哈建強(qiáng)，朱艷飛

(1.河北省滄州水文水資源勘測(cè)局，河北 滄州 061000；2.滄州市環(huán)境保護(hù)局，河北 滄州 061000)

1 概 述

滄州市東臨渤海，北靠天津，與山東半島及遼東半島隔海相望。京滬高速公路縱貫全市，京杭大運(yùn)河穿境而過，104國道、京滬鐵路貫穿全區(qū)，海陸空交通便利。全市多年平均氣溫12.2℃，極端最高氣溫43℃，極端最低氣溫-25℃，降水量年內(nèi)分配不均，80%的降水量集中在6～9月份。本文分析的東南部典型區(qū)為東光縣和吳橋縣。

2 資料的選取及站點(diǎn)信息

本文研究區(qū)東光縣和吳橋縣內(nèi)有7個(gè)地下水位觀測(cè)點(diǎn)，但長(zhǎng)系列觀測(cè)點(diǎn)只有東光站和樓子鋪站兩個(gè)站點(diǎn)。為彌補(bǔ)資料的不足，在研究區(qū)附近的衡水市景縣、阜城縣和滄州市南皮縣搜集了4個(gè)地下水位長(zhǎng)系列站點(diǎn)。因此，共有11個(gè)地下水觀測(cè)站點(diǎn)，其中長(zhǎng)系列觀測(cè)點(diǎn)有6個(gè)。各個(gè)站點(diǎn)地下水位資料見表1。

表1 地下水位觀測(cè)點(diǎn)位置及系列長(zhǎng)度

地下水位統(tǒng)計(jì)分析時(shí)，主要以東光、樓子鋪、前村、王海、潞灌和寨子6個(gè)長(zhǎng)系列資料的站點(diǎn)為主，其它站點(diǎn)作為補(bǔ)充。由于每年1月份地下水位趨于穩(wěn)定，因此選擇每年1月1日的地下水位進(jìn)行年際和年代際的變化分析。

3 特征分析

3.1 統(tǒng)計(jì)特征分析

根據(jù)以上選擇的地下水站點(diǎn)信息，分別計(jì)算11站地下水位資料的統(tǒng)計(jì)參數(shù)，見表2。

表2 各站潛水位序列常規(guī)統(tǒng)計(jì)參數(shù)計(jì)算結(jié)果

從表2計(jì)算結(jié)果可以看出，各站地下水位平均值相差較大，標(biāo)準(zhǔn)差和變差系數(shù)都較小，即地下水位年際變異較為平緩。從各站偏態(tài)系數(shù)計(jì)算結(jié)果可以看出，地下水位序列正偏和負(fù)偏情況都存在，負(fù)偏情況居多。

3.2 年內(nèi)變化特征分析

從11眼觀測(cè)井中選擇的部分代表性井，選擇資料繪制多年平均的逐月地下水位過程線和多年平均逐月降雨量，見圖1。根據(jù)相關(guān)資料繪制抽水、灌溉量圖，見圖2。從圖1、圖2可以看出，由于1、2月份抽取地下水和灌溉水量都較少，因此地下水位較為穩(wěn)定；3月份開始抽水春灌，地下水位迅速降低，4～5月份地下水位達(dá)到最低；6～9月份淺層抽水量大大減少，再加之夏季降雨量增多和春灌的回補(bǔ)滯后作用，地下水位逐漸回升，至9月份水位達(dá)到最高；10～11月份由于抽水秋灌造墑，使得地下水位出現(xiàn)不同幅度的下降；秋灌后各測(cè)站地下水變化也出現(xiàn)兩種變化趨勢(shì)：第一種趨勢(shì)是秋灌抽水結(jié)束后水位上升直至趨于穩(wěn)定，這種測(cè)井多位于地下水位較低的區(qū)域(如于集站、秦村站和馬鐵鍋站)，秋灌后水位上升的原因主要是灌溉回補(bǔ)地下水和側(cè)向流入所致；第二種趨勢(shì)是10月份抽水結(jié)束后水位并未上升，而是趨于穩(wěn)定或繼續(xù)下降。這種測(cè)井多位于地下水位較高的區(qū)域(東光站)，冬灌后水位并未回升甚至出現(xiàn)繼續(xù)下降趨勢(shì)的主要原因可能是側(cè)向流出量抵消或超過該地區(qū)灌溉回補(bǔ)水量。

從以上初步分析可以看出，該地區(qū)地下水屬于典型的人工-入滲型，人類活動(dòng)(抽水、灌溉)和降雨是地下水位年內(nèi)變化的主要影響因素，在灌溉和降雨較少的冬季，側(cè)向流動(dòng)對(duì)地下水位也有一定的影響。

圖1 逐月地下水位和降雨年內(nèi)分布

圖2 逐月淺層抽水量和灌溉水量分布

3.3 趨勢(shì)性特征分析

根據(jù)實(shí)際情況，分別計(jì)算長(zhǎng)系列資料的東光、樓子鋪、前村等6個(gè)站點(diǎn)的地下水位線性傾向估計(jì)、趨勢(shì)系數(shù)和MK統(tǒng)計(jì)量的計(jì)算，結(jié)果見表3。

表3 潛水位趨勢(shì)分析結(jié)果

從表3計(jì)算結(jié)果可以看出，除東光站外，其它各個(gè)站點(diǎn)地下水位都呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)，而東光呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)。除東光外，樓子鋪等5站平均下降速率為2.31 m/10 a，平均趨勢(shì)系數(shù)達(dá)-0.76，MK法得到的平均統(tǒng)計(jì)量達(dá)-5.46。通過檢驗(yàn)，下降趨勢(shì)均超過0.01信度水平。下降的5個(gè)站點(diǎn)中，樓子鋪和寨子站下降速率相對(duì)較緩。

從兩年滑動(dòng)平均圖(圖3)也可以直觀地看出，除東光站外，研究區(qū)其它站點(diǎn)近40年來地下水位呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)。在1990～1995年間，地下水位下降幅度有所減緩，部分站點(diǎn)甚至出現(xiàn)水位回升現(xiàn)象。1995～1997年后，地下水位進(jìn)入劇降階段，寨子站在1997年以前地下水位并沒有出現(xiàn)顯著的下降趨勢(shì)，在1997年后也開始進(jìn)入急劇下降趨勢(shì)。在近幾年，這種劇降趨勢(shì)有所緩減，甚至部分站點(diǎn)還出現(xiàn)水位上升趨勢(shì)。

圖3 地下水位滑動(dòng)平均曲線

東光站整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，主要原因是該站位于東光縣城，主要的用水量是生活用水，灌溉用水和工業(yè)用水都較少，而生活用水主要抽取的是深層地下水。另外，該站位于南運(yùn)河附近，河流的側(cè)向補(bǔ)給可能也是導(dǎo)致該區(qū)域地下水整體呈現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì)的原因。樓子鋪等站位于灌溉農(nóng)地中，由于大量抽取淺層地下水灌溉，使得地下水位整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

寨子站與其它深埋區(qū)站點(diǎn)相比，下降趨勢(shì)相對(duì)緩慢。并且該站1995年以前地下水位下降趨勢(shì)并不明顯，主要原因可能也是因?yàn)樵撜疚挥谡男l(wèi)新河附近，河流的側(cè)向補(bǔ)給抵消了抽水導(dǎo)致的水位下降。在1995～1997年河道流量劇減后，寨子站的地下水位變化特征與其它位于灌溉地的站點(diǎn)的變化特征趨于一致，表現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)。圖4是南運(yùn)河逐年流量變化趨勢(shì)，由于漳衛(wèi)新河和南運(yùn)河從上游德州境內(nèi)的四女寺閘下開始分叉，因此其變化趨勢(shì)應(yīng)該和南運(yùn)河相似。

圖4 南運(yùn)河河道流量變化曲線

樓子鋪的下降趨勢(shì)比其它站點(diǎn)要小，一方面是因?yàn)槠渎裆钕鄬?duì)較小，降雨會(huì)對(duì)其有一定的補(bǔ)充；另一方面是因?yàn)樵摰貐^(qū)的淺層抽水量多、地表引水多、灌溉強(qiáng)度大。

3.4 持續(xù)性特征分析

對(duì)東光、樓子鋪等具有長(zhǎng)系列資料的6個(gè)地下水位站點(diǎn)的Hurst指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表4。

表4 潛水位Hurst指數(shù)和容量維

各個(gè)站點(diǎn)Hurst指數(shù)擬合圖見圖5。

圖5 潛水位Hurst指數(shù)擬合圖

從擬合結(jié)果來看，域重新標(biāo)度分析法(R/S分析法)得到了較為滿意的結(jié)果。說明該方法用于地下水位動(dòng)態(tài)變化分析是可行的，同時(shí)也說明地下水位具有分形特征，分維數(shù)可以揭示這一特征。

從上述計(jì)算結(jié)果可以看出，各站H>0.5，這說明該地區(qū)地下水位具有持續(xù)性或長(zhǎng)程相關(guān)性，過去的增加趨勢(shì)預(yù)示著未來的增加趨勢(shì)，過去的減少趨勢(shì)意味著將來的減少趨勢(shì)。從分析結(jié)果還可以看出，該地區(qū)平均地下水位的分維數(shù)在1～1.2左右，平均H=0.923 6。Hurst指數(shù)H和分維數(shù)的計(jì)算結(jié)果與黃勇、謝先紅等學(xué)者得到的地下水位分形特征值近似。

3.5 周期性特征分析

用東光等6個(gè)長(zhǎng)系列地下水位系列站點(diǎn)進(jìn)行周期分析。分析之前對(duì)各序列進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，圖6是FFT分析結(jié)果。

圖6 FFT法分析潛水位周期圖

從FFT分析結(jié)果可以看出，該區(qū)域地下水位主要有30年以上、15～17年、8～11年和2～5年4個(gè)周期成分。其中，以長(zhǎng)周期震蕩最為強(qiáng)烈。

通過對(duì)各地下水位標(biāo)準(zhǔn)化序列進(jìn)行小波變化，得到不同時(shí)間尺度的小波方差圖，見圖7。該圖含義與功率譜圖類似，反映的是不同時(shí)間尺度上震蕩的強(qiáng)弱，根據(jù)小波方差圖可以對(duì)序列進(jìn)行周期識(shí)別。表5列出了由小波方差圖得到的各個(gè)站點(diǎn)的周期識(shí)別結(jié)果。為便于比較，將FFT分析結(jié)果也列于表5。

圖7 潛水位小波方差圖

表5 FFT法和小波分析潛水位周期結(jié)果對(duì)比

采用FFT分析的結(jié)果與小波分析結(jié)果略有差異，原因在于FFT分析時(shí)頻率只能取整數(shù)，造成周期分量結(jié)果有一定偏移，但總體來說FFT進(jìn)行功率譜分析得到的周期分量與小波分析結(jié)果相似。

從表5可以看出，該區(qū)域地下水位以超過30年的長(zhǎng)周期變化為主，其次為14～16年周期，7～9年周期和2～4年周期。其中，地下水位大于30年的周期代表趨勢(shì)性變化特征，對(duì)地下水位大于30年長(zhǎng)周期分量方差貢獻(xiàn)率計(jì)算發(fā)現(xiàn)(計(jì)算某站主周期方差貢獻(xiàn)率時(shí)，取該站主周期中心及其前后各一年的小波方差之和，如計(jì)算15年為中心的主周期段，則該主周期方差貢獻(xiàn)率取14～16年的小波方差之和)，東光為10.66%，寨子為12.97%，樓子鋪為13.33%，王海、前村和潞灌為18.5%～19.5%，后3站趨勢(shì)分量(長(zhǎng)周期)方差貢獻(xiàn)率明顯大于前3站，說明后3站趨勢(shì)性更明顯，這與前面趨勢(shì)性分析得到的結(jié)果是一致的。原因是后3站處于深埋區(qū)，人類活動(dòng)影響大，而樓子鋪為淺埋深區(qū)，寨子和東光站位于河邊，降雨和河水的補(bǔ)給抵消了人類抽水帶來的一部分影響。

需要說明的是，因?yàn)橐陨纤R(shí)別的周期屬于概率周期的范疇，因此某一周期成分并不專指該序列僅僅存在該年份的周期分量。它指的是以該年份為中心的周期范圍，如寨子站有15年的周期分量，代表著該站有以15年為中心的周期范圍，從該站小波方差圖上可以看出，寨子站15年周期成分的特征范圍大概在12～20年。

基于這一考慮，可以認(rèn)為該區(qū)域存在4個(gè)較為強(qiáng)烈的周期范圍，分別是30年以上的長(zhǎng)周期、12～20年左右的年代際周期、5～10年左右的年際周期和2～4年左右的短周期。

假如某一氣候因子對(duì)地下水位有影響，該氣候因子的周期分量應(yīng)該能夠驅(qū)使地下水位產(chǎn)生同樣的周期分量和相位變化，但是由于各種因素的影響，由氣候變化周期分量驅(qū)動(dòng)的地下水位周期分量與該氣候因子周期可能不一定完全同步。因此，采用周期范圍的觀點(diǎn)來識(shí)別周期，一方面符合概率周期的內(nèi)涵，另一方面也有助于后續(xù)進(jìn)一步識(shí)別對(duì)地下水位產(chǎn)生影響的氣候因子。

4 結(jié) 語

通過以上分析滄州市東南部典型區(qū)近40年來統(tǒng)計(jì)特性、年內(nèi)變化特征、趨勢(shì)性特征、持續(xù)性特征和周期性等各種特征，得出以下結(jié)論：

1) 該典型區(qū)存在4個(gè)較為強(qiáng)烈的周期范圍，分別是30年以上的長(zhǎng)周期、12～20年左右的年代際周期、5～10年左右的年際周期和2～4年左右的短周期。

2) 該典型區(qū)地下水位具有持續(xù)性或長(zhǎng)程相關(guān)性，過去的增加趨勢(shì)預(yù)示著未來的增加趨勢(shì)，過去的減少趨勢(shì)意味著將來的減少趨勢(shì)。

3) 該典型區(qū)除東光站外，其它各個(gè)站點(diǎn)地下水位都表現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)，東光表現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)。

4) 該典型區(qū)地下水屬于典型的人工-入滲型，抽水、灌溉等人類活動(dòng)和降雨是地下水位年內(nèi)變化的主要影響因素，在灌溉和降雨較少的冬季，側(cè)向流動(dòng)對(duì)地下水位也有一定的影響。