濮陽(yáng)市淺層地下水位時(shí)空演變特征及驅(qū)動(dòng)機(jī)制

蔡 奕，徐 佳，朱 勍，饒?jiān)?，曹永?/p>

（1.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院水利工程系，上海200092；2.同濟(jì)大學(xué) 繼續(xù)教育學(xué)院，上海200092；3.河南省濮陽(yáng)水文水資源勘測(cè)局，河南 濮陽(yáng)457000；4.黃河水利科學(xué)研究院，鄭州450003）

0 引 言

地下水資源是陸地水資源的重要組成部分，具有可流動(dòng)性、可恢復(fù)性、可調(diào)節(jié)性等特點(diǎn)[1]，是干旱和半干旱地區(qū)（如我國(guó)中西部地區(qū)、美國(guó)西南部地區(qū)）的主要水源，為全球超過20 億人口提供淡水資源[2-3]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工農(nóng)業(yè)用水量持續(xù)增長(zhǎng)，過度開采使得原有的地下水循環(huán)系統(tǒng)被擾動(dòng)[4]，從而引發(fā)了水量衰竭，水質(zhì)劣化等現(xiàn)象[5-6]?！狙芯恳饬x】作為長(zhǎng)期備用水源，地下水資源急劇減少會(huì)嚴(yán)重削弱農(nóng)業(yè)抗旱能力，危及糧食生產(chǎn)安全。地下水長(zhǎng)期超采還會(huì)導(dǎo)致地面沉降、塌陷等不良地質(zhì)災(zāi)害，加大了地區(qū)的澇災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，危及群眾的生命和財(cái)產(chǎn)安全[7-8]。因此，合理開發(fā)利用和保護(hù)地下水資源對(duì)保障生態(tài)安全和生產(chǎn)安全具有重要的意義。

豫北地區(qū)為河南省境內(nèi)黃河以北區(qū)域，地跨黃河流域和海河流域，其東部平原約占總面積80%，地勢(shì)西高東低，海拔高度40～90 m，是河南省重要的工業(yè)生產(chǎn)基地和農(nóng)作物產(chǎn)區(qū)[9]。由于本地地表水資源相對(duì)匱乏，自20 世紀(jì)60年代起，地下水和引黃水成為豫北沿黃城市（濟(jì)源市、焦作市、新鄉(xiāng)市及濮陽(yáng)市）的主要供水水源[10]。隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，豫北沿黃城市用水需求逐年增加。受黃河水情和河勢(shì)影響，加之引黃指標(biāo)的限制，引黃水量年際變化較大而且不能滿足日益增長(zhǎng)的用水需求。為了保障城市的供水安全，地下水開采量不斷加大，造成地下水位持續(xù)下降，形成了嚴(yán)重的地下水漏斗區(qū)，如濮陽(yáng)-清豐-南樂漏斗。水資源的短缺已成為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展的制約因素之一，嚴(yán)重威脅著地區(qū)的糧食生產(chǎn)。

在地下水資源演變研究中，地下水位常被作為研究對(duì)象，通過長(zhǎng)期多點(diǎn)監(jiān)測(cè)分析其時(shí)空變化規(guī)律，進(jìn)而評(píng)價(jià)地下水資源量的變化[11]。為了科學(xué)合理地開發(fā)利用地下水，學(xué)者們開展了一系列地下水位影響因素研究，涉及的因素包括氣象水文因素、下墊面條件及人類活動(dòng)等[12-14]?！狙芯窟M(jìn)展】張展羽等[15]的研究發(fā)現(xiàn)地下水位變化受隨機(jī)降水事件的影響。Yu 等[16]采用交叉小波與經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)的集成方法研究了地下水位對(duì)降水的響應(yīng)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)滯后時(shí)間取決于地理和地質(zhì)條件。Zhao 等[17]采用M-K 檢驗(yàn)法發(fā)現(xiàn)氣溫與地下水位存在較高相關(guān)性。秦俊桃[18]對(duì)武威盆地6 種不同土地類型的地下水位變化速率進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)林地的地下水位變化速度遠(yuǎn)小于城鎮(zhèn)、農(nóng)田、草地等其他土地類型。土地利用類型的變更會(huì)改變流域下墊面條件，從而影響產(chǎn)匯流過程，導(dǎo)致地下水位的變化[19]。高宇陽(yáng)等[20]應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)方法分析了烏蘇市地下水埋深的影響因素，研究表明地下水開采量是烏蘇市地下水位變化的主要驅(qū)動(dòng)力。Bi 等[21]采用PCA 方法分析遼寧省康平縣的地下水位變化，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)地下水位的主要影響因素是人口（負(fù)相關(guān)）與降水（正相關(guān)）。人類活動(dòng)通常會(huì)干擾地下水的自然補(bǔ)給和排泄模式，這在農(nóng)業(yè)灌區(qū)表現(xiàn)尤為突出[22]。

【切入點(diǎn)】在已有的地下水資源演變及其影響因素研究中，研究區(qū)通常集中在單一流域內(nèi)，而對(duì)于跨流域地區(qū)關(guān)注較少，往往忽略了流域的差異性。進(jìn)入新時(shí)代，黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展已成為國(guó)家戰(zhàn)略，這對(duì)沿黃城市的水資源保護(hù)、水生態(tài)改善、水安全保障提出了更高要求?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本文選取濮陽(yáng)市作為研究區(qū)域，開展淺層地下水位時(shí)空演變規(guī)律及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究，分析其流域差異性，在此基礎(chǔ)上提出跨海河-黃河流域的沿黃農(nóng)業(yè)灌溉供水思路與對(duì)策，為黃河中下游地區(qū)農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

濮陽(yáng)市位于河北、山東、河南三省交界處，下轄1 區(qū)5 縣，總面積為4 188 km2。境內(nèi)地勢(shì)平坦，地面海拔39～62 m，總體趨勢(shì)表現(xiàn)為自西南向東北傾斜。地層300 m 厚度以上為第四系松散沉積物，以下為第三系，成巖性較差，故淺層含水層為本區(qū)的主要含水層類型。該層底板埋深86～116 m，砂層較多，以粉細(xì)、中細(xì)砂為主，局部有中粗砂。砂層頂板埋深3.6～20.0 m，無(wú)良好隔水層，地下水屬潛水或微承壓水。全市土壤以潮土為主，土體疏松、耕性良好，保水保肥，適合農(nóng)作物生長(zhǎng)。

以北金堤為界，濮陽(yáng)市被分為南、北2 個(gè)部分，南部屬黃河流域，北部屬海河流域。南部地區(qū)有黃河、金堤河、天然文巖渠等河流；北部地區(qū)有馬頰河、衛(wèi)河、徒駭河、潴龍河等河流。濮陽(yáng)市行政分區(qū)和水系分布見圖1。黃河是濮陽(yáng)市主要的過境水資源，境內(nèi)干流的年徑流量約為436.6 億m3。境內(nèi)金堤河和馬頰河多年平均徑流量分別為1.7 億m3和0.7 億m3，承擔(dān)沿黃灌區(qū)退水、農(nóng)業(yè)灌溉、防洪排澇等功能。為了擴(kuò)大引黃灌溉范圍，濮陽(yáng)市先后修建了第一、第二、第三濮清南干渠及引黃入冀補(bǔ)淀工程。自2016年起，南水北調(diào)中線工程陸續(xù)向濮陽(yáng)北部地區(qū)供水，丹江水也逐步取代了地下水，成為北部地區(qū)城鄉(xiāng)飲用水的主要水源。至2018年，丹江水供水量占北部地區(qū)總供水量10.8%。

圖1 濮陽(yáng)地區(qū)行政區(qū)和水系分布Fig.1 Distribution of administrative divisions and water system in Puyang

濮陽(yáng)市有3 個(gè)大型灌區(qū)（渠村、南小堤及彭樓）和6 個(gè)中型灌區(qū)，有效灌溉面積20.4 萬(wàn)hm2，占濮陽(yáng)市面積的49%，農(nóng)田灌溉用水量約9.5 億m3/a。濮陽(yáng)市農(nóng)作物以冬小麥與夏玉米為主，沿黃三縣還有少量水稻種植。冬小麥生長(zhǎng)周期為10月—次年5月，其中11月—次年2月為越冬期，需水量極低；3月初（返青期）至5月，冬小麥需水量達(dá)到峰值，此期間降水量少，需持續(xù)灌溉補(bǔ)水。夏玉米和水稻生長(zhǎng)周期為6—9月，由于蒸散發(fā)作用強(qiáng)烈和降水時(shí)間分配不均勻，也需進(jìn)行適時(shí)適量的灌溉補(bǔ)水。黃河汛期有桃汛、伏汛和秋汛，特別是桃汛和伏汛期間是主要作物生長(zhǎng)的重要階段，所以引黃水灌溉期往往長(zhǎng)達(dá)半年，從2月下旬開始至8月末結(jié)束。由于大部分引黃水量主要消耗在南部，所以北部的農(nóng)田灌溉主要依靠地下水（約占60%），長(zhǎng)期的超采導(dǎo)致了地下水位持續(xù)下降，灌溉機(jī)井越打越深，井灌成本不斷增加，地下水資源日趨匱乏。

1.2 數(shù)據(jù)與方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究收集了2006—2018年濮陽(yáng)市域內(nèi)73 個(gè)淺層地下水監(jiān)測(cè)井的地理坐標(biāo)、井口高程及地下水位埋深數(shù)據(jù)（5 d 時(shí)間序列）。選取研究期間持續(xù)測(cè)量的55 個(gè)監(jiān)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)用于空間插值，其余18 個(gè)井的數(shù)據(jù)用于驗(yàn)證。根據(jù)測(cè)井的地理坐標(biāo)，在ArcGIS 中繪制監(jiān)測(cè)井分布圖（圖2），對(duì)圖層進(jìn)行高斯投影轉(zhuǎn)換，以便于地下水位空間插值分析。

圖2 濮陽(yáng)地區(qū)淺層地下水監(jiān)測(cè)井位置Fig.2 Distribution of monitoring wells of shallow groundwater in Puyang

為了分析降水量、黃河水位及灌溉量對(duì)淺層地下水位（下文簡(jiǎn)稱地下水位）的影響，本研究收集了2006—2018年研究區(qū)的月降水量、鄰近4 個(gè)黃河干流水文站的日水位（夾河灘站、高村站、孫口站及艾山站）及作物種植面積等數(shù)據(jù)。孫口站位于黃河干流濮陽(yáng)段中部，其月均水位與其他3 個(gè)站點(diǎn)的皮爾遜相關(guān)系數(shù)均大于0.93，因此選擇孫口站水位作為該河段的黃河水位具有較好的代表性。圖3 為2006—2018年研究區(qū)降水量、孫口站水位（大沽高程）及作物種植面積的年際變化。由圖3 可見，研究區(qū)黃河流域與海河流域的多年平均降水量基本持平；研究區(qū)段黃河水位的年際變化呈下降趨勢(shì)；南部和北部地區(qū)的作物種植面積總體呈上升趨勢(shì)。

圖3 降水量、黃河水位及作物種植面積的年際變化Fig.3 Inter-annual variation of precipitation,water level of the Yellow River and crop planting area

1.2.2 地下水位空間插值

食品中加入香精，有輔助、穩(wěn)定、補(bǔ)充、賦香、矯味、替代等作用?，F(xiàn)代食品的加工過程會(huì)使食物香味散失，因此，食品添加劑中的香精成分在某些方面有著不可或缺的作用。然而作為增味劑，乙基麥芽酚之所以能對(duì)食品的不同風(fēng)味進(jìn)行增香，并非改變了香味物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和組成，而是在于它能夠改變?nèi)说纳砀杏X功能。如乙基麥芽酚有高度的選擇性，能夠使舌部和鼻部某一范圍感覺細(xì)胞敏感性改變，相應(yīng)地抑制了其它區(qū)域的信號(hào)，這就造成了一種或幾種氣味被增強(qiáng)而一些氣味被削弱的效果[2]。若使用得當(dāng)，即可增強(qiáng)香甜氣味的信號(hào)傳遞，使人們對(duì)食品的風(fēng)味感覺增強(qiáng)，從而改善了食品的口感。不過，乙基麥芽酚是不能過量使用的。

本文基于平均絕對(duì)誤差、平均相對(duì)誤差及均方根誤差3 個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)簡(jiǎn)單克里金法（SK）、普通克里金法（OK）、泛克里金法（UK）、反距離權(quán)重法（IDW）、規(guī)則樣條插值（RS）及趨勢(shì)面法（TL）等方法在研究區(qū)的地下水位插值精度，各指標(biāo)值如表1 所示。從表1 可以看出，普通克里金方法的上述3 個(gè)指標(biāo)分別為0.18 m、0.23%、0.63 m，相比于其他方法插值精度高。因此，本文選取普通克里金方法作為研究區(qū)地下水位空間插值方法。

表1 濮陽(yáng)地區(qū)淺層地下水位插值方法的誤差統(tǒng)計(jì)Table 1 Error statistics of the methods for interpolating shallow groundwater table in Puyang

1.2.3 滑動(dòng)窗口相關(guān)分析法

滑動(dòng)窗口相關(guān)分析是指通過對(duì)多維原始序列進(jìn)行滑動(dòng)窗口采樣以構(gòu)建相同維數(shù)的樣本集合并分析不同集合內(nèi)樣本的相關(guān)性。該方法在信息工程、互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域已被廣泛應(yīng)用[23]。近年來(lái)，一些學(xué)者將其運(yùn)用于水文學(xué)研究中[24]。對(duì)于相關(guān)性分析，本文選用了Spearman 相關(guān)系數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)[25-26]。

2 結(jié)果與分析

2.1 淺層地下水位年際動(dòng)態(tài)變化分析

本研究采用GIS 技術(shù)對(duì)研究區(qū)各淺層監(jiān)測(cè)井水位進(jìn)行空間分析，獲得了2006—2018年南部和北部的地下水位月均值。如圖4（a）所示，多項(xiàng)式趨勢(shì)線可較好地反映北部地下水位年際變化規(guī)律?？梢钥闯觯辈康叵滤荒觌H變化具有明顯的波動(dòng)性：2006—2012年地下水位波動(dòng)幅度較?。?013—2016年水位急劇下降，下降速度0.48 m/a；2017—2018年水位呈回升趨勢(shì)。從圖4（b）可看出，南部地下水位年際變化呈顯著下降趨勢(shì)，水位下降速度0.11 m/a。

圖4 淺層地下水位月均值變化Fig.4 Monthly average change of shallow groundwater table

從圖3 可知，2006—2012年，北部的作物種植面積緩慢增加，降水量呈波動(dòng)性變化，最大和最小值相差近300 mm。盡管2010年降水量超過700 mm，但地下水位相對(duì)較低，到2011年開始回升。同樣，2012年降水量不足440 mm，但地下水位相對(duì)較高，到2013年開始下降。這表明北部的地下水位在此期間主要受降水量的影響且存在一定的滯后性。2013—2016年，北部降水量波動(dòng)幅度較小，年平均值約520 mm，但作物種植面積持續(xù)增加，年平均值相比于2006—2012年增加了0.55 萬(wàn)hm2。北部農(nóng)業(yè)灌溉地下水開采量逐年增加，再加之2012年和2013年降水量少的滯后影響，使得2013—2016年北部地下水位急劇下降。2017年因推進(jìn)農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，調(diào)減了庫(kù)存較多的玉米種植，農(nóng)業(yè)灌溉地下水開采量也隨之減少。

由于南部的農(nóng)業(yè)灌溉水源主要為引黃水，地下水灌溉量?jī)H占15%左右，所以重點(diǎn)分析降水量和黃河水位對(duì)南部地下水位的影響。從圖3 可知，2006—2018年，研究區(qū)段的黃河水位總體呈下降趨勢(shì)，這與南部地下水位的變化趨勢(shì)相一致。特別是在2010—2013年，降水量波動(dòng)較大，最大與最小值的差值近350 mm，但黃河水位的年平均值變化不大，地下水位也趨于平穩(wěn)。這表明無(wú)論從長(zhǎng)期還是短期來(lái)看，南部的地下水位變化與黃河水位變化保持高度的一致，所以黃河水位是南部地下水位的最主要的影響因素。

2.2 淺層地下水位對(duì)降水量和黃河水位變化的響應(yīng)

考慮到滑動(dòng)窗口寬度的選取對(duì)Spearman 相關(guān)系數(shù)的計(jì)算可能會(huì)存在影響，本文分析了不同滑動(dòng)窗口寬度（1～12 a）下地下水位與降水量（或黃河水位）的Spearman 相關(guān)系數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)滑動(dòng)窗口寬度在2～6 a 區(qū)間時(shí)，Spearman 系數(shù)趨于穩(wěn)定，而且滑動(dòng)窗口寬度在3 a（即36 對(duì)樣本數(shù)）時(shí)，Spearman 相關(guān)系數(shù)的雙側(cè)T檢驗(yàn)（p≤0.01）通過率最高。故本研究選取3 a 作為滑動(dòng)窗口寬度。

通過滑動(dòng)窗口采樣計(jì)算，可獲得一系列的Spearman 相關(guān)系數(shù)。從圖5（a）可看出，南部的降水量與地下水位的Spearman 相關(guān)系數(shù)為-0.28～0.27；北部的降水量與地下水位的Spearman 相關(guān)系數(shù)為-0.58～0.60。這說(shuō)明南部的地下水位與降水量之間為微弱相關(guān)；在北部地區(qū)，二者的相關(guān)關(guān)系受響應(yīng)滯后時(shí)間的影響，當(dāng)響應(yīng)滯后時(shí)間為6 個(gè)月時(shí)，地下水位與降水量為中度相關(guān)。圖5（b）反映了地下水位對(duì)黃河水位變化的響應(yīng)規(guī)律，可以看出，當(dāng)響應(yīng)滯后時(shí)間為1 個(gè)月時(shí)，南部地下水位與黃河水位的Spearman相關(guān)系數(shù)達(dá)到最大值0.58，即地下水位與黃河水位為中度相關(guān)。在北部地區(qū)，當(dāng)響應(yīng)滯后時(shí)間為6 個(gè)月時(shí)，地下水位與黃河水位的Spearman 相關(guān)系數(shù)達(dá)到最大值0.33，即北部地下水位與黃河水位為低度相關(guān)。就降水量和黃河水位而言，北部地下水位受降水量影響大，而南部受黃河水位影響顯著。

圖5 淺層地下水位與降水量、黃河水位的Spearman 相關(guān)系數(shù)Fig.5 Spearman correlation coefficients between shallow groundwater table and precipitation&water level of the Yellow River

2.3 淺層地下水位年內(nèi)動(dòng)態(tài)變化分析

分析了2006—2018年北部地區(qū)25 個(gè)淺層地下水監(jiān)測(cè)井的水位數(shù)據(jù)，如圖6（a）所示，地下水位最大年內(nèi)變幅約3.60 m，平均年內(nèi)變幅1.54 m，且不同監(jiān)測(cè)井的地下水位動(dòng)態(tài)變化呈較為相似的規(guī)律。3—6月地下水位總體呈下降趨勢(shì)，7月—次年2月地下水位持續(xù)上升，2月地下水位達(dá)到年內(nèi)最高。通過對(duì)研究區(qū)南部30 個(gè)淺層地下水位數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，地下水位最大年內(nèi)變幅約1.4 m，平均年內(nèi)變幅0.71 m，較北部地區(qū)小。從圖6（b）可看出，在南部地區(qū)，3—6月地下水位呈先升后降趨勢(shì)，7—10月地下水位上升，11月—次年2月地下水位呈下降趨勢(shì)。其中，4月和10月為年內(nèi)高水位期，6月為年內(nèi)低水位期。

圖6 多年平均淺層地下水位5 d 時(shí)間序列Fig.6 5-day time series of average annual shallow groundwater table

3—5月為研究區(qū)冬小麥的灌溉期。由于春灌期降水量少，北部地區(qū)的作物需水量基本依賴于地下水，大量集中開采導(dǎo)致地下水位迅速下降，直至6月達(dá)到最低。7—9月為研究區(qū)夏玉米（或水稻）的灌溉期，同期的降水量雖多但分配極其不均，這使得北部農(nóng)業(yè)灌溉地下水開采量隨降水量發(fā)生變化，從而導(dǎo)致了地下水位呈波動(dòng)式上升。10月—次年2月為研究區(qū)冬灌期，灌溉用水量少，加之7—8月降水量的滯后（6個(gè)月）補(bǔ)給，地下水位呈上升趨勢(shì)。

在以引黃灌溉為主的南部地區(qū)，地下水位3—5月先上升后下降，10月—次年2月呈下降趨勢(shì)，與同時(shí)期北部區(qū)域地下水位變化趨勢(shì)截然不同。通過對(duì)研究期間孫口站水位數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，該河段黃河水位3月較高，后下降至5月，6—8月回升至年內(nèi)高水位，9月—次年2月呈波動(dòng)式下降趨勢(shì)?？梢姡喜康牡叵滤荒陜?nèi)波動(dòng)與黃河水位變化趨勢(shì)相似，但存在一個(gè)月左右的響應(yīng)滯后。因此，南部的地下水位變化的主要驅(qū)動(dòng)因子為黃河水位，而北部為降水量和農(nóng)業(yè)灌溉地下水開采量。

2.4 淺層地下水位空間分布特征

綜合考慮降水量年內(nèi)分配、主要農(nóng)作物生長(zhǎng)期及黃河汛期對(duì)研究區(qū)地下水位的影響，本文對(duì)3 個(gè)不同時(shí)段內(nèi)的地下水位空間分布特征進(jìn)行了分析。第一時(shí)段為3—6月，降水量低，冬小麥生長(zhǎng)需水期，其中3—4月為黃河桃汛期；第二時(shí)段為7—10月，期間降水多，夏玉米和水稻生長(zhǎng)需水期，黃河處于伏秋汛期；第三階段為11月—次年2月，降水稀少，黃河水位低，冬小麥處于越冬期，需水量極少。圖7 為2006—2018年研究區(qū)地下水位在上述3 個(gè)時(shí)段的平均值。

如圖7 所示，盡管研究時(shí)段不同，但研究區(qū)地下水位總體上均呈南高北低的分布趨勢(shì)，且在北部存在3 處明顯的地下水位異常區(qū)（即Z1、Z2 及Z3 區(qū)）。南部的地下水位集中在39～57 m 之間，北部的水位分布在18～39 m 之間，南北地下水位的平均差異超過10 m。由于南部與北部地區(qū)的地形高程差異不大，均值都在46 m 左右，所以地下水位的差異主要是南北灌溉方式的差異導(dǎo)致的。Z1 區(qū)的地下水位比周邊的高，這是因?yàn)樵搮^(qū)位于清豐縣和南樂縣的交界處（即大流鄉(xiāng)、高堡鄉(xiāng)及楊村鄉(xiāng)），此處地下水礦化度較高（苦咸水），通常不用于灌溉。Z2 區(qū)位于清豐縣東部的六塔鄉(xiāng)和瓦屋頭鎮(zhèn)的交界處。此處的第二濮清南干渠水量很少且溝渠水網(wǎng)密度較低，農(nóng)業(yè)灌溉基本上靠地下水，長(zhǎng)期超采導(dǎo)致了其地下水位比周邊低。Z3區(qū)位于清豐縣西部的韓村鄉(xiāng)境內(nèi)，因地表水資源匱乏，溝渠少，大量地下水被開采用于農(nóng)業(yè)灌溉，補(bǔ)源條件差，所以其地下水位比周邊低。由于南北灌溉方式不同，北部地下水位分布的季節(jié)性特征（比如Z1、Z2及Z3 區(qū)范圍的季節(jié)性變化）比南部的更為顯著。

圖7 2006—2018年濮陽(yáng)地區(qū)淺層地下水位多年平均值空間分布圖Fig.7 Spatial distribution of average annual shallow groundwater table in Puyang during the period from 2006 to 2018

此外，沿黃3 縣（濮陽(yáng)縣、范縣和臺(tái)前縣）境內(nèi)的黃河灘區(qū)地下水位具有從上游往下游遞減的分布特征，這是由黃河上下游水位差異所導(dǎo)致?？梢?，研究區(qū)地下水位的空間差異主要是因灌溉方式不同和黃河水位時(shí)空變化所引發(fā)的。

3 討論

根據(jù)濮陽(yáng)市水資源公報(bào)，2006—2018年，濮陽(yáng)市平均年降水量約520 mm（河南省較干旱地區(qū)之一），降水、地表水入滲及井灌回歸等地下水補(bǔ)給量約6.3億m3/a，地下水開采、淺層蒸發(fā)等地下水排泄量約6.5 億m3/a，這表明研究區(qū)淺層地下水存儲(chǔ)量減少，地下水位總體呈下降趨勢(shì)。從流域角度看，南部（黃河流域）的地下水資源約3.0 億m3/a，而北部（海河流域）為2.1 億m3/a 左右。盡管北部的地下水資源量小于南部，但是其開采率已達(dá)到170%（約為南部的3 倍）。長(zhǎng)期的超采導(dǎo)致了北部的降落漏斗面積率高于南部，進(jìn)而引發(fā)了土壤沙化和地面沉降等環(huán)境地質(zhì)問題[27]。近年來(lái)，受黃河下游主槽下切的影響，黃河水位呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。這不僅造成了下游閘口的引水困難，而且導(dǎo)致了南部地下水位下降，從而提升了南部的灌溉水安全風(fēng)險(xiǎn)?？紤]到濮陽(yáng)市年降水量少，降水對(duì)地下水的補(bǔ)給還存在數(shù)月的滯后性，所以北部的地下水壓采補(bǔ)源和南部的灌溉用水保障需發(fā)揮引黃水、引江水、地下水、雨洪水及中水等多水源互補(bǔ)作用，同時(shí)加強(qiáng)農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉，高效利用有限的水資源。

濮陽(yáng)市引黃取水許可指標(biāo)8.24 億m3/a，引黃耗水指標(biāo)6.78 億m3/a，南水北調(diào)中線工程引水量指標(biāo)為1.19 億m3/a[28]。境內(nèi)分布11 個(gè)引黃閘門，其中渠村閘位于最上游，是引黃入冀補(bǔ)淀干渠的渠首，承擔(dān)著濮陽(yáng)市近1/2 的引黃量，確保向河北持續(xù)供水。濮陽(yáng)的大部分地區(qū)位于引黃入冀補(bǔ)淀干渠以東，黃河干流以北。該地區(qū)西高東低、南高北低的地形為灌區(qū)提供了良好的自流引水條件[29]。然而，其境內(nèi)河流和引黃干渠以南北走向?yàn)橹?，相互之間的連通干渠少，東西水量調(diào)劑難。在南部灌區(qū)用水需求大時(shí)，一些向北輸水的溝渠水量少甚至出現(xiàn)斷流，北部的灌溉主要依賴于地下水。另外，農(nóng)村廢棄坑塘多，但與河道、溝渠的連通性差，雨洪調(diào)蓄能力弱?？梢?，地表水系連通是地下水壓采補(bǔ)源工程的重要部分。2016—2018年引江水量平均0.26 億m3/a，供水范圍為中心城、濮陽(yáng)縣、清豐縣及南樂縣。未來(lái)規(guī)劃引江水將覆蓋濮陽(yáng)全境，為濮陽(yáng)市城鄉(xiāng)居民提供穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)的飲用水，置換出的地下水可為農(nóng)業(yè)抗旱提供應(yīng)急水源。

據(jù)濮陽(yáng)市水利統(tǒng)計(jì)年報(bào)，截至2018年，濮陽(yáng)市高效節(jié)水灌溉面積占總灌溉面積的26.4%，農(nóng)業(yè)灌溉水有效利用系數(shù)為0.57，低于河南省平均水平（0.60），高效節(jié)水灌溉建設(shè)仍有很大的發(fā)展空間[30]。通過建設(shè)節(jié)水工程，推進(jìn)計(jì)量收費(fèi)，改變灌區(qū)粗放用水方式，增強(qiáng)節(jié)水護(hù)水意識(shí)，實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用。此外，研究區(qū)的城鎮(zhèn)中水回用率目前較低，可利用污水廠處理與人工濕地凈化相結(jié)合的方法，變生活污水與工業(yè)廢水為再生水，不僅可緩解灌溉用水緊缺，同時(shí)還可改善河流與溝渠的生態(tài)環(huán)境。

為了緩解地下水位持續(xù)下降和用水需求不斷增長(zhǎng)造成的農(nóng)業(yè)灌溉用水緊張形勢(shì)，本文提出要充分發(fā)揮引黃入冀補(bǔ)淀干渠和黃河干流的作用，通過構(gòu)建坑塘（濕地）-溝渠-河流連通網(wǎng)絡(luò)體系，提升引黃和雨洪調(diào)蓄能力及城鎮(zhèn)中水回用率，實(shí)現(xiàn)“西水東輸”與“南水北調(diào)”的雙向促進(jìn)，為跨海河-黃河流域的沿黃城市提供地下水壓采補(bǔ)源和農(nóng)業(yè)用水安全保障。此外，加強(qiáng)農(nóng)業(yè)高效節(jié)水灌溉，利用丹江水置換也是緩解農(nóng)業(yè)灌溉用水供需矛盾的有效途徑。

4 結(jié)論

1）2006—2018年，濮陽(yáng)市淺層地下水位動(dòng)態(tài)變化具有顯著的流域性特征。北部（海河流域）的地下水位年際變化呈波動(dòng)性特征，其中2013—2016年水位急劇下降，下降速率0.48 m/a；南部的年際變化呈顯著下降趨勢(shì)，下降速率為0.11 m/a。北部地下水位通常3—6月下降，7月—次年2月回升，年內(nèi)的最低值和最高值分別出現(xiàn)在6月和2月，平均年內(nèi)變幅1.54 m；南部地下水位3—6月先升后降，7—10月地下水位回升，11月—次年2月地下水位下降，4月和10月為年內(nèi)高水位期，6月為低水位期，年內(nèi)平均變幅0.71 m。

2）從空間分布看，濮陽(yáng)市地下水位總體從南向北遞減，黃河岸灘地下水位從上游往下游遞減。北部存在地下水位異常區(qū)且面積呈季節(jié)性變化。

3）北部地下水位主要受降水和農(nóng)業(yè)灌溉的影響，地下水位對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉的響應(yīng)迅速（幾乎無(wú)滯后），對(duì)降水的響應(yīng)滯后約6 個(gè)月；南部地下水位變化的主要驅(qū)動(dòng)因子是黃河水位，地下水位對(duì)其的響應(yīng)滯后約1 個(gè)月。