基于Mann-Kendall法的地下水位埋深動態與影響因素研究

王琴琴

(甘肅省地礦局第二地質礦產勘查院，甘肅 蘭州 730020)

對地下水位埋深的研究，通常是指地下潛水的埋置深度，即潛水層(地下水層中第一個具有穩定性能的地下自由水)到地面表層的直接深度(/距離)。自我國重視起社會生態環境的規劃與建設后，有關單位便加大了地下水資源的社會調研[1]。結合相關研究成果可知，地下水是大部分城市的主要供水來源，對地區地下水的連續多年調研中發現，區域水位正逐年呈現下降趨勢，此種社會發展趨勢，不利于地區生態環境的發展與建設，在一定程度上影響了灌溉區域內水資源的持續供應，同時也對我國節水工程的實施起到了抑制作用[2]。

針對我國地下水位埋深動態與影響因素的研究是十分有必要的，截至目前已有大量研究學者對此方面展開了學術調查，并提出了影響地下水位埋深的主要因素為人為性因素，由于人類對自然資源與土地資源的掠奪，導致地下水的補給與供應失去平衡，便會造成地下水位埋深發生變化[3]。并由相關研究者提出了應用ArcGis軟件，對地下水位的時空變化進行差異性分析。綜合研究成果可知，我國目前針對此方面的研究大多集中在對地下水位的時空靜止描述，缺少對地下水位埋深的動態分析。因此本文將采用收集區域地下水相關資料的方式，對本文課題展開深入的研究。

1 地下水位埋深動態

1.1 基于Mann-Kendall法計算地下水位埋深方差

地下水位深度是感知地區水文地質環境的關鍵，為了進一步掌握地下水位埋深的動態變化趨勢，本章引進Mann-Kendall法(又被稱為趨勢檢測法)，對地下水位埋深方差展開計算研究[4]。目前，此種方法是經過專業認證后，可實現排除外界相關因素對其檢驗結果干擾的最直接檢測方法，相比其他檢測方法，Mann-Kendall更加適用于對地下水位埋深的計算[5]。在計算過程中，可將區域地下水統計量表示為Z，也可用Z表示為與時間相關序列水位變化數據的變化趨勢[6]。在結果統計過程中，假定Z>0，則表示地下水位埋深呈現上漲趨勢；假定Z<0，地下水位埋深呈現下降趨勢；假定|Z|>或=2.32、1.64、1.28等數值，則代表對地下水位埋深的置信值為99.0%、95.0%、92.0%，在此種條件下，對數值的最終檢測結果可被認定為具有顯著的價值性。

綜合上述分析，在數據理論分析的過程中，數據方差值是用于表示數據組或集群數據與期望值的偏差，因此對地下水位埋深可直接使用埋深方差表達[7]。當地下水位埋深方差越高，表示控制數據組變量的離散程度越高，證明地下水位埋深動態變化趨勢越為顯著；當地下水位埋深方差越小，表示控制數據組變量的離散程度越低，證明地下水位埋深動態變化無顯著趨勢[8]。為了實現對不同區域地下水位埋深動態波動性的有效監測，提出襯度系數表達方式，即將地下水位埋深不同埋深程度的波形數據進行對比，并將不等值的埋深數據，按照一定形式轉換成對等形式的埋深數據。結合下述計算公式，對地下水位埋深的襯度系數進行方差求解。公式表示為如下。

(1)

1.2 分析地下水位埋深動態特征

綜合上述對地下水位埋深方差的計算，能夠看出地下水位埋深的動態變化，基于水系統層面分析，在“量”層面具備明顯響應，而這種響應則直接體現在水位的埋深動態特征層面。因此，結合地下水位的埋深動態變化，使用Mann-Kendall法，對地下水位埋深動態特征走向與趨勢進行檢驗。如圖1所示。

如上述圖1所示的大致趨勢，可看出地下水位在走向方面呈現一種基礎上升趨勢(其中僅C-17與C-16檢測點水位的變化不顯著)，其他變化呈現顯著性趨勢[9]。因此，綜合上述分析的研究，可知地下水位埋深動態在逐個點呈現顯著趨勢，但隨著時間變化與推移，不同檢測點所呈現的變化趨勢是不同的，忽略相關因素對地下水位埋深動態特征的影響，此種現象也在一定程度上反映了不同檢測點，群體活動行為對于地下水位變化所展現的差異是不同的。

圖1 地下水位埋深動態特征走向與趨勢

2 地下水位埋深影響因素分析

2.1 基于灰色關聯度分析地下水位埋深驅動因素

在完成上述研究成果的基礎上，本文引進灰色關聯度分析法，結合我國現下發行的非參數檢驗方法，在降低或減少相關外界因素的基礎上，按照正態變化趨勢，對各個因子的特征進行序列曲線差異分析。應用此種方法分析地下水位埋深驅動因素的優勢為：無須檢測大量地下水位埋深數據作為依據與發展依據；不需要線性數值對數據分布規律進行挖掘。并結合因子序列X1與X0在各處關聯點的關系，用γ0i表示，γ0i的取值在(0,1〗之間。在研究中，γ0i的數值越高，代表X1對X0的影響越大，反之，γ0i的數值越小，代表X1對X0的影響越小。因此，通常情況下，將γ0i=0.55作為接線，當γ0i>0.55時，認為提出的因素對于地下水位埋深具有顯著影響。

在研究過程中，將地下水位埋深潛水水位與水位沉壓作為X1與X0因素的母序列，在研究過程中，將區域降雨量、季度平均氣溫、水汽蒸發量、對區域地下水的開采量、利用率等作為影響判斷結果的灰色關聯因素，對X1與X0的關系展開關系分析。分析的序列如表1所示。

表1 基于灰色關聯度分析X1與X0關系

綜合上述表1中內容，可看出，影響判斷結果的灰色關聯因素包括對地下水的利用量、開采量等。因此可以認為地下水位埋深驅動因素與對地下水的利用量、開采量等因素具有直接關系，而上述提出的兩點因素也均屬于人類社會行為，為此可表示地下水位埋深與人類社會活動有直接關系。同時，在研究中發現區域地下水蒸發量、區域平均氣溫、降雨量等也會在一定程度上對地下水位埋深造成一定程度的影響。但產生的影響綜合效果較差，即影響因素中占比較低，無顯著影響。

綜合上述分析可知，地下水的利用量、開采量等因素，對于地下水位埋深造成的影響是較為顯著的；地下水蒸發量、區域平均氣溫、降雨量，對于地下水位埋深造成的影響是可相對忽略不計的。但無論提出的任意一種因素，均會在某種程度上，對地下水位埋深造成影響。

2.2 分析地下水位埋深動態響應因素

除上述提出的內容，在展開對地下水位埋深動態響應因素的分析過程中，可同樣結合緊密度指標，對各個影響因素之間的響應程度展開研究。并結合上文提出的計算公式，對襯度系數方差對因素進行計算，此種分析方式的優勢為：將數值波動性放大。因此，通過上述分析，進一步得出，當埋深程度出現較大的改變時，則可將其認為越容易受到周圍環境的干擾，并且隨著波動幅度的增加，影響程度逐漸提升。

除此之外，通過對潛水井和盛水壓等區域的數據進行全面分析，并結合襯度系數計算公式完成對埋深方差的計算，從整體上來看更大于潛水區域的埋深方差，通過計算得出承水壓時潛水埋深方差的5.368～6.956倍。這一數據結果又能夠進一步說明，承壓水位的埋深對于當前變化環境的影響程度明顯大于潛水埋深，并呈現出更加明顯的波動現象。同時，也進一步說明在研究區域當中，人類在進行各項活動的過程中，其周圍地下位的埋深也會受到一定程度的影響。再進一步對上述存在現象進行分析，本文研究的區域當中由于具有較大一部分的農田面積，因此人類活動頻繁發生，使得地下水位埋深的波動又會進一步受到內在因素的影響。

同時，為了明確埋深的波動與氣候環境和人類活動的具體影響關系，再對被研究區域的氣候環境變化、人類活動變化等趨勢對于地下水位埋深的動態影響以及埋深響應情況進行研究，得出在研究區域當中地下水位埋深對氣候變化以及人類活動的響應機制：當氣候環境由濕冷向干熱趨勢轉變，地下水體系的天然補給量會隨之降低、排泄量會增加。當人類活動多樣并且更加劇烈時，地下水體系中降水入滲量會隨之減少。

3 結語

本文通過開展地下水位埋深動態與影響因素研究從多個方面綜合分析地下水位埋深波動狀態及各項因素，在研究過程中發現，氣候變化和人類活動是主要影響地下水埋深波動的原因，在其雙重作用影響下，地下水體系將會發生巨大的改變，并且也會反作用到氣候環境和人類活動當中。同時，通過研究得出，被研究區域應當通過調整用水結構的方式，實現對地下水位波動控制，并實現對潛水利用率的提升。