加共同造成的。 相反，由于美國整個西南地區(qū)出現(xiàn)長期干旱，下白水流域地下水儲量呈現(xiàn)下降趨勢，且2000年儲量出現(xiàn)急劇下降。 大約2007年出現(xiàn)的平均地下水位特性變化，與該區(qū)域?qū)嵤┑脑圏c地下水補給相吻合，根據(jù)試點方案，2009年下白水流域安裝了補水設(shè)施。

包括與河谷區(qū)外水務(wù)機構(gòu)訂立的協(xié)議在內(nèi)的多項水管理決策，使得該區(qū)域可以利用科羅拉多河配置地表水進行地下水補給和灌溉，減少了抽取地下水的需求。 另外，教育和折扣方案等保護工作緩解了需求。 盡管做了上述種種努力，平均地下水位大約為19 m，低于1960年的水平。

地下水可持續(xù)性需要的遠不止有些學(xué)者提出的“含水層零凈抽取”狀態(tài)。 有研究表明，地下水超采，依然可伴隨由于地下水補給導(dǎo)致的局部地下水位正向響應(yīng)。 區(qū)域顯著性結(jié)果證實了地下水補給活動的積極影響，但是，在進行大量補給的幾十年內(nèi)，未見明顯的區(qū)域趨勢。 相反，統(tǒng)計評價結(jié)果表明，21世紀初呈現(xiàn)顯著區(qū)域特性，這一結(jié)果與美國西南地區(qū)干旱以及補給量減少相吻合。研究顯示地下水補給取得了一定效果，平均地下水位下降得到遏制。

21世紀初的10 a中，該地區(qū)并未得到大量的地表水補給，而20世紀80年代的10 a中，該地區(qū)獲得大量地表水補給，比較兩個10 a期可以看出，在長期地下水消耗的背景下，地下水補給空間效果是有限的。 研究顯示，該地區(qū)不可持續(xù)的地下水措施，導(dǎo)致地下水位隨著地表水配置量減少而下降。 在地表水可以自動流入該區(qū)域的時段內(nèi)，地下水位抬升，但未發(fā)現(xiàn)顯著的區(qū)域地下水趨勢。 實測地下水動態(tài)沒有顯現(xiàn)具有活力的管理策略的特征。 該地區(qū)長期的不可持續(xù)地下水利用，嚴重依賴地下水資源滿足用水需求，對該地區(qū)造成了嚴重影響，特別是在未來氣候變化存在不確定性、干旱可能加重以及科羅拉多河未來配置量不確定性的情況下，這種影響顯得尤為嚴重。

6 結(jié) 論

柯契拉谷水資源綜合管理的目標目前已經(jīng)達成，綜合水管理遠不止解釋地下水預(yù)算的來龍去脈那么簡單。該研究分析成果可以用來評估地下水可持續(xù)性框架中的監(jiān)測部分。 利用單站以及區(qū)域MK檢驗進行了時空分析，盡管這些方法在檢測地下水時間序列趨勢方面可能存在一些限制，但是分析確定了外部因素，如氣候和水管理決策等，就柯契拉谷而言，這些決策包括利用科羅拉多河配置量進行灌溉和地下水補給。 本文研究方法簡便，方便討論地下水特性和地下水管理影響，有助于實現(xiàn)柯契拉谷地下水可持續(xù)過程中的評價以及利益相關(guān)者的參與。 另外，利用常規(guī)水文學(xué)方法進行的時空分析，考慮了管理措施、氣候以及地下水利用等因素，對確定未來地下水可持續(xù)性行動及制定長期可持續(xù)目標進行了剖析。 盡管法律關(guān)系復(fù)雜的各種協(xié)議保證了地下水補給和灌溉所需的地表水配置量，但地下水超采的空間格局依然明顯。

朱慶云 譯

(編輯：朱曉紅)

1006-0081(2017)01-0029-05

2016-10-17

S273.4

A

朱慶云，男，江蘇省水文水資源勘測局南京分局，高級工程師，主要從事站網(wǎng)及水文分析計算工作。)