寧柏隆地下水漏斗水位變化影響因素分析

趙 偉，賈新穎，武麗生，劉 鵬，張 昊

(河北省水利水電第二勘測設計研究院，河北 石家莊 050021)

河北省水資源短缺，地下水超采嚴重，局部地下水開采強度大、超采最嚴重的地區形成了多個淺層和深層地下水漏斗，地下水漏斗的治理在地下水超采綜合治理中難度最大。地下水位及其變化趨勢是反映地下水采補平衡與否的客觀標尺和晴雨表，也是衡量地下水資源開發是否合理的重要評判依據[1]。通過實測數據利用系統分析的方法，可以得到精度較高的成果，且具有需要參數少，便于推廣的優點[2]。本次研究采用了SPSS軟件中的多元回歸分析的功能，從地下水補給和地下水開采兩方面對漏斗中心地下水埋深影響因素進行了回歸分析，可為合理有效利用地下水資源提供參考，為地下水可開采量評價和地下水超采治理、評估提供依據[3- 11]。

本次以寧柏隆漏斗為例進行分析，寧柏隆漏斗為淺層地下水漏斗，位于河北省邢臺市寧晉縣西南部、柏鄉縣東部和隆堯縣的北部[12]，屬于太行山山前平原。2018年寧柏隆漏斗中心位于寧晉縣李家營，漏斗中心埋深81.20m，50m地下水埋深等值線包圍漏斗區面積為1330km2[13]，為河北省面積最大的淺層地下水漏斗。

1 漏斗中心地下水位埋深變化分析

根據歷年《河北省水資源公報》，2001—2018年(共18年)寧柏隆漏斗中心地下水位埋深變化如圖1所示。對寧柏隆漏斗中心地下水位埋深進行一元線性回歸分析，可看出漏斗中心埋深逐年下降趨勢明顯，年均下降1.64m。

分階段看，2001—2015年漏斗中心埋深年均下降1.82m，2014年河北省開始大規模在黑龍港運東地區實施地下水超采綜合治理試點，2015年地下水超采綜合治理試點擴大到寧柏隆漏斗區，2015—2018年，漏斗中心埋深年均下降0.92m，下降速率明顯減小，減小幅度達49%。

2 降雨影響分析

統計分析2001—2018年寧晉縣、柏鄉縣、隆堯縣年降雨量數據，三縣18a平均面降雨量為459.3mm，最大降水量為2016年的608.5mm，最小降水量為2014年的322.8mm，如圖2所示。對降雨量進行一元線性回歸分析，年降雨量呈緩慢增加的趨勢。利用M-K檢驗對降雨變化進行趨勢檢驗，降雨量M-K統計量曲線如圖3所示，Z=0.84，小于α=0.05(1.96)，沒有通過顯著性檢驗，說明降雨增加趨勢不明顯。

對降雨量和寧柏隆漏斗中心地下水位埋深變化進行分析，2003、2009、2013、2016年為豐水年，相應寧柏隆漏斗中心地下水位埋深比上一年分別增加0.4、-1.92、3.58、5.38m；2007、2010、2014年為枯水年，相應寧柏隆漏斗中心地下水位埋深比上一年分別減少-3.57、-3.49、-4.68m；2004、2008、2018年為平水年，相應寧柏隆漏斗中心地下水位埋深比上一年分別減少-1.86、2.3、0.3m。進行相關性分析，相關系數為0.02，不具有相關性。

從圖2中可分析，18a中降雨量豐枯交替明顯，存在4個豐枯變化周期，基本上3a是一個豐平枯周期，首先計算降雨量和漏斗中心水位埋深年變化量，然后以3a滑動平均計算降雨量和漏斗中心水位埋深，進行相關性分析，相關系數為0.713，在0.1(雙側)具有顯著相關。如圖4所示。

綜上，降雨量對寧柏隆漏斗中心地下水位埋深變化具有影響，特別是在3a平均變化狀態下，降雨量的變化對漏斗中心水位埋深變化具有顯著影響，但在目前地下水超采狀況下不能改變漏斗中心地下水位埋深整體下降的趨勢，只是影響前后年份地下水埋深變化。

3 供用水量影響分析

根據河北省水資源公報，2018年三縣總供用水量4.13億m3。分供水水源看，其中，當地地表水供水量0.53億m3，占總供水量的12.8%；跨流域調水量0.45億m3，占總供水量的10.8%；地下水供水量2.82億m3，占總供水量的68.2%；非常規水源供水量0.33億m3，占總供水量的8.1%。由此可知，目前地下水是主要供水水源。分用水行業看，其中，城鎮生活(含公共)用水量0.09億m3，占總用水量的2.1%；農村生活用水量0.20億m3，占總用水量的4.8%；工業用水量0.14億m3，占總用水量的3.4%；農業灌溉用水量3.53億m3，占總用水量的85.5%；生態環境用水量0.17億m3，占總用水量的4.2%。由此可知，目前農業灌溉是主要用水對象。如圖5所示。

圖1 寧柏隆漏斗中心地下水位埋深變化圖

圖3 降雨量M-K統計曲線

圖4 3年滑動平均降雨量變化與漏斗中心水位埋深變化關系

圖5 2018年寧柏隆供用水情況

統計分析2001—2018年寧晉縣、柏鄉縣、隆堯縣年供用水情況。總供水量呈波動下降趨勢，2001—2004年呈下降趨勢，2005—2009年呈上升趨勢，2010—2013年呈下降趨勢，2015—2018年基本保持在4.0億m3。從供水方面分析，地下水開采量呈逐年下降趨勢，從2001年的5.68億m3下降到2018年的2.82億m3，下降了50%；地表水供水量(當地地表水和外調水)，特別是2014年南水北調中線通水以來，隨著引江水供水量的逐年增加，地表水供水量呈逐年增加趨勢。從用水方面分析，重點分析農業灌溉用水量，農業灌溉用水量和總供用水量變化趨勢基本保持一致，從2001年的5.38億m3下降到2018年的3.53億m3，下降了34%。

對地下水開采量和寧柏隆漏斗中心地下水位埋深變化進行相關分析，相關系數為-0.929，為負相關，兩者具有顯著相關性，說明地下水開采量決定漏斗中心地下水位埋深。

對農業灌溉用水量變化進行分析，2001—2014年，農業灌溉用水量和地下水開采量相關系數為0.947，變化趨勢基本一致；2015—2018年，農業灌溉用水量和地下水開采量相關系數僅為0.26，出現明顯偏離，特別是2017年為平水年、2018年為偏枯年，農業灌溉用水量基本保持不變呈稍增加趨勢，但地下水開采量缺呈下降趨勢，分析原因主要是地表水供水量增加較快，通過地表水置換了地下水的開采量。

從圖6中可以看出，2016年為豐水年，地下水開采量相比上一年減少4.3%，按趨勢地下水水位應下降6.3%，但地下水卻上升了6.9%，說明2016年降雨量對地下水位變化起到重要作用；2017年為平水年、2018年為偏枯年，用水總量、農業灌溉用水量均稍增加，但漏斗中心地下水水位保持持平狀態，分析原因主要為，地表水供水量特別是南水北調中線引江水的增加一方面減少了地下水開采量，另一方面增加了地下水補給量，外調水對漏斗中心地下水位埋深具有一定影響。

圖6 2001—2018年供用水量與漏斗中心地下水位埋深關系圖

圖7 寧柏隆漏斗中心地下水位埋深實測與模擬地下水位埋深對比

4 影響因素分析

在地下水超采狀態下，通過降雨量和供用水量分析，得出地下水開采量、降雨量、外調水供水量三個因素共同對寧柏隆漏斗中心地下水位埋深發展變化起關鍵作用。

為了量化地下水開采量(K，億m3)、降雨量(P，mm)、外調水供水量(W，億m3)三個因素對寧柏隆漏斗中心地下水位埋深(H，m)的影響作用，利用SPSS數據統計軟件進行多元線性回歸分析。得出回歸方程如下：

H=-137.947+14.03K+0.018P+21.405W

圖7為寧柏隆漏斗中心地下水位埋深與擬合地下水位埋深的對比。利用SPSS數據統計軟件對模型關鍵指標進行計算，復相關系數R=0.955，確定性系數R2=0.913，表明擬合的方程能夠反映91.3%的原始監測數據。從圖6中，可以看出除個別年份出現偏離外，回歸方程擬合優度好，特別是2015—2018年近幾年，基本為完全擬合。對模擬值和實測值誤差進行分析，從表1可看出相對誤差控制在9%以內，說明回歸方程模擬效果好。

為了消除地下水開采量、降雨量、外調水供水量三個因素量綱的影響，利用SPSS數據統計軟件對其進行標準化，從表2可以看出地下水開采量、降雨量、外調水供水量標準系數分別為1.25、0.15、0.34，說明地下水開采量對寧柏隆漏斗中心地下水位埋深影響起決定作用，外調水利用量次之，降雨量最小。

表2 回歸方程各變量非標準化和標準系數表

5 地下水超采治理對策

經過2015年至今的地下水超采綜合治理，寧柏隆漏斗中心地下水位埋深下降的趨勢基本得到遏制。通過以上分析，在不考慮降雨量因素影響下，寧柏隆漏斗地下水超采綜合治理關鍵是增加外調水量和減少地下水開采，提出以下治理措施。

(1)引足用好外調水。寧晉、柏鄉、隆堯首先應引足南水北調中線分配指標內的引江水，加快城鎮公共供水管網建設與改造，實施城鄉水源置換，置換地下水開采量。大力實施河湖生態補水，利用臨城水庫、南水北調中線工程，通過泜河、午河等主要河流進行補水，回補地下水。

(2)減少地下水開采。全面推進全社會節水，基于農業灌溉用水占用水總量85%的狀況，大力推廣小麥節水品種及配套技術，因地制宜發展節水灌溉，在穩定糧食生產能力的基礎上，大力實施季節性休耕、退灌、旱作雨養等農業種植結構調整，統籌推進工業和生活節水，持續減少地下水開采。

6 結語

本次分別從地下水補給和地下水開采兩個方面對地下水位變化影響進行分析，提出了降雨量、外調水量、地下水開采量是影響寧柏隆漏斗中心地下水位埋深變化的關鍵影響因素，提出下階段地下水超采綜合治理重點是引足用好外調水、減少地下水開采。影響地下水位的變化因素還有很多，比如本次未考慮山前平原的側滲影響，下階段需進一步研究其影響。下階段應研究基于地下水水位不同降雨量下地下水可開采量和地下水超采量；對于地下水超采綜合治理考核，需進一步量化降雨量的影響，更精準的評價地下水超采綜合治理措施效果。