黄河中下游地下水的演变规律和形成机制

　　摘    要：　地下水资源是黄河中下游生态保护和高质量发展的重要基础,探讨其时空动态变化特征,可为地下水开发利用和保护治理提供科学依据。利用GIS对黄河中下游地下水位进行空间插值,采用Mann-Kendall检验、Theil Sen斜率和小波等技术方法分析地下水变化趋势和周期。结果表明:黄河中下游地下水位整体上有明显的下降趋势,特别是2002年后下游地下水位下降明显,不同地段地下水位变化的幅度和时间有所差异2001—2015年8月地下水位只有零星区域上升;悬河地带地下水从2001年后下降趋势明显,年均、春季地下水位下降趋势在2002年通过显着性检验;地下水的时空变化使黄河中下游景观生态系统面临严峻的局面。

　　关键词：　水资源; 地下水; Mann-Kendall检验; 小波分析; 黄河中下游;

　　随着社会经济的发展,人类对地下水资源的依赖性越来越强。地下水的利用量大大超过了自然补给量,使地下水循环系统受到威胁,削弱了生态系统的抗干扰能力,威胁到区域的社会经济发展。黄河中下游地质为多孔隙介质,地表径流与地下水的补排关系十分密切,地表水与地下水资源共同作用,影响着区域景观生态系统的功能[1]。同时,一系列治黄工程改变了水文的原始特征,对地下水产生影响[2],引发河道内外土地利用和土地覆盖变化[3],最终影响区域生态系统服务功能的形成和维持[4]。黄河中下游区域地下水资源主要来源于降水、黄河侧渗和引黄渠道渗漏[5]等,多种因素共同使地下水资源发生时空变化。以往对黄河水资源的研究多集中在地表径流和水沙态势等[6],对地下水资源研究较少。分析地下水演变规律和形成机制,可为地下水资源的可持续利用提供科学依据,促进黄河中下游生态保护和高质量发展。

　　1 、研究区概况

　　以黄河中下游河南省20个县区为研究区,该区大部分位于黄河冲积扇平原。郑州至兰考是悬河的主要区域,也是本研究的重点区域。总体地势由西南向东北稍倾,局部地势变化复杂,零星分布着沙岗、平原和洼地等。黄河大堤经过不断加高加固,堤高8～9 m。黄河大堤南北广阔的平原区域除居住区外绝大多数均开垦为农田,大堤内外的背河洼地和引黄灌溉条件较好的区域则形成了湿地和水田,沿河两侧为刺槐和杨树等人工林地。
 

　　2 、研究方法

　　利用地下水长期观测井数据,采用克里金(Kriging)插值法进行空间插值,在GIS中进行空间表达。在半变异函数和结构分析理论基础上,根据已知样本点信息,在有限区域内对区域化变量取值进行无偏最优估计。利用Matlab软件、Mann-Kendall检验、Theil Sen斜率和小波分析等方法,分析地下水位年内、年际变化,典型地段地下水位变化趋势、突变点、周期特征等。Mann-Kendall突变检验(M-K检验)是非参数统计检验方法,不受异常值的干扰,样本不需要遵从正态分布,是水文、气象等研究时间序列趋势检验的重要方法[7]。Theil sen斜率分析法适用于相关趋势分析,能有效避免时间序列的数据缺失及分布对结果的影响[8],比最小二乘法的线性趋势更具优势。小波分析法准确找出地下水时间序列数据的周期,判断各个时期所处的阶段并进行预测。

　　3 、结果与分析

　　3.1 、地下水资源分布

　　地下水位是反映地下水动态的关键指标,能反映出地下水资源在空间上的分布。在黄河中下游,影响地下水的外部因素主要是地表水文、工农业生产和气候等,内部因素主要是地质、地形以及距黄河的距离等。在内部因素的制约下,外部因素对地下水的补给存在滞后现象,如地表水补给地下水需要经过一段时间才会对外部因素做出响应。

　　郑州—原阳段地下水位形成了以黄河为中心的分布场,这种现象一方面是黄河地表径流侧渗造成的,另一方面是黄河长年淤积形成的“地上河”独特地貌造成的。2015年,沿黄地下水位等值线在开封等地出现不连续的状况,原阳地下水位距地表为2～14 m,兰考的个别地方地下水位距地表20 m(见图1)。整体而言,地下水位在季节上变化不大,但在年际上有较明显的下降,这种现象在城市中心附近和悬河地带比较明显,下降幅度与地形及离黄河远近有直接关系。

　　3.2 、地下水位年内变化

　　地下水位年内变化用2—8月水位差来表示(见图2),能反映出一年内地下水位的动态过程。1980年2—8月地下水位上升的区域主要在原阳—郑州、濮阳—范县一带,上升的中心集中在黄河河道附近,下降较明显的区域在温县、武陟、封丘、长坦和兰考等地,下降的中心并不在黄河两岸。修建小浪底水库后,2015年2—8月孟津、巩义、濮阳、范县和台前大部分区域地下水位有所上升,原阳和中牟部分区域有所上升,其他区域地下水位下降。整体上,2月的地下水位略高于8月的,除受黄河径流影响外,地下水位与工农业用水有密切关系。

　　图1 2015年研究区地下水位

　　图2 研究区2015年2—8月地下水位变化

　　3.3 、地下水位年际变化

　　2001—2015年8月只有小部分区域(温县和开封市大部分区域、兰考东北部区域、濮阳和范县部分区域)地下水位上升(见图3),大部分区域地下水位下降,地下水位上升的区域中心并不在黄河,而且上升的区域面积较小。

　　图3 研究区2001—2015年8月地下水年际变化

　　3.4 、典型区域地下水位变化

　　(1)整体变化趋势。

　　为了进一步了解地下水的变化动态,选取悬河地段封丘县距黄河较近区域,分析其地下水变化情况。从1975年到2015年,封丘县地下水位下降显着,其中年均、春季、夏季、冬季地下水位下降幅度通过了99%的显着性检验,秋季地下水位下降幅度通过了95%的显着性检验(见表1)。封丘县地下水位在1985年最高,1990—2009年地下水位有缓慢下降,1995年、2001年、2009年和2005年地下水位波动较大,且地下水位较低的值比较突出,在2005年出现了地下水位异常低的情况。2015年地下水位下降幅度较大,比2001年地下水位下降了近3 m,最高地下水位只有70.15 m(见图4)。

　　表1 封丘地下水Theil Sen变化趋势检验

　　图4 封丘县地下水位变化

　　(2)突变检验。

　　对封丘县地下水变化进行突变检验,结果表明:1981—1990年年均地下水位有上升趋势,其他时间都呈下降趋势,2002—2015年地下水位显着下降,2008年有突变点出现,下降幅度增大;春季地下水位1991—2015年呈下降趋势;夏季地下水位1995—2015年呈下降趋势,2003年和2007年出现突变点,2009年下降趋势通过了显着性检验;秋季地下水位1990—2015年呈下降趋势,但没有通过显着性检验,2013年地下水位有下降的突变点出现;冬季地下水位1987—2015年呈下降趋势,在2009年有突变点出现,且下降趋势通过了显着性检验(见图5)。

　　图5 封丘县地下水位突变检验

　　图6 封丘县年均地下水位小波分析

　　(3)周期分析。

　　通过小波分析表明,封丘地下水波动有周期性现象(见图6)。年均地下水位有14 a的主周期和9 a的小周期,主周期中地下水位偏低的等值线中心在1996年左右,偏低的强度和影响范围大,而9 a的周期极不稳定。封丘地下水的春、夏、秋、冬季地下水位的周期性都与年均地下水位的周期性存在相似性,有14 a的主周期和9 a的小周期。总体上,地下水位在1998—2000年前是波动上升的,在2002年以后地下水位基本上为上升趋缓或直线下降,并且存在10 a以上稳定的主周期和10 a以下不稳定的小周期。2015年偏低周期线没有闭合,表明2015年后地下水位还会持续下降。

　　4 、结 语

　　研究区地下水资源变化呈一定的规律:地下水季节变化不大,有年际下降趋势,下降幅度与地形及离黄河远近有直接关系。2000年以前,越靠近黄河,地下水位越稳定,地下水位年际变化小;2002年以后,地表径流减少、地下水位下降,使近黄河区域地下水位年际变化较大。长期以来,水资源的开发利用主要以社会经济发展为目的,注重满足日益增长的用水需求,却忽视了生态用水、自然水生态循环和由水循环改变引发的生态系统服务功能变化。人类活动强烈改变了地下水与地表水之间的动态循环以及水资源与生物之间的内在关系,使生态系统服务功能在短期内难以全面协调。运用生态学基本原理,根据水循环的自然规律,合理调控水资源,可实现生态与社会经济协调发展。

　　参考文献

　　[1] MANTEL S K,MULLER N W,HUGHES D A.Ecological Impacts of Small Dams on South African Rivers Part 2:Biotic Response-Abundance and Composition of Macroinvertebrate Communities[J].Water SA,2010,36(3):361-370.
　　[2] FANTIN-CRUZ I,PEDROLLO O,GIRARD P,et al.Changes in River Water Quality Caused by a Diversion Hydropower Dam Bordering the Pantanal Floodplain[J].Hydrobiologia,2016,768(1):223-238.
　　[3] OUYANG W,HAO F,ZHAO C,et al.Vegetation Response to 30 Years Hydropower Cascade Exploitation in Upper Stream of Yellow River[J].Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation,2010,15(7):1928-1941.
　　[4] SHAFIE E L,ABDIN A E,NOURELDIN A,et al.Enhancing Inflow Forecasting Model at Aswan High Dam Utilizing Radial Basis Neural Network and Upstream Monitoring Stations Measurements[J].Water Resources Management,2009,23(11):2289-2315.
　　[5] 赵云章,邵景力,刘坤书,等.黄河水对地下水补给深度的初步研究[J].水文地质工程地质,2005,32(4):48-50.
　　[6] 刘秀,刘永和,赵建民,等.1998年以来黄河干流水资源量变化特征分析[J].人民黄河,2019,41(2):74-79.
　　[7] HELSEL D R,FRANS L M.Regional Kendall Test for Trend[J].Environmental Science & Technology,2006,40(13):4066-4073.
　　[8] SEN P K.Estimates of the Regression Coefficient Based on Kendall's Tau[J].Journal of the American Statistical Association,1968,63:1379-1389.