阜新地區1960—2020年地下水埋深變化特征分析

劉 陽

(遼寧省河庫管理服務中心(遼寧省水文局)，遼寧 沈陽 110003)

阜新地區位于遼寧的西部，屬于遼寧省最干旱的區域，由于氣候干燥少雨，區域內地下水成為區域重要的水資源要素[1]。阜新地區有200眼地下水井，分別布設在全市各區縣，主要為區域農村灌溉用水，由于早期農村灌溉用水方式較為粗放，使得區域地下水埋深遞增十分明顯。相關研究成果表明[2-8],阜新地區地下水漏斗從20世紀90年代開始逐步遞增，且遞增幅度較大。2010年以后，受最嚴格水資源管理制度影響，在地下水雙控措施下阜新地區地下水埋深有所遞減，地下水水位有所增加，區域地下水漏洞面積有所減少[9]。為做好阜新地區地下水資源保護規劃，亟須對區域地下水變化特征進行系統全面分析。為此結合阜新地區具有長系列觀測資料的40眼地下水觀測井作為研究站點，對阜新地區近60年地下水埋深年代際、季節變化特征進行深入分析，并對區域地下水埋深變化影響因素進行定量分析。研究成果可直接為阜新地區地下水保護規劃提供重要的基礎依據。

1 研究方法

1.1 變化趨勢顯著性檢驗方法

采用M-K非線性趨勢顯著性檢驗方法對阜新地區地下水埋深進行趨勢檢驗，該方法針對樣本序列X進行秩序樣本序列的構造，見式(1)：

(1)

式中：Sk為樣本在第i時刻的累加值；k為樣本序列總個數；ri為構造的第i個秩序樣本序列值，其計算方程見式(2)：

(2)

假定各年份蒸發量序列屬于獨立隨機的時間序列，對其進行統計量的計算見式(3)：

(3)

式中：E(Sk)為Sk序列的均值；var(Sk)為Sk序列的方差。當樣本序列滿足相互獨立條件時，其均值和方差計算方程分別見式(4)、式(5)：

(4)

(5)

當達到90%的顯著性檢驗水平時，其統計量值為1.96，當統計量值低于該臨界值，則表明趨勢不明顯，若高于該臨界值，則表示趨勢明顯。若統計值為正表示為遞增趨勢，若統計值為負表示為遞減趨勢。

1.2 影響因素定量分析方法

在進行影響成因定量分析之前，按照敏感性分析，首先對地下水埋深的主要因素進行敏感性分析，確定主要影響因子，其計算方程見式(6)：

(6)

隨著地下水埋深影響因子加大而增大地下水埋深其ε>0，反之ε<0。ε的絕對值越高，其敏感程度越大。在地下水埋深影響因子敏感性分析的基礎上，確定喀什地區地下水埋深影響的主要因子后，需要對不同影響因子之間的貢獻率進行分析，計算方程見式(7)、式(8)：

(7)

(8)

2 地下水埋深變化特征

2.1 年代際變化

結合阜新地區40個地下水監測點1960—2020年 地下水采集數據，對阜新各區域不同年代際地下水埋深變化特征進行分析，并結合M-K線性趨勢統計方法對其變化趨勢進行統計分析，結果如表1所示。

表1 阜新地區各區域不同年代際地下水埋深變化特征分析

從阜新各區域不同年代際地下水埋深變化特征分析可看出，阜新地區近60年地下水埋深總體呈現遞增變化，年遞增率均值為0.13 m/10 a，2010年以后受區域地下水雙控措施影響，地下水埋深變幅有所遞減。阜蒙縣和彰武縣地下水埋深變化最大，細河區地下水埋深變幅最低，阜蒙縣屬于阜新地區農業需水量最大的區域，區域地下水開采井分布也較多，20世紀90年代粗放型開采方式，使得區域地下水埋深越來越大，地下水位越來越低，進入2005年以后，阜新地區加大了對地下水雙控措施，降低區域地下水開采量，緩慢回升區域地下水水位，使得區域地下水埋深逐步遞減，阜新的細河區和新邱區、清河門區由于農業灌溉用水需求相對較低，使得其不同年代際地下水埋深變幅相對較低。采用M-K非線性趨勢檢驗方法對阜新各分區地下水埋深進行變化趨勢檢驗，通過檢驗，各區域不同年代際地下水埋深變化趨勢檢驗統計值均低于1.96，未通過90%的顯著性檢驗，表明阜新地區近60年地下水埋深總體變化顯著性不高。

2.2 季節變化

在阜新地區不同年代際地下水埋深變化分析的基礎上，考慮到阜新地區地下水補給受季節來水影響十分明顯，結合區域內40個地下水觀測井逐月觀測數據，對其不同年代際各個季節地下水埋深變幅進行統計分析，分析結果見表2～表5。

表2 阜新各區域不同年代際春季地下水埋深變化特征分析結果

表3 阜新各區域不同年代際夏季地下水埋深變化特征分析結果

表4 阜新各區域不同年代際秋季地下水埋深變化特征分析結果

從阜新地區各區域不同季節地下水埋深變化特征可看出，夏季地下水埋深變幅最大，其次為春季和秋季，冬季由于地下水開采量相對較小，使得冬季阜新地區各區域地下水埋深變幅相對最低。利用M-K趨勢檢驗統計方法對阜新各區域不同年代各季節地下水埋深變化特征進行統計分析，夏季各區域地下水埋深變化趨勢統計值最大，平均值高于1.96，達到90%的顯著性檢驗，雖然阜新地區夏季地下水補給量相對較大，但是由于阜新地區夏季蒸發量較大，使得區域較容易發生干旱，加大地下水資源的開發量，因此夏季地下水埋深變化特征越為顯著。春季和秋季地下水埋深變化趨勢顯著性相對較弱，變化趨勢統計值低于1.96，未達到90%的顯著性檢驗。冬季阜新地區地下水埋深變幅較低，地下水埋深遞增率為0.04 m/10 a,這主要是因為冬季阜新地區地下水開采量較低，使得其地下水埋深影響程度較小。

3 地下水埋深影響因素貢獻率分析

結合地下水影響因素定量分析方法，對阜新地區不同影響因素進行影響貢獻率的分析，分析結果如表6所示。

表6 阜新地區各區域地下水埋深影響因素相對貢獻率分析結果

從阜新各區域地下水埋深影響因素相對貢獻率分析結果可看出，各區域地下水開采量均是其地下水埋深變化的主因，相對貢獻率均高于其他影響因素，相對貢獻率均高于40%，其次為降水量，各區域地下水埋深受降水量影響的相對貢獻率高于20%，因為區域地下水補給受降水量影響較為明顯，是區域地下水補給的主要來源，因此其對區域地下水埋深影響相對貢獻率也較高。蒸發對區域地下水埋深影響相對貢獻率要低于降水量，其主要對區域地下水埋深呈現負相關性，蒸發越大，區域地下水埋深越高，蒸發越大，降低了區域地下水補給量，使得地下水埋深有所增加。氣溫對阜新各區域其主要影響阜新地區蒸發量，從而對區域地下水埋深產生影響。

4 結 論

(1)阜新地區不同年代際地下水埋深變化趨勢檢驗統計值均低于1.96，未通過90%的顯著性檢驗，近60年區域地下水埋深總體變化顯著性不高，各區域中阜蒙縣地下水埋深變化最大，細河區地下水埋深變化程度最低。

(2)阜新地區夏季由于蒸發量加大，使得其地下水埋深變幅最大，地下水埋深遞增率均值達到0.16 mm/10 a，冬季由于地下水開采量較低，其地下水埋深變幅最低，除夏季外，其他季節阜新地區地下水埋深變化趨勢均不顯著。

(3)地下水開采量是阜新地區近60年地下水埋深變化的主因，其相對貢獻率均在40%以上，其次為降水量，蒸發量和氣溫對區域地下水埋深變化影響相對較低。