劉偉坡，沙 娜，程旭學(xué)

（中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051）

0 引 言

【研究意義】地下水作為水資源的重要組成部分，既在區(qū)域水循環(huán)中發(fā)揮著重要作用，又是我國(guó)北方地區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人類生活的重要供水水源[1]。由于地下水的開發(fā)、利用缺乏統(tǒng)一的規(guī)劃和有效管理，致使當(dāng)前的地下水開發(fā)利用過(guò)程中出現(xiàn)地下水位持續(xù)下降、地面沉降、地裂縫、海水入侵等一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[2-4]。因此，地下水動(dòng)態(tài)變化規(guī)律及其影響因素研究已成為國(guó)內(nèi)外專家關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題之一[5-7]，所采用的研究方法主要有雙向回歸分析方法[8-9]、R/S 分析法[10-11]、Mann-Kendall 檢驗(yàn)、Yamamoto 檢驗(yàn)、滑動(dòng)t 檢驗(yàn)[12-14]?！狙芯窟M(jìn)展】李鴻雁等[15]應(yīng)用方差分析和分形理論研究了建三江地區(qū)2005—2008 年地下水動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。危潤(rùn)初等[16]采用雙向回歸突變分析方法和標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI）方法研究了建三江地區(qū)1992—2011 年地下水埋深的趨勢(shì)突變，分析了地下水動(dòng)態(tài)趨勢(shì)突變與降水之間的響應(yīng)關(guān)系?！厩腥朦c(diǎn)】近年來(lái)，隨著區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整和水稻田種植規(guī)模的不斷擴(kuò)大，地下水補(bǔ)排產(chǎn)生了新的變化趨勢(shì)，改變了地下水流場(chǎng)特征，引起地下水位不同幅度下降?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本文運(yùn)用Arcgis 空間插值分析、OriginPro 趨勢(shì)分析、襯度系數(shù)方差分析及地下水動(dòng)力學(xué)等方法，研究地下水時(shí)空動(dòng)態(tài)變化特征，揭示現(xiàn)狀條件下地下水動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，對(duì)指導(dǎo)地方合理開發(fā)利用地下水資源具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

建三江位于三江平原的東北部，地處黑龍江、松花江和烏蘇里江三江匯流的河間地帶，轄區(qū)總面積1.24 萬(wàn)km2，擁有15 個(gè)大中型農(nóng)場(chǎng)，是我國(guó)重要的商品糧生產(chǎn)基地。多年平均氣溫1.0～2.0 ℃，極端最高氣溫38 ℃，極端最低氣溫-41.6 ℃，多年平均降水量為383.5～886.1 mm。區(qū)內(nèi)河流水系發(fā)育，黑龍江、烏蘇里江南北環(huán)繞，松花江貫穿全境，撓力河、七星河、別拉洪河和其他支流縱橫交錯(cuò)。自第四紀(jì)以來(lái)，研究區(qū)以間歇式沉降為主，地表沉積了3～20 m不等厚度的黏土和亞黏土，大大降低了大氣降水對(duì)地下水的垂直入滲補(bǔ)給[17-19]。區(qū)內(nèi)地勢(shì)平緩，地下水水力坡度與地面坡降相近，為1/10 000～1/5 000，地下水徑流緩慢。根據(jù)黑龍江墾區(qū)1998—2018 年統(tǒng)計(jì)年鑒資料，1997—2017 年20 a 間，區(qū)內(nèi)耕地面積由38.12 萬(wàn)hm2增加至75.28 萬(wàn)hm2，增長(zhǎng)了近1 倍，水稻田種植面積由14.67 萬(wàn)hm2增加至65.66 萬(wàn)hm2，增長(zhǎng)了近3.5 倍。區(qū)內(nèi)地表水資源雖較為豐富，但開發(fā)利用程度低，灌溉用水90%以上以地下水為主。因此，隨著水稻田種植規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對(duì)地下水的需求量日益增加，地下水嚴(yán)重超采，地下水位呈不等程度下降。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究收集了建三江分局15 個(gè)農(nóng)場(chǎng)監(jiān)測(cè)井20 a（1997—2017 年）的逐年地下水位標(biāo)高、1997—2017年不等時(shí)期土地利用類型遙感影像數(shù)據(jù)，以及建三江分局20 a 耕地面積和水稻田面積的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。收集監(jiān)測(cè)井監(jiān)測(cè)層位為第四系松散巖類孔隙含水層，為區(qū)內(nèi)地下水主要開采目的層，能較好反映區(qū)內(nèi)地下水動(dòng)態(tài)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

對(duì) 1997—2017 年的地下水位標(biāo)高數(shù)據(jù)應(yīng)用OriginPro 軟件分析地下水位動(dòng)態(tài)變化規(guī)律；根據(jù)SPSS 預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)未來(lái)5 a 地下水位變化趨勢(shì)；應(yīng)用襯度系數(shù)方差分析揭示研究區(qū)地下水位變幅空間變化特征，應(yīng)用Arcgis 空間插值分析揭示地下水流場(chǎng)空間異變特征，查明地下水動(dòng)態(tài)變化規(guī)律及其影響因素。

1.3.1 襯度系數(shù)方差分析

離散型變量方差計(jì)算公式為：

式中：n 為樣本個(gè)數(shù)；Xi為樣本值；為樣本均值。

襯度系數(shù)V 作為一種變量波動(dòng)性評(píng)判指標(biāo)，反映樣本值與樣本均值的比較，其表達(dá)式為：

式中：Vi為樣本值；為樣本均值。

由式（2）可知，襯度系數(shù)值的大小可以體現(xiàn)樣本值的異常程度。襯度系數(shù)方差分析即先求取每個(gè)變量的襯度系數(shù)值，再求其方差[20]。

1.3.2 Arcgis 空間插值分析

以建三江分局15 個(gè)農(nóng)場(chǎng)監(jiān)測(cè)井1997、2017 年地下水位標(biāo)高數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用Arcgis 克里金插值分析，繪制了區(qū)內(nèi)1997—2017 年地下水位變幅圖、地下水位襯度系數(shù)方差圖以及地下水流場(chǎng)圖，揭示地下水過(guò)度開采引起的地下水位下降幅度空間分布規(guī)律及地下水流場(chǎng)變化趨勢(shì)。

2 結(jié)果與分析

2.1 地下水位動(dòng)態(tài)分析

建三江分局15 個(gè)農(nóng)場(chǎng)監(jiān)測(cè)井20 a（1997—2017年）地下水動(dòng)態(tài)曲線如圖1 所示。區(qū)內(nèi)除前哨、勤得利農(nóng)場(chǎng)地下水位動(dòng)態(tài)變化相對(duì)較小外，其他13 個(gè)農(nóng)場(chǎng)監(jiān)測(cè)井地下水位動(dòng)態(tài)波動(dòng)幅度均大于3.0 m，濃江農(nóng)場(chǎng)監(jiān)測(cè)井地下水位降幅最大，為9.29 m，地下水位平均下降速率為0.46 m/a。

圖1 建三江地下水水位多年動(dòng)態(tài)曲線 Fig.1 Multi-year dynamic curve of groundwater level in Jiansanjiang

2007—2017 年，勤得利農(nóng)場(chǎng)地下水位波動(dòng)幅度為0.15～0.48 m，波動(dòng)幅度相對(duì)穩(wěn)定；2015 年以來(lái)，創(chuàng)業(yè)農(nóng)場(chǎng)地下水位基本保持相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，波動(dòng)幅度為0.12～0.16 m，七星農(nóng)場(chǎng)、紅衛(wèi)農(nóng)場(chǎng)地下水位呈現(xiàn)小幅上升趨勢(shì)，七星農(nóng)場(chǎng)地下水位由2015 年的46.5 m上升至2017 年的47.23 m，上升幅度為0.37 m/a。

根據(jù)15個(gè)監(jiān)測(cè)井1997—2017年地下水位變化幅度，應(yīng)用Arcgis 空間插值繪制了地下水位變幅圖（圖2）。

從圖2 可以看出，區(qū)內(nèi)東部、西部地下水位下降幅度較大，為7.8～9.29 m，且西部下降幅度明顯大于東部，南部和北部下降幅度相對(duì)較小，位于東北部的勤得利農(nóng)場(chǎng)下降幅度最小，為1.60 m，推測(cè)主要受地下水開采強(qiáng)度及地表水側(cè)向補(bǔ)給的影響。 由于農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)和土地利用類型的不斷調(diào)整，耕地面積和水稻田種植面積呈逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)，自1997—2017年耕地面積由38.12萬(wàn)hm2增加至75.28萬(wàn)hm2，增長(zhǎng)了近1 倍，水稻田種植面積由14.67 萬(wàn)hm2增加至65.66 萬(wàn)hm2，增長(zhǎng)了近3.5 倍。區(qū)內(nèi)水稻田灌溉用水90%以上以開發(fā)利用第四系孔隙水為主。因此，隨著水稻田種植規(guī)模的不斷擴(kuò)大，地下水的開采量不斷增加致使地下水超采是導(dǎo)致區(qū)內(nèi)地下水位下降的主要原因。近年來(lái)，隨著三江平原水稻田種植規(guī)模的相對(duì)穩(wěn)定和農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉意識(shí)的不斷提高，水稻需水量灌溉定額由4 500～5 250 m3/hm2調(diào)為4 200～4 950 m3/hm2，灌溉渠系的修整、防護(hù)間接提高了井水灌溉利用系數(shù)，有效降低了渠間滲漏量，地下水開采量得到有效控制，地下水位呈現(xiàn)小幅波動(dòng)或緩慢上升趨勢(shì)。 區(qū)內(nèi)南部和東北部山前地表水系較為發(fā)育，撓力河、七星河、濃江和黑龍江環(huán)繞其間，地表水—地下水動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)化頻繁，受人類活動(dòng)因素影響引起的區(qū)域地下水位下降，改變了天然地下水流場(chǎng)特征，增大了山前地下水水力坡度，地表水—地下水動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)化關(guān)系以入滲補(bǔ)給地下水為主，致使山前側(cè)向徑流補(bǔ)給量和河流入滲補(bǔ)給量增加，是區(qū)內(nèi)南部和北部地下水位下降幅度相對(duì)較小的主要原因。

2.2 襯度系數(shù)方差分析

根據(jù)襯度系數(shù)方差分析公式對(duì)建三江分局15 個(gè)農(nóng)場(chǎng)監(jiān)測(cè)井進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，為便于對(duì)比分析，將地下水位襯度系數(shù)方差結(jié)果均放大103倍，結(jié)果見表1。

表1 地下水水位襯度系數(shù)方差值 Table 1 Variances of contrast coefficients of groundwater level

從表1 可以看出，研究區(qū)15 眼監(jiān)測(cè)井地下水位襯度系數(shù)方差為0.19～4.61，地下水位波動(dòng)幅度最小區(qū)位于勤得利農(nóng)場(chǎng)，濃江農(nóng)場(chǎng)地下水位波動(dòng)幅度最大。對(duì)地下水位襯度系數(shù)方差值進(jìn)行Arcgis 插值處理，結(jié)果見圖3。從圖3 可以看出，研究區(qū)地下水位波動(dòng)呈明顯的空間分異特征。研究區(qū)內(nèi)形成3 個(gè)“向心圓”狀地下水位波動(dòng)漸變區(qū)，漸變區(qū)中心分別為濃江農(nóng)場(chǎng)、創(chuàng)業(yè)農(nóng)場(chǎng)、八五九農(nóng)場(chǎng)，自四周向中心區(qū)地下水位波動(dòng)幅度呈逐漸增大趨勢(shì)，漸變區(qū)中心最大襯度系數(shù)方差分別為4.61、4.07、3.72，西部地下水位波動(dòng)幅度明顯大于東部地區(qū)，除東南部八五九農(nóng)場(chǎng)襯度系數(shù)方差較大外，研究區(qū)四周地下水位襯度系數(shù)方差均小于研究區(qū)內(nèi)部。

圖3 地下水位襯度系數(shù)方差空間分布 Fig.3 Spatial structure of variances of contrast coefficients of groundwater level

2.3 地下水流場(chǎng)變化分析

地下水流場(chǎng)方向及水力梯度的變化主要受地下水開采量、大氣降水入滲補(bǔ)給量、側(cè)向徑流入滲補(bǔ)給量、地表水入滲補(bǔ)給量等因素的影響，為了直觀地反映研究區(qū)地下水流場(chǎng)變化特征，將1997 年、2017 年研究區(qū)地下水流場(chǎng)繪于圖4。

從圖4 可以看出，1997 年地下水流向大致為南北向、北東向，以北東向?yàn)橹?，最終排泄于烏蘇里江流出區(qū)外，地下水徑流條件差、徑流緩慢。1997—2017年由于地下水的過(guò)量開采引起的地下水位不等幅度下降致使地下水流場(chǎng)變化表現(xiàn)出明顯的空間分異特征，中西部地下水流向由中心向西北、東南邊界補(bǔ)給地表水轉(zhuǎn)變?yōu)橛杀蔽?、北東邊界向中心補(bǔ)給地下水，使得中西部低平原成為地下水的集中匯流區(qū)，南部大興農(nóng)場(chǎng)、七星農(nóng)場(chǎng)、創(chuàng)業(yè)農(nóng)場(chǎng)及西北部勤得利農(nóng)場(chǎng)地下水水力坡度明顯增大，地下水徑流條件增強(qiáng)，東南部山前地區(qū)水力坡度增大致使地下水側(cè)向補(bǔ)給量顯著增加，地下水徑流條件增強(qiáng)，中部低平原區(qū)由于地勢(shì)低平，地下水徑流緩慢，為地下水的弱徑流區(qū)，水力坡度無(wú)明顯變化，地下水主要接收南、北西及北東向補(bǔ)給，成為地下水匯流區(qū)。

3 討 論

研究區(qū)表層廣泛分布3～20 m 厚黏土和亞黏土層，大氣降水垂直入滲補(bǔ)給能力差，地下水主要接收側(cè)向徑流補(bǔ)給，西部、東南部山前地區(qū)由于地下水位的持續(xù)下降致使水力梯度明顯增大，地下水徑流條件變強(qiáng)，側(cè)向補(bǔ)給量顯著增加。南部創(chuàng)業(yè)農(nóng)場(chǎng)、七星農(nóng)場(chǎng)、大興農(nóng)場(chǎng)部分地表水系較為發(fā)育的地區(qū)地下水位降至河水位以下，地下水接受河水入滲補(bǔ)給，佐證了前人的研究成果。中西部、中東部廣大低平原區(qū)地勢(shì)低平，地下水徑流遲緩，地下水垂直入滲補(bǔ)給及側(cè)向徑流補(bǔ)給能力相對(duì)較差，因此，由于地下水的過(guò)量開采致使地下水位波動(dòng)及下降幅度表現(xiàn)為最大，與前人研究成果相一致[12,16]。

地下水動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型可分為確定性模型和隨機(jī)性模型，確定性模型包括解析法、數(shù)值法、物理模擬法等；隨機(jī)性模型有回歸分析模型、頻譜分析模型以及時(shí)間序列模型等[21-23]。為揭示研究區(qū)未來(lái)5 a 地下水位變化趨勢(shì)，應(yīng)用SPSS 時(shí)間序列統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)模型對(duì)15 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)1997—2017 年地下水位數(shù)據(jù)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬，建立了ARIMA 模型，擬合度均大于0.80，擬合度較好，預(yù)測(cè)模型結(jié)果顯示：位于研究區(qū)北部的勤得利農(nóng)場(chǎng)和南部的勝利、大興農(nóng)場(chǎng)地下水位呈不同幅度上升趨勢(shì)，上升幅度為0.31～2.27 m，推測(cè)主要原因是由于農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整和節(jié)水灌溉措施的實(shí)施，有效控制了水稻田種植面積和農(nóng)作物耗水量，大大減少了地下水開采量[26]；其他地區(qū)呈現(xiàn)不等幅度下降趨勢(shì)，下降幅度為0.3～3.55 m，其中八五九農(nóng)場(chǎng)地下水位下降幅度最大為3.55 m，地下水不同程度過(guò)量開采是導(dǎo)致地下水位不等幅度下降的主要原因[15]。

由于本研究未收集到研究區(qū)內(nèi)河水位高程數(shù)據(jù)，且缺少相關(guān)水化學(xué)數(shù)據(jù)支撐，地下水、河水補(bǔ)排關(guān)系及補(bǔ)給量多少等問(wèn)題具有不確定性，因此，在后續(xù)工作中需開展河水位高精度GPS 測(cè)量及地表水-地下水定量轉(zhuǎn)化關(guān)系相關(guān)性研究，定量評(píng)價(jià)地表水-地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系[24-25]，進(jìn)一步研究地下水流場(chǎng)及時(shí)空異變特征。

4 結(jié) 論

1）1997—2017 年，區(qū)內(nèi)水稻田種植面積由14.67萬(wàn)hm2增加到65.66 萬(wàn)hm2，灌溉用水對(duì)地下水的需求量不斷增加，地下水位呈持續(xù)下降趨勢(shì)，下降幅度為1.60～9.29 m。

2）中東部、中西部地下水位下降幅度在空間上表現(xiàn)為最大，地下水動(dòng)態(tài)變化受人類活動(dòng)的影響更強(qiáng)烈。

3） 東北部、東南部及南部水力梯度變化幅度最大，中西部、中東部低平原區(qū)變化幅度最?。坏叵滤员蔽?、南東邊界向平原中心匯流沿北東向流出區(qū)外。

4）地下水過(guò)量開采激發(fā)了河水入滲補(bǔ)給地下水能力，增加了地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給量。