萊州灣南岸淺層地下水特征的空間變異性研究

劉文全，于洪軍，徐興永，陳廣泉

（國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061）

土壤鹽漬化是制約萊州灣南岸地區(qū)農業(yè)生產和生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的主要障礙因子之一。20世紀70年代開始由于過量開采地下水，該區(qū)的咸淡水界面不斷向內陸推移（張祖陸等，2007），直接導致地下水水質下降，而農業(yè)生產中抽取地下水進行大面積灌溉又對土壤質量產生不利影響，誘發(fā)大規(guī)模次生鹽漬化。土壤鹽漬化與地下水關系密切，因此在萊州灣南岸地區(qū)開展地下水質量定量分析研究，對地下水質量評估和農業(yè)生產具有重要意義。圍繞地下水性質與土壤鹽漬化的研究國內外開展了大量的工作，有關這方面的研究已有很多詳細的文獻（劉廣明等，2003；陳小兵等，2008；郭全恩等，2010）。

研究表明，地統(tǒng)計學是研究地下水特征空間變異的有效工具（Morio et al，2010），它能解釋屬性變量在空間上的分布、變異和相關特征（王政權，1999）。國內學者在利用地統(tǒng)計學研究地下水模擬、空間變異方面也取得了很好的科研成果。王水獻等（2007）采用地統(tǒng)計學經典理論分析了焉耆盆地不同時期地下水TDS和埋深在時間和空間的變異特征，結果表明地下水TDS和埋深在時間和空間上都存在明顯的空間變異性。阮本清等（2008）應用地質統(tǒng)計學方法對寧夏青銅峽灌區(qū)地下水水位空間變異特性的研究表明灌區(qū)地下水埋深總體上逐年增加，在年內變化上，順著地下水自南向北的流向，地下水位隨灌溉呈周期性漲落變化。買買提等（2010）采用地統(tǒng)計學經典理論分析了伊犁河谷典型區(qū)域在不同時期地下水TDS和埋深在時間和空間上的變異特征，結果表明在該地區(qū)地下水TDS和埋深在時間和空間上存在明顯的變異性。本文以整個萊州灣南岸區(qū)域為研究對象，運用經典統(tǒng)計學和地統(tǒng)計學的方法對該區(qū)2007-2009年地下水礦化度和水埋深這兩個重要指標的空間變異性進行了綜合分析與評價，研究成果為萊州灣南岸水鹽調控及土壤鹽漬化防治提供參考。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

本文的研究區(qū)位于萊州灣南岸濱海平原北部，沿海岸近平行分布的東西長約120 km，南北寬度約40km的帶狀區(qū)域。地理位置介于118°38′-119°50′E，36°45′-37°15′N 之間。該區(qū)屬于暖溫帶半濕潤季風型大陸性氣候，降水量較少，海洋性特征并不明顯。光照充足，熱量豐富，雨熱同期，四季分明，全年平均氣溫一般在11.5℃～13℃；多年平均降雨量為670～800 mm，年內降雨分布不均，雨量多集中在6月下旬至9月上旬，占全年的70%～80%；蒸發(fā)強烈，蒸散量大，全區(qū)干旱系數(shù)一般在1.2左右。研究區(qū)地勢南高北低，作物種類北部以棉花為主，南部主要是小麥和玉米，土壤類型主要以潮土與鹽化潮土兩類為主。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集

本文主要通過對農用水井的監(jiān)測來分析地下水特征變化，根據(jù)研究區(qū)地勢南高北低及當?shù)刂脖桓采w等特點對監(jiān)測井進行選擇。共監(jiān)測水井63口，具體位置如圖1所示，監(jiān)測時間為2007年、2008年和2009年連續(xù)3年時間，監(jiān)測頻率為每月一次，進行地下水埋深測量和地下水取樣，各監(jiān)測井坐標采用差分GPS定位技術確定。本文所用數(shù)據(jù)為每年的監(jiān)測均值，取樣方式為地下水礦化度：現(xiàn)場取水樣置于100 mL塑料瓶中，在冰箱中保存，用重量法測定（HJ/T 51-1999）；地下水埋深：利用平尺水位計（北京西化儀科技有限公司，CN61/DDZ300）測量地下水的埋深，這是目前測量地下水埋深最精確的儀器，其原理是儀器平尺前端的探頭設有針式水位傳感器，當探針接觸水面時將觸發(fā)卷輪內的聲光報警器，從而通過平尺上的刻度來指示水面距離地面的深度。

圖1 研究區(qū)地下水取樣點位分布

1.2.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用了統(tǒng)計軟件SPSS 18.0和地質統(tǒng)計學軟件GS+V9.0，地下水埋深及礦化度空間分布圖的繪制采用ArcGIS 9.3軟件。

1.2.3 地統(tǒng)計學分析方法

地統(tǒng)計學方法是在經典統(tǒng)計學基礎上發(fā)展起來的空間分析方法，此方法不僅能夠有效提示屬性變量在空間上的分布變異特征，而且能夠有效解釋空間格局對生態(tài)過程與功能的影響。變異函數(shù)是以區(qū)域化變量理論為基礎，分析自然現(xiàn)象空間變異和空間相關的統(tǒng)計學，是地統(tǒng)計學的基本工具。其理論模型公式為（王政權，1999）：

式中：r（h）為變異函數(shù)；h為步長，即樣點空間間隔距離；N（h）為抽樣間隔為h時的點對數(shù)；Z（xi）和Z（xi+h）分別是變量Z在空間位置xi和xi+h上的取值。

2 結果與分析

2.1 地下水特征的描述性統(tǒng)計分析

地下水礦化度和埋深的統(tǒng)計特征值如表1所示。由于變異函數(shù)的計算一般要求數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，否則可能存在比例效應（李哈濱等，1998）。進一步通過K-S法進行正態(tài)檢驗（P＜0.05，2-tailed）發(fā)現(xiàn)地下水埋深符合正態(tài)分布，變異函數(shù)計算采用原始數(shù)據(jù)；地下水礦化度經對數(shù)轉化后符合近似的正態(tài)分布，變異函數(shù)計算采用對數(shù)轉化后的數(shù)據(jù)。

表1 地下水埋深及礦化度含量的統(tǒng)計特征值T

從變幅來看，二者的變化幅度均較大，2007年礦化度最大變幅為18.82 g/L，2008年埋深最大變幅達到38.08 m。從平均值來看，2007-2009年地下水礦化度和埋深比較穩(wěn)定，變幅不大；地下水礦化度均值均大于2.3 g/L，按照地下水礦化度劃分標準，屬于微咸水；除少數(shù)井的礦化度＞3 g/L（咸水），絕大多數(shù)監(jiān)測井礦化度值屬于微咸水和淡水范圍。從變異系數(shù)來看，2007-2009年地下水礦化度在水平方向的變異強度均超過100%，屬于強變異強度，其中2007年超過150%，造成這種現(xiàn)象的原因在于區(qū)內地質背景條件、海咸水入侵等自然條件影響；地下水埋深的變異系數(shù)均介于10%～100%之間，屬于中等強度的變異，這主要是受農業(yè)灌溉、土地利用方式以及耕作方式差異等因素的影響。

2.2 地下水特征的空間變異趨勢分析

圖2和圖3為地下水礦化度和埋深空間分布趨勢圖，X-Z和Y-Z投影面上曲線分別表示東-西向和南-北向全局性趨勢效應變化情況，X-Y投影面上的散點表示采樣點的二維平面空間分布。對趨勢效應的處理辦法一般是在半方差/協(xié)方差函數(shù)建模時去掉趨勢效應，而在克立格預測時再把趨勢效應追加回來（姚榮江等，2007）。在本文中，盡管地下水礦化度和埋深的偏、峰度檢驗結果均呈正態(tài)（或對數(shù)正態(tài)）分布，但都表現(xiàn)出明顯的趨勢效應，顯然本研究中趨勢效應的分析已不容忽略。

圖2 地下水礦化度趨勢效應分析

圖3 地下水埋深趨勢效應分析

從圖2可以看出，地下水礦化度從西向東呈逐漸增加趨勢，呈比較微弱的二階趨勢效應；而在南北方向二階趨勢比較明顯，南部低，北部高，這主要是受地質背景條件、海咸水入侵等自然條件影響，靠近萊州灣的位置數(shù)值較大。從圖3中可以看出，地下水埋深在東西方向和南北方向都呈現(xiàn)較明顯的二階趨勢效應，其中南北方向變化比較大，呈倒“U”型的拋物線變化，這主要是在萊州灣南岸地區(qū)有幾個地下漏斗區(qū)，使得中間位置地下水比較深，而越往南部地區(qū)，受地勢的影響，地下水埋深數(shù)值逐漸升高。從這里可以看出，隨著埋深的增大，礦化度濃度值逐漸減小，二者在空間上具有一定的關聯(lián)性。

2.3 地下水特征的空間變異分析

由于經典統(tǒng)計學方法只能揭示地下水礦化度和埋深變化的總體，不能反映樣本的獨立性，解決這一問題的方法是研究其空間變異的結構性，即應用地統(tǒng)計學的方法研究地下水埋深和礦化度的空間變異結構。

變異函數(shù)揭示了整個尺度上的空間變異，隨間隔距離h的增大，變異函數(shù)r（h）從非零值達到一個相對穩(wěn)定的數(shù)值，該數(shù)值稱為基臺值C0+C，表示系統(tǒng)內總的變異，其中C0為塊金值，表示由試驗誤差和小于試驗取樣尺度等隨機部分引起的空間異質，較大的塊金值表明較小尺度上的某種生態(tài)過程不可忽視。塊金值（C0）與基臺值（C0+C）之比表示隨機部分引起的空間異質性占系統(tǒng)總變異的比例；比值小于25%，說明具有強烈的空間相關性，比值在25%～75%之間，說明為中等空間相關，比值大于75%，說明具有較弱的空間相關性（侯景儒等，1998）。變程а反映屬性因子的空間自相關范圍的大小，與觀測尺度及其取樣尺度有關，在變程之內，變量具有空間自相關性，反之不存在。表2是通過計算得到的地下水礦化度和埋深的半方差函數(shù)擬合理論模型及其參數(shù)，模型參數(shù)采用交叉驗證法進行修正，直至達到所需要的要求。圖4為地下水礦化度和埋深均值的半方差函數(shù)圖，二者均符合球狀模型。

由表2可見，2007-2009年地下水礦化度和埋深的半方差函數(shù)理論模型均符合球狀模型。從塊基比（C0/（C0+C））的比值可以看出，除2009年地下水埋深的塊基比略大于25%外，其他時間內地下水礦化度和埋深在研究尺度上具有強烈的空間自相關；其中，地下水埋深的塊基比接近25%，大于礦化度的塊基比值，這種現(xiàn)象與研究區(qū)的實際情況完全符合，地下水礦化度和埋深主要受地質背景、地形地勢及海咸水入侵等自然因素影響，人為影響較小。地下水礦化度的空間相關距離均為20 km左右，而地下水埋深的空間相關距離則集中在11 km左右，說明在研究區(qū)內地下水礦化度主要受自然因素影響較大，而埋深除受自然因素影響外還受到部分人為因素（灌溉和種植制度等）的影響。由于分維數(shù)D表示變異函數(shù)r（h）曲線的曲率大小，因此，D值越大，由空間自相關部分引起的空間變異性越高。D值是一個無量綱，因此可以對不同變量的D值進行比較，以確定空間變異性程度。地下水礦化度和埋深的分維數(shù)D值都較高，均超過1.8，說明空間自相關部分引起的空間變異性高，這點也從塊基比的值得到驗證。

表2 地下水礦化度和埋深的半方差模型及參數(shù)

圖4 地下水礦化度和埋深均值的半方差函數(shù)圖

2.4 地下水特征的空間分布

基于經過對數(shù)轉化的地下水礦化度數(shù)據(jù)及原始埋深數(shù)據(jù)，結合普通克里格插值分析方法，選取二階趨勢參數(shù)并考慮各向異性，繪制了萊州灣南岸地區(qū)淺層地下水礦化度和埋深的空間分布圖（圖5、圖 6）。

從圖5中可以看出地下水礦化度在空間分布上具有相似性，基本為北高南低趨勢，礦化度含量從海邊逐漸往內陸地區(qū)降低，東南部和西南部含量最低。出現(xiàn)這種現(xiàn)象主要是因為沿海一線受海咸水入侵影響，特別是中間的寒亭區(qū)與昌邑市交界的區(qū)域，礦化度值有向內陸延伸趨勢，這主要是該區(qū)域分布眾多鹽場，過度抽取地下鹵水導致海水沿河道入侵造成。東部地區(qū)受膠萊河和濰河兩大淡水河流的影響，沿著河流延伸方向地下水不斷得到補充，弱化了地下水礦化度濃度，因此含量較低，達到淡水水平。

圖6 地下水埋深的空間分布圖

從圖6中可以看出，2007-2009年地下水埋深同樣具有空間分布的相似性，萊州灣南岸沿海一線、東南部和西北部地下水埋深較淺，昌邑市區(qū)和西南部埋深較大，這主要是由于東南部地區(qū)靠近膠萊河濰河兩大河流，經常對地下水進行補給，從而抬高了地下水位；沿海一線則主要受地勢影響，地下水埋深較淺；西南部地區(qū)靠近南部的山區(qū)，地勢較高，因此地下水埋深較大，最高達到39.79 m。

3 結論

（1）研究區(qū)地下水礦化度和埋深的均值較高，地下水礦化度均值屬于微咸水；地下水埋深服從正態(tài)分布，地下水礦化度符合對數(shù)正態(tài)分布；二者變異系數(shù)較大，其中礦化度達到強的變異強度，而埋深則屬于中等變異強度。

（2）地下水礦化度和埋深在東西和南北兩個方向都呈二階趨勢效應，地下水埋深二階趨勢較明顯；二者均符合球狀模式分布，具有強的空間自相關性，受自然因素影響加大，人為影響較小。

（3）受地形地勢影響，2007-2009年地下水礦化度表現(xiàn)出離海岸線距離越近而越大的規(guī)律，地下水埋深表現(xiàn)為西南部較深，而東南部和西北部較淺；地下水埋深和礦化度空間分布具有一定的相關性，表現(xiàn)為埋深越大礦化度越小的規(guī)律；地質構造、河流及海水入侵等自然因素作用是形成該空間格局的重要因素。

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