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(陜西省地下水管理監(jiān)測(cè)局，陜西 西安 710003)

水是生命之源、生產(chǎn)之要、生態(tài)之基[1]，水資源特別是地下水作為我國(guó)北方地區(qū)重要的供水水源，對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。但是，隨著人類(lèi)社會(huì)對(duì)地下水資源的消耗迅速增加，地下水位下降、地面沉降、海水入侵、水質(zhì)惡化等一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題日趨嚴(yán)峻。為解決日益復(fù)雜的區(qū)域水資源問(wèn)題，必須實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度，嚴(yán)控用水總量[2]。地下水總量控制是水資源開(kāi)發(fā)利用紅線的重要組成部分，因而有必要對(duì)地下水水位進(jìn)行預(yù)警研究。這項(xiàng)研究就是通過(guò)一定的技術(shù)方法，結(jié)合研究區(qū)的水文地質(zhì)條件，根據(jù)地下水位監(jiān)測(cè)資料，對(duì)區(qū)域的現(xiàn)狀地下水位進(jìn)行預(yù)警，劃分不同的預(yù)警等級(jí)，以提醒水資源管理部門(mén)和相關(guān)政府部門(mén)以及社會(huì)公眾予以重視，防止地下水位持續(xù)下降，從而達(dá)到水資源可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用的目的[3]。本文以陜西省關(guān)中盆地為例，研究地下水位預(yù)警方法，劃分預(yù)警等級(jí)，對(duì)實(shí)現(xiàn)該區(qū)域地下水可持續(xù)利用，保障其經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。

1 地下水位預(yù)警方法

國(guó)內(nèi)外對(duì)地下水水質(zhì)預(yù)警[4,5]的案例較多，水位預(yù)警方法的理論研究并不多見(jiàn)，主要有統(tǒng)計(jì)學(xué)方法[3,6,7]、多元回歸方法[8]、數(shù)值模型方法[9,10,11]，其中比較典型的是統(tǒng)計(jì)學(xué)方法。具體做法是利用歷史的地下水監(jiān)測(cè)資料，統(tǒng)計(jì)不同百分?jǐn)?shù)下的地下水位埋深值，作出代表某種水文地質(zhì)單元信息的地下水水位埋深判據(jù)，利用判據(jù)對(duì)地下水位的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)。

1.1 預(yù)警監(jiān)測(cè)站選擇

為了實(shí)現(xiàn)地下水位預(yù)警的準(zhǔn)確性和合理性，在選擇代表性監(jiān)測(cè)站時(shí)應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：(1)所選擇的監(jiān)測(cè)站能夠代表某種典型的水文地質(zhì)條件；(2)所選擇的監(jiān)測(cè)站層位明確，盡量選擇按期清洗和建立井口保護(hù)裝置的專業(yè)監(jiān)測(cè)井，在專業(yè)觀測(cè)井較少的地段，適當(dāng)選擇質(zhì)量較好的民用監(jiān)測(cè)井作為補(bǔ)充；(3)所選的觀測(cè)井監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間序列較長(zhǎng)(應(yīng)至少15 a)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量較高，無(wú)連續(xù)半年以上缺測(cè)現(xiàn)象；(4)所選觀測(cè)井在平面分布上能從區(qū)域上控制整個(gè)研究區(qū)，在垂向上盡量兼顧各個(gè)深度的含水層，盡量避免所選監(jiān)測(cè)井集中分布在某一區(qū)域或者某一深度。

1.2 預(yù)警方法

1.2.1 地下水位預(yù)警判據(jù)模塊建立

預(yù)警判據(jù)模板由兩部分組成：第一部分為埋深百分位圖，第二部分為大于目前埋深的頻率分布圖。根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)的知識(shí)，百分位數(shù)是用于衡量數(shù)據(jù)分布的量度方法，提供了各數(shù)據(jù)項(xiàng)在最小值與最大值之間分布的信息。嚴(yán)格定義為：第p百分?jǐn)?shù)是這樣一個(gè)值，它使得至少有p%的數(shù)據(jù)項(xiàng)小于或等于這個(gè)值，且至少有(100-p)%的數(shù)據(jù)大于這個(gè)值。從而規(guī)定，地下水位埋深值等于第95百分位表示至少有95%的埋深值等于或者小于該值，以此類(lèi)推。

第一部分百分位圖的具體做法是：利用多年地下水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分別統(tǒng)計(jì)不同年份同一月份(或旬、日)埋深的最大值、第95 、第90 、第75 和第25 百分位和最小值，繪出每月(或旬、日)的地下水位百分位值的曲線。在通常情況下，埋深值大于第95百分位以上的稱為緊急狀態(tài)，為紅色預(yù)警；埋深值在第90至第95百分位之間的稱為干旱狀態(tài)，為橙色預(yù)警；埋深值在第75至第90百分位之間的稱為低于正常狀態(tài)，為黃色預(yù)警；埋深值在第25至第75百分位之間的稱為正常狀態(tài)，為藍(lán)色預(yù)警；埋深值小于第25百分位的稱為高于正常狀態(tài)，為非預(yù)警區(qū)。第二部分統(tǒng)計(jì)頻率的做法為計(jì)算現(xiàn)狀埋深在當(dāng)月(或旬、日)歷史埋深中小于現(xiàn)狀值以下的頻率。

1.2.2 地下水位單點(diǎn)預(yù)警和區(qū)域預(yù)警

利用地下水的預(yù)警判據(jù)模板甄別現(xiàn)狀地下水位， 確定每處監(jiān)測(cè)站地下水位的預(yù)警級(jí)別，得到監(jiān)測(cè)站單點(diǎn)預(yù)警結(jié)果，也即實(shí)時(shí)預(yù)警。根據(jù)每處預(yù)警監(jiān)測(cè)站代表的層位及區(qū)域，預(yù)警級(jí)別同級(jí)合并的原則，構(gòu)成區(qū)域預(yù)警結(jié)果。

2 關(guān)中盆地地下水位預(yù)警

關(guān)中盆地位于陜西省中部，南倚秦嶺，北界北山，西起寶雞，東至潼關(guān)，占陜西省平原區(qū)面積的59.58%，是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重點(diǎn)地區(qū)。地勢(shì)西高東低，西部狹窄，東部寬闊，渭河由西向東橫貫盆地中部。自山前向盆地中心，分布著洪積扇—黃土臺(tái)塬—河流階地等地貌，呈階梯狀向盆地傾降。含水介質(zhì)以第四系松散層孔隙、孔隙裂隙水含水巖層為主，并常常組合成上部潛水與下部承壓水雙層含水結(jié)構(gòu)，其他含水巖類(lèi)出露與分布面積較小。

2.1 關(guān)中盆地預(yù)警監(jiān)測(cè)站的選擇

根據(jù)不同的水文地質(zhì)條件以及包氣帶巖性和厚度差異，將該盆地劃分為涇西渭河北高階地、黃土塬、洪積扇區(qū)，涇西渭河北低階地區(qū)，灞西渭河南洪積扇、低階地區(qū)，灞西渭河南高階地、黃土塬區(qū)，涇東渭河北黃土塬、洪積扇區(qū)，涇東渭河北階地區(qū)，灞東渭河南洪積扇、階地區(qū)，灞東渭河南黃土塬區(qū)等8個(gè)水文地質(zhì)單元。

預(yù)警監(jiān)測(cè)站選擇時(shí)，充分考慮前述選擇標(biāo)準(zhǔn)并兼顧各水文地質(zhì)單元，在關(guān)中盆地470處監(jiān)測(cè)站中選擇了95處進(jìn)行地下水位預(yù)警研究，監(jiān)測(cè)站的系列監(jiān)測(cè)資料均在15 a以上，具體見(jiàn)表1和圖1。

圖1 關(guān)中盆地地下水位預(yù)警監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分布

圖2 關(guān)中盆地地下水位預(yù)警判據(jù)模塊

2.2 關(guān)中盆地地下水位預(yù)警判據(jù)模塊的建立

根據(jù)前述地下水位預(yù)警方法建立關(guān)中盆地地下水位預(yù)警判據(jù)模塊。如圖2所示，就某一典型監(jiān)測(cè)站，預(yù)警判據(jù)模塊由埋深百分位圖和小于目前埋深值的頻率分布圖組成。第一部分是通過(guò)對(duì)該監(jiān)測(cè)站每月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行不同年份系列統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算埋深百分位數(shù)，繪制其百分位圖，用不同級(jí)別預(yù)警色填充：把最大值至第95 百分位的區(qū)間定義為紅色預(yù)警區(qū)，把第95 至第90百分位的區(qū)間定義為橙色預(yù)警區(qū)，把第90 至第75百分位的區(qū)間定義為黃色預(yù)警區(qū)，把第75 至第25百分位的區(qū)間內(nèi)定義為藍(lán)色預(yù)警區(qū)；埋深值低于第25 百分位以下的區(qū)間作為無(wú)需預(yù)警區(qū)。對(duì)于紅色預(yù)警、橙色預(yù)警和黃色預(yù)警區(qū)，水位處于歷史的較低區(qū)域，當(dāng)?shù)厮Y源管理和相關(guān)政府部門(mén)應(yīng)當(dāng)引起高度重視，采取適當(dāng)?shù)拇胧┳柚沟叵滤坏某掷m(xù)下降；對(duì)于藍(lán)色預(yù)警區(qū)，地下水資源尚有一定的開(kāi)發(fā)潛力，可以適當(dāng)開(kāi)采，但必須重視地下水位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果。第二部分是利用百分位圖甄別現(xiàn)狀地下水位，繪制小于目前埋深的頻率分布圖，灰色線條為頻率分布曲線，綠色的區(qū)域?yàn)槁裆钪敌∮诋?dāng)前埋深的頻率，數(shù)字為小于當(dāng)前埋深的頻率值。

利用地下水位預(yù)警判據(jù)模塊甄別現(xiàn)狀地下水埋深值，確定該監(jiān)測(cè)站現(xiàn)狀預(yù)警級(jí)別。由圖2可以看出，2017年10月該監(jiān)測(cè)站處于藍(lán)色預(yù)警區(qū)，在歷史監(jiān)測(cè)序列中，有28%的埋深值小于當(dāng)月埋深。

2.3 關(guān)中盆地地下水位點(diǎn)預(yù)警與區(qū)域預(yù)警

以關(guān)中盆地2017年12月平均埋深值作為現(xiàn)狀水位，利用上述方法對(duì)該研究區(qū)所選的95處監(jiān)測(cè)站的現(xiàn)狀埋深值進(jìn)行點(diǎn)預(yù)警，成果詳見(jiàn)表1。

在點(diǎn)預(yù)警的基礎(chǔ)上，根據(jù)關(guān)中盆地縣區(qū)分布及水文地質(zhì)單元分區(qū)，按照預(yù)警級(jí)別同級(jí)合并的原則，構(gòu)成地下水位區(qū)域預(yù)警結(jié)果，見(jiàn)圖3。

圖3 關(guān)中盆地預(yù)警監(jiān)測(cè)站2017年12月水位預(yù)警結(jié)果

從圖3可以看出，關(guān)中盆地中西部過(guò)量開(kāi)采程度大于東部地區(qū)。特別是寶雞市的鳳翔縣、扶風(fēng)縣，咸陽(yáng)市的乾縣、禮泉縣、涇陽(yáng)縣，西安市的周至縣等部分地區(qū)地下水位持續(xù)下降，2017年12月的埋深值已達(dá)到了歷史的95百分線以上，處于紅色預(yù)警區(qū)，主要由于該區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉用水量較大，地下水超采嚴(yán)重。關(guān)中盆地東部渭南市的大荔縣及蒲城縣部分地區(qū)也處于紅色預(yù)警區(qū)，主要由于大荔沙苑井灌區(qū)灌溉用水量大，地下水補(bǔ)給弱，蒲城地區(qū)工業(yè)用水量較大。渭河南岸，秦嶺北麓橙色預(yù)警區(qū)面積較大，特別是周至縣，大部為橙色預(yù)警，主要由于該地區(qū)地表水源截流、河流側(cè)向補(bǔ)給減少，經(jīng)濟(jì)作物灌溉用水量較大。黃色預(yù)警區(qū)主要集中在興平市以及西安城區(qū)，該地工業(yè)生活用水量較大。藍(lán)色預(yù)警區(qū)集中覆蓋咸陽(yáng)市大部分地區(qū)，無(wú)需預(yù)警區(qū)集中覆蓋渭南市大部分地區(qū)。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)本文利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)陜西省關(guān)中盆地地下水位預(yù)警進(jìn)行初步探索，通過(guò)理論實(shí)踐表明，該方法原理明確，操作性強(qiáng)，預(yù)警結(jié)果可靠，對(duì)該區(qū)域地下水可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用意義重大。

(2)關(guān)中盆地2017年12月的地下水位預(yù)警結(jié)果：西部地區(qū)紅色預(yù)警區(qū)范圍較大，中東部地區(qū)多為藍(lán)色預(yù)警區(qū)，渭河南岸橙色及黃色預(yù)警區(qū)范圍較大。

表1 關(guān)中盆地預(yù)警監(jiān)測(cè)站及地下水位預(yù)警結(jié)果一覽表

(3)預(yù)警結(jié)果表明，關(guān)中盆地扶風(fēng)、鳳翔、涇陽(yáng)等超采區(qū)地下水水位已經(jīng)處于歷史較低水位，紅色預(yù)警范圍較大，故須加強(qiáng)管理、科學(xué)規(guī)劃，切實(shí)有效保護(hù)地下水資源；另有興平、西安等超采區(qū)治理效果明顯，處于黃色預(yù)警區(qū)，但仍需加強(qiáng)預(yù)警，拓展地下水補(bǔ)給途徑，有效涵養(yǎng)地下水。

(4)地下水位預(yù)警研究意義重大，但目前仍不完善，今后應(yīng)完善站網(wǎng)基礎(chǔ)建設(shè)，保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)真實(shí)有效，加強(qiáng)理論研究與動(dòng)態(tài)管理，及時(shí)反饋預(yù)警結(jié)果，促進(jìn)地下水資源科學(xué)合理有效利用。