秦隆宇

(葫蘆島平山供水有限責(zé)任公司，遼寧 葫蘆島 125000)

葫蘆島市工農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展所需水資源主要來源于對地下水的開采，地下水資源占總供水量的70%～80%。并且，近30年來葫蘆島市的氣候變化較為顯著，地表氣溫增加約1.2℃。葫蘆島市地下水循環(huán)方式與通量大小已發(fā)生了較為顯著的變化，并因此產(chǎn)生了地面沉降、地下水位下降等眾多地質(zhì)問題。地質(zhì)學(xué)和水文學(xué)者對人為和自然因素引起該區(qū)域地下水位下降的變化規(guī)律進(jìn)行了定性分析，例如對典型漏斗區(qū)地下水開采量、水位和降水的關(guān)聯(lián)度，利用灰度關(guān)聯(lián)法進(jìn)行了研究分析；對地下水水位下降驅(qū)動因子，利用投影尋蹤歸回模型進(jìn)行定性的分析[1- 4]。以往對地下水水位變化因素的研究往往忽略了經(jīng)濟(jì)和社會因子對引起地下水變化的影響作用，并且針對某區(qū)域的定量化分析研究相對較少。據(jù)此，本文采用水面蒸散發(fā)、氣溫和降雨等氣候環(huán)境因素并結(jié)合地表徑流量、人口數(shù)量、糧食產(chǎn)量和工業(yè)總產(chǎn)值等人類活動因素對葫蘆島市地下水位變化趨勢利用M-K法進(jìn)行了分析，然后對該區(qū)域地下水水位變化的主要影響因素，聯(lián)合運(yùn)用主成分回歸分析法和灰色系統(tǒng)理論進(jìn)行定量的識別，以期為該區(qū)域地下水變化規(guī)律、區(qū)域經(jīng)濟(jì)、自然和社會的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展提供一定的參考和依據(jù)[5]。

1 區(qū)域概況

葫蘆島市位于遼寧省西南部，區(qū)域面積約為1.02萬km2，年平均降雨量約為61.09億m3，地表水資源18.02億m3，地下水資源量為5.78億m3；地下水第Ⅰ含水層是葫蘆島市淺層地下水的主要類型，淺層承壓水、微承壓水和潛壓水是其主要水力特征。地層構(gòu)造屬于Qh+p3時代，含水層深度處于25～70m區(qū)間。葫蘆島市淺層地下水由南至北可分為咸水、淺層淡水和全淡水，其含水層巖層顆粒自南而北，自東西兩側(cè)向中間部位受河流沖擊扇和山前沖擊扇群的作用影響整體為由粗變細(xì)，其涌水量分別由400～1200m3/d減少為80～400m3/d，淺層水具有補(bǔ)給條件好、含水分豐富和水質(zhì)淡等特征。大氣降水是葫蘆島市地下淺層水補(bǔ)給的主要來源，而地下開采和蒸發(fā)擴(kuò)散是其排泄的主要方式，并以農(nóng)業(yè)季節(jié)性開采作為地下水排泄的主要途徑，同時部分地下水資源被排入水庫、河流和水塘等轉(zhuǎn)化為地表水。含水層厚度一般為10～25m，局部地勢較高區(qū)域?yàn)?5～40m。

2 數(shù)據(jù)來源與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究選取葫蘆島市1986—2015年近30a的地下水位影響因子及埋深年實(shí)測數(shù)據(jù)，其中地下水水位數(shù)據(jù)來源于葫蘆島市水資源管理辦公室、遼寧省葫蘆島水文局等單位；依據(jù)北地區(qū)地下水可持續(xù)利用圖集，收集并整理了1992、2005、2012年淺層地下水水位等值線圖，其他年份的數(shù)據(jù)參考相關(guān)文獻(xiàn)并利用地下水?dāng)?shù)值模型反演計(jì)算結(jié)果。利用中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺獲取水面蒸發(fā)、氣溫以及降水等氣象資料，對年氣溫數(shù)據(jù)和年降水通過全國氣溫和降水的月格點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行Arcgis重采樣、提取等獲取，蒸散發(fā)數(shù)據(jù)來源于葫蘆島市各氣象站。根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局獲取社會、經(jīng)濟(jì)因子，而地下水開采量利用相關(guān)文獻(xiàn)和統(tǒng)計(jì)資料獲取，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)和數(shù)據(jù)資料獲取地表徑流量等數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

M-K檢驗(yàn)法是一種檢驗(yàn)時間序列變量變化趨勢的非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法。定義S為M-K法的統(tǒng)計(jì)量，其標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)計(jì)量采用z進(jìn)行表征并符合正態(tài)分布特征。標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)計(jì)量z的正負(fù)代表序列變化趨勢，其值為正則代表上升的變化趨勢，其值為負(fù)則代表下降的變化趨勢。然后給定一定的置信水平α，假如z≥z1-α/2則表示不滿足原假設(shè)條件，時間序列數(shù)據(jù)在α置信水平上表現(xiàn)出顯著的下降或上升趨勢，并用Kendall斜率β代表序列上升或下降趨勢的大小。本研究對水面蒸發(fā)、氣溫以及降水等氣象要素利用Fortran語言編程進(jìn)行變化趨勢的計(jì)算和表征。

GRAY即灰色關(guān)聯(lián)分析是由鄧聚龍[6]在20世紀(jì)80年代首次提出用于解決信息不完全、數(shù)據(jù)缺失等不確定問題的灰色系統(tǒng)理論。地下水系統(tǒng)問題可利用灰色系統(tǒng)理論進(jìn)行處理和分析?；疑P(guān)聯(lián)是指主行為因子與系統(tǒng)因子之間的不確定性關(guān)聯(lián)或事物之間的不確定性關(guān)聯(lián)。據(jù)此，本文采用關(guān)聯(lián)度γi進(jìn)行定量分析和表征，通過對γi的計(jì)算實(shí)現(xiàn)地下水埋深與各影響因子之間的關(guān)聯(lián)程度反映。

本文結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)分析對地下水各影響因子和埋深利用SPSS18.0進(jìn)行主成分回歸分析，對人類活動和氣候變化引起的地下水位下降貢獻(xiàn)率進(jìn)行定量的解釋和分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 地下水水文動態(tài)變化規(guī)律

葫蘆島市地下水埋深在1986年最淺，為6.2m，在1986—2015年平均地下水整體呈上升趨勢，如圖1所示。由圖可知，1986—1992年地下水埋深處于波動中逐漸增加趨勢，增加幅度為0.33m/a，在1992—2004地下水埋深增大幅度較大，并達(dá)到0.64m/a，在2005—2015年地下水埋深表現(xiàn)為波動上升。

圖1 葫蘆島市地下水埋深在1986—2015年的變化情況

3.2 影響因素分析

葫蘆島市在研究區(qū)間的蒸發(fā)量、氣溫以及降水等因素的變化情況如圖2所示。研究區(qū)域年平均降水量在30年來的平均值為526mm，并且在年際尺度上表現(xiàn)出較大的變化趨勢。年降水量最大值和最小值分別為896.42、325mm，分別發(fā)生在1988和1991年。對葫蘆島市近30年來的降水趨勢利用M-K法進(jìn)行分析，趨勢檢驗(yàn)結(jié)果z為-1.46，β為-1.77，由此表明該區(qū)域降水量在近30年來表現(xiàn)出逐漸降低趨勢。在置信水平α為0.01、0.05和0.1上，由于z=1.62

葫蘆島市30年來平均氣溫為12.23℃，最高和最低氣溫分別出現(xiàn)在1998年和1992年，溫度分別為14.36℃和10.28℃。在置信水平α為0.01、0.05和0.1上，該區(qū)域近30年的氣溫變化表現(xiàn)出顯著增大趨勢，增大幅度為0.26℃/10a。

多年蒸發(fā)量平均水平為1748.1mm，并在年際尺度上為較大的變化區(qū)間。年蒸發(fā)量最大值和最小值分別為2185.4、1266.8mm，分別出現(xiàn)在1996、1993年，在0.01、0.05和0.1置信水平上M-K法結(jié)果顯示蒸發(fā)量在30年來表現(xiàn)出上升趨勢，且顯著性不明顯。

結(jié)合水庫修建和地下水開采2個方面引起的地表徑流量改變對人類活動影響進(jìn)行分析，將地下水開采結(jié)合用水結(jié)構(gòu)可采用人口數(shù)量、糧食產(chǎn)量以及工業(yè)總產(chǎn)值指標(biāo)進(jìn)行表征，并以此對社會、經(jīng)濟(jì)與地下水變化之間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行表征[7]。

圖2 葫蘆島市氣候要素各指標(biāo)年平均變化情況

葫蘆島市人類活動各因素指標(biāo)在近30年的變化趨勢如圖3所示。由圖3可知，葫蘆島市人口數(shù)量、糧食產(chǎn)量以及工業(yè)總產(chǎn)值整體呈上升趨勢，其中1986—1992年農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值相對穩(wěn)定，此期間年均增長速率約為62.8×108元/a；增加最快的期間為1993—2006年，其增長速率約為988.6×108元/a；2007至今一直處于較高的增長速率。1988—1996年的糧食產(chǎn)量增速較快，為72.5×104t/a；1997—2001年增長速率達(dá)到最大值為86.2×104t/a，此后在2001—2006年出現(xiàn)一定的快速回落，2007—2015年又重新進(jìn)入高速增長狀態(tài)，其增長速度為91.4×104t/a。在研究期間葫蘆島市的人口數(shù)量一直處于快速增長的趨勢，并且隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，地下水開采表現(xiàn)出迅速增長的趨勢。葫蘆島市地下水在近30年來的開采量平均值約為12.8×108m3，地下水開采量最大值和最小值分別出現(xiàn)在2007年和1986年，分別超過160m3和低于40m3。

1986—2015年地表徑流量變化趨勢如圖3(d)所示，徑流量在20世紀(jì)90年代相對較少，而在近十幾年來顯著降低，甚至出現(xiàn)流量監(jiān)測不到的情況，其原因主要與水庫攔蓄等因素相關(guān)。自1986年以來，葫蘆島市修建了大量的水利工程，地表徑流量大部分都被水庫攔蓄，引起了河流的斷流等現(xiàn)象。河流入河和入滲量的顯著降低導(dǎo)致對地下水補(bǔ)給量的降低，并因此引起該區(qū)域地下水位的改變[8]。

3.3 主導(dǎo)因素定量識別

利用灰色關(guān)聯(lián)對社會、自然和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與地下水埋深之間的關(guān)聯(lián)程度進(jìn)行確定和計(jì)算[9]，其中參考序列為選定的地下水埋深指標(biāo)并作為因變量X0，其他各指標(biāo)如人口、糧食、工業(yè)產(chǎn)值、氣溫、降水、地表徑流以及降水等作為自變量分別為X1、X2、X3、X5、X6、X7進(jìn)行表示，其中前3個指標(biāo)作為自然因素，而后4個指標(biāo)作為人類活動因素，選取時間序列為30年?；谊P(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果見表1。由表1可知，對地下水埋深影響最大的指標(biāo)為糧食產(chǎn)量，而人口水量的影響作用其次，其他各指標(biāo)如工業(yè)產(chǎn)值、降水、氣溫等對地下水影響較低。綜上所述，對地下水水位有較大影響的參數(shù)指標(biāo)為糧食作物種植等農(nóng)業(yè)活動，該研究結(jié)論與其它研究成果具有良好的一致性。

表1 地下水位與各影響要素的灰關(guān)聯(lián)度(γ)計(jì)算結(jié)果

通過對各指標(biāo)的灰關(guān)聯(lián)分析認(rèn)為可不必考慮地表徑流以及工業(yè)總產(chǎn)值指標(biāo)的作用影響，然后對人類活動和氣候變化對地下水的影響可通過其他各指標(biāo)的主成分分析進(jìn)行定量識別。選取指標(biāo)X1、X2、X3、X4、X5作為影響因子，選取響應(yīng)人類活動和氣候變化的定量指標(biāo)為地下水埋深y。利用主成分分析可對各指標(biāo)的貢獻(xiàn)率、特征值以及相關(guān)系數(shù)矩陣進(jìn)行求解，結(jié)果見表2—4。

表2 地下水水位各影響因子關(guān)系系數(shù)矩陣

圖3 葫蘆島市人類活動要素各指標(biāo)年平均變化情況

表3 相關(guān)系數(shù)矩陣特征值及貢獻(xiàn)率

表4 相關(guān)系數(shù)矩陣特征值向量

結(jié)合相關(guān)系數(shù)矩陣計(jì)算將可知，各影響要素之間具有較強(qiáng)的相關(guān)性，特別是水面蒸發(fā)量和降水之間、人口和糧食產(chǎn)量之間，由此表明各要素之間具有多重共線性。相關(guān)系數(shù)矩陣特征值貢獻(xiàn)率計(jì)算結(jié)果表明，前2個指標(biāo)的累積方差貢獻(xiàn)率為91.081%；由此說明此2個主成分指標(biāo)可替代大部分原指標(biāo)信息，結(jié)合表4計(jì)算結(jié)果，各指標(biāo)要素的主成分表達(dá)式如下：

F1= -0.548X1+0.785X2+ 0.296X3+0.871X4+0.905X5

(1)

F2= 0.682X1+0.031X2-0.842X3+0.357X4+0.328X5

(2)

根據(jù)上述主成分線性分析結(jié)果，對F1結(jié)果影響最大的指標(biāo)為X5和X4，二者的系數(shù)值最大，由此說明對地下水埋深影響貢獻(xiàn)率最大的為人口和糧食產(chǎn)量，此研究結(jié)果與實(shí)際狀況相符。地下水開采量隨著人口和糧食產(chǎn)量的增大而增加，因此造成地下水位的下降。所以，人類活動可作為F1第一主成分因子；X3和X1系數(shù)最大為-0.842和0.682，對F2值的影響最為顯著，由此表明地下水埋深受降水和水面蒸發(fā)量的影響最大。所以，氣候變化可作為F2第二主成分因子。因此，氣候因子和人類活動因子之間不存在共線性，二者相互獨(dú)立并代表了原指標(biāo)的大部分有效信息進(jìn)而可進(jìn)行多元線性回歸分析。

根據(jù)多元線性回歸理論可設(shè)定自變量為氣候變化F2和人類活動F1因子，因變量選取地下水埋深y并進(jìn)行多元線性回歸。線性回歸方差利用最小二乘估算參數(shù)法可表示為y=0.001+0.357F1+0.226F2。對因變量和自變量的相關(guān)系數(shù)利用模型進(jìn)行計(jì)算最終得到相關(guān)系數(shù)R、決定系數(shù)R2分別為0.956和0.911，調(diào)整后決定系數(shù)R2為0.905，估計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.28，檢驗(yàn)值為244.614，顯著性概率符合標(biāo)準(zhǔn)要求，由此表明可采用模型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析研究。根據(jù)各影響因子對地下水埋深變化的貢獻(xiàn)率可知，人口和糧食產(chǎn)量對地下水埋深的影響最為顯著，二者的貢獻(xiàn)率分別為61.8%和38.2%。由此表明，葫蘆島市地下水水位在近30年來產(chǎn)生變化的主要原因?yàn)槿祟惢顒樱瑲夂蛞蜃咏邓龠M(jìn)了該區(qū)域地下水的下降速度。

3.4 不確定性分析

考慮到研究區(qū)域數(shù)據(jù)資料的難獲取性、影響因素的多樣性，本文對個別數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理并因此造成評價結(jié)果的不確定性，主要可表現(xiàn)為以下方面：

(1)采用區(qū)域平均值對地下水影響因子和埋深變化進(jìn)行分析。葫蘆島市地下水面積較大且影響因素較多并具有不同的地質(zhì)特征，因此要充分考慮到區(qū)域面積大并具有漏斗型地下水特征，大部分區(qū)域的地下水埋深表現(xiàn)為區(qū)域上的共性，并且不再是自然條件下的狀況，因此對各指標(biāo)要素和地下水埋深進(jìn)行平均化處理對結(jié)果的影響會較低[10]。

(2)對識別結(jié)果利用主成分回歸和灰色關(guān)聯(lián)分析可在一定程度上提高結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性，然而該方法為統(tǒng)計(jì)方法對于歷史資料的準(zhǔn)確性依賴程度較高?？紤]到地表徑流數(shù)據(jù)的影響因素等可造成評價結(jié)果的不確定性，對地表徑流量按照已知年份進(jìn)行推求，而水面蒸發(fā)量是利用水文站的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行推求的。因此，進(jìn)一步造成了序列結(jié)果的不確定性。

(3)葫蘆島市地下水位下降因素經(jīng)過一系列的推導(dǎo)和求解，最終確定為人類活動為主導(dǎo)因素，對地下水位下降貢獻(xiàn)率高達(dá)61.8%。然而，該人類活動并未包含工業(yè)總產(chǎn)值指標(biāo)而僅僅是人口和農(nóng)業(yè)活動的疊加?？紤]到社會和地下水系統(tǒng)都較復(fù)雜，并且各影響要素之間存在非線性關(guān)系，因此地下水埋深在工業(yè)產(chǎn)值之間的灰色關(guān)系分析中存在較少關(guān)聯(lián)度，進(jìn)而可對分析結(jié)果造成一定的不確定性。

4 結(jié)論

(1)1986—1992年地下水埋深處于波動中逐漸增加趨勢，增加幅度為0.33m/a；1992—2004年地下水埋深增大幅度較大，達(dá)到0.64m/a；2005—2015年地下水埋深表現(xiàn)為波動上升。

(2)對地下水埋深影響最大的指標(biāo)為糧食產(chǎn)量，其次是人口水量，其他各指標(biāo)如工業(yè)產(chǎn)值、降水、氣溫等對地下水影響較低。對地下水水位有較大影響的參數(shù)指標(biāo)為糧食作物種植等農(nóng)業(yè)活動，該研究結(jié)論與其它研究成果具有一致性。

(3)根據(jù)多元線性回歸理論可設(shè)定自變量為氣候變化F2和人類活動F1因子，因變量選取地下水埋深y并進(jìn)行多元線性回歸。人口和糧食產(chǎn)量對地下水埋深的影響最為顯著，二者的貢獻(xiàn)率分別為61.8%和38.2%，葫蘆島市地下水水位在近30年來產(chǎn)生變化的主要原因?yàn)槿祟惢顒?，氣候因子降水促進(jìn)了該區(qū)域地下水的下降速度。