三江平原建三江地下水動態(tài)變化特征

劉偉坡，沙 娜，程旭學(xué)

（中國地質(zhì)調(diào)查局 水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051）

0 引 言

【研究意義】地下水作為水資源的重要組成部分，既在區(qū)域水循環(huán)中發(fā)揮著重要作用，又是我國北方地區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人類生活的重要供水水源[1]。由于地下水的開發(fā)、利用缺乏統(tǒng)一的規(guī)劃和有效管理，致使當(dāng)前的地下水開發(fā)利用過程中出現(xiàn)地下水位持續(xù)下降、地面沉降、地裂縫、海水入侵等一系列生態(tài)環(huán)境問題[2-4]。因此，地下水動態(tài)變化規(guī)律及其影響因素研究已成為國內(nèi)外專家關(guān)注的熱點(diǎn)問題之一[5-7]，所采用的研究方法主要有雙向回歸分析方法[8-9]、R/S 分析法[10-11]、Mann-Kendall 檢驗(yàn)、Yamamoto 檢驗(yàn)、滑動t 檢驗(yàn)[12-14]?！狙芯窟M(jìn)展】李鴻雁等[15]應(yīng)用方差分析和分形理論研究了建三江地區(qū)2005—2008 年地下水動態(tài)變化規(guī)律。危潤初等[16]采用雙向回歸突變分析方法和標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI）方法研究了建三江地區(qū)1992—2011 年地下水埋深的趨勢突變，分析了地下水動態(tài)趨勢突變與降水之間的響應(yīng)關(guān)系?！厩腥朦c(diǎn)】近年來，隨著區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整和水稻田種植規(guī)模的不斷擴(kuò)大，地下水補(bǔ)排產(chǎn)生了新的變化趨勢，改變了地下水流場特征，引起地下水位不同幅度下降。【擬解決的關(guān)鍵問題】本文運(yùn)用Arcgis 空間插值分析、OriginPro 趨勢分析、襯度系數(shù)方差分析及地下水動力學(xué)等方法，研究地下水時(shí)空動態(tài)變化特征，揭示現(xiàn)狀條件下地下水動態(tài)變化規(guī)律，對指導(dǎo)地方合理開發(fā)利用地下水資源具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

建三江位于三江平原的東北部，地處黑龍江、松花江和烏蘇里江三江匯流的河間地帶，轄區(qū)總面積1.24 萬km2，擁有15 個(gè)大中型農(nóng)場，是我國重要的商品糧生產(chǎn)基地。多年平均氣溫1.0～2.0 ℃，極端最高氣溫38 ℃，極端最低氣溫-41.6 ℃，多年平均降水量為383.5～886.1 mm。區(qū)內(nèi)河流水系發(fā)育，黑龍江、烏蘇里江南北環(huán)繞，松花江貫穿全境，撓力河、七星河、別拉洪河和其他支流縱橫交錯(cuò)。自第四紀(jì)以來，研究區(qū)以間歇式沉降為主，地表沉積了3～20 m不等厚度的黏土和亞黏土，大大降低了大氣降水對地下水的垂直入滲補(bǔ)給[17-19]。區(qū)內(nèi)地勢平緩，地下水水力坡度與地面坡降相近，為1/10 000～1/5 000，地下水徑流緩慢。根據(jù)黑龍江墾區(qū)1998—2018 年統(tǒng)計(jì)年鑒資料，1997—2017 年20 a 間，區(qū)內(nèi)耕地面積由38.12 萬hm2增加至75.28 萬hm2，增長了近1 倍，水稻田種植面積由14.67 萬hm2增加至65.66 萬hm2，增長了近3.5 倍。區(qū)內(nèi)地表水資源雖較為豐富，但開發(fā)利用程度低，灌溉用水90%以上以地下水為主。因此，隨著水稻田種植規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對地下水的需求量日益增加，地下水嚴(yán)重超采，地下水位呈不等程度下降。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究收集了建三江分局15 個(gè)農(nóng)場監(jiān)測井20 a（1997—2017 年）的逐年地下水位標(biāo)高、1997—2017年不等時(shí)期土地利用類型遙感影像數(shù)據(jù)，以及建三江分局20 a 耕地面積和水稻田面積的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。收集監(jiān)測井監(jiān)測層位為第四系松散巖類孔隙含水層，為區(qū)內(nèi)地下水主要開采目的層，能較好反映區(qū)內(nèi)地下水動態(tài)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

對 1997—2017 年的地下水位標(biāo)高數(shù)據(jù)應(yīng)用OriginPro 軟件分析地下水位動態(tài)變化規(guī)律；根據(jù)SPSS 預(yù)測模型預(yù)測未來5 a 地下水位變化趨勢；應(yīng)用襯度系數(shù)方差分析揭示研究區(qū)地下水位變幅空間變化特征，應(yīng)用Arcgis 空間插值分析揭示地下水流場空間異變特征，查明地下水動態(tài)變化規(guī)律及其影響因素。

1.3.1 襯度系數(shù)方差分析

離散型變量方差計(jì)算公式為：

式中：n 為樣本個(gè)數(shù)；Xi為樣本值；為樣本均值。

襯度系數(shù)V 作為一種變量波動性評判指標(biāo)，反映樣本值與樣本均值的比較，其表達(dá)式為：

式中：Vi為樣本值；為樣本均值。

由式（2）可知，襯度系數(shù)值的大小可以體現(xiàn)樣本值的異常程度。襯度系數(shù)方差分析即先求取每個(gè)變量的襯度系數(shù)值，再求其方差[20]。

1.3.2 Arcgis 空間插值分析

以建三江分局15 個(gè)農(nóng)場監(jiān)測井1997、2017 年地下水位標(biāo)高數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用Arcgis 克里金插值分析，繪制了區(qū)內(nèi)1997—2017 年地下水位變幅圖、地下水位襯度系數(shù)方差圖以及地下水流場圖，揭示地下水過度開采引起的地下水位下降幅度空間分布規(guī)律及地下水流場變化趨勢。

2 結(jié)果與分析

2.1 地下水位動態(tài)分析

建三江分局15 個(gè)農(nóng)場監(jiān)測井20 a（1997—2017年）地下水動態(tài)曲線如圖1 所示。區(qū)內(nèi)除前哨、勤得利農(nóng)場地下水位動態(tài)變化相對較小外，其他13 個(gè)農(nóng)場監(jiān)測井地下水位動態(tài)波動幅度均大于3.0 m，濃江農(nóng)場監(jiān)測井地下水位降幅最大，為9.29 m，地下水位平均下降速率為0.46 m/a。

圖1 建三江地下水水位多年動態(tài)曲線 Fig.1 Multi-year dynamic curve of groundwater level in Jiansanjiang

2007—2017 年，勤得利農(nóng)場地下水位波動幅度為0.15～0.48 m，波動幅度相對穩(wěn)定；2015 年以來，創(chuàng)業(yè)農(nóng)場地下水位基本保持相對穩(wěn)定狀態(tài)，波動幅度為0.12～0.16 m，七星農(nóng)場、紅衛(wèi)農(nóng)場地下水位呈現(xiàn)小幅上升趨勢，七星農(nóng)場地下水位由2015 年的46.5 m上升至2017 年的47.23 m，上升幅度為0.37 m/a。

根據(jù)15個(gè)監(jiān)測井1997—2017年地下水位變化幅度，應(yīng)用Arcgis 空間插值繪制了地下水位變幅圖（圖2）。

從圖2 可以看出，區(qū)內(nèi)東部、西部地下水位下降幅度較大，為7.8～9.29 m，且西部下降幅度明顯大于東部，南部和北部下降幅度相對較小，位于東北部的勤得利農(nóng)場下降幅度最小，為1.60 m，推測主要受地下水開采強(qiáng)度及地表水側(cè)向補(bǔ)給的影響。 由于農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)和土地利用類型的不斷調(diào)整，耕地面積和水稻田種植面積呈逐年增長趨勢，自1997—2017年耕地面積由38.12萬hm2增加至75.28萬hm2，增長了近1 倍，水稻田種植面積由14.67 萬hm2增加至65.66 萬hm2，增長了近3.5 倍。區(qū)內(nèi)水稻田灌溉用水90%以上以開發(fā)利用第四系孔隙水為主。因此，隨著水稻田種植規(guī)模的不斷擴(kuò)大，地下水的開采量不斷增加致使地下水超采是導(dǎo)致區(qū)內(nèi)地下水位下降的主要原因。近年來，隨著三江平原水稻田種植規(guī)模的相對穩(wěn)定和農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉意識的不斷提高，水稻需水量灌溉定額由4 500～5 250 m3/hm2調(diào)為4 200～4 950 m3/hm2，灌溉渠系的修整、防護(hù)間接提高了井水灌溉利用系數(shù)，有效降低了渠間滲漏量，地下水開采量得到有效控制，地下水位呈現(xiàn)小幅波動或緩慢上升趨勢。 區(qū)內(nèi)南部和東北部山前地表水系較為發(fā)育，撓力河、七星河、濃江和黑龍江環(huán)繞其間，地表水—地下水動態(tài)轉(zhuǎn)化頻繁，受人類活動因素影響引起的區(qū)域地下水位下降，改變了天然地下水流場特征，增大了山前地下水水力坡度，地表水—地下水動態(tài)轉(zhuǎn)化關(guān)系以入滲補(bǔ)給地下水為主，致使山前側(cè)向徑流補(bǔ)給量和河流入滲補(bǔ)給量增加，是區(qū)內(nèi)南部和北部地下水位下降幅度相對較小的主要原因。

2.2 襯度系數(shù)方差分析

根據(jù)襯度系數(shù)方差分析公式對建三江分局15 個(gè)農(nóng)場監(jiān)測井進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，為便于對比分析，將地下水位襯度系數(shù)方差結(jié)果均放大103倍，結(jié)果見表1。

表1 地下水水位襯度系數(shù)方差值 Table 1 Variances of contrast coefficients of groundwater level

從表1 可以看出，研究區(qū)15 眼監(jiān)測井地下水位襯度系數(shù)方差為0.19～4.61，地下水位波動幅度最小區(qū)位于勤得利農(nóng)場，濃江農(nóng)場地下水位波動幅度最大。對地下水位襯度系數(shù)方差值進(jìn)行Arcgis 插值處理，結(jié)果見圖3。從圖3 可以看出，研究區(qū)地下水位波動呈明顯的空間分異特征。研究區(qū)內(nèi)形成3 個(gè)“向心圓”狀地下水位波動漸變區(qū)，漸變區(qū)中心分別為濃江農(nóng)場、創(chuàng)業(yè)農(nóng)場、八五九農(nóng)場，自四周向中心區(qū)地下水位波動幅度呈逐漸增大趨勢，漸變區(qū)中心最大襯度系數(shù)方差分別為4.61、4.07、3.72，西部地下水位波動幅度明顯大于東部地區(qū)，除東南部八五九農(nóng)場襯度系數(shù)方差較大外，研究區(qū)四周地下水位襯度系數(shù)方差均小于研究區(qū)內(nèi)部。

圖3 地下水位襯度系數(shù)方差空間分布 Fig.3 Spatial structure of variances of contrast coefficients of groundwater level

2.3 地下水流場變化分析

地下水流場方向及水力梯度的變化主要受地下水開采量、大氣降水入滲補(bǔ)給量、側(cè)向徑流入滲補(bǔ)給量、地表水入滲補(bǔ)給量等因素的影響，為了直觀地反映研究區(qū)地下水流場變化特征，將1997 年、2017 年研究區(qū)地下水流場繪于圖4。

從圖4 可以看出，1997 年地下水流向大致為南北向、北東向，以北東向?yàn)橹?，最終排泄于烏蘇里江流出區(qū)外，地下水徑流條件差、徑流緩慢。1997—2017年由于地下水的過量開采引起的地下水位不等幅度下降致使地下水流場變化表現(xiàn)出明顯的空間分異特征，中西部地下水流向由中心向西北、東南邊界補(bǔ)給地表水轉(zhuǎn)變?yōu)橛杀蔽?、北東邊界向中心補(bǔ)給地下水，使得中西部低平原成為地下水的集中匯流區(qū)，南部大興農(nóng)場、七星農(nóng)場、創(chuàng)業(yè)農(nóng)場及西北部勤得利農(nóng)場地下水水力坡度明顯增大，地下水徑流條件增強(qiáng)，東南部山前地區(qū)水力坡度增大致使地下水側(cè)向補(bǔ)給量顯著增加，地下水徑流條件增強(qiáng)，中部低平原區(qū)由于地勢低平，地下水徑流緩慢，為地下水的弱徑流區(qū)，水力坡度無明顯變化，地下水主要接收南、北西及北東向補(bǔ)給，成為地下水匯流區(qū)。

3 討 論

研究區(qū)表層廣泛分布3～20 m 厚黏土和亞黏土層，大氣降水垂直入滲補(bǔ)給能力差，地下水主要接收側(cè)向徑流補(bǔ)給，西部、東南部山前地區(qū)由于地下水位的持續(xù)下降致使水力梯度明顯增大，地下水徑流條件變強(qiáng)，側(cè)向補(bǔ)給量顯著增加。南部創(chuàng)業(yè)農(nóng)場、七星農(nóng)場、大興農(nóng)場部分地表水系較為發(fā)育的地區(qū)地下水位降至河水位以下，地下水接受河水入滲補(bǔ)給，佐證了前人的研究成果。中西部、中東部廣大低平原區(qū)地勢低平，地下水徑流遲緩，地下水垂直入滲補(bǔ)給及側(cè)向徑流補(bǔ)給能力相對較差，因此，由于地下水的過量開采致使地下水位波動及下降幅度表現(xiàn)為最大，與前人研究成果相一致[12,16]。

地下水動態(tài)預(yù)測模型可分為確定性模型和隨機(jī)性模型，確定性模型包括解析法、數(shù)值法、物理模擬法等；隨機(jī)性模型有回歸分析模型、頻譜分析模型以及時(shí)間序列模型等[21-23]。為揭示研究區(qū)未來5 a 地下水位變化趨勢，應(yīng)用SPSS 時(shí)間序列統(tǒng)計(jì)預(yù)測模型對15 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)1997—2017 年地下水位數(shù)據(jù)進(jìn)行了動態(tài)模擬，建立了ARIMA 模型，擬合度均大于0.80，擬合度較好，預(yù)測模型結(jié)果顯示：位于研究區(qū)北部的勤得利農(nóng)場和南部的勝利、大興農(nóng)場地下水位呈不同幅度上升趨勢，上升幅度為0.31～2.27 m，推測主要原因是由于農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整和節(jié)水灌溉措施的實(shí)施，有效控制了水稻田種植面積和農(nóng)作物耗水量，大大減少了地下水開采量[26]；其他地區(qū)呈現(xiàn)不等幅度下降趨勢，下降幅度為0.3～3.55 m，其中八五九農(nóng)場地下水位下降幅度最大為3.55 m，地下水不同程度過量開采是導(dǎo)致地下水位不等幅度下降的主要原因[15]。

由于本研究未收集到研究區(qū)內(nèi)河水位高程數(shù)據(jù)，且缺少相關(guān)水化學(xué)數(shù)據(jù)支撐，地下水、河水補(bǔ)排關(guān)系及補(bǔ)給量多少等問題具有不確定性，因此，在后續(xù)工作中需開展河水位高精度GPS 測量及地表水-地下水定量轉(zhuǎn)化關(guān)系相關(guān)性研究，定量評價(jià)地表水-地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系[24-25]，進(jìn)一步研究地下水流場及時(shí)空異變特征。

4 結(jié) 論

1）1997—2017 年，區(qū)內(nèi)水稻田種植面積由14.67萬hm2增加到65.66 萬hm2，灌溉用水對地下水的需求量不斷增加，地下水位呈持續(xù)下降趨勢，下降幅度為1.60～9.29 m。

2）中東部、中西部地下水位下降幅度在空間上表現(xiàn)為最大，地下水動態(tài)變化受人類活動的影響更強(qiáng)烈。

3） 東北部、東南部及南部水力梯度變化幅度最大，中西部、中東部低平原區(qū)變化幅度最??；地下水自北西、南東邊界向平原中心匯流沿北東向流出區(qū)外。

4）地下水過量開采激發(fā)了河水入滲補(bǔ)給地下水能力，增加了地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給量。