陜西省關中盆地地下水位預警初步研究

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(陜西省地下水管理監(jiān)測局，陜西 西安 710003)

水是生命之源、生產之要、生態(tài)之基[1]，水資源特別是地下水作為我國北方地區(qū)重要的供水水源，對經濟社會發(fā)展起著至關重要的作用。但是，隨著人類社會對地下水資源的消耗迅速增加，地下水位下降、地面沉降、海水入侵、水質惡化等一系列生態(tài)環(huán)境問題日趨嚴峻。為解決日益復雜的區(qū)域水資源問題，必須實行最嚴格水資源管理制度，嚴控用水總量[2]。地下水總量控制是水資源開發(fā)利用紅線的重要組成部分，因而有必要對地下水水位進行預警研究。這項研究就是通過一定的技術方法，結合研究區(qū)的水文地質條件，根據(jù)地下水位監(jiān)測資料，對區(qū)域的現(xiàn)狀地下水位進行預警，劃分不同的預警等級，以提醒水資源管理部門和相關政府部門以及社會公眾予以重視，防止地下水位持續(xù)下降，從而達到水資源可持續(xù)開發(fā)利用的目的[3]。本文以陜西省關中盆地為例，研究地下水位預警方法，劃分預警等級，對實現(xiàn)該區(qū)域地下水可持續(xù)利用，保障其經濟社會可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。

1 地下水位預警方法

國內外對地下水水質預警[4,5]的案例較多，水位預警方法的理論研究并不多見，主要有統(tǒng)計學方法[3,6,7]、多元回歸方法[8]、數(shù)值模型方法[9,10,11]，其中比較典型的是統(tǒng)計學方法。具體做法是利用歷史的地下水監(jiān)測資料，統(tǒng)計不同百分數(shù)下的地下水位埋深值，作出代表某種水文地質單元信息的地下水水位埋深判據(jù)，利用判據(jù)對地下水位的狀態(tài)進行預警預報。

1.1 預警監(jiān)測站選擇

為了實現(xiàn)地下水位預警的準確性和合理性，在選擇代表性監(jiān)測站時應考慮以下幾點：(1)所選擇的監(jiān)測站能夠代表某種典型的水文地質條件；(2)所選擇的監(jiān)測站層位明確，盡量選擇按期清洗和建立井口保護裝置的專業(yè)監(jiān)測井，在專業(yè)觀測井較少的地段，適當選擇質量較好的民用監(jiān)測井作為補充；(3)所選的觀測井監(jiān)測數(shù)據(jù)時間序列較長(應至少15 a)，監(jiān)測數(shù)據(jù)質量較高，無連續(xù)半年以上缺測現(xiàn)象；(4)所選觀測井在平面分布上能從區(qū)域上控制整個研究區(qū)，在垂向上盡量兼顧各個深度的含水層，盡量避免所選監(jiān)測井集中分布在某一區(qū)域或者某一深度。

1.2 預警方法

1.2.1 地下水位預警判據(jù)模塊建立

預警判據(jù)模板由兩部分組成：第一部分為埋深百分位圖，第二部分為大于目前埋深的頻率分布圖。根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計學的知識，百分位數(shù)是用于衡量數(shù)據(jù)分布的量度方法，提供了各數(shù)據(jù)項在最小值與最大值之間分布的信息。嚴格定義為：第p百分數(shù)是這樣一個值，它使得至少有p%的數(shù)據(jù)項小于或等于這個值，且至少有(100-p)%的數(shù)據(jù)大于這個值。從而規(guī)定，地下水位埋深值等于第95百分位表示至少有95%的埋深值等于或者小于該值，以此類推。

第一部分百分位圖的具體做法是：利用多年地下水位監(jiān)測數(shù)據(jù)，分別統(tǒng)計不同年份同一月份(或旬、日)埋深的最大值、第95 、第90 、第75 和第25 百分位和最小值，繪出每月(或旬、日)的地下水位百分位值的曲線。在通常情況下，埋深值大于第95百分位以上的稱為緊急狀態(tài)，為紅色預警；埋深值在第90至第95百分位之間的稱為干旱狀態(tài)，為橙色預警；埋深值在第75至第90百分位之間的稱為低于正常狀態(tài)，為黃色預警；埋深值在第25至第75百分位之間的稱為正常狀態(tài)，為藍色預警；埋深值小于第25百分位的稱為高于正常狀態(tài)，為非預警區(qū)。第二部分統(tǒng)計頻率的做法為計算現(xiàn)狀埋深在當月(或旬、日)歷史埋深中小于現(xiàn)狀值以下的頻率。

1.2.2 地下水位單點預警和區(qū)域預警

利用地下水的預警判據(jù)模板甄別現(xiàn)狀地下水位， 確定每處監(jiān)測站地下水位的預警級別，得到監(jiān)測站單點預警結果，也即實時預警。根據(jù)每處預警監(jiān)測站代表的層位及區(qū)域，預警級別同級合并的原則，構成區(qū)域預警結果。

2 關中盆地地下水位預警

關中盆地位于陜西省中部，南倚秦嶺，北界北山，西起寶雞，東至潼關，占陜西省平原區(qū)面積的59.58%，是工農業(yè)生產和經濟發(fā)展的重點地區(qū)。地勢西高東低，西部狹窄，東部寬闊，渭河由西向東橫貫盆地中部。自山前向盆地中心，分布著洪積扇—黃土臺塬—河流階地等地貌，呈階梯狀向盆地傾降。含水介質以第四系松散層孔隙、孔隙裂隙水含水巖層為主，并常常組合成上部潛水與下部承壓水雙層含水結構，其他含水巖類出露與分布面積較小。

2.1 關中盆地預警監(jiān)測站的選擇

根據(jù)不同的水文地質條件以及包氣帶巖性和厚度差異，將該盆地劃分為涇西渭河北高階地、黃土塬、洪積扇區(qū)，涇西渭河北低階地區(qū)，灞西渭河南洪積扇、低階地區(qū)，灞西渭河南高階地、黃土塬區(qū)，涇東渭河北黃土塬、洪積扇區(qū)，涇東渭河北階地區(qū)，灞東渭河南洪積扇、階地區(qū)，灞東渭河南黃土塬區(qū)等8個水文地質單元。

預警監(jiān)測站選擇時，充分考慮前述選擇標準并兼顧各水文地質單元，在關中盆地470處監(jiān)測站中選擇了95處進行地下水位預警研究，監(jiān)測站的系列監(jiān)測資料均在15 a以上，具體見表1和圖1。

圖1 關中盆地地下水位預警監(jiān)測站點分布

圖2 關中盆地地下水位預警判據(jù)模塊

2.2 關中盆地地下水位預警判據(jù)模塊的建立

根據(jù)前述地下水位預警方法建立關中盆地地下水位預警判據(jù)模塊。如圖2所示，就某一典型監(jiān)測站，預警判據(jù)模塊由埋深百分位圖和小于目前埋深值的頻率分布圖組成。第一部分是通過對該監(jiān)測站每月監(jiān)測數(shù)據(jù)進行不同年份系列統(tǒng)計分析，計算埋深百分位數(shù)，繪制其百分位圖，用不同級別預警色填充：把最大值至第95 百分位的區(qū)間定義為紅色預警區(qū)，把第95 至第90百分位的區(qū)間定義為橙色預警區(qū)，把第90 至第75百分位的區(qū)間定義為黃色預警區(qū)，把第75 至第25百分位的區(qū)間內定義為藍色預警區(qū)；埋深值低于第25 百分位以下的區(qū)間作為無需預警區(qū)。對于紅色預警、橙色預警和黃色預警區(qū)，水位處于歷史的較低區(qū)域，當?shù)厮Y源管理和相關政府部門應當引起高度重視，采取適當?shù)拇胧┳柚沟叵滤坏某掷m(xù)下降；對于藍色預警區(qū)，地下水資源尚有一定的開發(fā)潛力，可以適當開采，但必須重視地下水位實時監(jiān)測結果。第二部分是利用百分位圖甄別現(xiàn)狀地下水位，繪制小于目前埋深的頻率分布圖，灰色線條為頻率分布曲線，綠色的區(qū)域為埋深值小于當前埋深的頻率，數(shù)字為小于當前埋深的頻率值。

利用地下水位預警判據(jù)模塊甄別現(xiàn)狀地下水埋深值，確定該監(jiān)測站現(xiàn)狀預警級別。由圖2可以看出，2017年10月該監(jiān)測站處于藍色預警區(qū)，在歷史監(jiān)測序列中，有28%的埋深值小于當月埋深。

2.3 關中盆地地下水位點預警與區(qū)域預警

以關中盆地2017年12月平均埋深值作為現(xiàn)狀水位，利用上述方法對該研究區(qū)所選的95處監(jiān)測站的現(xiàn)狀埋深值進行點預警，成果詳見表1。

在點預警的基礎上，根據(jù)關中盆地縣區(qū)分布及水文地質單元分區(qū)，按照預警級別同級合并的原則，構成地下水位區(qū)域預警結果，見圖3。

圖3 關中盆地預警監(jiān)測站2017年12月水位預警結果

從圖3可以看出，關中盆地中西部過量開采程度大于東部地區(qū)。特別是寶雞市的鳳翔縣、扶風縣，咸陽市的乾縣、禮泉縣、涇陽縣，西安市的周至縣等部分地區(qū)地下水位持續(xù)下降，2017年12月的埋深值已達到了歷史的95百分線以上，處于紅色預警區(qū)，主要由于該區(qū)域農業(yè)灌溉用水量較大，地下水超采嚴重。關中盆地東部渭南市的大荔縣及蒲城縣部分地區(qū)也處于紅色預警區(qū)，主要由于大荔沙苑井灌區(qū)灌溉用水量大，地下水補給弱，蒲城地區(qū)工業(yè)用水量較大。渭河南岸，秦嶺北麓橙色預警區(qū)面積較大，特別是周至縣，大部為橙色預警，主要由于該地區(qū)地表水源截流、河流側向補給減少，經濟作物灌溉用水量較大。黃色預警區(qū)主要集中在興平市以及西安城區(qū)，該地工業(yè)生活用水量較大。藍色預警區(qū)集中覆蓋咸陽市大部分地區(qū)，無需預警區(qū)集中覆蓋渭南市大部分地區(qū)。

3 結語

(1)本文利用統(tǒng)計學方法對陜西省關中盆地地下水位預警進行初步探索，通過理論實踐表明，該方法原理明確，操作性強，預警結果可靠，對該區(qū)域地下水可持續(xù)開發(fā)利用意義重大。

(2)關中盆地2017年12月的地下水位預警結果：西部地區(qū)紅色預警區(qū)范圍較大，中東部地區(qū)多為藍色預警區(qū)，渭河南岸橙色及黃色預警區(qū)范圍較大。

表1 關中盆地預警監(jiān)測站及地下水位預警結果一覽表

(3)預警結果表明，關中盆地扶風、鳳翔、涇陽等超采區(qū)地下水水位已經處于歷史較低水位，紅色預警范圍較大，故須加強管理、科學規(guī)劃，切實有效保護地下水資源；另有興平、西安等超采區(qū)治理效果明顯，處于黃色預警區(qū)，但仍需加強預警，拓展地下水補給途徑，有效涵養(yǎng)地下水。

(4)地下水位預警研究意義重大，但目前仍不完善，今后應完善站網基礎建設，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)真實有效，加強理論研究與動態(tài)管理，及時反饋預警結果，促進地下水資源科學合理有效利用。