濟南引黃灌區近20年地下水位動態變化及趨勢分析

徐淑波，徐立榮，梅澤本

(1.濟南大學資源與環境學院，濟南 250022；2. 山東省水利勘測設計院，濟南 250013)

引黃灌區地下水補給除降水外，引黃灌溉水入滲也是一種非常重要的補給來源。濟南引黃灌區位于黃河下游北岸，魯北黃泛平原南部，引黃控制面積約26萬hm2，包括邢家渡、田山、陳孟圈、胡家岸等大中型引黃灌區10余處[1]。在灌區的發展過程中，由于外部環境因素和人工開采的影響，灌區地下水系統循環條件發生了很大變化。而地下水又與生態環境相連，地下水位的變化可引起諸如土壤水鹽運動狀態、地下水質、植被群落以及生態需水量等生態環境效應[2]。因此，對灌區地下水位動態及趨勢進行研究，對于區域生態環境、地下水、地表水合理利用以及農業社會的可持續發展有著極為重要的意義[3,4]。本文以邢家渡灌區為例，利用灌區1986-2013年地下水埋深、降水量和引黃灌溉資料，分析灌區內地下水位動態變化和趨勢，為水渠系工程建設、生態環境保護和防治灌區區域性地下水位下降提供科學依據。

1 數據資料與研究方法

1.1 數據資料

地下水動態觀測井網是地下水動態研究的基礎。選擇濟南引黃灌區邢家渡典型灌區，綜合考慮觀測井在該流域的代表性以及資料的完整性與可靠性，結合灌區的水文地質條件及實際情況，選取18眼監測井1986-2013年28年的5日地下水位資料，觀測井的位置按網格法布置，以及同時段內相鄰氣象站點的降水資料和各分灌區管理處提供的灌溉資料。

1.2 研究方法

數據分析主要用SPSS軟件，繪圖主要用origin和matlab軟件。

地下水位趨勢檢驗采用Mann-Kendall檢驗法 (以下簡稱M-K方法)。M-K方法通常用來檢驗趨勢的顯著性，在水文氣象趨勢檢驗分析中得到廣泛的應用[5-7]。M-K統計檢驗如下：

設樣本序列為H0為X1，X2，…，Xn，n為時間序列的長度，定義統計量：

(1)

其中：

式中：Xj、Xk分別為j、k年的相應測量值，且k>j；S為正太分布，均值為0；Var(S)為S的為方差，t為任意給定結點的范圍。

當n>10時，Zc收斂于標準正態分布，S標準化公式為

(3)

雙邊檢驗趨勢中，在給定的在雙邊的趨勢檢驗中，在給定的α置信水平上，若Zc≥Z1-α/2， 原假設H0不成立，即在α置信水平上，時間序列數據存在明顯的上升或下降趨勢，Zc為正上升趨勢，為負下降趨勢，|Zc|≥1.28，1.64，2.32時，分別是信度為90%，95%，99%的顯著檢驗。

樣本序列為H0為X1，X2，…，Xn，n為時間序列的長度，Sk表示第i個樣本Xi≥Xj(1≤j≤i)的累計數，定義統計量：

(4)

在時間序列隨機獨立的假設下，Sk的均值和方差分別為：

E[Sk]=k(k-1)/4,Var[Sk]=k(k-1)(2k+5)/72 1≤k≤n

將Sk標準化：

(5)

給定顯著性水平α=0.05，如果|UF|>α，表示序列有明顯變化趨勢。曲線中UF或UB的值大于0，則表示地下水位序列呈下降(加深)趨勢，小于0則上升(變淺)趨勢。當它們值超過臨界線時，表明上升或下降趨勢顯著。如果UF和UB兩條曲線出現交點，且交點在臨界值之間，那么交點對應的值便是突變的開始。

2 地下水位變化特征

2.1 地下水位年際變化特征

邢家渡引黃灌區1986-2013年地下水年均埋深與年際降水總量、年際引黃總量年序列變化特征如圖1所示。

圖1 灌區地下水年均埋深、降水總量及引黃灌溉總量變化曲線Fig.1 Curves of annual Groundwater depth,precipitation and Yellow River irrigation

由圖1和表1可見，濟南邢家渡引黃灌區多年平均地下水埋深范圍為1.4～2.6 m，1986-2013年28年來地下水位波動變化，其變化曲線走勢主要受年際降水總量和引黃灌溉總量影響，降水量和引黃灌溉水量較高的年份，地下水位較高，反之亦然。1986-1995年地下水位整體波動上升，年際降水量波動較大，水面蒸發量由1 187 mm波動增加為1 351mm，說明1986-1995年引黃量不僅彌補某些年份降水的不足且盈余補充地下水。1996-2013年地下水位整體波動下降，1996-2013年相比1986-1995年平均降水量由547.6 mm增加為586.5 mm，水面蒸發量由1 283.2 mm減少為1 100.7 mm，同時邢家渡灌區，引黃取水許可量由1995年的2.90億m3依次減少為2000年1.81億m3、2005年的1.65億m3和2010年的1.29億m3，相應的灌溉應水量比例減少，說明雖然降水量增加和蒸發量的減少，引黃灌溉總量的減少是導致地下水位持續減少的主要原因，此外，引水渠系的完善和節水灌溉的實施，使灌溉水利用系數由原來的0.45提高到目前0.58，在減少了引水利用浪費的同時，導致灌區地下水補給量下降。

表1 1986-2013年年均水面蒸發量(蒸發皿直徑601 mm)Tab.1 Average annual water surface evaporation of 1986-2013(Evaporating dish diameter is 601 mm)

2.2 地下水位年內變化特征

邢家渡引黃灌區對多年月均地下水埋深、降水量、引黃量年內變化情況如圖2所示。

圖2 灌區地下水埋深、降水量及引黃量年內月均變化Fig.2 Monthly changes of groundwater depth, precipitation and Yellow River irrigation

由圖2可以看出，灌區年內地下水位變化出現兩個峰值，主峰值出現在8月份，說明地下水位主要受降水量的影響，6-8月份是灌區主要降水期，占全年降水量的70%，降水下滲補給地下水，使地下水位達到全年最高；次峰值出現在5月份，主要是受引黃量的影響，由于春季小麥返青、拔節、灌漿期需水量較大，而在此期間降水量較小，因此灌區引黃灌溉主要集中在3-5月份，占全年引黃水量的61%。由于灌區土壤質地以壤土、沙壤土為主，透水性較好，春灌剩余水量能快速補給地下水，致使地下水位明顯升高。在11月份到次年2月份期間，灌區降水量和引黃量均較低，地下水缺乏足夠的補給來源，地下水位達到全年最低。

3 地下水位年際變化和季節變化趨勢分析和參數統計特征

為了進一步了解地下水位年序列和季節序列變化趨勢，采用M-K趨勢分析和參數統計方法進行分析，結果如圖3和表2所示。

圖3(a)中地下水位M-K趨勢分析表明：從多年平均序列來看，地下水位存在較明顯上升和下降趨勢，如1990-1996年地下水位波動上升明顯，顯著水平均超過0.05臨界線(U0.05=1.96)；2000-2013年地下水位波動下降，尤其是2011年以來地下水位下降明顯，顯著水平超過0.05臨界線。自2000年以來，濟南引黃灌區引黃量明顯較少，加上受黃河上游小浪底水庫調水調沙的影響，黃河河床遭受嚴重沖刷，使引黃閘前水位多年來無法滿足正常引水條件，致使灌區引水困難， 地下水補給量減少導致地下水位明顯下降。

綜合圖3(b)～3(e)和表2可以看出：灌區平均地下水位冬季最低，夏季最高。春季(3、4、5月)地下水埋深變化范圍1.53～2.10 m，地下水位有上升趨勢但不明顯(顯著水平小于0.05)；夏季(6、7、8月)地下水埋深變化范圍0.51～2.45 m，受降雨量變化的影響，地下水位變化波動大，有升有降。秋季(9、10、11月)地下水埋深變化范圍1.75～2.74 m，近十年來年地下水位下降趨勢明顯，顯著水平超過0.05；冬季(1、2、12月)地下水埋深變化范圍2.02～2.93 m，2006年以來地下水位下降趨勢明顯，顯著水平超過0.05。

表2 灌區地下水位季節參數統計特征Tab.2 The parameter statistics of seasonal groundwater depth

濟南引黃灌區農業種植作物主要是小麥、玉米、棉花等。根據作物生長特點，灌區灌溉需水主要集中在每年3-5月和8-10月份，需水量分別占全年總需水量的61.0%和24.8%。據資料，濟南引黃灌區2002-2013年3-5月和8-10月份引黃量分別占全年總引黃量的69.0%和12.6%。春季加之地下水位略有上升，說明地面有盈余水補給地下水，可見引黃量能夠滿足全灌區農業用水需求，而8-10月份灌區為緩解玉米成熟前旱情或冬小麥播種造墑用水量較大，引黃供水遠遠不能滿足實際需水量，需要大量開采地下水進行灌溉，使得秋季地下水位明顯下降，近8～10年春、夏季地表來水對地下水的補給、儲備不足，秋、冬季需開采地下水灌溉，導致近些年年均地下水位持續下，今后應適當增加秋季引黃量，緩解水資源供需矛盾。

4 結 語

本文利用濟南引黃灌區1986-2013年28年的觀測資料，采用M-K趨勢檢驗的方法，對灌區地下水位動態變化特征及趨勢分析進行了分析，主要結論有。

圖3 灌區地下水位M-K趨勢檢驗Fig.3 The annual and seasonal M-K trend test of groundwater depth

(1)近二十年濟南引黃灌區地下水位年際變化趨勢主要受年際引黃總量的影響，2002-2013年地下水位波動下降且達到年序列最低；多年月均地下水位變化出現兩個峰值，主峰值主要受汛期降水的影響，次峰值主要受春季引黃灌溉的影響。

(2)對地下水位多年序列和季節序列進行M-K趨勢和參數特征分析，1988-1999年地下水位呈上升趨勢，1990-1996年上升趨勢顯著，顯著性水平超過0.05臨界線，2000-2013年地下水位呈下降趨勢，主要原因是2000年以來，濟南引黃灌區引黃量明顯較少，加上受黃河上游小浪底水庫調水調沙的影響，灌區引水困難， 地下水補給量減少導致地下水位明顯下降。

(3)1986-2013年春季和夏季地下水水位變化趨勢不明顯，波動不大，而秋季在2003-2013和冬季在2006-2013年近8～10年內地下水位出現較明顯下降趨勢，秋季、冬季和年均水位持續下降，這是因為近些年秋季灌區引黃供水長期滿足不了實際需水量，且雨量減少，需要大量開采地 下水進行灌溉，而春、夏季地表來水對地下水的補給不足，加之秋、冬季需開采地下水灌溉，導致年均地下水位持續下降，今后應適當增加秋季引黃量，緩解水資源供需矛盾。

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