洮兒河扇形地地下水動態(tài)特征分析

孟凡傲，梁秀娟，郝 洋，王岳航，婁 洋，李洪武

(1.吉林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，長春 130021；2.吉林大學(xué)地下水資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130021)

0 引 言

地下水動態(tài)變化是在一定時(shí)期內(nèi),各種自然因素和人為因素隨時(shí)間變化的直接結(jié)果,研究地下水動態(tài)是了解人類活動對地下水系統(tǒng)影響程度的一個(gè)重要手段[1,2]。通過對地下水動態(tài)的分析、預(yù)測和控制，可以為水利、礦山等工程以及人們的日常生活提供服務(wù)[3]。洮兒河扇形地占地面積2 800 km2，為白城市城區(qū)所在地。隨著白城市的經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展和人口的增長，對地下水的需求逐漸增大，加上白城城區(qū)逐年干旱，人們過度開采地下水，導(dǎo)致洮兒河扇形地地下水位逐漸降低。因此，查明研究區(qū)地下水動態(tài)的空間變異規(guī)律對研究區(qū)地下水的合理開發(fā)、利用具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義[4]。所以本文就采用方差分析方法以及相關(guān)分析方法對洮兒河扇形地內(nèi)1999-2013年的地下水埋深數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定地下水動態(tài)演化規(guī)律，以期加深對洮兒河扇形地地下水埋深動態(tài)規(guī)律的了解，為洮兒河扇形地地下水資源可持續(xù)利用和保護(hù)提供重要參考[5]。

1 水文以及水文地質(zhì)條件

洮兒河扇形地位于大興安嶺東麓山前傾斜平原,松嫩平原的西側(cè),洮兒河與蛟流河兩條河流從大興安嶺東坡流出山口，進(jìn)入平原，形成了沖積洪積扇，構(gòu)成了山前傾斜平原[6]。研究區(qū)屬于溫帶大陸性氣候，冬季寒冷干燥，夏天炎熱多雨。降雨多集中在6-9月份，多年平均降雨量為389.9 mm。研究區(qū)內(nèi)最大的河流是洮兒河與蛟流河，從西北部山區(qū)入境，斜貫研究區(qū)西部流向東南，蛟流河在洮南附近注入洮兒河。

洮兒河扇形地主要含水層是中更新統(tǒng)冰水堆積砂礫石，上更新統(tǒng)沖洪積砂礫石，全新統(tǒng)沖擊砂礫石構(gòu)成的潛水含水層，新近系碎屑巖類孔隙裂隙承壓含水層。礫卵石含水層由扇形地頂端至前緣粒徑漸小，厚度增大，并出現(xiàn)有細(xì)粒砂土夾層。大致在平臺至洮東以上，含水層以卵礫石為主，厚15～25 m，少有細(xì)粒夾層，因而造成扇形地上緣與靠近洮兒河河谷的含水層接受源源不斷的河水的大量補(bǔ)給，水量極為豐富，單位出水量大于3 000 m3/d。平臺至洮東以下，含水層多為礫卵石層，厚25～40 m，多有細(xì)粒夾層，局部夾黏性土薄層，且含水層多有上粗下細(xì)的特點(diǎn)。扇形地內(nèi)降水入滲率很高，流經(jīng)扇形地的洮兒河河水滲漏率為36%，入滲量每年可達(dá)2～3億m3，可見該區(qū)潛水補(bǔ)給條件極為優(yōu)越。由于扇形地處在山前，在扇形地上緣吸收了大量的補(bǔ)給源，形成規(guī)模巨大的地下徑流，過水?dāng)嗝嫣烊粡搅髁繕O為豐富，沿扇形地傾斜方向由上端向前緣流動，徑流由強(qiáng)變?nèi)酢?/p>

2 研究方法

2.1 襯度系數(shù)方差分析

在數(shù)理統(tǒng)計(jì)中，方差就是用來描述一系列離散數(shù)據(jù)對于數(shù)學(xué)期望的偏離程度的一種方式，方差與數(shù)據(jù)的離散程度成正比，離散程度越高，表示數(shù)據(jù)波動越大[4]。在地下水動態(tài)中，人為影響的因素最大，在時(shí)空上具有離散程度高，波動大的特征。在洮兒河扇形地中，對于地下水動態(tài)還有一定影響的條件是降水以及水文地質(zhì)條件。對于本研究區(qū)來說，降雨量在時(shí)間、頻率以及降水量都相差不大，對于地下水方差的影響不大；另一個(gè)方面，洮兒河扇形地的水文地質(zhì)條件都屬于漸變分布，含水層變化不大，沒有影響離散的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，所以降水量以及水文地質(zhì)條件對地下水動態(tài)的方差影響較小。因此用方差研究地下水動態(tài)，可以確定受人類活動影響的地下水動態(tài)以及影響程度[7]。

針對研究區(qū)內(nèi)有不同的監(jiān)測井的情況，為了將不同的監(jiān)測井進(jìn)行比較，先要把每個(gè)監(jiān)測井的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，也就是求其襯度系數(shù)，襯度系數(shù)是指一組數(shù)據(jù)的平均異常強(qiáng)度與異常下限或背景值的比值；也可表達(dá)為異常峰值與異常下限的比值，用v表示，公式為：

(1)

求出襯度系數(shù)，將均值不等的每個(gè)監(jiān)測井的監(jiān)測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成均值相等的數(shù)據(jù)系列，對之進(jìn)行方差分析，方差用σ表示，公式為：

(2)

2.2 兩變量相關(guān)性分析

兩變量相關(guān)分析是對兩個(gè)變量之間的相關(guān)性進(jìn)行分析，采用SPSS進(jìn)行相關(guān)分析時(shí)， 對于不符合正態(tài)分布的資料，不用原始數(shù)據(jù)計(jì)算相關(guān)系數(shù)，而是將原始觀察值由小到大編秩，然后根據(jù)秩次來計(jì)算秩相關(guān)系數(shù)。通過秩相關(guān)系數(shù)rs來說明兩個(gè)變量間相關(guān)關(guān)系的密切程度，本次相關(guān)分析采用 Spearman等級相關(guān)系數(shù)計(jì)算，這個(gè)方法適用于有序數(shù)據(jù)和不滿足正態(tài)分布假設(shè)的等間隔數(shù)據(jù)[8]。

設(shè)有n例分析對象同時(shí)取得兩個(gè)測定值(Xi,Yi)，分別按Xi、Yi(i=1,2,3,…,n)的值由小到大編秩為1,2,3 …，n。用RXi表示Xi的秩次，RYi表示Yi的秩次。因?yàn)閚是固定的，所以總秩相等即：

∑RXi=∑RYi=n(n+1)/2

(3)

平均秩

(4)

(5)

(6)

假設(shè)同一對分析對象的秩次差為di=RXi-RYi(i=1,2,3,…,n)，則可以將式(6)簡化為：

(7)

式中：n為觀察例數(shù)；rs的取值為|rs|<1。

當(dāng)相同秩次較多時(shí)，公式為：

(8)

式中：TX(或TY)=S(t3-t)/12；t為X(或Y)中相同秩次的個(gè)數(shù)。

另外，統(tǒng)計(jì)學(xué)中一般這樣考慮相關(guān)系數(shù)：

(1)相關(guān)系數(shù)的絕對值在[0,0.3)之間，描述為不相關(guān)或者極弱相關(guān)；

(2)相關(guān)系數(shù)的絕對值在[0.3,0.5)之間，描述為低相關(guān)或弱相關(guān)；

(3)相關(guān)系數(shù)的絕對值在[0.5,0.8)之間，描述為顯著相關(guān)

(4)相關(guān)系數(shù)的絕對值在[0.8,0]之間，描述為高度相關(guān)或強(qiáng)相關(guān)[9]。

3 結(jié)果分析

3.1 地下水動態(tài)分析

氣象、水文、地貌、巖性以及人工開采是影響本區(qū)地下水動態(tài)變化的重要因素。其中降水、地表水滲入和地下水徑流流入是區(qū)內(nèi)地下水的主要補(bǔ)給來源。主要排泄方式為蒸發(fā)、人工開采以及地下水徑流。每個(gè)觀測井地下水埋深動態(tài)呈現(xiàn)年內(nèi)規(guī)律變化以及多年走向變化見圖1。

圖1 洮兒河扇形地各監(jiān)測井地下水埋深多年動態(tài)曲線

由圖1可知，洮兒河扇形地地下水埋深動態(tài)呈現(xiàn)年內(nèi)變化。由于區(qū)內(nèi)氣象要素具有周期性、季節(jié)變化的規(guī)律，因此地下水動態(tài)也與之相適應(yīng)。一年一個(gè)豐水期，地下水埋深減小，出現(xiàn)在7-8月降雨集中的季節(jié)；一個(gè)枯水期，地下水埋深增大，多形成于1-4月的干旱和封凍季節(jié)。

對于多年動態(tài)，由圖1可知，從1999-2010年每年的地下水埋深總體上都在增加，而從2010年以后地下水埋深開始呈現(xiàn)逐漸回升的趨勢。根據(jù)每年的平均埋深，算出1999-2004年、2004-2009年以及2009-2013年的地下水埋深差值，用ARCGIS軟件進(jìn)行插值，得出地下水埋深差值分區(qū)圖(圖2)。

圖2 洮兒河扇形地地下水埋深變化幅度分區(qū)圖

圖2正數(shù)表示地下水埋深增大，負(fù)數(shù)表示埋深減小。從圖2中可以看出1999-2004年扇形地東北和西北兩處埋深增加較大，整體上北部埋深增加幅度大于南部；2004-2009年西北部埋深減小，水位回升，東部和南部埋深仍然呈現(xiàn)增大趨勢；2009-2013年只有扇形地南部小部分區(qū)域埋深仍然增大，其余大部分呈現(xiàn)埋深減小，水位回升的趨勢。

3.2 襯度系數(shù)方差分析

將15組數(shù)據(jù)進(jìn)行整理并進(jìn)行襯度系數(shù)計(jì)算，最后計(jì)算其方差，結(jié)果見表1。計(jì)算結(jié)果顯示每個(gè)觀測井的埋深均呈現(xiàn)明顯的波動性，同時(shí)由表1可知，研究區(qū)觀測井的地下水埋深襯度系數(shù)方差也呈現(xiàn)出明顯的空間分布特征，對襯度系數(shù)方差進(jìn)行差值，見圖3。從圖3中可以看出洮兒河扇形地地下水埋深波動?xùn)|北部最大，其次是西部部分地區(qū)和南部地區(qū)，南部及中部地下水埋深波動相對較小。

3.3 兩變量相關(guān)分析

在實(shí)際情況中，由于植被覆蓋，地表土壤含水率以及人工影響等因素，每個(gè)地區(qū)地下水埋深受降水因素影響的程度會有所不同，所以文章選取每個(gè)觀測井都與其降水量進(jìn)行兩兩相關(guān)分析，求出每個(gè)觀測井所在的位置與降雨量的相關(guān)系數(shù)，見表2。由表2可知洮兒河扇形地地下水埋深與降雨量相關(guān)性變化較大，其中相關(guān)系數(shù)小于0.3的極弱相關(guān)監(jiān)測井有2號井、3號井、7號井、10號井、11號井以及13號井6個(gè)，占監(jiān)測井總數(shù)的40%；相關(guān)系數(shù)在[0.3,0.5)之間的弱相關(guān)監(jiān)測井有5號井、6號井、8號井、9號井、12號井、14號井以及15號井7個(gè)，占監(jiān)測井總數(shù)的46.7%；相關(guān)系數(shù)在[0.5,0.8)之間的顯著相關(guān)監(jiān)測井有1號井以及4號井2個(gè)，占監(jiān)測井總數(shù)的13.3%?？傮w來說洮兒河扇形地地下水埋深與降雨量相關(guān)性較弱。將相關(guān)系數(shù)進(jìn)行差值，得出相關(guān)系數(shù)空間分布圖，見圖4。由圖4可知，洮兒河扇形地總體上相關(guān)系數(shù)東部大于西部，同時(shí)南部局部地區(qū)也有部分相關(guān)系數(shù)較高的地區(qū)。

表1 洮兒河扇形地監(jiān)測井地下水埋深序列襯度系數(shù)方差

圖3 洮兒河扇形地地下水埋深序列襯度系數(shù)方差空間分布圖

表2 洮兒河扇形地監(jiān)測井地下水埋深與降雨量相關(guān)系數(shù)分析結(jié)果

圖4 洮兒河扇形地地下水埋深與降雨量相關(guān)系數(shù)空間分布

3.4 綜合分析

(1)扇形地降水滲入補(bǔ)給對地下水補(bǔ)給具有較大意義，地下水動態(tài)多為滲入-徑流型。由于研究區(qū)氣象要素具有周期性、季節(jié)性變化規(guī)律，因此地下水動態(tài)變化也與之相對應(yīng)。2010年以前由于多年氣候逐漸干旱以及人工大量開采，導(dǎo)致研究區(qū)地下水埋深逐年下降，2010年以后，由于當(dāng)?shù)卣恼吒淖?，減少了地下水的開采量，以及地下水與地表水的聯(lián)合調(diào)蓄，合理開發(fā)利用，提高水資源利用率[10]，使得地下水位逐年回升。

(2)方差分析結(jié)果反映的是地下水埋深的平穩(wěn)性[11]。洮兒河扇形地地下水埋深序列襯度系數(shù)方差反映的是研究區(qū)地下水的波動性。研究區(qū)地下水埋深的波動性總體上呈現(xiàn)東部波動大于西部，北部波動大于南部，四周波動大于研究區(qū)中心的趨勢。

(3)相關(guān)分析結(jié)果反映了地下水埋深與降水量的相關(guān)性，總體上來說兩者相關(guān)性較弱。并且研究區(qū)東部地區(qū)地下水埋深與降雨量的相關(guān)性明顯大于西部地區(qū)。地下水埋深受很多因素的影響，降水入滲率也會在空間上有很大變化，所以降水對地下水埋深有一定的影響，并且在不同的區(qū)域，影響的程度也會發(fā)生變化。

4 結(jié) 語

(1)研究區(qū)地下水動態(tài)類型為滲入-徑流型，地下水位在大約2010年之前呈現(xiàn)逐年下降的趨勢，在2010年以后，地下水位呈現(xiàn)逐年回升的趨勢；方差分析結(jié)果顯示每個(gè)觀測井的埋深均呈現(xiàn)明顯的波動性，研究區(qū)東北部最大，其他部分變化相對較?。坏叵滤裆钆c降雨量存在一定的相關(guān)性，但是相關(guān)性不是十分明顯，并且研究區(qū)東部相關(guān)性明顯大于西部地區(qū)。

(2)研究區(qū)應(yīng)該進(jìn)行水資源可持續(xù)利用對策研究，合理利用地下水資源，增加水資源利用率。同時(shí)當(dāng)?shù)卣畱?yīng)該制定一定的法律法規(guī)，嚴(yán)格控制地下水的開采，要在不超過允許開采量的前提下做到有規(guī)劃，有限度的開采地下水。研究區(qū)的地層巖性主要以砂礫巖為主，十分有利于地表水向地下水的轉(zhuǎn)化，可以在汛期加大對地表水的攔截力度，補(bǔ)給地下水，對地表水與地下水進(jìn)行聯(lián)合調(diào)蓄，實(shí)現(xiàn)地下水資源的可持續(xù)利用。

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