許昌市地下水位動態(tài)變化及影響因素分析

劉曉博，王磊，劉力瑋

（華北水利水電大學測繪與地理信息學院，河南 鄭州 450046）

0 前言

地下水作為水資源的重要組成部分，是推動中國城鎮(zhèn)發(fā)展建設、提高廣大人民群眾的飲水安全、促進生態(tài)環(huán)境良好改善的一個重要基礎性保障。地下水位的動態(tài)變化的主要原因在于外界各種環(huán)境因素對地下水系統(tǒng)的綜合影響，通過研究分析地下水位的動態(tài)變化特點，可以幫助了解當?shù)氐臍夂驐l件和人類活動對地下水系統(tǒng)的影響程度及其變化趨勢，也有助于人類正確認識和理解自然界。地下水位是反映地下水動態(tài)的重要因素，能夠在空間上直接反映地下水資源的分布。隨著當前社會經(jīng)濟的進步，人類對地下水資源的依賴性越來越強，地下水的利用量已經(jīng)大大超過了自然補給量，使地下水循環(huán)系統(tǒng)受到威脅，削弱了生態(tài)系統(tǒng)的抗干擾能力，威脅到區(qū)域的社會經(jīng)濟發(fā)展。因此，研究地下水埋深動態(tài)規(guī)律并分析其影響因素對于當?shù)氐叵滤Y源可持續(xù)利用有至關重要的現(xiàn)實意義。

許昌市的地表水資源相對稀缺，地下水的綜合開發(fā)和利用彌補了地表水資源的短缺和不足，提高了各部門行業(yè)的供水保障率，為中國社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展提供了一個良好的基礎條件。然而，隨著城市的快速進步與發(fā)展、人口急劇擴張，人類社會對水資源的依賴程度越來越高，因此很多地區(qū)都出現(xiàn)了地下水超采的現(xiàn)象，基于這種現(xiàn)象，研究當?shù)氐叵滤坏臅r空變化規(guī)律，對于了解當?shù)氐牡叵滤Y源儲存總量、科學合理地開發(fā)地下水資源、發(fā)展區(qū)域經(jīng)濟有著重要的意義。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

許昌市位于河南省中部地區(qū)（113°03′E～114°19′E，33°42′N～34°24'N）。全市地形西高東低，以平原地區(qū)為主，摻雜山地、丘陵和崗地，分別占全市總面積的72.80%、10.40%、16.80%，地處從山地通過丘陵和崗地到平原的過渡地帶；地處第四系松散巖系地層，地下水的儲藏、富水程度受地形地貌、地質(zhì)構造、地層巖性和補給方式等的制約；許昌市屬于暖溫帶大陸性季風氣候，全市降水由北向南遞增，多年平均降雨量為701.10 mm，受境內(nèi)河流和季風的影響，降水量的年際變動較大，境內(nèi)河流的豐水期與枯水期水量最高之間相差2.50倍，年降水量的變異系數(shù)CV值為0.30，降雨集中在汛期6-9月份（夏季和初秋），占全年累計降雨量的62%以上，蒸發(fā)能力遠遠超過了降雨，屬于偏干旱區(qū)，多年平均水面蒸發(fā)量（913.30 mm）大于降水。

此次地下水位時空動態(tài)變化規(guī)律的研究是基于許昌市水文水資源局提供的1980-2018年46口水井的地下水位觀測數(shù)據(jù)開展進行的，水井位置的分布涵蓋了全市所轄5 個縣域，水井位置分布見圖1。

圖1 觀測井位置分布圖

2 地下水水位的時空變化規(guī)律

2.1 地下水水位的時間變化規(guī)律

取46 口井的年平均地下水位繪制許昌市1980-2018 年地下水位變化圖，從圖2 可以看出，許昌市地下水位呈波蕩起伏的趨勢，整體上經(jīng)歷了三個上升階段和三個下降階段，第一個上升階段是1980-1983年，上升率為1.34%，但上升率相對來說較?。坏诙€上升階段是1985-1995年，上升率為99.94%，上升率大且上升時期持續(xù)時間最長；第三個上升階段為2013-2014年，上升率為76.61%且上升時期持續(xù)時間最短，此階段時間間隔為一年，視為地下水位驟升現(xiàn)象，初步分析與2014年南水北調(diào)中線工程通水有關，南水北調(diào)中線工程分配許昌市水量為2.26×104m3，一定程度上緩解了許昌市的供水壓力，從而使得許昌市地下水位有所上升。在1985年許昌市地下水位達到歷史最低，最低值為5.17 m，而隨后十年開始回升，至1995年，地下水位上升到10.33 m，達到歷史最高。

圖2 許昌市1980-2018年地下水位變化圖

利用Mann-Kendall秩相關檢驗法對許昌市地下水年際變化進行進趨勢分析和突變狀況檢驗，結果表明：地下水位UFk和UBk曲線大部分處于α=0.05顯著水平線之間，說明其變化不顯著。UFk曲線在1980-1993年小于0，說明這段時間地下水位呈下降趨勢，UFk曲線在1994-2005 年大于0，說明這段時間地下水位呈上升趨勢，其他時間UFk曲線小于0，說明地下水位呈下降趨勢。UFk曲線在研究期內(nèi)頻繁與UBk曲線在顯著水平線內(nèi)相交，說明許昌市地下水位在1980年、1992年和2003年都有突變點出現(xiàn)且均通過了顯著性檢驗。利用小波進行周期分析，通過小波分析表明，許昌市地下水波動無明顯的周期性現(xiàn)象，如圖3。

圖3 許昌市1980-2018年地下水位M-K曲線圖

2.2 地下水水位的空間變化規(guī)律

地下水觀測井是一群離散性的空間分布點，因此針對數(shù)據(jù)的離散性，采用空間插值法來探索地下水位的空間變化特征，其中的統(tǒng)計學理論中的克里金插值法是一種被廣泛使用的內(nèi)插法。選用研究區(qū)1980-2018年地下水的年平均埋深數(shù)據(jù)，利用Kriging插值法對46眼監(jiān)測井地下水位值的數(shù)據(jù)進行空間插值，在GIS 中進行空間表達，得到1980 年、2000 年、2010 年、2012年、2014年、2016年、2018年地下水位分布圖。

從圖4 中可以看出，1980-2018 年許昌市地下水埋深整體表現(xiàn)出由西北向東南方向，地下水埋深越來越淺，大部分區(qū)域的地下水埋深在8.79 m以下，只有禹州市的地下水埋深基本上處于8.79～14.62 m 之間，在空間上出現(xiàn)漏斗狀。1980-2018 以來，禹州市是許昌市地下水埋深最深的地區(qū)，1980-2010 年禹州市地下水埋深值在7～11.34 m 之間且呈現(xiàn)較小面積的漏斗狀，2012-2018 年禹州市大部分地區(qū)的地下水埋深值在7.81～13.17 m之間且漏斗狀面積較大，2016年禹州市地下水埋深值在10.93～14.62 m 之間的面積增大，但漏斗狀面積較小且地下水埋深最深值達到歷年來最大值，為14.62 m；1980年許昌市地下水位埋深最淺的為襄城東南地區(qū)和鄢陵南部地區(qū)，地下水埋深最淺值為3.08 m，1990-2010年間襄城縣是許昌市地下水埋深最淺的地區(qū)，此期間地下水埋深最淺值為3.51 m，2012-2018年，襄城東南和鄢陵南部地區(qū)成為地下水埋深最淺的區(qū)域，地下水埋深最淺值達到最小，為2.17 m，且鄢陵縣地下水埋深淺值區(qū)的面積較襄城縣地下水位低值區(qū)的面積大。1980-2018年間，長葛市和建安區(qū)地下水埋深處于中間值區(qū)域，1980-2010年間長葛西部地區(qū)和建安區(qū)西北地下水埋深處于中高值區(qū)域，2012-2014 年長葛西部地區(qū)和建安區(qū)西北地下水埋深由中高值區(qū)變?yōu)橹兄祬^(qū)，而2016-2018年長葛西部地區(qū)和建安區(qū)西北地下水埋深由中值區(qū)又轉變?yōu)橹懈咧祬^(qū)。

圖4 地下水位時空分布圖

3 地下水水位影響因素

3.1 自然因素影響

大氣降水是地下水的主要補給來源，其多年的變化規(guī)律，會導致地下水位發(fā)生相應的變化。許昌市降水具有年內(nèi)分配不均且年際變化大的特點，該研究對1980-2018 年許昌市降水總量進行分析，該市最大的一次降水出現(xiàn)在1984 年，為1 095 mm，最小一次降水出現(xiàn)在2013 年，為467 mm，相差2 倍多；39 年來，許昌市降水量總體上呈現(xiàn)減少趨勢，2000-2012年降水量略有回升，2000-2018 年平均降水量690 mm，略高于39 年平均值680 mm，其中2012 年、2013 年和2015 年為枯水年，降水量分別為476 mm、467 mm 和487 mm。2000、2013年為豐水年，降水量均為1 000 mm。降水量的年際變化規(guī)律會影響地下水位動態(tài)規(guī)律，降雨對地下水位的影響具有主導作用，降雨量的大小、降雨強度對地下水位埋深均會產(chǎn)生顯著影響，許昌市地下水位的變化和降水量在時間上的變化基本相一致，但是在一段時間內(nèi)會稍微有些滯后。分析許昌市1980-2018 年年際降水量及地下水位變化情況，由圖5 可以看出，1984 年降水量最大，1985 年地下水位最低，1992-1994 年降水量較小，1995 年地下水位較高，2003-2006 年降水量較多，地下水位有所下降，2011-2013 年連續(xù)3 年降水量都非常少，2014年地下水位開始升高。

圖5 降水量與許昌市地下水位年際變化圖

水文因素對地下水位動態(tài)的影響，河流對地下水位動態(tài)的影響最大，當河水下滲補給地下水導致地下水位抬升時，其受到影響的程度隨著距離的增大而減弱，而影響的滯后期則隨距離的增大而逐漸延長。潁河、清潩河是該市的兩條主要河流，是該市地表主要的灌溉水源，該市多年平均地表徑流量為3.37×104m3，此次分析中這兩條河流對該市地下水位的影響較小，因此不予考慮。

3.2 人類活動影響

由于許昌市的地表水資源非常匱乏，因此該市的供水水源主要來自地下水。許昌市的淺層、深層地下水開采量分別為2 764.63 萬m3/a、2 157.18 萬m3/a，淺層地下水的多年平均開采量高于深層地下水。多年來由于該市對地下水的利用和開采強度過高，使得該市大面積的地下水水位下降，逐漸形成了降落漏斗，漏斗面積年平均達67 km2，隨著時間的推進，許昌市降落漏斗面積逐年擴大，至2018年許昌市的降落漏斗面積達160 km2，是該市年平均漏斗面積的2 倍多。地下水降落漏斗可能會產(chǎn)生地質(zhì)災害，如發(fā)生地面沉降、地裂痕、誘發(fā)滑坡等，因此要科學合理地開采地下水資源。

4 結論

研究利用許昌市1980-2018年觀測井水位監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制地下水位隨時間變化的動態(tài)曲線、突變特征以及地下水位的空間分布圖，分析地下水位時空動態(tài)變化規(guī)律以及地下水位的影響因素。得到的主要結論如下：多年來，許昌市地下水位總體呈波蕩起伏的趨勢，動蕩幅度較大且未呈現(xiàn)出明顯的周期性；許昌市地下水位動態(tài)規(guī)律隨著空間分布的變化而有明顯的差異，許昌市整體表現(xiàn)出地下水埋深從西北向東南方向越來越淺的態(tài)勢；許昌市地下水位動態(tài)主要是由降水狀況和地下水過度開采所造成，水文因素對該市的地下水位動態(tài)影響較小。

研究選取46口井研究整個許昌市地區(qū)地下水變化規(guī)律，建議在后期研究的過程中補充更多監(jiān)測點，能夠更加綜合地反映地下水位動態(tài)特性。在深入研究水位動態(tài)影響因素的過程中，研究僅分析了人工開采、大氣降水以及水文因素對地下水位動態(tài)的影響，地下水動態(tài)變化是對外界各個影響因子的一種綜合反應，建議在之后的研究中增加多因素對地下水位變化影響的探討。