桓臺(tái)縣地下水水位動(dòng)態(tài)變化特征及影響因素分析

張瑜軒，王興菊，張衍福，張晴晴，劉 凱，傅 桐

（1.山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，濟(jì)南 250061；2.山東省水利綜合事業(yè)服務(wù)中心，濟(jì)南 250014；3.北京水務(wù)咨詢有限公司，北京 100038.）

0 引 言

地下水作為水資源的重要組成部分，具有分布廣泛、易于開采的特性，對(duì)良好生態(tài)環(huán)境的維持極其重要。地下水的開發(fā)利用在社會(huì)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮著不可替代的作用。然而地下水的過度開采不僅會(huì)誘發(fā)生態(tài)環(huán)境問題，甚至還會(huì)對(duì)人類的生產(chǎn)生活產(chǎn)生嚴(yán)重危害［1，2］。

近幾來，眾多研究者對(duì)地下水水位變化的原因進(jìn)行了分析，吳彬等［3］通過分析地下水資源量及其影響因素的動(dòng)態(tài)變化，揭示了降水、徑流等自然因素及灌溉面積等人類活動(dòng)因素的變化對(duì)新疆平原區(qū)地下水資源量的影響。劉偉朋［4］等應(yīng)用多種分析及運(yùn)算等方法，對(duì)三江平原地下水流場隨時(shí)間和空間演變的規(guī)律進(jìn)行了研究，確定了地下水流場演變受不同因素的影響。平建華［5］等根據(jù)不同水體同位素特征的差異對(duì)黃河下游不同地區(qū)地下水的補(bǔ)給來源進(jìn)行了分析，定性的確定了不同地區(qū)黃河水對(duì)地下水補(bǔ)給的范圍。肖長來等［6］分別采用地表水水量均衡法和地下水水量均衡法對(duì)地表水向地下水的轉(zhuǎn)換量進(jìn)行了分析計(jì)算，將地表水向地下水轉(zhuǎn)化的影響因素歸納為地層巖性、上游來水量、降水量、地下水開采量。陳彬鑫［7］等分析了灌區(qū)地下水埋深年內(nèi)變化過程，并通過線性回歸分析法確定了不同時(shí)間段地下水埋深的主要影響因素。陳雪英［8］研究了淺層地下水埋深和蓄水量之間的變化，分析了徑流量、開采量及降水量與淺層地下水蓄水量變化之間的關(guān)系。陳建峰［9］基于地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)，對(duì)大同市地下水水位動(dòng)態(tài)變化特征和地下漏斗區(qū)現(xiàn)狀進(jìn)行了研究。

桓臺(tái)縣地下水開采比較嚴(yán)重，地下水位下降趨勢比較明顯，地下水漏斗面積不斷增加。本文利用地下水監(jiān)測井及現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)桓臺(tái)縣地下水位進(jìn)行時(shí)空動(dòng)態(tài)變化分析，闡明地下水位時(shí)空變化特征，明確影響地下水位變化的主要原因，分析降水量、開采量及河流補(bǔ)給等因素對(duì)不同區(qū)域的影響。為提高區(qū)域地下水資源的綜合利用效率及減緩地下水漏斗的形成提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

桓臺(tái)縣位于山東北部平原與中部山區(qū)的結(jié)合區(qū)域，整體地勢呈現(xiàn)為北低南高，從西南向東北方向緩傾?；概_(tái)縣屬于溫帶季風(fēng)氣候，多年平均降雨量約為586.4 mm。由于對(duì)地下水資源的過度利用，地下水位下降明顯并形成了地下水漏斗。為此，桓臺(tái)縣政府采取了相關(guān)措施連通區(qū)域河網(wǎng)水系，形成了“3 橫4縱1濕地”的水網(wǎng)格局。

桓臺(tái)縣地下水含水層主要為碳酸鹽類巖溶水與松散巖類孔隙水兩大部分，其中孔隙水含水層作為桓臺(tái)縣主要的地下水供水層，其分布區(qū)域較大，巖溶水含水層分布的區(qū)域較小。故文章僅對(duì)孔隙水含水層內(nèi)地下水進(jìn)行研究。

1.2 數(shù)據(jù)來源

降水量數(shù)據(jù)由當(dāng)?shù)毓芾聿块T提供，河流入滲補(bǔ)給數(shù)據(jù)來源于現(xiàn)場試驗(yàn)。地下水位數(shù)據(jù)為縣內(nèi)十八眼地下水位測量井（見圖1）的監(jiān)測數(shù)據(jù)，監(jiān)測井基本情況詳見表1。

圖1 桓臺(tái)縣十八眼地下水位測量井位置Fig.1 Location of 18 underground water level monitoring Wells in Huantai County

表1 桓臺(tái)縣地下水位監(jiān)測井一覽表Tab.1 List of groundwater level monitoring Wells in Huantai County

2 地下水位時(shí)空分布和動(dòng)態(tài)演化特征

2.1 地下水位年際變化特征

（1）桓臺(tái)縣1982-2018年地下水水位總體變化。受降水分配的不均性及補(bǔ)給排泄等因素影響，桓臺(tái)縣不同區(qū)域地下水位的多年變化趨勢不同，總體呈現(xiàn)下降趨勢，年際間變化比較明顯，年均最小值與最大值相差6.4 m，如圖2所示。

圖2 桓臺(tái)縣1982-2018年地下水水位變化過程曲線Fig.2 Groundwater level change process curve from 1982 to 2018 in Huantai County

1982-1984年，地下水水位逐年增加，1984年年均水位到達(dá)最大值7.29 m；1984-1993年，地下水水位呈現(xiàn)迅速下降的趨勢；1994-1996年，地下水位逐年上升；1996年后地下水水位繼續(xù)呈現(xiàn)快速下降的趨勢，并在2002年時(shí)達(dá)到地下水位歷年最小值0.89 m；2003-2018年，地下水水位逐漸回升。經(jīng)計(jì)算其多年平均地下水水位為3.73 m，其線性傾向率為-0.12 m/a。

（2）趨勢檢驗(yàn)與突變。采用M-K 法［10］對(duì)1982-2018年桓臺(tái)縣地下水水位進(jìn)行趨勢檢驗(yàn)，檢驗(yàn)值為-4.64，通過99%的M-K顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果表明年地下水水位呈現(xiàn)顯著下降趨勢。

桓臺(tái)縣1982-2018年地下水水位突變?cè)\斷曲線如圖3所示，其中UF、UK分別為M-K 統(tǒng)計(jì)值正向序列和逆向序列［11］，確定顯著性水平α=0.05，則置信區(qū)間臨界線為±1.96。由圖3中UF曲線可知，桓臺(tái)縣地下水水位在近37年內(nèi)有先下降后上升的趨勢，雖在1988年UF、UB曲線相交但未通過臨界線，所以年際地下水水位并未發(fā)生明顯突變。

圖3 1982-2018年地下水水位突變?cè)\斷曲線Fig.3 Diagnostic curve of abrupt change of groundwater level from 1982 to 2018

（3）不同區(qū)域地下水水位年際變化特征。桓臺(tái)縣北部、東南部、西部與中部區(qū)域的地下水位年際變化如圖4所示。

圖4 桓臺(tái)縣不同區(qū)域地下水位年際變化Fig.4 Interannual variation of groundwater level in different regions of Huantai County

由圖4可知，桓臺(tái)縣北部地下水位變化波動(dòng)較小，整體呈現(xiàn)下降趨勢；其他區(qū)域地下水位較低，受降雨及農(nóng)業(yè)灌溉用水量影響波動(dòng)較大。與1982年相比，2019年東南部和中部地下水位分別下降了18.91 m 和6.37 m，其中東南部1982-2003年下降速率較大，年均最大變幅為26.77 m，中部呈現(xiàn)波浪式下降趨勢；西部地下水位相對(duì)較高，1982-1995年地下水位緩慢下降，年均下降速率為0.32 m/a，1995-2010年開始緩慢上升，年均上升速率為0.52 m/a，2010年以后在7.5 m左右波動(dòng)，趨于穩(wěn)定。

2.2 地下水位的年內(nèi)變化特征

典型區(qū)域多年平均地下水位年內(nèi)變化如圖5所示。通過分析可知，北部和西部地下水位年內(nèi)變化較小，變幅在0.43～0.93 m 之間，東南部與中部地區(qū)地下水位年內(nèi)變化較大，變幅在1.98～2.78 m 之間。年內(nèi)地下水位均呈現(xiàn)雙峰型變化趨勢。1-3月份由于徑流作用地下水位開始逐漸上升，3月初出現(xiàn)年內(nèi)的第一次峰值，3-6月份小麥等農(nóng)作物生長需水量較大，澆灌農(nóng)作物開采較多的地下水造成地下水水位逐漸下降［12，13］，7月份出現(xiàn)年內(nèi)的最低值。汛期到來后，隨著農(nóng)灌用水量減少以及地下水補(bǔ)給量增加的影響，7-9月份地下水位開始快速回升，在9月份出現(xiàn)第二次峰值，隨后地下水位趨于穩(wěn)定。

圖5 桓臺(tái)縣不同區(qū)域地下水位年內(nèi)變化圖Fig.5 Annual variation of groundwater level in different areas of Huantai County

2.3 地下水水位的空間變化特征

因18眼地下水監(jiān)測井處的地表高程不同，監(jiān)測的地下水位相差較大，不能直觀反映地下水位狀況，故采用地下水埋深分析地下水位空間變化［14］。采用插值擬合法對(duì)1982年、2003年和2018年桓臺(tái)縣地下水埋深的空間分布規(guī)律進(jìn)行擬合，如圖6所示。

由圖6可知，1982年桓臺(tái)縣地下水位埋深南北相差較小，中部和南部地下水埋深均在10 m左右，北部由于離小清河較近且地勢較低，地下水受到河流及降水匯流補(bǔ)給，埋深相對(duì)較淺常期維持在5 m 以內(nèi)［見圖6（a）］；2003年地下水位總體達(dá)到峰值，空間分布相差較大，南北相差26 m 左右，從北向南逐漸變大，在以索鎮(zhèn)和果里鎮(zhèn)為主要地區(qū)的桓臺(tái)縣東南部出現(xiàn)漏斗區(qū)，年均地下水埋深達(dá)到35 m 以上［見圖6（b）］；2018年地下水埋深逐漸回升，南北相差15 m左右，南北差距有所減小，雖然局部地區(qū)地下水埋深較大（＞20 m），但地下水埋深總體呈現(xiàn)減小的趨勢且漏斗區(qū)范圍減?。垡妶D6（c）］。

圖6 桓臺(tái)縣不同年份地下水埋深的空間分布規(guī)律Fig.6 Spatial distribution of groundwater depth in Huantai County in different years

3 地下水水位變化影響因素分析

3.1 地下水水位動(dòng)態(tài)變化主要影響因素

1982-2003年，桓臺(tái)縣地下水水位快速下降的原因主要為工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水量增多，且該段時(shí)期內(nèi)當(dāng)?shù)鼐用窦罢畬?duì)地下水的開采不合理，造成地下水過度開采，地下水水位逐年下降。從2003年到2018年地下水水位逐漸回升，主要因?yàn)?003-2005年持續(xù)豐水年，降水對(duì)地下水補(bǔ)給效果比較明顯；2008年后隨著引黃工程新城水庫供水規(guī)模不斷擴(kuò)大，地下水的開采強(qiáng)度有所降低，地下水水位逐漸轉(zhuǎn)為上漲趨勢。

由于桓臺(tái)縣地勢南高北低，地表徑流和地下水均由南向北匯集，北部地下水受河流和地表徑流補(bǔ)給量多，地下水埋深常年在5 m以下，且北部地下水開采量少，所以地下水水位波動(dòng)較小。而南部距離河流較遠(yuǎn)且地勢較高，地下水接受河流和地表徑流補(bǔ)給量少，且開采量較大，故水位波動(dòng)較大。因此，確定地下水開采、降水補(bǔ)給和河流補(bǔ)給是導(dǎo)致地下水位變化的主要原因。

3.2 降水量對(duì)地下水水位的影響分析

（1）地下水水位與降水量的相關(guān)性分析。桓臺(tái)縣地下水主要依靠降水進(jìn)行補(bǔ)給。采用1989-2018年的地下水埋深和降水量數(shù)據(jù)，繪制降水量和地下水埋深之間的年際變化趨勢圖，如圖7所示。

圖7 1989-2018年地下水埋深和降水量變化特征Fig.7 Interannual variation of precipitation and groundwater depth during 1989-2018

利用皮爾森相關(guān)系數(shù)法對(duì)降水量和地下水埋深之間的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行計(jì)算分析，相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式［15］如公式（1）所示。相關(guān)性隨相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值的增大而增強(qiáng)。根據(jù)相關(guān)系數(shù)的大小去判定變量之間的相關(guān)強(qiáng)度，0.8～1.0 表明極強(qiáng)相關(guān)，0.6～0.8表明強(qiáng)相關(guān)，0.4～0.6 表明中等程度相關(guān)，0.2～0.4 表明弱相關(guān)，0～0.2表明極弱相關(guān)或無相關(guān)。

計(jì)算的降水量和地下水埋深兩者之間的相關(guān)系數(shù)為-0.26，表明兩者之間呈弱負(fù)相關(guān)。所處的位置不同，降水量對(duì)地下水埋深的影響程度也有所不同［16］，不同位置監(jiān)測點(diǎn)測量的地下水埋深和降水量之間的相關(guān)系數(shù)變化情況見圖8。

圖8 降水量與地下水埋深之間的相關(guān)系數(shù)變化圖Fig.8 Graph of change of correlation coefficient between groundwater depth and precipitation

由圖8可知，西北部地下水埋深和年降水量之間的相關(guān)系數(shù)為-0.56，表明西北部的降水量和地下水位之間有較明顯的正相關(guān)性；而南部地區(qū)相關(guān)系數(shù)為-0.02，表明地下水位與降水量相關(guān)關(guān)系較小。其主要原因?yàn)槟细弑钡偷牡貏?，降雨后水流由南向北匯集，導(dǎo)致西北部的地下水得到的降水補(bǔ)給較多。

（2）地下水水位對(duì)降水的響應(yīng)。選取2009年降水量與地下水水位數(shù)據(jù)繪制變化曲線如圖9所示。

由圖9（b）可知，1-2月份農(nóng)作物灌溉較少，且無降雨，地下水水位緩慢回升并逐漸達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)，主要是因?yàn)樯洗谓涤陮?duì)地下水補(bǔ)給具有滯后效應(yīng)；2月8日降水后地下水獲得補(bǔ)給，地下水位開始上升，2月18日到3月5日之間沒有降雨，但地下水位持續(xù)上升，表明地下水位與降雨之間存在滯后現(xiàn)象；3-4月春灌地下水開采量較大，雖降雨增加但地下水位開始下降，7-9月汛期，降水量迅速增加，地下水受到補(bǔ)給，水位開始上升；由圖9（c）可知，12月份灌溉用地下水少，12月7日前26天無降水，地下水水位受上次降水入滲影響極小，基本保持穩(wěn)定，12月7日降水后，地下水位開始上升，后續(xù)兩場降水使得地下水水位持續(xù)上升至12月底，結(jié)果表明地下水位回升與降雨之間存在著滯后效應(yīng)。

圖9 2009年地下水位和降水量的變化趨勢Fig.9 Change trend of groundwater level and precipitation in 2009

3.3 開采量對(duì)地下水位的影響分析

2007-2017年地下水開采量與地下水埋深之間的年際變化如圖10所示。采用Pearson 計(jì)算的兩者之間的相關(guān)系數(shù)為0.008，表明相關(guān)性極弱；開采量與各個(gè)監(jiān)測井監(jiān)測的地下水埋深之間的相關(guān)系數(shù)變化如圖11所示。

圖10 2007-2017年開采量與埋深年際變化圖Fig.10 Interannual variation of exploitation and depth from 2007 to 2017

圖11 地下水埋深與開采量的相關(guān)系數(shù)變化圖Fig.11 Graph of change of correlation coefficient the between depth and exploitation

由圖11可知，桓臺(tái)縣東南部地區(qū)開采量對(duì)地下水位影響較大，若要治理漏斗區(qū)，需要適當(dāng)減少東南部區(qū)域的地下水開采量。

3.4 河流補(bǔ)給對(duì)地下水水位的影響分析

為探究河流補(bǔ)給對(duì)地下水位的影響，利用修正后的豎管測算法通過現(xiàn)場試驗(yàn)的方式測算典型河床沉積物滲透系數(shù)，如圖12所示。測量筒內(nèi)裝有水位傳感器，利用4 個(gè)不相同試驗(yàn)筒的水位變化數(shù)據(jù)，測算試驗(yàn)期間的日蒸發(fā)量與降水量，并推算不同水位下典型河床沉積物的側(cè)向和垂直方向滲透系數(shù)。

圖12 試驗(yàn)測算筒布置簡圖Fig.12 Layout diagram of test cylinder

對(duì)河床沉積物垂直方向滲透系數(shù)利用修正的豎管法測算，其計(jì)算公式［17］為：

式中：Lv為測量筒內(nèi)沉積物厚度；h1、h2表示試驗(yàn)筒內(nèi)不同時(shí)刻t1與t2代表的水深值。

采用公式（3）將試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合成水深隨時(shí)間變化的曲線，如圖13所示。

圖13 4個(gè)測量筒內(nèi)水深與時(shí)間變化曲線Fig.13 Curves of water depth with time in four measuring cylinders

式中：K是沉積物滲透系數(shù)；Lv代表試驗(yàn)筒內(nèi)河床沉積物的高度；h1、h2代表試驗(yàn)筒內(nèi)不同時(shí)刻t1與t2表示的水深；E代表試驗(yàn)筒內(nèi)日均蒸發(fā)量。

由圖可知，1號(hào)試驗(yàn)筒內(nèi)的河道岸坡土壤滲透速率與另外3個(gè)試驗(yàn)筒相差較多，計(jì)算滲透系數(shù)為0.087，與粉砂土滲透系數(shù)經(jīng)驗(yàn)取值相符合。2 號(hào)試驗(yàn)筒和3 號(hào)試驗(yàn)筒測算河床沉積物的垂直方向滲透速度，滲透速率較穩(wěn)定。3 號(hào)筒試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)曲線擬合后得到垂向滲透系數(shù)為0.000 7。4號(hào)試驗(yàn)筒的水深變化包含河床沉積物側(cè)向滲透和垂直方向滲透，變化趨勢較明顯，經(jīng)曲線擬合計(jì)算的河床側(cè)向滲透系數(shù)為0.004，為垂直方向滲透系數(shù)的6倍。試驗(yàn)結(jié)果表明河流側(cè)向滲透系數(shù)比垂向滲透系數(shù)大且受水深影響更明顯。

4 結(jié) 論

（1）地下水位年際與年內(nèi)變化特征?；概_(tái)縣地下水水位整體呈現(xiàn)顯著下降趨勢，線性傾向率為-0.12 m/a，年際間變化比較明顯，年均最小值與最大值相差6.4 m；地下水水位在不同區(qū)域的年內(nèi)與年際變化特點(diǎn)不同：北部年際變化較小，年均最大值和最小值相差0.98 m，東南部變化較大，最大值和最小值相差26.77 m；東南部與中部地區(qū)地下水位年內(nèi)變化較大，變幅在1.98～2.78 m之間，呈雙峰型波動(dòng)，3月份水位最高，7月份最低。

（2）地下水位空間尺度上變化特征。1982-2003年桓臺(tái)縣地下水位埋深逐步變大，2003年達(dá)到最大值且南北埋深差異較明顯，地下水埋深從北向南逐漸變大，東南部部分地區(qū)形成了大范圍的地下水漏斗區(qū)域，年均地下水埋深超過35 m；2003-2018年地下水埋深總體呈現(xiàn)減小的趨勢且漏斗區(qū)范圍有所減小，南北地下水埋深差距也逐步縮小。

（3）不同影響因素對(duì)地下水位的影響。地下水開采、降水補(bǔ)給和河流補(bǔ)給是導(dǎo)致地下水位變化的主要原因。降水補(bǔ)給量對(duì)西北部的地下水水位影響比較明顯，相關(guān)系數(shù)為0.56，而南部地區(qū)受降雨影響較小，相關(guān)系數(shù)為0.02；不同區(qū)域的地下水埋深受開采量影響程度不同，東南部地下水水位與開采量相關(guān)性大，相關(guān)系數(shù)為0.9，西北部相關(guān)系數(shù)為0；河流補(bǔ)給地下水主要通過河床沉積物側(cè)向滲透的方式，滲透系數(shù)為0.004，且河流水位的高低對(duì)河道滲透系數(shù)有較大影響。