基于葫蘆島市地下水水位變化主導因素的定量識別研究

秦隆宇

(葫蘆島平山供水有限責任公司，遼寧 葫蘆島 125000)

葫蘆島市工農業經濟發展所需水資源主要來源于對地下水的開采，地下水資源占總供水量的70%～80%。并且，近30年來葫蘆島市的氣候變化較為顯著，地表氣溫增加約1.2℃。葫蘆島市地下水循環方式與通量大小已發生了較為顯著的變化，并因此產生了地面沉降、地下水位下降等眾多地質問題。地質學和水文學者對人為和自然因素引起該區域地下水位下降的變化規律進行了定性分析，例如對典型漏斗區地下水開采量、水位和降水的關聯度，利用灰度關聯法進行了研究分析；對地下水水位下降驅動因子，利用投影尋蹤歸回模型進行定性的分析[1- 4]。以往對地下水水位變化因素的研究往往忽略了經濟和社會因子對引起地下水變化的影響作用，并且針對某區域的定量化分析研究相對較少。據此，本文采用水面蒸散發、氣溫和降雨等氣候環境因素并結合地表徑流量、人口數量、糧食產量和工業總產值等人類活動因素對葫蘆島市地下水位變化趨勢利用M-K法進行了分析，然后對該區域地下水水位變化的主要影響因素，聯合運用主成分回歸分析法和灰色系統理論進行定量的識別，以期為該區域地下水變化規律、區域經濟、自然和社會的協調可持續發展提供一定的參考和依據[5]。

1 區域概況

葫蘆島市位于遼寧省西南部，區域面積約為1.02萬km2，年平均降雨量約為61.09億m3，地表水資源18.02億m3，地下水資源量為5.78億m3；地下水第Ⅰ含水層是葫蘆島市淺層地下水的主要類型，淺層承壓水、微承壓水和潛壓水是其主要水力特征。地層構造屬于Qh+p3時代，含水層深度處于25～70m區間。葫蘆島市淺層地下水由南至北可分為咸水、淺層淡水和全淡水，其含水層巖層顆粒自南而北，自東西兩側向中間部位受河流沖擊扇和山前沖擊扇群的作用影響整體為由粗變細，其涌水量分別由400～1200m3/d減少為80～400m3/d，淺層水具有補給條件好、含水分豐富和水質淡等特征。大氣降水是葫蘆島市地下淺層水補給的主要來源，而地下開采和蒸發擴散是其排泄的主要方式，并以農業季節性開采作為地下水排泄的主要途徑，同時部分地下水資源被排入水庫、河流和水塘等轉化為地表水。含水層厚度一般為10～25m，局部地勢較高區域為25～40m。

2 數據來源與方法

2.1 數據來源

本研究選取葫蘆島市1986—2015年近30a的地下水位影響因子及埋深年實測數據，其中地下水水位數據來源于葫蘆島市水資源管理辦公室、遼寧省葫蘆島水文局等單位；依據北地區地下水可持續利用圖集，收集并整理了1992、2005、2012年淺層地下水水位等值線圖，其他年份的數據參考相關文獻并利用地下水數值模型反演計算結果。利用中國氣象科學數據共享服務平臺獲取水面蒸發、氣溫以及降水等氣象資料，對年氣溫數據和年降水通過全國氣溫和降水的月格點數據進行Arcgis重采樣、提取等獲取，蒸散發數據來源于葫蘆島市各氣象站。根據國家統計局獲取社會、經濟因子，而地下水開采量利用相關文獻和統計資料獲取，結合相關文獻和數據資料獲取地表徑流量等數據。

2.2 研究方法

M-K檢驗法是一種檢驗時間序列變量變化趨勢的非參數統計檢驗法。定義S為M-K法的統計量，其標準化統計量采用z進行表征并符合正態分布特征。標準化統計量z的正負代表序列變化趨勢，其值為正則代表上升的變化趨勢，其值為負則代表下降的變化趨勢。然后給定一定的置信水平α，假如z≥z1-α/2則表示不滿足原假設條件，時間序列數據在α置信水平上表現出顯著的下降或上升趨勢，并用Kendall斜率β代表序列上升或下降趨勢的大小。本研究對水面蒸發、氣溫以及降水等氣象要素利用Fortran語言編程進行變化趨勢的計算和表征。

GRAY即灰色關聯分析是由鄧聚龍[6]在20世紀80年代首次提出用于解決信息不完全、數據缺失等不確定問題的灰色系統理論。地下水系統問題可利用灰色系統理論進行處理和分析。灰色關聯是指主行為因子與系統因子之間的不確定性關聯或事物之間的不確定性關聯。據此，本文采用關聯度γi進行定量分析和表征，通過對γi的計算實現地下水埋深與各影響因子之間的關聯程度反映。

本文結合灰色關聯分析對地下水各影響因子和埋深利用SPSS18.0進行主成分回歸分析，對人類活動和氣候變化引起的地下水位下降貢獻率進行定量的解釋和分析。

3 結果與分析

3.1 地下水水文動態變化規律

葫蘆島市地下水埋深在1986年最淺，為6.2m，在1986—2015年平均地下水整體呈上升趨勢，如圖1所示。由圖可知，1986—1992年地下水埋深處于波動中逐漸增加趨勢，增加幅度為0.33m/a，在1992—2004地下水埋深增大幅度較大，并達到0.64m/a，在2005—2015年地下水埋深表現為波動上升。

圖1 葫蘆島市地下水埋深在1986—2015年的變化情況

3.2 影響因素分析

葫蘆島市在研究區間的蒸發量、氣溫以及降水等因素的變化情況如圖2所示。研究區域年平均降水量在30年來的平均值為526mm，并且在年際尺度上表現出較大的變化趨勢。年降水量最大值和最小值分別為896.42、325mm，分別發生在1988和1991年。對葫蘆島市近30年來的降水趨勢利用M-K法進行分析，趨勢檢驗結果z為-1.46，β為-1.77，由此表明該區域降水量在近30年來表現出逐漸降低趨勢。在置信水平α為0.01、0.05和0.1上，由于z=1.62

葫蘆島市30年來平均氣溫為12.23℃，最高和最低氣溫分別出現在1998年和1992年，溫度分別為14.36℃和10.28℃。在置信水平α為0.01、0.05和0.1上，該區域近30年的氣溫變化表現出顯著增大趨勢，增大幅度為0.26℃/10a。

多年蒸發量平均水平為1748.1mm，并在年際尺度上為較大的變化區間。年蒸發量最大值和最小值分別為2185.4、1266.8mm，分別出現在1996、1993年，在0.01、0.05和0.1置信水平上M-K法結果顯示蒸發量在30年來表現出上升趨勢，且顯著性不明顯。

結合水庫修建和地下水開采2個方面引起的地表徑流量改變對人類活動影響進行分析，將地下水開采結合用水結構可采用人口數量、糧食產量以及工業總產值指標進行表征，并以此對社會、經濟與地下水變化之間的關聯性進行表征[7]。

圖2 葫蘆島市氣候要素各指標年平均變化情況

葫蘆島市人類活動各因素指標在近30年的變化趨勢如圖3所示。由圖3可知，葫蘆島市人口數量、糧食產量以及工業總產值整體呈上升趨勢，其中1986—1992年農業總產值相對穩定，此期間年均增長速率約為62.8×108元/a；增加最快的期間為1993—2006年，其增長速率約為988.6×108元/a；2007至今一直處于較高的增長速率。1988—1996年的糧食產量增速較快，為72.5×104t/a；1997—2001年增長速率達到最大值為86.2×104t/a，此后在2001—2006年出現一定的快速回落，2007—2015年又重新進入高速增長狀態，其增長速度為91.4×104t/a。在研究期間葫蘆島市的人口數量一直處于快速增長的趨勢，并且隨著社會經濟的快速發展，地下水開采表現出迅速增長的趨勢。葫蘆島市地下水在近30年來的開采量平均值約為12.8×108m3，地下水開采量最大值和最小值分別出現在2007年和1986年，分別超過160m3和低于40m3。

1986—2015年地表徑流量變化趨勢如圖3(d)所示，徑流量在20世紀90年代相對較少，而在近十幾年來顯著降低，甚至出現流量監測不到的情況，其原因主要與水庫攔蓄等因素相關。自1986年以來，葫蘆島市修建了大量的水利工程，地表徑流量大部分都被水庫攔蓄，引起了河流的斷流等現象。河流入河和入滲量的顯著降低導致對地下水補給量的降低，并因此引起該區域地下水位的改變[8]。

3.3 主導因素定量識別

利用灰色關聯對社會、自然和經濟指標與地下水埋深之間的關聯程度進行確定和計算[9]，其中參考序列為選定的地下水埋深指標并作為因變量X0，其他各指標如人口、糧食、工業產值、氣溫、降水、地表徑流以及降水等作為自變量分別為X1、X2、X3、X5、X6、X7進行表示，其中前3個指標作為自然因素，而后4個指標作為人類活動因素，選取時間序列為30年。灰關聯度計算結果見表1。由表1可知，對地下水埋深影響最大的指標為糧食產量，而人口水量的影響作用其次，其他各指標如工業產值、降水、氣溫等對地下水影響較低。綜上所述，對地下水水位有較大影響的參數指標為糧食作物種植等農業活動，該研究結論與其它研究成果具有良好的一致性。

表1 地下水位與各影響要素的灰關聯度(γ)計算結果

通過對各指標的灰關聯分析認為可不必考慮地表徑流以及工業總產值指標的作用影響，然后對人類活動和氣候變化對地下水的影響可通過其他各指標的主成分分析進行定量識別。選取指標X1、X2、X3、X4、X5作為影響因子，選取響應人類活動和氣候變化的定量指標為地下水埋深y。利用主成分分析可對各指標的貢獻率、特征值以及相關系數矩陣進行求解，結果見表2—4。

表2 地下水水位各影響因子關系系數矩陣

圖3 葫蘆島市人類活動要素各指標年平均變化情況

表3 相關系數矩陣特征值及貢獻率

表4 相關系數矩陣特征值向量

結合相關系數矩陣計算將可知，各影響要素之間具有較強的相關性，特別是水面蒸發量和降水之間、人口和糧食產量之間，由此表明各要素之間具有多重共線性。相關系數矩陣特征值貢獻率計算結果表明，前2個指標的累積方差貢獻率為91.081%；由此說明此2個主成分指標可替代大部分原指標信息，結合表4計算結果，各指標要素的主成分表達式如下：

F1= -0.548X1+0.785X2+ 0.296X3+0.871X4+0.905X5

(1)

F2= 0.682X1+0.031X2-0.842X3+0.357X4+0.328X5

(2)

根據上述主成分線性分析結果，對F1結果影響最大的指標為X5和X4，二者的系數值最大，由此說明對地下水埋深影響貢獻率最大的為人口和糧食產量，此研究結果與實際狀況相符。地下水開采量隨著人口和糧食產量的增大而增加，因此造成地下水位的下降。所以，人類活動可作為F1第一主成分因子；X3和X1系數最大為-0.842和0.682，對F2值的影響最為顯著，由此表明地下水埋深受降水和水面蒸發量的影響最大。所以，氣候變化可作為F2第二主成分因子。因此，氣候因子和人類活動因子之間不存在共線性，二者相互獨立并代表了原指標的大部分有效信息進而可進行多元線性回歸分析。

根據多元線性回歸理論可設定自變量為氣候變化F2和人類活動F1因子，因變量選取地下水埋深y并進行多元線性回歸。線性回歸方差利用最小二乘估算參數法可表示為y=0.001+0.357F1+0.226F2。對因變量和自變量的相關系數利用模型進行計算最終得到相關系數R、決定系數R2分別為0.956和0.911，調整后決定系數R2為0.905，估計的標準誤差為0.28，檢驗值為244.614，顯著性概率符合標準要求，由此表明可采用模型進行統計學分析研究。根據各影響因子對地下水埋深變化的貢獻率可知，人口和糧食產量對地下水埋深的影響最為顯著，二者的貢獻率分別為61.8%和38.2%。由此表明，葫蘆島市地下水水位在近30年來產生變化的主要原因為人類活動，氣候因子降水促進了該區域地下水的下降速度。

3.4 不確定性分析

考慮到研究區域數據資料的難獲取性、影響因素的多樣性，本文對個別數據進行了處理并因此造成評價結果的不確定性，主要可表現為以下方面：

(1)采用區域平均值對地下水影響因子和埋深變化進行分析。葫蘆島市地下水面積較大且影響因素較多并具有不同的地質特征，因此要充分考慮到區域面積大并具有漏斗型地下水特征，大部分區域的地下水埋深表現為區域上的共性，并且不再是自然條件下的狀況，因此對各指標要素和地下水埋深進行平均化處理對結果的影響會較低[10]。

(2)對識別結果利用主成分回歸和灰色關聯分析可在一定程度上提高結果的準確性與可靠性，然而該方法為統計方法對于歷史資料的準確性依賴程度較高。考慮到地表徑流數據的影響因素等可造成評價結果的不確定性，對地表徑流量按照已知年份進行推求，而水面蒸發量是利用水文站的相關數據進行推求的。因此，進一步造成了序列結果的不確定性。

(3)葫蘆島市地下水位下降因素經過一系列的推導和求解，最終確定為人類活動為主導因素，對地下水位下降貢獻率高達61.8%。然而，該人類活動并未包含工業總產值指標而僅僅是人口和農業活動的疊加。考慮到社會和地下水系統都較復雜，并且各影響要素之間存在非線性關系，因此地下水埋深在工業產值之間的灰色關系分析中存在較少關聯度，進而可對分析結果造成一定的不確定性。

4 結論

(1)1986—1992年地下水埋深處于波動中逐漸增加趨勢，增加幅度為0.33m/a；1992—2004年地下水埋深增大幅度較大，達到0.64m/a；2005—2015年地下水埋深表現為波動上升。

(2)對地下水埋深影響最大的指標為糧食產量，其次是人口水量，其他各指標如工業產值、降水、氣溫等對地下水影響較低。對地下水水位有較大影響的參數指標為糧食作物種植等農業活動，該研究結論與其它研究成果具有一致性。

(3)根據多元線性回歸理論可設定自變量為氣候變化F2和人類活動F1因子，因變量選取地下水埋深y并進行多元線性回歸。人口和糧食產量對地下水埋深的影響最為顯著，二者的貢獻率分別為61.8%和38.2%，葫蘆島市地下水水位在近30年來產生變化的主要原因為人類活動，氣候因子降水促進了該區域地下水的下降速度。