徐淑波，徐立榮，梅澤本

(1.濟(jì)南大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，濟(jì)南 250022；2. 山東省水利勘測設(shè)計院，濟(jì)南 250013)

引黃灌區(qū)地下水補給除降水外，引黃灌溉水入滲也是一種非常重要的補給來源。濟(jì)南引黃灌區(qū)位于黃河下游北岸，魯北黃泛平原南部，引黃控制面積約26萬hm2，包括邢家渡、田山、陳孟圈、胡家岸等大中型引黃灌區(qū)10余處[1]。在灌區(qū)的發(fā)展過程中，由于外部環(huán)境因素和人工開采的影響，灌區(qū)地下水系統(tǒng)循環(huán)條件發(fā)生了很大變化。而地下水又與生態(tài)環(huán)境相連，地下水位的變化可引起諸如土壤水鹽運動狀態(tài)、地下水質(zhì)、植被群落以及生態(tài)需水量等生態(tài)環(huán)境效應(yīng)[2]。因此，對灌區(qū)地下水位動態(tài)及趨勢進(jìn)行研究，對于區(qū)域生態(tài)環(huán)境、地下水、地表水合理利用以及農(nóng)業(yè)社會的可持續(xù)發(fā)展有著極為重要的意義[3,4]。本文以邢家渡灌區(qū)為例，利用灌區(qū)1986-2013年地下水埋深、降水量和引黃灌溉資料，分析灌區(qū)內(nèi)地下水位動態(tài)變化和趨勢，為水渠系工程建設(shè)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和防治灌區(qū)區(qū)域性地下水位下降提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)資料與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

地下水動態(tài)觀測井網(wǎng)是地下水動態(tài)研究的基礎(chǔ)。選擇濟(jì)南引黃灌區(qū)邢家渡典型灌區(qū)，綜合考慮觀測井在該流域的代表性以及資料的完整性與可靠性，結(jié)合灌區(qū)的水文地質(zhì)條件及實際情況，選取18眼監(jiān)測井1986-2013年28年的5日地下水位資料，觀測井的位置按網(wǎng)格法布置，以及同時段內(nèi)相鄰氣象站點的降水資料和各分灌區(qū)管理處提供的灌溉資料。

1.2 研究方法

數(shù)據(jù)分析主要用SPSS軟件，繪圖主要用origin和matlab軟件。

地下水位趨勢檢驗采用Mann-Kendall檢驗法 (以下簡稱M-K方法)。M-K方法通常用來檢驗趨勢的顯著性，在水文氣象趨勢檢驗分析中得到廣泛的應(yīng)用[5-7]。M-K統(tǒng)計檢驗如下：

設(shè)樣本序列為H0為X1，X2，…，Xn，n為時間序列的長度，定義統(tǒng)計量：

(1)

其中：

式中：Xj、Xk分別為j、k年的相應(yīng)測量值，且k>j；S為正太分布，均值為0；Var(S)為S的為方差，t為任意給定結(jié)點的范圍。

當(dāng)n>10時，Zc收斂于標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，S標(biāo)準(zhǔn)化公式為

(3)

雙邊檢驗趨勢中，在給定的在雙邊的趨勢檢驗中，在給定的α置信水平上，若Zc≥Z1-α/2， 原假設(shè)H0不成立，即在α置信水平上，時間序列數(shù)據(jù)存在明顯的上升或下降趨勢，Zc為正上升趨勢，為負(fù)下降趨勢，|Zc|≥1.28，1.64，2.32時，分別是信度為90%，95%，99%的顯著檢驗。

樣本序列為H0為X1，X2，…，Xn，n為時間序列的長度，Sk表示第i個樣本Xi≥Xj(1≤j≤i)的累計數(shù)，定義統(tǒng)計量：

(4)

在時間序列隨機獨立的假設(shè)下，Sk的均值和方差分別為：

E[Sk]=k(k-1)/4,Var[Sk]=k(k-1)(2k+5)/72 1≤k≤n

將Sk標(biāo)準(zhǔn)化：

(5)

給定顯著性水平α=0.05，如果|UF|>α，表示序列有明顯變化趨勢。曲線中UF或UB的值大于0，則表示地下水位序列呈下降(加深)趨勢，小于0則上升(變淺)趨勢。當(dāng)它們值超過臨界線時，表明上升或下降趨勢顯著。如果UF和UB兩條曲線出現(xiàn)交點，且交點在臨界值之間，那么交點對應(yīng)的值便是突變的開始。

2 地下水位變化特征

2.1 地下水位年際變化特征

邢家渡引黃灌區(qū)1986-2013年地下水年均埋深與年際降水總量、年際引黃總量年序列變化特征如圖1所示。

圖1 灌區(qū)地下水年均埋深、降水總量及引黃灌溉總量變化曲線Fig.1 Curves of annual Groundwater depth,precipitation and Yellow River irrigation

由圖1和表1可見，濟(jì)南邢家渡引黃灌區(qū)多年平均地下水埋深范圍為1.4～2.6 m，1986-2013年28年來地下水位波動變化，其變化曲線走勢主要受年際降水總量和引黃灌溉總量影響，降水量和引黃灌溉水量較高的年份，地下水位較高，反之亦然。1986-1995年地下水位整體波動上升，年際降水量波動較大，水面蒸發(fā)量由1 187 mm波動增加為1 351mm，說明1986-1995年引黃量不僅彌補某些年份降水的不足且盈余補充地下水。1996-2013年地下水位整體波動下降，1996-2013年相比1986-1995年平均降水量由547.6 mm增加為586.5 mm，水面蒸發(fā)量由1 283.2 mm減少為1 100.7 mm，同時邢家渡灌區(qū)，引黃取水許可量由1995年的2.90億m3依次減少為2000年1.81億m3、2005年的1.65億m3和2010年的1.29億m3，相應(yīng)的灌溉應(yīng)水量比例減少，說明雖然降水量增加和蒸發(fā)量的減少，引黃灌溉總量的減少是導(dǎo)致地下水位持續(xù)減少的主要原因，此外，引水渠系的完善和節(jié)水灌溉的實施，使灌溉水利用系數(shù)由原來的0.45提高到目前0.58，在減少了引水利用浪費的同時，導(dǎo)致灌區(qū)地下水補給量下降。

表1 1986-2013年年均水面蒸發(fā)量(蒸發(fā)皿直徑601 mm)Tab.1 Average annual water surface evaporation of 1986-2013(Evaporating dish diameter is 601 mm)

2.2 地下水位年內(nèi)變化特征

邢家渡引黃灌區(qū)對多年月均地下水埋深、降水量、引黃量年內(nèi)變化情況如圖2所示。

圖2 灌區(qū)地下水埋深、降水量及引黃量年內(nèi)月均變化Fig.2 Monthly changes of groundwater depth, precipitation and Yellow River irrigation

由圖2可以看出，灌區(qū)年內(nèi)地下水位變化出現(xiàn)兩個峰值，主峰值出現(xiàn)在8月份，說明地下水位主要受降水量的影響，6-8月份是灌區(qū)主要降水期，占全年降水量的70%，降水下滲補給地下水，使地下水位達(dá)到全年最高；次峰值出現(xiàn)在5月份，主要是受引黃量的影響，由于春季小麥返青、拔節(jié)、灌漿期需水量較大，而在此期間降水量較小，因此灌區(qū)引黃灌溉主要集中在3-5月份，占全年引黃水量的61%。由于灌區(qū)土壤質(zhì)地以壤土、沙壤土為主，透水性較好，春灌剩余水量能快速補給地下水，致使地下水位明顯升高。在11月份到次年2月份期間，灌區(qū)降水量和引黃量均較低，地下水缺乏足夠的補給來源，地下水位達(dá)到全年最低。

3 地下水位年際變化和季節(jié)變化趨勢分析和參數(shù)統(tǒng)計特征

為了進(jìn)一步了解地下水位年序列和季節(jié)序列變化趨勢，采用M-K趨勢分析和參數(shù)統(tǒng)計方法進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3和表2所示。

圖3(a)中地下水位M-K趨勢分析表明：從多年平均序列來看，地下水位存在較明顯上升和下降趨勢，如1990-1996年地下水位波動上升明顯，顯著水平均超過0.05臨界線(U0.05=1.96)；2000-2013年地下水位波動下降，尤其是2011年以來地下水位下降明顯，顯著水平超過0.05臨界線。自2000年以來，濟(jì)南引黃灌區(qū)引黃量明顯較少，加上受黃河上游小浪底水庫調(diào)水調(diào)沙的影響，黃河河床遭受嚴(yán)重沖刷，使引黃閘前水位多年來無法滿足正常引水條件，致使灌區(qū)引水困難， 地下水補給量減少導(dǎo)致地下水位明顯下降。

綜合圖3(b)～3(e)和表2可以看出：灌區(qū)平均地下水位冬季最低，夏季最高。春季(3、4、5月)地下水埋深變化范圍1.53～2.10 m，地下水位有上升趨勢但不明顯(顯著水平小于0.05)；夏季(6、7、8月)地下水埋深變化范圍0.51～2.45 m，受降雨量變化的影響，地下水位變化波動大，有升有降。秋季(9、10、11月)地下水埋深變化范圍1.75～2.74 m，近十年來年地下水位下降趨勢明顯，顯著水平超過0.05；冬季(1、2、12月)地下水埋深變化范圍2.02～2.93 m，2006年以來地下水位下降趨勢明顯，顯著水平超過0.05。

表2 灌區(qū)地下水位季節(jié)參數(shù)統(tǒng)計特征Tab.2 The parameter statistics of seasonal groundwater depth

濟(jì)南引黃灌區(qū)農(nóng)業(yè)種植作物主要是小麥、玉米、棉花等。根據(jù)作物生長特點，灌區(qū)灌溉需水主要集中在每年3-5月和8-10月份，需水量分別占全年總需水量的61.0%和24.8%。據(jù)資料，濟(jì)南引黃灌區(qū)2002-2013年3-5月和8-10月份引黃量分別占全年總引黃量的69.0%和12.6%。春季加之地下水位略有上升，說明地面有盈余水補給地下水，可見引黃量能夠滿足全灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水需求，而8-10月份灌區(qū)為緩解玉米成熟前旱情或冬小麥播種造墑用水量較大，引黃供水遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實際需水量，需要大量開采地下水進(jìn)行灌溉，使得秋季地下水位明顯下降，近8～10年春、夏季地表來水對地下水的補給、儲備不足，秋、冬季需開采地下水灌溉，導(dǎo)致近些年年均地下水位持續(xù)下，今后應(yīng)適當(dāng)增加秋季引黃量，緩解水資源供需矛盾。

4 結(jié) 語

本文利用濟(jì)南引黃灌區(qū)1986-2013年28年的觀測資料，采用M-K趨勢檢驗的方法，對灌區(qū)地下水位動態(tài)變化特征及趨勢分析進(jìn)行了分析，主要結(jié)論有。

圖3 灌區(qū)地下水位M-K趨勢檢驗Fig.3 The annual and seasonal M-K trend test of groundwater depth

(1)近二十年濟(jì)南引黃灌區(qū)地下水位年際變化趨勢主要受年際引黃總量的影響，2002-2013年地下水位波動下降且達(dá)到年序列最低；多年月均地下水位變化出現(xiàn)兩個峰值，主峰值主要受汛期降水的影響，次峰值主要受春季引黃灌溉的影響。

(2)對地下水位多年序列和季節(jié)序列進(jìn)行M-K趨勢和參數(shù)特征分析，1988-1999年地下水位呈上升趨勢，1990-1996年上升趨勢顯著，顯著性水平超過0.05臨界線，2000-2013年地下水位呈下降趨勢，主要原因是2000年以來，濟(jì)南引黃灌區(qū)引黃量明顯較少，加上受黃河上游小浪底水庫調(diào)水調(diào)沙的影響，灌區(qū)引水困難， 地下水補給量減少導(dǎo)致地下水位明顯下降。

(3)1986-2013年春季和夏季地下水水位變化趨勢不明顯，波動不大，而秋季在2003-2013和冬季在2006-2013年近8～10年內(nèi)地下水位出現(xiàn)較明顯下降趨勢，秋季、冬季和年均水位持續(xù)下降，這是因為近些年秋季灌區(qū)引黃供水長期滿足不了實際需水量，且雨量減少，需要大量開采地 下水進(jìn)行灌溉，而春、夏季地表來水對地下水的補給不足，加之秋、冬季需開采地下水灌溉，導(dǎo)致年均地下水位持續(xù)下降，今后應(yīng)適當(dāng)增加秋季引黃量，緩解水資源供需矛盾。

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