天津地區(qū)近21年地下水埋深變化特征及其影響因素

王凱燕，王文卓，李瓊芳，虞美秀，李鵬程

(1河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210098;2.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇南京210098;3.河海大學(xué)國(guó)際河流研究所，江蘇南京 210098;4.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098)

天津地區(qū)近21年地下水埋深變化特征及其影響因素

王凱燕1，2，3，王文卓4，李瓊芳1，3，2，虞美秀1，2，3，李鵬程1，2，3

(1河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210098;2.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇南京210098;3.河海大學(xué)國(guó)際河流研究所，江蘇南京 210098;4.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098)

選用天津地區(qū)89個(gè)觀測(cè)井1990—2010年的月地下水埋深，基于Mann-Kendall法研究地下水埋深的變化趨勢(shì)、埋深變幅年代際變化特性及其年內(nèi)分配變化特性，并探討影響地下水埋深的相關(guān)因素。結(jié)果表明:觀測(cè)期內(nèi)天津平原區(qū)不同含水組地下水埋深的時(shí)空變化和影響因素差距較大，尤其在2000年后，由于受開(kāi)采量的影響，地下水年際和年內(nèi)變化更為劇烈。研究結(jié)果可為天津地區(qū)地下水資源的可持續(xù)利用和保護(hù)決策提供重要參考。

平原區(qū);地下水埋深;開(kāi)采量;天津市

華北平原區(qū)域是中國(guó)經(jīng)濟(jì)、文化和政治中心，但由于氣候變化的影響，干旱已成為影響該地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和安定的最重要的自然災(zāi)害問(wèn)題［1］。尤其是進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后，多年持續(xù)干旱的發(fā)生使地下水成了主要水源，而地下水資源的過(guò)度利用和儲(chǔ)量的枯竭使得該區(qū)域抗干旱的能力仍在減弱，因此研究不同歷時(shí)多年連續(xù)干旱條件下地下水埋深變化特征對(duì)該地區(qū)的水資源保障問(wèn)題有著重要的意義。

天津市地處華北平原東北部，是華北地區(qū)重要的經(jīng)濟(jì)文化中心，但人均水資源占有量?jī)H占全國(guó)人均占有量的1/15，遠(yuǎn)低于世界公認(rèn)的1 000 m3的缺水警戒線。地下水由于長(zhǎng)期超采嚴(yán)重，可持續(xù)利用受到嚴(yán)重影響，造成了一系列環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題，如地面沉降、海水入侵、地下水污染等［2］，為此國(guó)內(nèi)很多學(xué)者對(duì)地下水埋深的變化規(guī)律等進(jìn)行了研究，如楊耀棟等［3］對(duì)天津平原區(qū)地下水位動(dòng)態(tài)特征與影響因素進(jìn)行分析，認(rèn)為不同類型地下水動(dòng)態(tài)規(guī)律在時(shí)空分布上有明顯差異;閆學(xué)軍等［4］采用非平穩(wěn)時(shí)間序列分析方法研究了天津市平原區(qū)地下水水位動(dòng)態(tài)特征并進(jìn)行了變化趨勢(shì)預(yù)報(bào)，認(rèn)為地下水水位動(dòng)態(tài)的趨勢(shì)變化特征以持續(xù)下降型為主。本文主要考慮地下水動(dòng)態(tài)特征的空間分布，即基于天津地區(qū)89個(gè)觀測(cè)井1990—2010年的月地下水埋深序列，研究地下水埋深的變化趨勢(shì)、埋深變幅年代際變化特性及其年內(nèi)分配變化特性，并探討了與地下水埋深相關(guān)的影響因素。研究成果可加深對(duì)天津地區(qū)地下水埋深變化規(guī)律的了解，為地面沉降的控制以及地下水資源的合理開(kāi)發(fā)提供重要參考。

1 研究區(qū)概況

天津市位于華北平原東北部，海河流域下游，東臨渤海，北依燕山，位于北緯 38°33'～40°14'，東經(jīng)116°42'～118°03'之間，年平均降水量由北向南遞減，為560～720 mm［5］。該地區(qū)干旱少雨，降水嚴(yán)重缺乏，供水主要以地下水為主。

地下水研究主要是通過(guò)地下不同含水組來(lái)研究的，根據(jù)天津市平原區(qū)水文地質(zhì)條件，可將其松散層自上而下分成5個(gè)含水組［5-6］，其中第I含水組屬于淺層地下水系統(tǒng)，第II、III、IV、V含水組屬于深層地下水系統(tǒng)。

研究所用資料為天津平原區(qū)89個(gè)觀測(cè)井1990—2010年的月地下水埋深序列，圖1為觀測(cè)井所在5個(gè)含水組的分布圖。由圖1可知淺層地下水主要分布于天津西部和北部的武清、寶坻、薊縣等地，深層地下水主要分布于中部和南部及沿海地區(qū)。

2 地下水水位動(dòng)態(tài)特征

2.1 地下水埋深變化的年代際特性分析

通過(guò)統(tǒng)計(jì)1990年代和2000年代地下水埋深變幅落于不同范圍的觀測(cè)井?dāng)?shù)所占總井?dāng)?shù)的百分比，分析研究地下水埋深的年代際變化情況，結(jié)果見(jiàn)圖2。

由圖2知，1990年代天津平原區(qū)69%的井點(diǎn)(61個(gè))埋深變幅大于0，占一半以上，其中44%的井點(diǎn)(39個(gè))埋深變幅為0～0.5 m/a。此外，31%的井點(diǎn)(28個(gè))埋深變幅小于0，由此可見(jiàn)，1990年代天津市地下水埋深普遍增加，但總體較平緩，且有一部分地區(qū)埋深變幅明顯減少。進(jìn)入2000年代后，63%的井點(diǎn)(56個(gè))埋深變幅大于0，其中36%的井點(diǎn)(32個(gè))埋深變幅為0～0.5 m/a，17%的井點(diǎn)(15個(gè))埋深變幅超過(guò)1 m/a。地下水埋深變幅小于0的井點(diǎn)占37%(33個(gè))，這說(shuō)明天津平原區(qū)地下水埋深變幅普遍增大的趨勢(shì)仍在持續(xù)，與1990年代相比，由于有引灤水作為替代水源，埋深變幅增大的井?dāng)?shù)略有減少，但埋深變幅大于1 m/a的井?dāng)?shù)卻在增加，說(shuō)明地下水埋深較為劇烈增加的區(qū)域擴(kuò)大。

圖2 1990年代和2000年代落于不同埋深范圍的觀測(cè)井?dāng)?shù)

為直觀反映埋深變幅空間分布，作1990年代和2000年代埋深變幅分布圖(圖3)。

由圖3可知，在1990年代，天津平原地區(qū)地下水埋深變幅減小的區(qū)域主要分布在沿海的塘沽等地，并以其為中心，向平原中部延伸，另在寶坻的北部和西部的武清也有部分分布;埋深變幅增加的區(qū)域主要分布于西南部，另在東部也有少許分布。而到了2000年代，埋深變幅增加的區(qū)域主要分布平原中部及東南部臨近沿海的地區(qū);而埋深變幅減小的區(qū)域已變遷到東部的寧河及北部的薊縣部分地區(qū)。總體上看，1990年代到2000年代，埋深變幅減小的區(qū)域明顯減少，說(shuō)明地下水埋深增加的趨勢(shì)較快、范圍較廣，尤其是東南的塘沽沿海變化最為明顯，1990年代該地區(qū)處于天津平原埋深變幅最小的區(qū)域，而到了2000年代，該地區(qū)大部分區(qū)域的埋深變幅都已超過(guò)0.5 m，部分區(qū)域甚至超過(guò)1 m。

圖3 不同年代際天津平原地區(qū)地下水埋深變幅的空間分布

2.2 地下水埋深變化趨勢(shì)特征分析

利用Mann-Kendall(M-K)趨勢(shì)分析法［7］計(jì)算天津平原地區(qū)1990—2010年89個(gè)觀測(cè)井的實(shí)測(cè)地下水埋深的趨勢(shì)檢驗(yàn)Z值，并以顯著水平0.05的臨界值為界，分為Z＞1.96、-1.96＜Z＜1.96和Z＜-1.96這3個(gè)區(qū)間，統(tǒng)計(jì)分布于各區(qū)間的井點(diǎn)數(shù)，如圖4。由圖4知，89口觀測(cè)井中，74%的井點(diǎn)地下水埋深Z值大于1.96，通過(guò)置信水平為95%的顯著性檢驗(yàn)，說(shuō)明埋深顯著增加;24%的井點(diǎn)地下水埋深Z值落于(-1.96，1.96)區(qū)間，說(shuō)明這些觀測(cè)井地下水埋深變化趨勢(shì)不明顯，相對(duì)比較穩(wěn)定;2%的井點(diǎn)地下水埋深Z值小于-1.96，下降趨勢(shì)顯著，說(shuō)明地下水埋深顯著下降。可見(jiàn)地下水埋深顯著增加的觀測(cè)井占多數(shù)，總體來(lái)說(shuō)，天津平原區(qū)地下水這21年中埋深變幅增加顯著;從空間分布來(lái)看，西北部和東部沿海地區(qū)埋深相對(duì)比較穩(wěn)定，而塘沽沿海地區(qū)地下水埋深顯著下降。

圖4 各觀測(cè)井含水層和趨勢(shì)檢驗(yàn)Z值分布

2.3 地下水埋深的年內(nèi)季節(jié)變化特性分析

在不同含水組中根據(jù)不同變化趨勢(shì)分別選取代表井，并統(tǒng)計(jì)各井1990年代和2000年代的月平均埋深，以此分析地下水埋深的年內(nèi)動(dòng)態(tài)規(guī)律和季節(jié)變化特性，如圖5所示。

圖5 1990年代和2000年代地下水埋深年內(nèi)分配變化過(guò)程

由圖5可知，從1990年代到2000年代，武清小沙河、西青小年莊、靜海中旺的月平均埋深大幅增加，漢沽東莊坨變化相對(duì)較平穩(wěn)，塘沽梁子十隊(duì)明顯減少。這5個(gè)含水組的代表井點(diǎn)的月平均埋深均在5月份以后開(kāi)始增加，整個(gè)春夏季節(jié)埋深都相對(duì)較大，至9—10月埋深開(kāi)始減少，即春夏之交的埋深最大，秋季的埋深隨之減少，冬季埋深普遍較小。年內(nèi)埋深增加在4—8月，主要是由于開(kāi)采地下水，5—6月為春灌期，大量抽取地下水灌溉使得埋深最大均出現(xiàn)在6月。地下水埋深大幅減少出現(xiàn)在秋冬季，這主要是受降水影響，秋季埋深低是由于夏季的降水補(bǔ)給，使得在10月地下水埋深達(dá)到最小，有時(shí)滯后到11—12月，而冬季則是由于降雪較多，蒸發(fā)消耗少，使得地下水埋深也在減少。此外5個(gè)含水組中第III含水組的代表井點(diǎn)埋深最大，可能是由于它處于西青—靜海—大港—津南這個(gè)復(fù)合大漏斗，其漏斗中心中有兩個(gè)水位埋深超過(guò)90 m，而第Ⅴ含水組的年內(nèi)變幅最強(qiáng)烈，尤其是4—8月，主要是因?yàn)榇汗嗥陂_(kāi)采強(qiáng)度大，而降水和徑流補(bǔ)給條件最差，使得地下水恢復(fù)能力最差，埋深變幅最大。但各含水組到了2000年代略有回升，尤其是第II含水組塘沽區(qū)效果最明顯，主要是由于有引灤水，以及水庫(kù)引水或河道引水等作為替代水源，開(kāi)采強(qiáng)度減小，使得地下水水位略有抬升。

3 地下水埋深變化的影響因素分析

地下水埋深變化主要取決于降水、溫度、人工開(kāi)采、地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造和巖性綜合影響，其中最主要的影響因素是降水和人工開(kāi)采［3，6，8］。降水量作為地下水補(bǔ)給的主要來(lái)源，很大程度上影響著地下水埋深，尤其是淺層地下水。而人工開(kāi)采是地下水消耗的主要方式，由于天津地區(qū)的農(nóng)業(yè)用水開(kāi)采主要集中在北部，灌溉比較分散，導(dǎo)致北部地區(qū)埋深增加不明顯;而工業(yè)用水的開(kāi)采具有一定的區(qū)域性，主要集中在南部，因此南部埋深增加較為明顯［9］。研究主要選取開(kāi)采量和降水量分析對(duì)地下水埋深變化規(guī)律的影響。

3.1 淺層地下水

以武清小沙河為代表觀測(cè)井，分別制作1990—2010年的地下水埋深和降水及開(kāi)采量的相關(guān)圖(圖6)，分析淺層地下水埋深動(dòng)態(tài)變化的影響因素。

從圖6(a)可看出，小沙河淺層地下水埋深與降水量存在一定程度的響應(yīng)關(guān)系。1990年代埋深和降水的相關(guān)系數(shù)超過(guò)了0.7，且由表1得知二者回歸方程的，大于0.05顯著水平的t臨界值2.306，相關(guān)關(guān)系很好，可能是由于1990年代為非持續(xù)性干旱，尤其是該年代中期降水較豐，使得地下水埋深整體隨著降水增加而減少;而進(jìn)入2000年代后天津地區(qū)遭遇多年持續(xù)性干旱，降水明顯偏少，這時(shí)期地下水埋深和降水量相關(guān)關(guān)系并不明顯，說(shuō)明2000年以后埋深可能與開(kāi)采量等其他因素更為相關(guān)。圖6(b)中1990年代和2000年代地下水埋深和地下水開(kāi)采量的相關(guān)系數(shù)分別為0.518和0.885，且2000年代地下水埋深和開(kāi)采量的回歸方程的，大于0.05顯著水平的t臨界值2.262，即進(jìn)入2000年代后地下水埋深和開(kāi)采量之間的相關(guān)關(guān)系比較顯著，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了降水與埋深的相關(guān)系數(shù)，說(shuō)明2000年代該地區(qū)淺水層地下水埋深的變化主要受控于地下水開(kāi)采量的變化。

圖6 武清小沙河降水量和開(kāi)采量與埋深的相關(guān)關(guān)系

表1 降水量和開(kāi)采量與埋深的一元線性回歸方程的t檢驗(yàn)值

3.2 深層地下水

深層地下水一般由淺層地下水越流補(bǔ)給，受降水影響較小，因此選取塘沽的梁子十隊(duì)為代表觀測(cè)井，作相關(guān)圖(圖7，8)，分析影響承壓水埋深動(dòng)態(tài)變化的開(kāi)采量因子。

由圖7可看出，在2000年代中，2006—2008年開(kāi)采量較大，但埋深反而減小，可能是由于地下水回灌，使得地下水資源消耗后能得到補(bǔ)充。故地下水埋深和開(kāi)采量在進(jìn)行相關(guān)分析時(shí)剔除了2006—2008這3年的影響。從圖8可以看到，塘沽梁子十隊(duì)站的地下水埋深和開(kāi)采量的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.7，且回歸方程的，大于0.05顯著水平的t臨界值2.093，為顯著相關(guān)，說(shuō)明兩者有著密切的響應(yīng)關(guān)系。開(kāi)采量增加，則埋深增加，反之則減小。

圖7 1990—2010年埋深隨開(kāi)采量變化

圖8 地下水埋深與開(kāi)采量相關(guān)關(guān)系

4 結(jié)論

a.近21年來(lái)，天津平原區(qū)地下水埋深的變化規(guī)律為:大部分地區(qū)地下水埋深顯著上升，西北部和東部沿海相對(duì)比較穩(wěn)定，而塘沽沿海地區(qū)顯著下降。

b.天津平原地區(qū)地下水埋深在2000年代較1990年代普遍增大，在時(shí)空分布上有明顯差異，尤其是東南地區(qū)的塘沽沿海變化最為明顯，并且埋深變幅大于1 m/a的井?dāng)?shù)明顯增加;此外，不同含水組地下水埋深的年內(nèi)變化趨勢(shì)一致，但變幅相差較大，尤其是第Ⅴ含水組的年內(nèi)變幅最強(qiáng)烈，這可能與它的補(bǔ)給源有關(guān)。

c.天津地區(qū)1990年代淺水層地下水埋深主要受降水影響;進(jìn)入2000年代后兩種類型均主要受控于地下水開(kāi)采量的變化，尤其是深層地下水埋深和地下水開(kāi)采量相關(guān)關(guān)系密切，人工開(kāi)采地下水成為影響地下水埋深的主要因素。

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Characteristics of changes of groundwater buried depth and influencing factors in Tianjin plain area over past 21 years

WANG Kaiyan1，2，3，WANG Wenzhuo4，LI Qiongfang1，3，2，YU Meixiu1，2，3，LI Pengcheng1，2，3
(1.State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering，Hohai University，Nanjing210098，China;2.College of Hydrology and Water Resources，Hohai University，Nanjing210098，China;3.Institute of International Rivers Research Academy，Hohai University，Nanjing210098，China;4.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering，Hohai University，Nanjing210098，China)

We selected monthly groundwater buried depth series of 89 observation wells from 1990 to 2010 in Tianjin，in order to study the change trend，inter-annual change，and intra-annual distribution change of the groundwater buried depth using the Mann-Kendall method，and to explore the factors that influence the groundwater buried depth.The results show that，during the observation period，the temporal and spatial variation and influencing factors of the groundwater buried depth differed largely in different aquifers in the plain area of Tianjin，especially after the year 2000，when significant inter-annual and intra-annual changes of groundwater occurred due to mining.These research results can provide important references for sustainable utilization and protection of groundwater resources by the water resources administrations in Tianjin.

plain area;groundwater buried depth;mining amount;Tianjin City

P641.74

A

1004-6933(2014)03-0045-05

10.3969/j.issn.1004-6933.2014.03.009

國(guó)家自然科學(xué)基金(41171220);國(guó)家科技支撐項(xiàng)目(2012BAB03B03);水利部公益性行業(yè)項(xiàng)目(200901045)

王凱燕(1989—)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)樗念A(yù)報(bào)。E-mail:wkyzkf@163.com

李瓊芳，教授。E-mail:qfli@hhu.edu.cn

(收稿日期:2013-07-31 編輯:高渭文)