王乃江，高佩玲,，趙連東，劉小媛，馬艷飛，劉 曉

(1.山東理工大學 農(nóng)業(yè)工程與食品科學學院 山東 淄博 255000；2.山東理工大學 資源與環(huán)境工程學院 山東 淄博 255000)

魯北平原是山東省主要的糧棉基地和經(jīng)濟作物區(qū)，黃河水為其主要的供水水源，屬北方半干旱地區(qū)[1-3]。區(qū)內(nèi)人均水資源占有量僅460 m3/a，約為全國人均水資源量的1/5[1]，尤其是近年來，隨著黃河流域自然環(huán)境的惡化、工業(yè)的發(fā)展和城市化進程的加快，黃河可供水量呈逐年遞減趨勢和水體污染不斷加重[4,5]，水資源不足已嚴重限制了該地區(qū)農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。然而，魯北平原作為華北平原淺層地下水可持續(xù)利用潛力最大的地區(qū)，地下水儲量豐富，開采潛力系數(shù)大，為緩解該區(qū)水資源供需矛盾提供了一種有效的途徑[6]，并且合理開采地下水可以調(diào)控地下水水位，在一定程度上有效防治土壤漬、澇、鹽、堿等危害[7,8]。所以，研究魯北平原引黃典型區(qū)地下水埋深時空變異規(guī)律及開采適宜性，對于合理使用與調(diào)配地下水資源、提高土壤質(zhì)量具有重要的現(xiàn)實意義。

本文以山東省德州市為研究區(qū)，利用統(tǒng)計學方法分析2005-2014年地下水埋深的基本特征及年際變化規(guī)律，采用ArcGIS研究2005、2009和2013年地下水埋深的空間分布格局，基于以上分析，以地下水臨界深度、漏斗區(qū)和超采區(qū)為評價指標，定量分析地下水開采的適宜性，以期為魯北平原合理利用地下水資源提供理論數(shù)據(jù)與技術(shù)方法。

1 研究區(qū)概況

德州市位于黃河下游，魯北中部，地跨東經(jīng)115°45′24″～117°36′02″，北緯36°24′25″～38°00′41″，轄2市8縣1區(qū)，總面積10 346 km2，其中耕地面積5 600 km2，農(nóng)業(yè)發(fā)達，人均糧食產(chǎn)量居山東省首位；地處干旱和濕潤氣候的過渡帶，屬暖溫帶季風性氣候，具有溫度適宜、四季分明的特點，多年平均降雨量568.1 mm，低于全省平均水平，其中1-5月占15%左右，6-9月占76.2%左右，10-12月占8.8%左右，易造成春旱、夏澇、晚秋又旱的自然災害，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有一定的影響；全市河流水系污染嚴重，可利用水資源嚴重缺乏，人均占有量僅為202 m3，黃河水為其主要的供水水源，建有潘莊、李家岸兩處大型引黃灌區(qū)和韓劉、豆腐窩兩處中型引黃灌區(qū)，供水量占全市總供水量的54.6%。

2 數(shù)據(jù)來源與主要研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與預處理

本文的數(shù)據(jù)來源于德州市水文局對境內(nèi)158口觀測井的常年監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括經(jīng)緯度、高程和地下水水位。根據(jù)158口觀測井的高程和地下水水位，計算出每個監(jiān)測點的平均埋深(每年)，進而研究該區(qū)域2005-2014年地下水埋深的動態(tài)變化特征，并對地下水開采的適宜性進行評價。

2.2 主要研究方法

2.2.1反距離權(quán)重插值(IDW)

IDW(inverse distance weighted)是一種常用而簡便的空間插值方法，它是以插值點與樣本點間的距離為權(quán)重進行加權(quán)平均，離插值點越近的樣本點賦予的權(quán)重越大。具體的計算方法可用下式[9,10]表示：

(1)

本文采用ArcGIS中的IDW方法，對德州市158口觀測井的地下水埋深進行空間插值，得到2005、2009、2013、2014年地下水埋深空間分布。

2.2.2柵格計算與重分類

柵格計算是對柵格數(shù)據(jù)進行數(shù)學運算、數(shù)學函數(shù)運算或空間分析函數(shù)運算；重分類是基于原有數(shù)值，對原有數(shù)值重新進行分類整理從而得到一組新值并輸出[10]。

本文運用ArcGIS中的柵格計算器和重分類功能研究德州市地下水開采的適宜性，具體步驟簡述如下：

(1)將德州市2014年地下水埋深空間插值圖重分類為3個等級，即埋深<2.5 cm的區(qū)域，等級為1；2.5 m≤埋深≤6 m，等級為2；埋深>6 m的區(qū)域，等級為3(漏斗區(qū))。

(2)對德州市2014、2005年地下水埋深空間插值圖進行柵格計算，具體公式為(2014插值圖-2005年插值圖)/9，得到地下水超采情況區(qū)劃圖，然后將其重分類為兩個等級，即年均地下水埋深變化速率≤0 m/a的區(qū)域，等級為4(非超采區(qū))；年均地下水埋深變化速率>0 m/a的區(qū)域，等級為5(超采區(qū))。

(3)對(1)、(2)所得到的柵格數(shù)據(jù)進行柵格計算，具體公式為2014年地下水埋深空間插值重分類數(shù)據(jù)×地下水超采情況區(qū)劃重分類數(shù)據(jù)，然后對柵格計算的結(jié)果重分類為3個等級，即數(shù)值為4、5的區(qū)域，等級為1(可大量開采區(qū))；數(shù)值為8的區(qū)域，等級為2(可適宜開采區(qū))；數(shù)值為10、12、15的區(qū)域，等級為3(限采區(qū))，得到研究區(qū)地下水開采適宜性分區(qū)圖。

3 引黃典型區(qū)地下水埋深動態(tài)變化特征

地下水在維持干旱、半干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)和人類社會穩(wěn)定起著關(guān)鍵作用[11-13]，德州市大規(guī)模開發(fā)利用地下水始于20世紀70年代初期，隨著開采量的逐漸加大，局部出現(xiàn)了地下水降落漏斗、地面沉降、(地下)咸水界面下侵及南移等地質(zhì)環(huán)境問題[14,15]，但近年來，該地區(qū)重視水網(wǎng)建設(shè)，大面積進行引黃灌溉，使地下水得到一定的補給和恢復，故研究其多年的地下水埋深動態(tài)變化特征對于合理利用地下水資源、保護生態(tài)環(huán)境具有重要的意義。

3.1 地下水埋深特征值分析

利用SPSS軟件對德州市158口觀測井2005-2014年的地下水埋深數(shù)據(jù)進行描述統(tǒng)計分析，具體結(jié)果見表1。

由表1可知，研究區(qū)除寧津縣、德城區(qū)和夏津縣之外，其他區(qū)域地下水埋深普遍較淺，年均埋深在1.7～5.7 m之間，最小埋深為1.57 m，最大埋深為5.92 m，均沒達到淺層地下水降落漏斗的埋深警戒線(6 m[16])；各縣區(qū)地下水埋深具有明顯的差異性，西北部縣區(qū)普遍高于東南部，其中夏津縣的年均埋深最大，為8.26 m，慶元縣的年均埋深最小，僅為1.71 m，相差79.3%；德州市大部分縣區(qū)地下水埋深的變異系數(shù)CV大于10%，變化程度達到中等變異(10%

表1 德州市各縣市2005-2014年地下水埋深特征參數(shù)Tab.1 The characteristic parameters of ground water in Dezhou city during 2005-2014

3.2 地下水埋深變化趨勢特征分析

為了揭示研究區(qū)地下水埋深的變化規(guī)律，利用SPSS軟件對11個縣區(qū)2005-2014年的地下水埋深數(shù)據(jù)進行線性回歸分析，具體結(jié)果見圖1。

由圖1(a)可知，整個研究區(qū)2009年之前的地下水埋深變化不明顯，之后顯著下降，但在2014年有一定程度的升高，這是因為德州市于2009年啟動實施了大水網(wǎng)建設(shè)[18]，大面積進行引黃灌溉，并且灌區(qū)輸水方式以明渠為主，普遍采用漫灌、畦灌等傳統(tǒng)的灌溉方式，深層滲漏嚴重，使地下水埋深不斷減小，而2014年該地區(qū)遭受了30年一遇的大旱[19]，為了提高城市和農(nóng)田的抗旱能力，大量開采地下水，導致地下水埋深升高了0.6 m。

圖1 德州市各縣區(qū)2005-2014年地下水埋深變化規(guī)律Fig.1 The variation laws of groundwater depth in Dezhou city during 2005-2014

由圖1(b)～(l)可知，各縣區(qū)10 a的地下水埋深變化規(guī)律存在很大的區(qū)別。寧津縣、陵縣、德城區(qū)、平原縣、夏津縣地下水埋深呈極顯著下降趨勢(P<0.01)；樂陵市、臨邑縣呈顯著下降趨勢(P<0.05)；而慶云縣、禹城市、齊河縣和武城縣變化規(guī)律不明顯(P>0.05)，地下水埋深上下波動，處于一種動態(tài)平衡狀態(tài)，原因可能是該地區(qū)引黃灌溉的同時地下水開采較多，地下水的補給和排泄基本一致。

為了進一步探尋研究區(qū)地下水埋深的變化特征，采用ArcGIS中IDW法對158口觀測井不同年份的地下水埋深數(shù)據(jù)進行插值，生成了2005、2009和2013年地下水埋深空間分布圖(圖2-4)，并計算出了2005、2009和2013年不同埋深區(qū)域的面積(圖5)。

圖2 德州市2005年地下水埋深空間分布圖Fig.2 Spatial distribution of groundwater depth in Dezhou city in 2005

圖3 德州市2009年地下水埋深空間分布圖Fig.3 Spatial distribution of groundwater depth in Dezhou city in 2009

圖4 德州市2013年地下水埋深空間分布圖Fig.4 Spatial distribution of groundwater depth in Dezhou city in 2013

圖5 德州市2005、2009、2013年地下水不同埋深面積Fig.5 Different depth area of groundwater in Dezhou city in 2005,2009,2013

由圖2～4可知，研究區(qū)2005、2009和2013年的地下水埋深空間分布格局相似，從西北到東南，地下水埋深逐漸降低，漏斗區(qū)(埋深>6 m)主要分布于寧津縣、德城區(qū)和夏津縣，淺埋區(qū)(埋深<2m)主要分布于慶元縣、禹城市、齊河縣。造成這種現(xiàn)象的原因，一方面是德州市東南部位于黃河下游西岸，黃河水不斷側(cè)滲補給地下水，另一方面是該地區(qū)引黃河水方便，灌區(qū)大面積進行引黃灌溉，土壤深層滲漏引起地下水埋深發(fā)生了變化。

同時，研究區(qū)2005、2009和2013年的地下水埋深空間分布亦存在明顯的區(qū)別，由圖2～5可知，地下水埋深小于2 m的區(qū)域范圍先減小后增大，面積由2005年的1 796 km2，減小到2009年的1 131 km2，最后快速增加到1 962 km2；2～4 m的區(qū)域范圍不斷擴大，2013年的面積達5 380 km2；4～6 m的區(qū)域面積先增大后減小，從最初的2 111 km2，增大到2009年的2 372 km2，最后減小到1 857 km2。總之，研究區(qū)的非漏斗區(qū)(埋深≤6 m)面積逐漸增大，而淺層地下水降落漏斗(埋深>6 m)的區(qū)域面積逐漸減小，這與德州市近年來重視水網(wǎng)建設(shè)，大量引黃河水進行農(nóng)業(yè)灌溉有關(guān)。

4 引黃典型區(qū)地下水開采適宜性評價

由研究區(qū)地下水埋深動態(tài)變化特征可知，研究區(qū)大部分縣區(qū)的地下水埋深較淺，易于開采，10 a地下水埋深呈下降趨勢，適于開采。但不合理的利用會導致水質(zhì)惡化、植被退化、濕地面積萎縮等一系列嚴重的生態(tài)環(huán)境問題，所以本小節(jié)以地下水臨界深度、淺層地下水是否漏斗及是否超采為評價因子，定量分析研究區(qū)地下水開采的適宜性，以期對研究區(qū)地下水的合理開發(fā)利用提供指導。

4.1 評價指標

本文在分析研究區(qū)地下水開采適宜性時，主要考慮以下因素：

(1)德州市地處黃河下游北岸，由于受自然因素和人為活動的影響，區(qū)內(nèi)鹽堿化、次生鹽堿化土壤分布廣泛[20]，嚴重阻礙了灌區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。為了防治和改良土壤鹽堿化及保證作物不受鹽害，應使地下水埋深大于或等于地下水臨界深度[21]。華北平原的地下水臨界深度為2～2.5 m[22,23]，故當?shù)叵滤裆钚∮?.5 m時，應大量開采。

(2)超采區(qū)和漏斗區(qū)一般不適宜常年開采地下水。當平原區(qū)淺層地下水埋深大于6 m時，就產(chǎn)生了地下水降落漏斗[16]。對地下水超采區(qū)，本文采用埋深動態(tài)法[24]進行區(qū)劃，具體的計算公式為：

(2)

式中：v為年均地下水埋深變化速率，m/a；H1為初始水平年地下水埋深，m；H2為現(xiàn)狀水平年地下水埋深，m；Δt為時間段，a，所選擇時段系列必須保證不少于10 a。

對于研究區(qū)的淺層地下水(孔隙水[25])，若v≤0 m/a，為非超采區(qū)；若01.0 m/a，為嚴重超采區(qū)。

基于以上分析，在地下水開采適宜性評價中，共設(shè)立3個指標，分別為地下水臨界深度、漏斗區(qū)和超采區(qū)。當?shù)叵滤裆?2.5 m時，可大量開采；當2.5 m≤埋深≤6 m時，若該區(qū)域為超采區(qū)，必須限制開采地下水，若為非超采區(qū)，可適宜開采地下水；當埋深>6 m時，淺層地下水產(chǎn)生了漏斗，不適宜常年開采，為限采區(qū)。

綜上，記i為地下水埋深，i取1(埋深<2.5 m)、2(2.5 m≤埋深≤6 m)、3(漏斗區(qū)，埋深>6 m)；j為研究區(qū)是否為超采區(qū)，j取4(非超采區(qū))、5(超采區(qū)，包括一般超采區(qū)和嚴重超采區(qū))；M為地下水開采的適宜性級別，具體的計算公式為：

(3)

4.2 地下水開采適宜性評價

借助ArcGIS平臺，以2005年為初始水平年，2014年為現(xiàn)狀水平年，利用IDW法分析研究區(qū)地下水埋深的空間分布特征，根據(jù)埋深動態(tài)法研究地下水的超采情況，最后基于式(3)對研究區(qū)的地下水開采進行適宜性評價，具體結(jié)果見圖6、7、8和表2。

圖6 德州市現(xiàn)狀水平年(2014)地下水埋深分布圖Fig.6 Spatial distribution of groundwater depth in Dezhou city in 2014

圖7 德州市地下水超采情況區(qū)劃圖Fig.7 Zoning map of groundwater overexploitation in Dezhou city

圖8 德州市地下水開采適宜性分區(qū)圖Fig.8 Zoning map of groundwater exploitation suitability in Dezhou city

表2 研究區(qū)不同區(qū)域面積Tab.2 Different region area of the study area

由圖6和表2可知，研究區(qū)現(xiàn)狀水平年的淺層地下水漏斗(地下水埋深>6 m)主要位于德州市西北部和西南部，總面積為1 668 km2，其中寧津縣分布區(qū)域最大，夏津縣和德城區(qū)次之，武城縣、樂陵市和陵縣亦有小部分區(qū)域分布；地下水埋深小于2.5 m的區(qū)域主要分布于慶元縣、齊河縣、禹城市，及陵縣、平原縣、樂陵市、臨邑縣的小部分區(qū)域，總面積為2 290 km2；埋深2.5～6.0 m的區(qū)域面積最大，為6 411 km2，主要位于德州市的中部、東北部、西部及南部小部分區(qū)域。

由圖7和表2可知，德州市超采區(qū)和非超采區(qū)的分布比較集中，面積分別為4 257和6 112 km2，其中超采區(qū)主要位于研究區(qū)的南部，東北部和西部亦有小部分區(qū)域分布。

德州市地下水開采適宜性分區(qū)，如圖8和表2所示，埋深小于2.5 m的區(qū)域即為可大量開采區(qū)；適宜開采區(qū)主要位于研究區(qū)的中部、東北部和西部，總面積為3 790 km2；限采區(qū)分布比較分散，樂陵市、寧津縣、德城區(qū)、武城縣等11個縣區(qū)均有分布，總面積為4 289 km2。

5 結(jié) 語

本文以研究區(qū)158口觀測井地下水的常年監(jiān)測數(shù)據(jù)(2005-2014年)為基礎(chǔ)，結(jié)合當?shù)氐臍夂?、水源及灌溉情況，利用GIS技術(shù)和統(tǒng)計學方法，對該區(qū)地下水埋深的時空變異規(guī)律及開采適宜性進行了分析，得出如下結(jié)論：

(1)研究區(qū)除寧津縣、夏津縣和德城區(qū)外，其他區(qū)域的平均埋深(2005-2014年)均小于6 m；各縣區(qū)地下水埋深存在較大的差異，并且在10 a(2005-2014年)間，地下水埋深變化波動較大，7個縣區(qū)的CV大于10%，達到中等變異程度，但從整體上看，研究區(qū)地下水埋深普遍較淺，10 a的平均埋深為4.6 m，適于開采。

(2)研究區(qū)10 a的地下水埋深呈極顯著下降趨勢(R2=0.765 5，P<0.01)，但各縣區(qū)存在較大的區(qū)別，其中寧津縣、陵縣、德城區(qū)、平原縣、夏津縣的下降趨勢極顯著(P<0.01)，樂陵市、臨邑縣的下降趨勢顯著(P<0.05)，而慶云縣、禹城市、齊河縣、武城縣的地下水由于得到不斷的補給和排泄，埋深變化規(guī)律不明顯(P>0.05)。

(3)研究區(qū)2005、2009和2013年的地下水埋深空間分布格局相似，從西北到東南，地下水埋深逐漸降低，但也存在明顯的空間變異性，埋深小于2 m的區(qū)域面積先減小后增大，2～4 m的范圍逐漸擴大，4～6 m的區(qū)域面積先增大后減小，大于6 m的淺層地下水漏斗區(qū)不斷縮小。

(4)研究區(qū)埋深小于2.5 m的區(qū)域即為可大量開采區(qū)，主要位于慶元縣、禹城市、齊河縣等縣區(qū)，面積為2 290 km2；適宜開采區(qū)主要位于研究區(qū)的中部、東北部和西部，面積為3 790 km2；限采區(qū)分布比較分散，各縣區(qū)均有分布，面積為4 289 km2。

[1] 馬 震,段永侯.山東魯北平原地下水資源與可持續(xù)利用[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2005,(2):1-10.

[2] 山東省水利廳.2014年山東省水資源公報[EB/OL].(2015-08-04). http:∥www.sdwr.gov.cn/zwgk/szygb/201508/P020150804475952897589.pdf, 2015-09-27.

[3] 楊麗芝,張光輝,劉中業(yè),等.魯北平原地下水同位素年齡及可更新能力評價[J].地球?qū)W報,2009,30(2):235-242.

[4] 卞世忠,郭 芳,張 帆,等.對黃河下游引黃灌溉發(fā)展的思考[J].人民黃河,2009,31(11):81-82.

[5] 鄭洪領(lǐng),王 龍,耿玉秀.黃河水質(zhì)現(xiàn)狀分析及提高水質(zhì)對策建議[J].中國農(nóng)村水利水電,2010,(5):21-24.

[6] 錢 永,張兆吉,費宇紅,等.華北平原淺層地下水可持續(xù)利用潛力分析[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報,2014,22(8):890-897.

[7] 崔秀凌,葛秀珍,李庚陽.采取合理井灌比例對銀川平原鹽漬化防治與改良對策[J].中國地質(zhì)災害與防治學報,2012,23(4):117-121.

[8] 李 鵬,魏曉妹,杜 偉,等.基于高效安全用水的渠井結(jié)合灌溉管理模式研究[J].節(jié)水灌溉,2013,(10):49-51,55.

[9] 孫曉俊,高佩玲,胡 濤,等.魯西北黃河沖積平原鹽漬化灌區(qū)地下水動態(tài)變化[J].水土保持通報,2013,33(5):29-34.

[10] 湯國安,楊 昕.地理信息系統(tǒng)空間分析實驗教程[M].2版.北京:科學出版社,2012.

[11] Schmidt S, Geyer T, Marei A, et al. Quantification of long-term wastewater impacts on karst groundwater resources in a semi-arid environment by chloride mass balance methods[J]. Journal of Hydrology, 2013,502:177-190.

[12] Simpson S C, Meixner T, Hogan J F. The role of flood size and duration on streamflow and riparian groundwater composition in a semi-arid basin[J]. Journal of Hydrology, 2013,488:126-135.

[13] Yin L, Zhou Y, Ge S, et al. Comparison and modification of methods for estimating evapotranspiration using diurnal groundwater level fluctuations in arid and semiarid regions[J]. Journal of Hydrology, 2013,496:9-16.

[14] 張 纓,周家權(quán),孫桂芬,等.德州市淺層地下水漏斗區(qū)現(xiàn)狀分析及保護對策[J].水資源保護,2003,(4):13-14,21,61.

[15] 張永偉.華北平原德州地面沉降成生機理、監(jiān)測預瞀與可控性研究[D].濟南:山東大學,2014.

[16] 李 瑜,郭聚江,楊淑華,等.山東省地下水超采漏斗發(fā)展演變分析[J].地下水,2007,29(4):36-39.

[17] 胡 偉,邵明安,王全九.黃土高原退耕坡地土壤水分空間變異的尺度性研究[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2005,21(8):11-16.

[18] 王乃江,高佩玲,石文峰,等.魯西北黃河沖積平原引黃灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉模式研究[J].節(jié)水灌溉,2015,(6):74-78,87.

[19] 劉長武,馮蕾,劉 永.德州市2014年旱災應對措施與經(jīng)驗分析[J].中國水利,2015,(7):56-57,61.

[20] 付修勇.德州鹽漬土改良與開發(fā)利用研究[C]∥中國地理學會自然地理專業(yè)委員會,蘭州大學資源環(huán)境學院.自然地理學與生態(tài)安全學術(shù)論文摘要集，2012:103.

[21] 郭元裕.農(nóng)田水利學[M].3版. 北京，中國水利水電出版社,1997.

[22] 王金哲,張光輝,嚴明疆,等.環(huán)渤海平原區(qū)土壤鹽分分布特征及影響因素分析[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2012,26(11):104-109.

[23] 張長春,邵景力,李慈君,等.華北平原地下水生態(tài)環(huán)境水位研究[J].吉林大學學報(地球科學版),2003,33(3):323-326,330.

[24] SL286-2003，地下水超采區(qū)評價導則[S].

[25] 祁興芬,劉福剛.德州市地下水資源開發(fā)利用及保護[J].資源環(huán)境與工程,2007,21(6):752-754.