石家莊地區(qū)地下水流場演變驅(qū)動因素分析

石家莊地區(qū)地下水流場演變驅(qū)動因素分析

1氣候變化、人類活動和地下水流場異變之間關(guān)系近50年來，石家莊地下水流場發(fā)生了重大變化。石家莊地區(qū)是華北平原淺層地下水超采最為嚴(yán)峻的地區(qū),地下水位埋深從20世紀(jì)60年代初不足5m,增大至目前的30m之多,地下水漏斗區(qū)中心水位埋深曾達(dá)到54.4m(2002—2008年),降落漏斗面積不斷擴(kuò)大。由此引發(fā)了井群報廢、水質(zhì)惡化和第一含水層被疏干等一系列問題。石家莊地區(qū)地下水流場急劇變化(異變)的成因及其主導(dǎo)因素問題,事關(guān)該區(qū)地下水資源能否可持續(xù)利用,值得進(jìn)一步探討。眾多學(xué)者從氣候變化和人類活動等方面,對石家莊地區(qū)地下水流場發(fā)生異變的原因進(jìn)行了研究。朱延華等［1］認(rèn)為,石家莊地區(qū)水動力環(huán)境演化受開采量和降水量雙重影響,且開采量影響大于降水量。許月卿等［2］提出,地下水開采是影響河北平原地下水位下降的主導(dǎo)因素,其次是降水和地表徑流。王金哲等［3］對滹沱河流域人類活動干擾淺層地下水的強(qiáng)度進(jìn)行了量化研究,得出自20世紀(jì)60年代以來人類活動對淺層地下水的影響強(qiáng)度不斷加劇,經(jīng)歷了從一般性影響、不可忽視影響,最后演變?yōu)橹鲗?dǎo)影響因素3個階段［4］。徐宜亮等［5］發(fā)現(xiàn)石家莊平原區(qū)地下水?dāng)?shù)量變化與降水量之間具有明顯相關(guān)性。張光輝等［6］指出,開采量是滹沱河流域平原區(qū)地下水流場發(fā)生異變的主導(dǎo)因素,隨降水量減增,同期地下水補(bǔ)給量與開采量呈互逆變化規(guī)律［7］。YukunHu等［8］研究表明,農(nóng)業(yè)灌溉是引起石家莊地區(qū)地下水位下降的主要原因,農(nóng)業(yè)用水量減少25%,可以阻止地下水位下降,減少35%,可以使地下水位恢復(fù)到1956年的水平,且農(nóng)業(yè)灌溉的節(jié)水潛力較大［9］。但是,如何進(jìn)一步定量認(rèn)識氣候變化和人類活動對地下水流場的影響程度,從氣候變化的周期尺度把握氣候變化、人類活動和地下水流場異變之間的相互耦合規(guī)律,仍是需要深入研究的課題。本文從氣候變化、人類活動和地下水流場異變?nèi)哧P(guān)系入手,采用小波分析、模糊矩陣和相關(guān)分析等方法,深入解析該地區(qū)近50年來地下水流場發(fā)生異變的原因及驅(qū)動力。所有氣象、水文和地下水動態(tài)觀測資料源自河北省相關(guān)部門的長觀數(shù)據(jù)和近幾年來監(jiān)測、統(tǒng)測及試驗(yàn)數(shù)據(jù)。2地下水流場異變機(jī)制2.1研究區(qū)概況研究區(qū)(石家莊平原區(qū))地處太行山山前平原,總面積6976.4km2,多年平均降水量534.5mm,多年平均蒸發(fā)量1616.6mm,多年平均氣溫13.4℃。研究區(qū)上游有崗南和黃壁莊兩座大型水庫,總控制流域面積3.93萬km2,占流域總面積的94.8%。區(qū)內(nèi)主要河流為滹沱河,黃壁莊水庫修建前河道滲漏量為石家莊平原區(qū)地下水重要補(bǔ)給來源,水庫修建后僅豐水年汛期水庫棄水時,河道內(nèi)才有行洪過水。同時水庫副壩長期滲漏也是重要的補(bǔ)給來源,但2003年該副壩除險加固后,副壩滲漏量接近于零。石家莊平原區(qū)位于滹沱河沖洪積扇群上,包氣帶巖性為裸露砂礫石層,從扇軸部向兩側(cè)及下游,砂層厚度逐漸變薄,顆粒逐漸變細(xì)。在包氣帶中,分布不穩(wěn)定薄層亞黏土、黏土,垂向水力聯(lián)系較好。降水入滲為地下水主要補(bǔ)給來源,占總補(bǔ)給量的44.85%~63.67%;排泄以人工開采為主,多年平均開采量2.67億m3［7］。2.2地下水流場異變識別本文所述“異變”是指在氣候變化和人類活動影響下地下水流場的流向和水位等要素發(fā)生的異常變化。采用地下水降落漏斗演變趨勢與漏斗區(qū)地下水補(bǔ)給-開采均衡狀況(Re,即地下水補(bǔ)給量與開采量比值)演變趨勢對比分析的方法,確定地下水流場演變階段的時間結(jié)點(diǎn)。選擇“db3”小波函數(shù),對漏斗區(qū)中心水位埋深及面積時間序列進(jìn)行1~5a尺度的離散小波變換,對各尺度低頻逼近信號進(jìn)行單支重構(gòu)。選擇合適尺度的重構(gòu)信號,研判原序列要素的演變趨勢,并結(jié)合漏斗區(qū)地下水補(bǔ)給-開采均衡狀況(Re)演變特征,確定地下水流場演變階段的時間結(jié)點(diǎn)。2.3主導(dǎo)影響因素識別采用模糊一致矩陣法,計算地下水流場各演變階段的氣候變化和人類活動影響強(qiáng)度,識別主導(dǎo)影響因素。影響強(qiáng)度愈大,該影響因素在地下水流場異變過程中貢獻(xiàn)愈大;反之,該影響因素在地下水流場異變過程中貢獻(xiàn)愈小。3地下水流場變化通過對比發(fā)現(xiàn),2a尺度上的小波重構(gòu)信號(如圖2(a))能夠較好地反映原序列的演變趨勢(其余尺度重構(gòu)信號限于篇幅不再列出),地下水補(bǔ)給-開采均衡狀況演變趨勢如圖2(b)。從圖2可見,石家莊平原區(qū)地下水流場演變可分為4個階段:1961—1971年期間地下水流場以天然平衡特征為主,地下水補(bǔ)給量均大于開采量(Re>1),漏斗區(qū)中心水位埋深降速小于0.50m/a,面積增幅0.82km2/a,1964—1965年Re高達(dá)5.95和5.65,漏斗區(qū)中心水位埋深較1963年分別上升0.48m和0.44m;1972—1981年期間地下水流場以降落漏斗規(guī)模化擴(kuò)大特征為主,地下水補(bǔ)給量小于開采量的年份時有發(fā)生,漏斗區(qū)中心水位埋深降幅達(dá)0.93m/a,漏斗面積增幅7.32km2/a;1982—2004年期間以降落漏斗加劇擴(kuò)展特征為主,地下水補(bǔ)給量長期小于開采量(Re<1),漏斗區(qū)中心水位埋深降速達(dá)1.22m/a,漏斗面積增幅達(dá)12.75km2/a;2005—2010年期間,由于實(shí)施了關(guān)井壓采,加大地表水利用力度等措施,漏斗區(qū)中心水位埋深及面積逐漸趨于穩(wěn)定,水位降幅減至0.75m/a,漏斗面積增幅減至6.58km2/a。表1給出了各演變階段末漏斗區(qū)中心水位埋深及面積、漏斗區(qū)補(bǔ)給量與開采量比值(Re)的原始序列,其余年份限于篇幅不再列出。4相對重要性排序和降水影響4.1主要影響因素識別為了界定石家莊平原區(qū)地下水流場各演變階段的主導(dǎo)因素,根據(jù)實(shí)際調(diào)查、監(jiān)測和前期研究成果,選擇地下水流場變化的主要影響因素為:大氣降水、人工開采、河道滲漏、潛水蒸發(fā)和氣溫變化等因素,采用模糊一致矩陣法確定各要素的影響權(quán)重?；驹砣缦?首先,根據(jù)前節(jié)研究結(jié)果,即地下水流場各演變階段的特征及其地下水補(bǔ)給-開采均衡狀況,將選擇的主要影響要素(因子)按它們對地下水流場變化影響的“重要性”進(jìn)行定性排序。然后,按排序的“重要行”,分別進(jìn)行兩兩二元比較,例如開采量(dl)與降水量(dk)的“重要性”作二元比較。若dk比dl重要,取優(yōu)先度ekl=(0.6~1.0),elk=(0~0.5),且ekl+elk=1;若dk與dl同等重要,記ekl=0.5,elk=0.5;若dl比dk重要,記elk=(0.6~1.0),ekl=(0~0.5),且ekl+elk=1(k=1,2,…,5;l=1,2,…,5)。如此類推,最終得到各演變階段的優(yōu)先度矩陣。1961—1971年期間,地下水流場呈天然特征階段的相對重要性排序?yàn)?大氣降水>人工開采>河道滲漏等補(bǔ)給項>潛水蒸發(fā)等排泄項>氣溫。1972—1981年期間,地下水漏斗形成階段的相對重要性排序?yàn)?人工開采>大氣降水>河道滲漏等補(bǔ)給項>潛水蒸發(fā)等排泄項>氣溫。1982—2004年期間,地下水漏斗發(fā)展階段的相對重要性排序?yàn)?人工開采>大氣降水>河道滲漏等補(bǔ)給項>潛水蒸發(fā)等排泄項>氣溫。2005—2010年期間,地下水漏斗穩(wěn)定階段的相對重要性排序?yàn)?大氣降水=人工開采>河道滲漏等補(bǔ)給項>潛水蒸發(fā)等排泄項>氣溫。按人工開采、大氣降水、河道滲漏等補(bǔ)給項、潛水蒸發(fā)等排泄項和氣溫的順序進(jìn)行兩兩二元比較,得到最終優(yōu)先度矩陣:對優(yōu)先度矩陣進(jìn)行一致矩陣轉(zhuǎn)化和方根法歸一化后,得到最終的權(quán)重矩陣:地下水流場呈天然階段時,w1=(0.24,0.29,0.20,0.16,0.11);地下水漏斗形成階段,w2=(0.27,0.26,0.20,0.16,0.11);地下水漏斗發(fā)展階段,w3=(0.29,0.24,0.20,0.16,0.11);地下水漏斗穩(wěn)定階段,w4=(0.27,0.27,0.19,0.16,0.11)。從上述權(quán)重矩陣可見,在石家莊平原區(qū)地下水流場呈天然階段時,地下水流場演變的主導(dǎo)因素為大氣降水,貢獻(xiàn)度為29%,其次為人工開采,貢獻(xiàn)度為24%;在地下水漏斗形成階段,地下水流場演變的主導(dǎo)因素為人工開采,貢獻(xiàn)度為27%,降水貢獻(xiàn)度為26%;在地下水漏斗發(fā)展階段,地下水流場演變的主導(dǎo)因素仍為開采,其貢獻(xiàn)度較漏斗形成階段提高7.41%,降水貢獻(xiàn)度較漏斗形成階段下降7.69%;在地下水漏斗穩(wěn)定階段,開采和降水的貢獻(xiàn)度均為27%。4.2降水量影響將1961—2010年降水量序列進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后,采用Morlet小波函數(shù)對其進(jìn)行小波變換,得到圖3(小波系數(shù)和小波方差變化特征圖)。由圖3(a)可以看出,在5a、12a、24a尺度上,降水信號震蕩強(qiáng)烈,分別經(jīng)歷了由多(實(shí)線)到少(虛線),然后再到多的周期變化過程。其中,降水信號在5a尺度上小波方差的峰值最高,震蕩最為強(qiáng)烈(圖3(b)),表明5a尺度為主周期,其次為12a和24a。將降水信號在5a尺度上進(jìn)行連續(xù)小波變換,根據(jù)小波系數(shù)在時間尺度上正負(fù)相位的變化過程,得到豐水周期和枯水周期,如表2。從表2可見,隨著降水量減少,石家莊地下水降落漏斗中心水位埋深及面積總體上呈增大趨勢。在地下水流場呈天然特征階段時,枯水周期(1965—1967)較豐水周期(1961—1964)年均降水量減少286.43mm,對應(yīng)地下水漏斗面積增幅22.95km2/a,漏斗區(qū)中心水位埋深下降速率為0.30m/a。在地下水漏斗形成階段,枯水期(1972—1975)漏斗區(qū)中心水位埋深及面積年均變化分別是豐水期(1976—1978)的2.06倍和13.55倍,這是由降水量減少引起開采量增大后的雙重疊加效應(yīng)造成的。1979—1981年均降水量較枯水期(1972—1975)多28mm,對應(yīng)漏斗區(qū)中心水位埋深年均降幅由1.35m降為1.29m,漏斗面積增幅由13.55km2/a降為5.33km2/a。在地下水漏斗發(fā)展階段,1982—1985年均降水量為502mm,漏斗區(qū)中心水位埋深年均下降2.01m,面積年均擴(kuò)大14.75km2。當(dāng)年均降水量增大為536.93mm(2002—2004),漏斗區(qū)中心水位埋深降幅減至0.06m/a,漏斗面積年均擴(kuò)大幅度為13.50km2。在枯水期(1986—1988、1998—2001),年均降水量為478.7mm和445.0mm,對應(yīng)漏斗區(qū)中心水位埋深降幅分別為2.0m/a和2.4m/a,面積增幅分別為16.13km2/a和18.60km2/a。在地下水漏斗穩(wěn)定階段,隨降水量增大,漏斗區(qū)中心水位埋深及面積年均變化幅度均迅速減小。例如2008—2010年相對2005—2007年,年均降水量增加205.8mm,漏斗區(qū)中心水位埋深升幅為0.11m/a,漏斗面積增幅僅為2.63km2/a。以降水量與漏斗區(qū)開采量的比值(Pe)為橫坐標(biāo),漏斗區(qū)中心水位埋深及面積為縱坐標(biāo)建立相關(guān)關(guān)系,見圖4。由圖4可以看出,隨Pe值增大,石家莊地下水降落漏斗中心水位埋深及面積均呈冪函數(shù)減小趨勢。在Pe比值較小區(qū)域,趨勢線斜率較大;在Pe較大區(qū)域,趨勢線斜率較小。這表明在開采量一定前提下,相對豐水年份而言,枯水年份減少等量的降水量對地下水流場影響程度大。例如1966—1967年期間Pe由10.45增大到14.22,漏斗區(qū)中心水位埋深上升0.37m,漏斗面積縮小25.38km2,1995—1996年期間Pe由3.99增大到7.21,漏斗區(qū)中心水位埋深上升4.55m,漏斗面積縮小59.91km2。由圖4中冪函數(shù)關(guān)系式的一階導(dǎo)數(shù)計算可得,Pe每下降一個單位,枯水周期年份Pe對漏斗區(qū)中心水位埋深及面積的影響程度平均是豐水周期年份的1.8倍和1.9倍。4.3開采程度影響相關(guān)分析發(fā)現(xiàn),研究區(qū)地下水降落漏斗中心水位埋深及面積與區(qū)內(nèi)凈補(bǔ)給量和開采量密切相關(guān)。現(xiàn)以該區(qū)地下水補(bǔ)給量與開采量的比值(Re)大小來表征開采程度。當(dāng)Re等于1.0時,表征地下水處于補(bǔ)給-開采平衡狀態(tài);當(dāng)Re小于1.0時,表征地下水處于超采狀態(tài);當(dāng)Re大于1.0時,表征地下水處于正平衡狀態(tài)。以Re為橫坐標(biāo),漏斗區(qū)中心水位埋深及面積為縱坐標(biāo)建立相關(guān)關(guān)系,見圖5。由圖5可知,隨著Re值的增大,研究區(qū)地下水降落漏斗中心水位埋深及面積均呈冪函數(shù)減小趨勢。在補(bǔ)給-開采平衡位置(Re=1),對應(yīng)的地下水降落漏斗中心水位埋深為21.11m,漏斗面積為185.0km2。當(dāng)Re大于1時,趨勢線斜率較小;當(dāng)Re小于1時,趨勢線斜率很大,說明當(dāng)?shù)叵滤幱诔蔂顟B(tài)時,漏斗區(qū)中心水位埋深及面積對超采程度十分敏感,即超采程度(Re值愈小)愈嚴(yán)重,單位數(shù)量的超采量引起的漏斗區(qū)中心水位埋深降幅或漏斗面積增幅愈大;反之,單位數(shù)量的超采量引起的漏斗區(qū)中心水位埋深變幅或漏斗面積變幅愈小。例如1963—1964年地下水凈補(bǔ)給量增加2.70億m3,對應(yīng)Re值介于2.69~5.95,漏斗區(qū)中心水位埋深變幅0.48m,漏斗面積變幅5.10km2,而1986—1987年地下水超采量增加0.67億m3,對應(yīng)的Re值為0.51~0.30,漏斗區(qū)中心水位埋深增加3.35m,漏斗面積增幅36.0km2。由此可見,連續(xù)枯水年份是地下水流場異常變化的主要時期。4.4上游水利工程影響1958年以來,崗南和黃壁莊水庫等蓄水工程先后修建,導(dǎo)致滹沱河平原段徑流量銳減,多年平均徑流量只有1.07億m3/a,1980年以后滹沱河平原區(qū)段長期斷流,只有1988—