三江平原典型區(qū)河水與地下水水量交換的時(shí)空變化規(guī)律分析

束龍倉，殷曉然，袁亞杰，呂 巖，魯程鵬，劉 波

（1.河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué) 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；3.黑龍江省水文水資源中心，黑龍江 哈爾濱 150001；4.黑龍江省佳木斯水文水資源中心，黑龍江 佳木斯 154002）

1 研究背景

地表水與地下水之間的水量交換過程復(fù)雜且難以確定，其中，作為地表水的河流與地下水之間的水量交換過程更為復(fù)雜，該過程受多要素影響［1-2］，河床沉積物、河床形態(tài)等河流地形地貌因素，上游來水、降水量分布等水文氣象因素，含水層滲透系數(shù)、孔隙度等水文地質(zhì)因素共同構(gòu)成了河流之間與地下水的水量交換影響因素［3］，多因素影響下的水量交換過程其交換量計(jì)算往往具有不同時(shí)空尺度下的不確定性［4］。國內(nèi)外學(xué)者在對以河流為對象的地表水與地下水水量交換過程已進(jìn)行了較為深入的研究，如Harvey 等［5］進(jìn)行了河流地質(zhì)因素及水文地質(zhì)因素的分析，研究表明河流與地下水的水量交換過程受到河流流量、水力梯度、河床形態(tài)、河床沉積物滲透性等的影響；Packman 等［6］指出屬水文地質(zhì)因素的河床沉積物滲透系數(shù)及孔隙度和屬水文氣象因素的河流流速、水深對河流與地下水之間的交換過程產(chǎn)生顯著影響。Hester 等［7］的研究表明，由于河流地形地貌因素及水文地質(zhì)因素的空間非均質(zhì)性，河流與地下水之間的平均交換量存在明顯的空間變異性。

本文以三江平原典型區(qū)為例，對區(qū)內(nèi)地表水與地下水水量交換的時(shí)空變化規(guī)律進(jìn)行分析。三江平原典型區(qū)位于黑龍江省三江平原，典型區(qū)內(nèi)水系發(fā)育，河流縱橫，均屬黑龍江水系，其主要支流有松花江、烏蘇里江；烏蘇里江主要支流有撓力河、七星河、別拉洪河。隨著黑龍江省糧食生產(chǎn)的飛速發(fā)展，地下水開采量快速增長，造成三江平原區(qū)地下水位明顯下降［8-11］。其中三江平原東北部下降明顯，下降幅度顯著大于周邊區(qū)域，為三江平原地下水位下降的典型區(qū)域，典型區(qū)的北部、東部、南部、西北部邊界分別為黑龍江、烏蘇里江、撓力河、松花江，由于實(shí)際研究需要，西南部以典型區(qū)內(nèi)富錦市行政區(qū)范圍為邊界（圖1）。

圖1 三江平原典型區(qū)位置及地表水地下水位監(jiān)測站點(diǎn)分布位置

國內(nèi)已有較多學(xué)者對三江平原典型區(qū)地表水與地下水之間的水力聯(lián)系進(jìn)行分析，張兵等［12］利用氫氧同位素和水化學(xué)分析表明降水是地表水和地下水的共同補(bǔ)給源，地表水與地下水之間具有較強(qiáng)的水力聯(lián)系；董維紅等［13］對三江平原富錦地區(qū)的淺層地下水水化學(xué)特征及其形成進(jìn)行了分析，表明地表水與地下水之間存在不同時(shí)空尺度、強(qiáng)度差異的水量交換過程；欒兆擎等［14］指出人類活動對于三江平原地表徑流、土壤水、地下水之間的水循環(huán)過程影響的時(shí)空尺度日益擴(kuò)大；劉正茂等［15］對長時(shí)間尺度下三江平原地表水與地下水水力聯(lián)系對于人類活動及氣候變化的響應(yīng)進(jìn)行了分析。已有研究中，對于三江平原以河流為對象的地表水與地下水水量交換的時(shí)空變化規(guī)律關(guān)注較少，水量交換過程為水資源準(zhǔn)確評價(jià)的基礎(chǔ)，本次研究從三江平原典型區(qū)邊界河流地表水與地下水水量交換的平均交換量計(jì)算出發(fā)，采用不同時(shí)空尺度對三江平原河水與地下水的水量交換規(guī)律進(jìn)行分析探究。

典型區(qū)內(nèi)構(gòu)成潛水含水層的砂層之上廣泛分布著0 ～ 18 m 厚的黏土層（圖2），黏土類型主要包括粉質(zhì)黏土及黏性土。粉質(zhì)黏土在流域內(nèi)廣泛分布于平原區(qū)，是區(qū)內(nèi)主要地表土壤類型；黏性土分布于山前臺地。松花江富錦段、黑龍江勤得利段、撓力河菜咀子段及烏蘇里江海青段皆為粉質(zhì)黏土，厚度分別為10 ～ 12 m、6 ～ 8 m、12 ～ 14 m 和6 ～ 8 m。

圖2 三江平原典型區(qū)黏土厚度等值線

由區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)剖面圖可知，松花江富錦段河床切割深度約為17 m，已切割至含水層；黑龍江勤得利段河床切割深度約為3 m，未切割至含水層；撓力河菜咀子段河床切割深度約為8 m，未切割至含水層；烏蘇里江海青段河床切割深度約為8 m，已切割至含水層。

2 河水與地下水水量交換的年際及年內(nèi)變化特征分析

2.1 河水位與地下水位時(shí)程變化分別選取松花江、黑龍江、撓力河及烏蘇里江位于研究區(qū)內(nèi)河流代表性河段的各河水位監(jiān)測數(shù)據(jù)及相鄰地下水位監(jiān)測數(shù)據(jù)，進(jìn)行兩者水位的時(shí)程變化分析，松花江時(shí)間序列為2000年8月至2005年12月及2007年1月至2017年12月（2006年、2018年數(shù)據(jù)缺失），黑龍江、撓力河時(shí)間序列為2000年6月至2018年12月，烏蘇里江時(shí)間序列為2002年1月至2018年12月（據(jù)核實(shí)，2000年6月至2001年12月的數(shù)據(jù)高程有誤），各站所在位置如圖1 所示，松花江選取富錦水位站，位于典型區(qū)西側(cè)、松花江下游，最近地下水位監(jiān)測井為建設(shè)街監(jiān)測井，距富錦水位站約1100 m；黑龍江選取勤得利水位站，位于松花江匯入黑龍江處下游約80 km，其附近無地下水位監(jiān)測井，最近地下水位監(jiān)測井為臨江監(jiān)測井，位于勤得利站下游約21 300 m 處；撓力河選取菜咀子水文站，位于典型區(qū)南側(cè)，外七星河匯入撓力河處下游約4 km 處，最近地下水位監(jiān)測井為菜咀子監(jiān)測井，監(jiān)測井距菜咀子水文站約100 m；烏蘇里江選取海青水位站，位于典型區(qū)東側(cè)、烏蘇里江下游，最近地下水位監(jiān)測井為海青監(jiān)測井，監(jiān)測井距海青水位站約1200 m。

根據(jù)長序列地表水位、地下水位觀測資料對地表水與地下水補(bǔ)排關(guān)系進(jìn)行判斷，松花江富錦段、黑龍江勤得利段、烏蘇里江海青段地下水位一年內(nèi)大部分時(shí)間高于地表水位，補(bǔ)排關(guān)系為地下水補(bǔ)給河水；撓力河菜咀子段一年內(nèi)大部分時(shí)間地表水位高于地下水位，為河水補(bǔ)給地下水［16-17］。

從圖3 的各河流代表段河水位與相鄰監(jiān)測井地下水位過程線可知：河水位與地下水位年際變化趨勢類似，大體呈現(xiàn)同升同降或較短滯后，表明代表段河流沿岸地下水與地表水水力聯(lián)系密切，地下水與河水的補(bǔ)排關(guān)系存在周期性變化，枯水期地下水補(bǔ)給地表水，豐水期地表水補(bǔ)給地下水。

各河流代表段年內(nèi)變化如圖4 所示，松花江選取2017年水位數(shù)據(jù)，黑龍江、撓力河及烏蘇里江選取2018年水位數(shù)據(jù)，可見典型區(qū)河流代表性河段地表水水位及地下水水位變化曲線與多年平均降水量變化幾乎保持同步，平均滯后期約為1月［17］。同時(shí)地下水位變化趨勢與河水位變化趨勢相近，3—4月份冰雪融化引起河水上漲，導(dǎo)致沿岸地帶地下水位的上升；6—9月地下水位隨河水位上升幾乎同步抬升，10月—次年2月河水位開始下降，同時(shí)沿岸地帶地下水位下降，表明地下水位變化具有水文型特征［18-19］（圖4）。

圖4 年內(nèi)地表水、地下水及降水量動態(tài)變化

2.2 地下水位與河水位相關(guān)性分析皮爾遜相關(guān)系數(shù)（Pearson），一般用來測定線性相關(guān)關(guān)系，用于度量兩個(gè)變量之間的相關(guān)性。通過長序列地下水位與河水位可計(jì)算兩者的皮爾遜相關(guān)系數(shù)，定量分析兩者之間的相關(guān)關(guān)系［19］。其計(jì)算公式如下：

其中：r 為相關(guān)系數(shù)，無量綱；X 為某水文（位）站的河水位，m；Y 為相鄰監(jiān)測井地下水位，m；相關(guān)系數(shù)的大小具有如下關(guān)系：|r|<0.3，微弱相關(guān)；0.3<|r|<0.5，低度相關(guān)；0.5<|r|<0.8，顯著相關(guān)；0.8<|r|<1，高度相關(guān)。

經(jīng)計(jì)算，各監(jiān)測井地下水位與河流代表性河段河水位各年度相關(guān)系數(shù)如表1 所示。

表1 監(jiān)測井地下水位與河流代表性河段河水位皮爾遜相關(guān)系數(shù)表

研究期內(nèi)呈現(xiàn)顯著相關(guān)或高度相關(guān)的年數(shù)分別為：松花江為16年，占研究期的94%；黑龍江10年，占研究期的53%；撓力河為15年，占研究期的79%；烏蘇里江為13年，占研究期的76%；地下水位與河流水位相關(guān)性較強(qiáng)，證明各河流代表段地下水與河水存在不同強(qiáng)度的水力聯(lián)系。

2.3 地下水與地表水交換量計(jì)算河流作為地表水體，受降水、上游來水、蒸發(fā)等影響，其水位時(shí)程動態(tài)呈現(xiàn)不確定性［20］，因此與地下水的交換量存在較多影響因素，根據(jù)水位觀測數(shù)據(jù)計(jì)算典型區(qū)河水與地下水的平均交換量，可為準(zhǔn)確計(jì)算研究區(qū)的水資源量提供科學(xué)支撐。

地下水與地表水的單寬交換量計(jì)算公式如下［21］：

式中：q為地下水與地表水的單寬交換量，m3/（d·m）；K 為河床沉積物與含水層的綜合滲透系數(shù)，m/d；h 為潛水含水層平均厚度，m；J 為地表水地下水之間的水力坡度，無量綱； Δ H 為地表水地下水間的水位差，m；L 為河流與地下水監(jiān)測井之間的距離，m。

計(jì)算中使用的水文地質(zhì)參數(shù)（如綜合滲透系數(shù)K）根據(jù)補(bǔ)充水文地質(zhì)勘察及模型校正確定，式（2）計(jì)算的地表水與地下水單寬交換量如圖5 所示，當(dāng)單寬交換量為正，則表示地表水補(bǔ)給地下水；單寬交換量為負(fù)，則為地下水補(bǔ)給地表水。數(shù)據(jù)表明，松花江富錦段平均為10-2m3/（d·m）量級，單寬交換量年際變化較大，總體來看其交換關(guān)系為地下水補(bǔ)給地表水；黑龍江勤得利段交換量極小，平均為10-5m3/（d·m）量級，這是因?yàn)楹邶埥x勤得利水位站與臨江地下水位監(jiān)測井距離較遠(yuǎn)，水力坡度偏小，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏小，其補(bǔ)排關(guān)系年際變化較大，多數(shù)年為地下水補(bǔ)給地表水，總體同樣呈現(xiàn)地下水補(bǔ)給地表水的關(guān)系；撓力河菜咀子段為10-3m3/（d·m）量級，為地表水補(bǔ)給地下水；烏蘇里江海青段為10-3m3/（d·m）量級，單寬交換量年際變化相對較小，補(bǔ)給關(guān)系較為穩(wěn)定，為地下水補(bǔ)給地表水。

圖5 河水與地下水的單寬交換量年際變化過程

研究區(qū)內(nèi)各河流代表段多年平均地表水與地下水單寬交換量年內(nèi)變化過程計(jì)算結(jié)果見圖6，結(jié)果顯示，松花江富錦段年內(nèi)補(bǔ)排關(guān)系變化較大，5—6月、9月—次年1月為地下水補(bǔ)給地表水，極值出現(xiàn)在10月，2—4月、7—8月為地表水補(bǔ)給地下水，極值出現(xiàn)在4月，年內(nèi)補(bǔ)排關(guān)系較不穩(wěn)定，具有較為明顯的季節(jié)差異性，存在“兩漲兩落”，即地表水地下水補(bǔ)排關(guān)系年內(nèi)存在兩次交替，其他河流代表性河段均為一次；黑龍江勤得利段年內(nèi)補(bǔ)排關(guān)系變化較為規(guī)律，10月—次年4月為地下水補(bǔ)給地表水，極值出現(xiàn)在11月，5—9月為地表水補(bǔ)給地下水，極值出現(xiàn)在8月；撓力河菜咀子段僅7月存在較小的地下水補(bǔ)給地表水水量，其余月份皆為地表水補(bǔ)給地下水，極值出現(xiàn)于5月；烏蘇里江海青段補(bǔ)排關(guān)系較為穩(wěn)定，除5月為地表水補(bǔ)給地下水外，其余各月皆為地下水補(bǔ)給地表水。

圖6 河水與地下水的單寬交換量年內(nèi)變化過程

3 地下水與河水水量交換的空間變異性分析

地下水流場圖是基于典型區(qū)地下水監(jiān)測井水位動態(tài)資料所繪制的區(qū)域地下水位的空間分布圖，是進(jìn)行研究區(qū)內(nèi)的地下水區(qū)域運(yùn)動規(guī)律分析研究的重要參考［22］，典型區(qū)以河流為研究區(qū)邊界，近邊界處水位等值線的空間變化可作為地表水地下水水量交換關(guān)系的分析論證依據(jù)［23］。

基于前文計(jì)算，以2018年三江平原典型區(qū)降水最大值月份7月及最小值月份2月為例，對地下水與河水水量交換過程進(jìn)行分析，最大值月份及最小值月份地表水具有較強(qiáng)的降水因素影響，水位變動較大，可代表豐枯條件下的河水與地下水水量交換情況，因此作為地表水與地下水水量交換規(guī)律研究典型月份進(jìn)行分析。

根據(jù)2018年地下水監(jiān)測井監(jiān)測數(shù)據(jù)，降水最大值7月及最小值2月地下水流場圖如圖7 所示，西南方向地下水位最高，東北方向地下水位最低，典型區(qū)內(nèi)地下水由西南向東北運(yùn)動，箭頭所指為典型區(qū)地下水大致流動方向。

圖7 三江平原典型區(qū)地下水流場圖

為進(jìn)一步對地下水流動的空間變化趨勢進(jìn)行分析，可使用趨勢面法（trend surface）進(jìn)行地下水水位的插值擬合。趨勢面法又稱趨勢面插值法，該方法通過全局多項(xiàng)式插值法將由數(shù)學(xué)函數(shù)定義的平滑表面與輸入采樣點(diǎn)進(jìn)行擬合插值，得到平滑曲面。隨著多項(xiàng)式階次的增加，其趨勢面將會允許基于階次的彎曲上限，一階即為線性平面，二階多項(xiàng)式允許一次彎曲，三階多項(xiàng)式允許兩次彎曲，以此類推，隨著階數(shù)上升，擬合多項(xiàng)式插值結(jié)果將更接近真實(shí)趨勢。當(dāng)前，已有學(xué)者將該方法運(yùn)用于如蒸發(fā)［24］、降水［25］、物探［26-27］等多領(lǐng)域的地理要素空間變化趨勢分析，用以反映地理要素的區(qū)域性變化規(guī)律，并得到了較好的結(jié)果。

趨勢面法的計(jì)算公式為：

式中：Z（x，y）為待估點(diǎn)的估計(jì)值；n0為多項(xiàng)式階數(shù)；ε為趨勢面和真實(shí)面存在的隨機(jī)誤差；ak，i為觀測點(diǎn)的觀測值確定系數(shù)；x、y 分別為坐標(biāo)系中經(jīng)緯度；i，k 分別為計(jì)算時(shí)當(dāng)前階數(shù)。

根據(jù)擬合結(jié)果，使用4 階插值趨勢面插值時(shí)地下水流動趨勢較為明顯，此后階數(shù)上升其趨勢大致相同，故選用4 階趨勢面插值結(jié)果進(jìn)行分析。如圖8 所示，右側(cè)小圖箭頭所指方向?yàn)榈叵滤鲃于厔莘较?，?018年為例，豐枯條件下2018年7月及2018年2月地下水水位變化趨勢明顯。由圖8 可知，西北側(cè)松花江富錦段地下水呈自西南向東北方向河流處流動趨勢，北側(cè)黑龍江勤得利段大致呈現(xiàn)自南向北向河流處流動趨勢，東側(cè)烏蘇里江海青段呈現(xiàn)自西向東向河流處流動趨勢，皆表現(xiàn)地下水補(bǔ)給地表水的地下水流動特征；南側(cè)撓力河菜咀子段，地下水呈現(xiàn)由河流自南向北流動趨勢，表現(xiàn)出明顯河水補(bǔ)給地下水的地下水流動特征。

圖8 三江平原典型區(qū)地下水水位趨勢面插值擬合

4 結(jié)果分析

4.1 基于年際尺度的時(shí)空變化規(guī)律分析根據(jù)河水位與地下水位時(shí)程變化過程，通過時(shí)程序列內(nèi)各年度單寬交換量及相關(guān)系數(shù)的計(jì)算，各河流代表性河段全序列皮爾遜相關(guān)系數(shù)與多年平均單寬交換量如表2 所示。

多年平均單寬交換量可表征地表水與地下水的補(bǔ)排關(guān)系，交換量為正，則為地表水補(bǔ)給地下水；交換量為負(fù)，則為地下水補(bǔ)給地表水。

同時(shí)，通過表2 可見相關(guān)系數(shù)的大小與多年平均單寬交換量大小之間存在相關(guān)性，且為正相關(guān)。相關(guān)系數(shù)越大，地表水地下水的單寬交換量越大，進(jìn)而可表明河流代表性河段地表水地下水水力聯(lián)系越強(qiáng)。

松花江富錦段皮爾遜相關(guān)系數(shù)最大，且交換量量級最大，表明該段為各河流代表性河段中地表水地下水水力聯(lián)系最強(qiáng)河段；撓力河菜咀子段相關(guān)系數(shù)及交換量小于松花江富錦段，大于黑龍江勤得利段、烏蘇里江海青段，表明該段地表水地下水水力聯(lián)系弱于松花江富錦段，強(qiáng)于烏蘇里江海青段、黑龍江勤得利段。

烏蘇里江海青段相關(guān)系數(shù)及交換量大小與撓力河菜咀子段相近，因此該段地表水地下水水力聯(lián)系強(qiáng)度應(yīng)與撓力河菜咀子段相近。

黑龍江勤得利段相關(guān)系數(shù)及單寬交換量較小，存在其地表水水位站與地下水水位監(jiān)測井距離較遠(yuǎn)的因素影響，使水力坡度偏小，故多年平均單寬交換量較小，因此相關(guān)系數(shù)較小。

為進(jìn)一步定量分析各河流代表性河段間地表水地下水水量交換的年際變化差異，進(jìn)而了解其水量交換的時(shí)空變化規(guī)律，可通過年際間單寬交換量的離散系數(shù)作為衡量標(biāo)準(zhǔn)［19］；由于交換量正負(fù)僅代表其補(bǔ)排關(guān)系，為對其交換量大小進(jìn)行統(tǒng)一比較，使用離散系數(shù)的絕對值進(jìn)行分析，計(jì)算公式如下：

式中：cv為離散系數(shù)，無量綱；σ為標(biāo)準(zhǔn)差； x?為地表水地下水單寬交換量多年平均值，m3/（d·m）；x 為各年年平均地表水地下水單寬交換量，m3/（d·m）。

除離散系數(shù)外，通過Mann-Kendall 檢驗(yàn)法（簡稱MK 檢驗(yàn)）可進(jìn)行各代表性河段單寬交換量的年際尺度變化趨勢的顯著性分析，MK 檢驗(yàn)為非參數(shù)檢驗(yàn)，該方法計(jì)算公式如下：

式中： xi和xj為在時(shí)間序列i和j時(shí)的值，且j>i；n為序列長度；S為檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量；sgn（）為符號函數(shù)。

當(dāng)n≥10，統(tǒng)計(jì)量S 近似服從正態(tài)分布，其均值為0，方差為：

在給定的α顯著水平上，如果||Z ≥Z1-α2，則拒絕原假設(shè)，可認(rèn)為該序列在α顯著水平上存在顯著的上升或下降趨勢，反之則認(rèn)為趨勢不顯著。本文α顯著水平分別取值0.1、0.05 和0.01，對應(yīng)Z 值分別為1.64、1.96 和2.58。

離散系數(shù)絕對值計(jì)算結(jié)果及MK 趨勢檢驗(yàn)結(jié)果（表2）可知，各河流邊界地表水地下水水量交換年際波動存在明顯差異，松花江富錦段年際變化最大，黑龍江勤得利段、撓力河菜咀子段次之，烏蘇里江海青段最小。

表2 河流地表水地下水單寬交換量年際尺度分析

MK 趨勢檢驗(yàn)表明，年際尺度下，松花江富錦段、黑龍江勤得利段地下水補(bǔ)給地表水單寬交換量存在不顯著的上升趨勢，由于地下水補(bǔ)給地表水交換關(guān)系下交換量表示為負(fù)值，存在不顯著的上升趨勢，即對應(yīng)不顯著的減小趨勢。同理，撓力河菜咀子段地表水補(bǔ)給地下水的單寬交換量為正值，存在不顯著的下降趨勢，即為不顯著的減小趨勢。烏蘇里江海青段地下水補(bǔ)給地表水的單寬交換量存在顯著的上升趨勢，表示烏蘇里江海青段地下水補(bǔ)給地表水單寬交換量存在顯著減小趨勢。下文將使用減小趨勢或增大趨勢進(jìn)行分析比較。

該結(jié)果表明：各代表性河段單寬交換量皆存在減小趨勢，烏蘇里江減小趨勢最大，且僅該段通過了顯著性檢驗(yàn)，黑龍江勤得利段，撓力河菜咀子段次之，松花江富錦段最小。

4.2 基于年內(nèi)尺度的時(shí)空變化分析為分析年內(nèi)尺度的三江平原典型區(qū)河流邊界地表水與地下水水量交換的時(shí)空變化規(guī)律，以月為單位進(jìn)行其年內(nèi)時(shí)空變化規(guī)律分析；年內(nèi)尺度下，地表水地下水單寬交換量進(jìn)行了多年月平均處理，弱化了年際時(shí)空差異性，強(qiáng)化了地表水與地下水水量交換的年內(nèi)時(shí)空變化特征。

為定量分析各河流邊界間地表水地下水水量交換規(guī)律的年內(nèi)變化差異，進(jìn)而了解其水力聯(lián)系強(qiáng)度的時(shí)空變化規(guī)律，同樣通過年際間單寬交換量的離散系數(shù)作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，并進(jìn)行各代表性河段各月份MK 趨勢檢驗(yàn)，計(jì)算公式如式（5）—（10）所示，其中，x 代換為多年月平均地表水地下水單寬交換量，計(jì)算結(jié)果如表3 及表4 所示。

表3 河流邊界地表水地下水單寬交換量年內(nèi)尺度離散系數(shù)絕對值

表4 河流邊界地表水地下水單寬交換量年內(nèi)尺度MK 趨勢檢驗(yàn)值

結(jié)果顯示，年內(nèi)尺度下，撓力河菜咀子段離散系數(shù)最小，結(jié)合圖6 河水與地下水的單寬交換量年內(nèi)尺度變化過程可知其年內(nèi)尺度地表水地下水水量交換變化穩(wěn)定，其年際尺度離散系數(shù)大于年內(nèi)尺度離散系數(shù)，且年內(nèi)尺度離散系數(shù)為四條河流代表性河段中最小。MK 趨勢檢驗(yàn)結(jié)果表明1—5月，11月，12月地表水地下水水量交換存在減小趨勢，其中1—5月顯著減小，結(jié)合撓力河菜咀子段年際尺度變化趨勢及波動規(guī)律可知，撓力河菜咀子段地表水地下水水量交換主要以年際尺度波動，1—5月存在顯著減小趨勢，該趨勢未增大年內(nèi)尺度波動，且未構(gòu)成顯著減小的整體變化趨勢。

烏蘇里江海青段年內(nèi)尺度離散系數(shù)大于撓力河菜咀子段，小于松花江富錦段、黑龍江勤得利段，結(jié)合圖6 所示，其地表水地下水單寬交換量年內(nèi)尺度波動較為規(guī)律，皆為穩(wěn)定上升或下降，其年際尺度離散系數(shù)最小，年內(nèi)尺度離散系數(shù)大于年際尺度離散系數(shù)。MK 趨勢檢驗(yàn)結(jié)果表明1月，2月，4—12月存在減小趨勢，其中6—9月及12月趨勢顯著，結(jié)合該段顯著減小的年際尺度變化趨勢及波動規(guī)律可知，烏蘇里江海青段地表水地下水水量交換主要以年內(nèi)尺度波動，6—9月及12月的顯著減小趨勢增大了年內(nèi)尺度波動，且構(gòu)成了顯著減小的整體趨勢。

黑龍江勤得利段年際與年內(nèi)尺度離散系數(shù)未存在明顯變化，結(jié)合圖5 地表水地下水水量交換的年際變化及圖6 地表水地下水水量交換的年內(nèi)變化，其年際尺度及年內(nèi)尺度波動相近。MK 趨勢檢驗(yàn)結(jié)果表明年內(nèi)尺度未存在顯著變化趨勢，僅1月，9—11月較接近90%顯著水平，結(jié)合該段的年際尺度變化趨勢及離散系數(shù)計(jì)算結(jié)果可知，黑龍江勤得利段地表水地下水水量交換年際尺度波動與年內(nèi)尺度波動均占主導(dǎo)地位，整體存在減小趨勢，但不顯著，該趨勢主要?dú)w因于1月，9—11月單寬交換量接近顯著水平的減小趨勢。

圖6 中松花江富錦段地表水地下水單寬交換量年內(nèi)變化波動較大，存在“兩漲兩落”，年內(nèi)尺度下水量交換規(guī)律性較不明顯，這是因?yàn)榈乇硭c地下水水頭差年內(nèi)變化較大，表明松花江富錦段地表水地下水水量交換年內(nèi)尺度波動較大，結(jié)合年際尺度分析可知，該段年內(nèi)尺度及年際尺度離散系數(shù)較大，皆為各河流代表性河段中最大值，結(jié)合MK 趨勢檢驗(yàn)結(jié)果，可知松花江富錦段地表水地下水水量交換年際尺度波動與年內(nèi)尺度波動均占主導(dǎo)地位，且波動強(qiáng)烈，僅6月存在顯著減小趨勢，未構(gòu)成顯著的整體趨勢，體現(xiàn)出水量交換變化頻繁、規(guī)律性較弱的水量交換變化特征。

5 結(jié)論

本文基于三江平原典型區(qū)2000—2018年間的河流邊界典型站河水位及附近監(jiān)測井地下水水位數(shù)據(jù)，計(jì)算了河流邊界地表水與地下水單寬交換量，基于典型區(qū)流場變化，使用皮爾遜相關(guān)系數(shù)及離散系數(shù)對年際尺度及年內(nèi)尺度的三江平原典型區(qū)地表水與地下水水量交換的時(shí)空變化規(guī)律進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：

（1）三江平原典型區(qū)各河流代表性河段地表水與地下水水力聯(lián)系較強(qiáng)，研究期內(nèi)50%以上年份呈顯著或高度相關(guān)，其中松花江富錦段相關(guān)性最強(qiáng)，撓力河菜咀子段、烏蘇里江海青段次之，黑龍江勤得利段最弱。

（2）多年平均背景下，撓力河菜咀子段為地表水補(bǔ)給地下水，松花江富錦段、黑龍江勤得利段及烏蘇里江代海青段皆為地下水補(bǔ)給地表水；松花江富錦段多年平均地表水地下水單寬交換量為10-2m3/（d·m）量級，黑龍江勤得利段為10-5m3/（d·m）量級，撓力河菜咀子段為10-3m3/（d·m）量級，烏蘇里江海青段穩(wěn)定狀況為10-3m3/（d·m）量級。

（3）相關(guān)系數(shù)與地表水地下水單寬交換量大小存在正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)越大，單寬交換量越大，MK 趨勢檢驗(yàn)結(jié)果表明，各河流代表性河段地表水地下水單寬交換量皆存在減小趨勢，其中烏蘇里江海青段趨勢顯著，松花江富錦段趨勢最小。

（4）松花江富錦段地表水地下水水量交換年際和年內(nèi)波動強(qiáng)烈且均占主導(dǎo)地位，年內(nèi)尺度下僅6月為顯著減小趨勢，未構(gòu)成年際尺度下顯著減小的整體趨勢，水量交換變化頻繁、規(guī)律性較弱；黑龍江勤得利段年際尺度波動與年內(nèi)尺度波動均占主導(dǎo)地位，與松花江情況類似但波動程度較弱，年內(nèi)尺度下不存在顯著變化趨勢，因此未構(gòu)成顯著減小的整體趨勢；撓力河菜咀子段主要以年際尺度波動，1—5月存在顯著減小趨勢，但未增大年內(nèi)尺度波動，且未構(gòu)成顯著減小的整體趨勢；烏蘇里江海青段主要為年內(nèi)尺度波動，6—9月及12月存在顯著減小趨勢，增大了年內(nèi)波動，且構(gòu)成了顯著減小的整體趨勢。