郭鵬哲 趙貴章 孔令瑩 劉玉婷

（1.華北水利水電大學(xué),河南 鄭州 450046；2.長(zhǎng)江科學(xué)院,湖北 武漢 430010）

隨著我國(guó)人口增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水資源供需矛盾日益尖銳，過(guò)度開采地表水與地下水所引發(fā)的問(wèn)題日漸凸顯[1-2]。華北平原作為重度缺水地區(qū)，存在水資源短缺、超采地下水以及水污染嚴(yán)重等諸多問(wèn)題[3-5]，對(duì)水文循環(huán)造成了不可忽視的影響[6]。水文循環(huán)過(guò)程中的地表水與地下水之間的交互作用是近幾年來(lái)研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)，其對(duì)于流域水質(zhì)、水量變化以及分析水資源量有著十分重要的意義[7-9]。

渦河是淮河的第二大支流，跨豫、皖兩省，所經(jīng)過(guò)地區(qū)是我國(guó)重要的糧食產(chǎn)區(qū)，但是該流域旱澇災(zāi)害頻繁且人口較多，人均水資源占有量較低，屬于嚴(yán)重缺水地區(qū)[10]。地下水是渦河流域生產(chǎn)生活用水的重要水源[11-13]，但近年來(lái)由于自然因素和人為因素的影響[14-15]，渦河地表水與地下水之間的補(bǔ)給關(guān)系發(fā)生了相應(yīng)的變化。目前已有學(xué)者對(duì)渦河流域地表水與地下水轉(zhuǎn)換關(guān)系進(jìn)行了研究。李揚(yáng)等（2017）[16]研究發(fā)現(xiàn)渦河河南區(qū)域地表水與地下水補(bǔ)排關(guān)系較為明顯，且轉(zhuǎn)化關(guān)系較為復(fù)雜。李瀟（2020）[17]和葛偉亞等（2013）[18]通過(guò)水化學(xué)和同位素方法研究表明，渦河流域地表水對(duì)淺層地下水有著較為明顯的影響。本文綜合運(yùn)用Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)和小波分析的方法，結(jié)合水文地質(zhì)學(xué)原理，分析1988—2018年渦河代表水文站所測(cè)水位及周邊地下水水位數(shù)據(jù)，以探明地表水與地下水之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系、趨勢(shì)和周期。

1 研究區(qū)概況

渦河發(fā)源于河南省尉氏縣，流經(jīng)河南、安徽，于安徽省懷遠(yuǎn)縣匯入淮河，全長(zhǎng)380 km，流域面積15 935 km2，流域內(nèi)多年年平均降水量748.6 mm，多年年平均蒸發(fā)量1 668.8 mm。渦河來(lái)水量豐枯變化較大，其特點(diǎn)為年際變化大、年內(nèi)分配不均，地表徑流補(bǔ)給來(lái)源主要為上游來(lái)水和大氣降水，而地下水的補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水和側(cè)向徑流補(bǔ)給。

玄武水文站是渦河中上游的主要控制站，該站位于河南省周口市鹿邑縣玄武鎮(zhèn)，該站控制流域面積為4 020 km2。選取玄武水文站周邊地下水監(jiān)測(cè)水井，對(duì)比地表水與地下水水位的變化關(guān)系。玄武水文站及水井位置圖如圖1所示。

圖1 玄武水文站及監(jiān)測(cè)井位置圖

2 數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)資料

本研究選取渦河鹿邑縣玄武水文站及其附近地下水水位監(jiān)測(cè)井，基于該水文站及其監(jiān)測(cè)井在該流域的代表性、資料完整性及可靠性，選取1988—2018年31年年平均水位及徑流數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

（1）Mann-Kendall（M-K）法[19-20]是一種有效檢驗(yàn)趨勢(shì)變化及突變點(diǎn)分析的方法，由于該方法可以不要求所分析數(shù)據(jù)符合某種概率分布，且操作簡(jiǎn)單，不受個(gè)別異常值干擾，因而被普遍應(yīng)用于水文序列變化的研究[21-23]。

（2）小波分析是在傅里葉分析的基礎(chǔ)上演變發(fā)展而來(lái)，可以對(duì)水文時(shí)間序列的時(shí)域和頻域特性進(jìn)行同時(shí)分析，較好地反映時(shí)間序列內(nèi)的周期，所以被廣泛應(yīng)用于水文序列的分析研究中[24-28]。因該方法使用比較成熟，不再做詳細(xì)論述。

3 結(jié)果與討論

3.1 地表水與地下水水位變化趨勢(shì)

根據(jù)渦河玄武水文站1988—2018年渦河水位和監(jiān)測(cè)井水位數(shù)據(jù)，繪制地表水與地下水水位關(guān)系圖（見圖2），分析地表水與地下水之間關(guān)系的變化情況。

圖2 地表水與地下水水位關(guān)系圖

由圖2可知，地表水與地下水相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系比較復(fù)雜，可以分為4個(gè)時(shí)期：第Ⅰ時(shí)期為1988—1998年，此期間地表水與地下水水位差別較小，相對(duì)趨于穩(wěn)定，存在交互補(bǔ)給，以地表水補(bǔ)給地下水為主；第Ⅱ時(shí)期為1999—2010年，期間地表水與地下水水位均發(fā)生變化，尤其是地下水水位變化幅度較大，呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，此期間地下水補(bǔ)給地表水；第Ⅲ時(shí)期為2011—2015年，地下水水位呈下降趨勢(shì)并逐漸平穩(wěn)，地表水水位則為降—升—降的趨勢(shì)，此期間主要為地表水補(bǔ)給地下水；第Ⅳ時(shí)期為2016—2018年，此時(shí)段為地下水補(bǔ)給地表水，其原因?yàn)樗そㄖ锏慕?dǎo)致河床降低，地下水水位高于地表水，從而使轉(zhuǎn)換關(guān)系變?yōu)榈叵滤a(bǔ)給地表水。

3.2 地表水與地下水水位的突變分析

在分析玄武水文站地表水與地下水水位關(guān)系變化趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，采用M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)分析突變特征（見圖3）。由圖3（a）可以看出，地表水水位總體呈下降趨勢(shì)，其中1998—1993年、2015—2018年UF超過(guò)顯著性水平線，說(shuō)明該時(shí)間段地表水水位下降趨勢(shì)明顯，突變發(fā)生在2013年左右，其原因可能與水工建筑物的建立和不合理采沙有關(guān)。

圖3 地表水與地下水水位M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)

從圖3（b）可以看出，地下水水位變化較為復(fù)雜，呈上升—下降—上升—下降的趨勢(shì)，其中1988—1993年、2003—2015年UF>0，該時(shí)期地下水水位總體呈上升趨勢(shì)，且于2006—2011年間超過(guò)0.05顯著性水平，該時(shí)期地下水水位上升趨勢(shì)明顯。1994—2002年、2016—2018年期間UF<0，地下水水位呈下降趨勢(shì)，其中1998年超過(guò)0.05顯著性水平，此期間地下水在較短時(shí)間內(nèi)呈明顯下降趨勢(shì)。根據(jù)UB與UF曲線交點(diǎn)發(fā)現(xiàn)突變點(diǎn)較多，根據(jù)變化趨勢(shì)可以判斷出突變主要發(fā)生在1998年和2012年，對(duì)比圖2發(fā)現(xiàn)，1998年是地表水與地下水交互轉(zhuǎn)變的一個(gè)拐點(diǎn)，而2012年是由于渦河地表水受人類活動(dòng)影響，河床降低，地下水進(jìn)而也受到了影響。

3.3 地表水與地下水水位周期變化

運(yùn)用Matlab中小波工具箱對(duì)玄武水文站地表水水位及監(jiān)測(cè)井地下水水位進(jìn)行小波分析，得到小波變換系數(shù)等值線圖和方差圖（見圖4）。

圖4 地表水與地下水水位小波分析

根據(jù)圖4的分布圖和方差圖，可得出渦河地表水水位與地下水水位主周期的時(shí)間尺度均為27 a左右，地表水水位次周期的時(shí)間尺度為15 a，地下水水位次周期的時(shí)間尺度為22 a。將上述信息與地表水與地下水水位變化和M-K趨勢(shì)分析所得突變點(diǎn)的時(shí)間相對(duì)比，發(fā)現(xiàn)地表水與地下水水位27 a的主周期出現(xiàn)與水利工程的建設(shè)有較大關(guān)系，而其他的次周期可能與人類活動(dòng)有關(guān)。

4 結(jié)論

本文以渦河玄武水文站地表水與周邊監(jiān)測(cè)井地下水水位關(guān)系為研究對(duì)象，基于M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)方法和小波分析方法，研究地表水與地下水變化趨勢(shì)關(guān)系，主要結(jié)論如下：

（1）渦河地表水與地下水交互關(guān)系較為明顯，可以分為四個(gè)時(shí)段，在第Ⅰ時(shí)期（1988—1998年）、第Ⅲ時(shí)期（2011—2015年），地表水與地下水交互補(bǔ)給多變，以地表水補(bǔ)給地下水為主；第Ⅱ時(shí)期（1999—2010年）、第Ⅳ時(shí)期（2016—2018年），地下水補(bǔ)給地表水。

（2）根據(jù)M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)得出，地表水水位總體呈下降趨勢(shì)，其中1998—1993年、2015—2018年下降趨勢(shì)明顯，突變發(fā)生在2013年左右。地下水水位呈上升—下降—上升—下降的變化趨勢(shì)，其中1988—1993年、2003—2015年呈上升趨勢(shì)，2006—2011年間超過(guò)0.05顯著性水平；1994—2002年、2016—2018年地下水水位呈下降趨勢(shì)，1998年超過(guò)0.05顯著性水平，突變主要發(fā)生在1998年和2012年。

（3）通過(guò)小波分析可知，地表水與地下水水位均存在27 a左右的主周期，分別存在15 a和22 a的次周期。兩者周期關(guān)系存在明顯的一致性，且造成的原因可能是水工建筑物的構(gòu)建以及人類生產(chǎn)活動(dòng)等。