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王 通，徐征和，张立志，赵志强 （济南大学资源与环境学院，山东济南250022） 摘 要：为促进引黄灌区地下水资源可持续利用，保障灌区地下水良性循环，以济南市邢家渡引黄灌区为研究对象，基于1986—2013年灌区相关数据，采用趋势分析方法、ArcGIS软件和灰色关联分析法研究灌区地下水位动态变化特征及驱动因素对地下水的影响。结果表明：灌区降水量和蒸发量分别呈现非显著性增大和减小趋势，而灌区总用水量、地表水灌溉量和地下水开采量分别具有显著增大、减小和增大趋势。灌区地下水位动态变化分为水位抬升期（1986—1995年）、水位下降期（1996—2000年）和水位平稳期（2001—2013年）3个阶段。1990—2010年，灌区上游和中游地下水位较高，水位有小幅下降；灌区下游地下水位较低，水位下降幅度较大。灌区地下水位动态变化驱动因素的灰色关联度有很大差异，自然因素（关联度均大于0.65）对灌区地下水位动态变化具有较大影响，人为因素对地下水影响程度因地区而异，灌区上游、中游主要受地表水灌溉影响，而下游受地下水开采影响程度较大。 关键词：地下水位；动态变化；驱动因素；灰色关联法；邢家渡引黄灌区 随着社会经济的快速发展，引黄灌区水资源供需矛盾日益突出。为保障灌区农业稳定发展，一般采取开采地下水、跨区域调水、节水等措施解决当地水资源短缺问题。开采地下水直接影响灌区地下水循环，导致一些区域出现大面积地下水超采漏斗、地面塌陷、地下水环境恶化、土壤盐渍化等问题。分析引黄灌区地下水时空变化特征，摸清灌区地下水循环规律，对促进灌区地下水资源可持续利用具有重要意义。 近些年来，国内外学者对灌区地下水动态变化特征及驱动因素开展了大量研究。郝芳华等［1］以内蒙古河套引黄灌区为研究对象，利用水量均衡法和Hydrus模型研究引黄灌区补、径、排之间的转换关系，模拟分析了不同供水量下河套灌区的地下水位和水质的演变规律；Cuan Petheram等［2］在澳大利亚北部布尔德灌区气候和水文趋势研究的基础上，分析地下水位动态变化的影响因素，通过合理的灌区管理措施防止水位持续下降；Ofer Dahan等［3］在美国内华达州北部灌区采用多变量单元模型和MODFLOW模型分析研究长期农业活动对地下水平衡的影响，分析了河流、引水等地表水对地下水位的影响；姜秀芳等［4］、王建莹等［5］分析了灌区地表水灌溉、农业种植结构等与地下水位的响应关系，摸清了地下水动态变化影响因子；谢正辉等［6］、陈皓锐等［7］基于MODFLOW等数值模拟软件构建地下水系统模型，研究气候变化条件下地下水位的变化规律；张文化等［8］从流域地下水循环的角度，采用主成分回归方法耦合分析气候变化和人类活动对地下水动态的影响，定量确定了各因素的影响程度；陈军锋等［9］基于黑河沿岸灌区的水文和地下水位资料，选用Mann-Kendall方法研究不同季节地下水位的影响因素；吉喜斌等［10］采用帕森斯季节性指数理论，构建黑河中游灌区季节性地下水位动态变化预测模型，通过预测检验表明模型模拟精度较高。 灌区地下水系统属于自然-人工复合系统，不仅受降水、蒸发等自然因素的影响［11］，而且受地下水开采、地表水灌溉等人类活动的影响［12］。笔者以济南市邢家渡引黄灌区为研究对象，研究灌区的气候条件（降水和蒸发）和人为因素（地表水灌溉和地下水开采）的变化趋势，分析灌区地下水位的时空变化特征及各因素对水位变化的影响程度，旨在为灌区应对气候变化、合理开发地下水、水资源优化配置和土壤盐渍化治理等提供理论依据。 1 研究区概况及数据来源1.1 研究区概况 邢家渡引黄灌区位于济南市北部，南邻黄河，由天桥区济阳县和商河县共29个乡（镇）组成，地处东经116°52′—117°27′、北纬36°47′—37°32′，属大陆性季风气候区，多年平均降水量和水面蒸发量分别为573.2、1 171.0 mm，降水多集中于夏季和秋初。灌区总面积1 184.2 km2，实际灌溉面积为620.4 km2。 邢家渡引黄灌区位于黄河下游冲积平原，地形较为平坦，地势自西南向东北倾斜，地面高程为8.3～23.8 m，地面坡降平均为1／7 000。灌区北靠德惠新河，南邻黄河，徒骇河自西南向东北方向横穿整个灌区，而徒骇河、德惠新河及其支流是灌区主要的排水河道。灌区以徒骇河—牛王渡槽一线为界，按自然地形、水利工程分布、灌溉水源以及引黄干渠位置自南向北将灌区划分为上游、中游和下游，其中：灌区上游灌溉水源以黄河水为主，中游以黄河水和徒骇河水为主，下游则以地下水为主。灌区上游和中游为自流灌溉与提水灌溉混合灌区，灌区下游主要为井灌区。 1.2 数据来源 本文所采用的历年降水量、蒸发量、地表水灌溉量以及灌区地下水位等资料来源于济南市水文局、邢家渡引黄灌区管理处和灌区实地调研及统计年报。灌区用水量资料序列长度为10 a（2004—2013年），其他资料序列长度均为28 a（1986—2013年）。数据分析和审查表明，资料具有良好的可靠性和准确性。 2 地下水影响因素及变化趋势邢家渡引黄灌区地下水系统属于自然-人工复合系统，其动态变化主要受降水、蒸发等自然因素和地下水开采、地表水灌溉等人为因素影响，通过影响地下水循环中的补、径、排过程，改变地下水均衡状态，最终表现为地下水位动态变化。依据灌区相关数据，采用线性趋势回归检验法［13］、Mann-Kendall检验法［14-15］和R／S分析方法［16-17］分析自然和人为因素的变化趋势。 2.1 自然因素及变化趋势 降水和蒸发不仅是灌区水循环的重要组成部分，而且是地下水动态变化的重要影响因素。依据1986—2013年水文数据分析灌区历年降水量和蒸发量的变化趋势。灌区多年平均年降水量为573.2 mm，降水量年际变化幅度较大，最大年降水量为912.6 mm（1990年），最小年降水量为275.7 mm（1989年）。灌区多年平均水面蒸发量为1 171.0 mm，其中：最大年水面蒸发量为1 470.5 mm（1989年），最小年水面蒸发量为884.5 mm（1994年），见图1。由图1可知，年均降水量呈略微增大趋势，增速为1.7 mm／a；降水具有丰枯交替变化特征，如2005年降水量为676.3 mm，2007年降水量为426.1 mm，2009年降水量为733.4 mm；蒸发量总体呈略微减小趋势，减速为3.6 mm／a，年际有增大和减小交替变化特征。  图1 1986—2013年灌区年降水量和蒸发量变化趋势 依据灌区降水和蒸发资料，分别采用线性趋势回归检验法、Mann-Kendall检验法和R／S分析法对自然影响因素的变化趋势进行显著性分析，结果见表1。通过对比发现，3种方法的检验结果一致，表明自然因素变化趋势不明显。结合图1可知，降水量和蒸发量未呈现显著变化，但是灌区年均水面蒸发量明显大于年均降水量，二者比值为1.98，表明灌区蒸发作用强烈，降水无法有效补给地下水。 表1 自然影响因素变化趋势显著性分析结果  自然因素线性趋势回归检验Mann-Kendall检验R／S分析统计量D是否显著标准统计量U是否显著赫斯特指数H是否显著降水量1.05否0.96否0.48否水面蒸发量-0.99否-0.87否0.43否 2.2 人为因素及变化趋势 随着灌区建设和经济发展，灌区总用水量不断增大，人为因素对区域地下水系统的影响程度也越来越大。人为因素主要包括地表水灌溉和地下水开采，通过改变灌区地下水系统的补给和排泄条件，直接影响地下水位动态变化［18］。 2.2.1 灌区用水量及变化趋势 根据2004—2013年邢家渡引黄灌区用水量统计数据可知，灌区平均年用水量为3.44亿m3，其中：农业用水占63.9%，工业用水占16.7%，其他用水占19.4%。灌区历年用水量见图2，由图2可知，灌区用水量呈增大趋势，增速为0.04亿m3／a。采用趋势检验方法对灌区用水量变化趋势进行显著性分析，结果见表2。由表2可知，3种趋势分析法的检验结果均表明灌区用水量具有显著性增大趋势。  图2 2004—2013年灌区年用水总量及变化趋势 表2 人为因素变化趋势显著性分析结果  线性趋势回归检验Mann-Kendall检验R／S分析人为因素统计量D是否显著标准统计变量U是否显著赫斯特指数H是否显著灌区用水量2.89是3.81是0.93是地表水灌溉量-3.27是-2.87是0.91是地下水开采量2.64是2.36是0.84是 2.2.2 地表水灌溉量及变化趋势 邢家渡引黄灌区地表水灌溉水源主要来自黄河、徒骇河等，引水集中于每年3—5月和9—10月，期间灌溉水量约占全年总灌溉水量的75%。灌区多年平均地表水灌溉水量为1.41亿m3，其中引黄河水占73.6%，引其他河水占26.4%。灌区历年地表水灌溉量见图3。受灌溉工程设施不完善、水资源利用率低等因素影响，灌区不同区域地表水灌溉量具有较大差异，其中：灌区上游地表水灌溉量较大，年均为0.71亿m3，下游年均灌溉量为0.28亿m3。由图3可知，灌区地表水灌溉量有波动减小趋势，减幅为367.6万m3／a；灌区不同区域的地表水灌溉量与全灌区减小趋势具有明显的一致性，但各区域减速不同，上游减速为162.9万m3／a，中游为115.3万m3／a，下游为89.4万m3／a。 采用上述3种检验方法对灌区地表水灌溉量的变化趋势进行显著性分析，结果见表2。由表2可知，3种检验结果均表明地表水灌溉量具有显著减小趋势。根据黄河水权分配，邢家渡引黄灌区年引黄水量定额为1.29亿m3，而灌区用水量具有增大趋势，将导致地下水开采量增大，不利于灌区地下水系统稳定发展。  图3 1986—2013年灌区地表水灌溉量及变化趋势 2.2.3 地下水开采量及变化趋势 邢家渡引黄灌区多年平均地下水开采量为0.60亿m3，占灌区地下水可开采量的33.2%，其中：灌区上游、中游和下游地下水开采量分别为0.11亿、0.17亿、0.32亿m3，分别占全灌区的18.9%、28.2%和52.9%。灌区1986—2013年地下水开采量及变化趋势见图4。  图4 1986—2013年灌区地下水开采量变化趋势 由图4可知：灌区地下水开采量呈现波动增大趋势，增速为200.8万m3／a；灌区上游、中游和下游地下水开采量与全灌区的增大趋势有明显的一致性，而灌区下游增大趋势比上游和中游明显，其中上游增速为31.9万m3／a、中游为60.96万m3／a、下游为108.0万m3／a。 采用上述3种检验方法对灌区地下水开采量变化趋势进行显著性分析，结果见表2。由表2可知，3种检验结果均表明地下水开采量具有显著增大趋势。 3 地下水位时空变化特征分析3.1 地下水位时间变化特征 地下水位动态变化特征直接反映灌区地下水系统的水量均衡状态和补给排泄特征。邢家渡引黄灌区内共布置了16眼地下水位观测井。根据灌区地下水位数据分别统计1986—2013年全灌区和灌区上游、中游、下游年平均地下水位，并绘制地下水位动态变化曲线，见图5。  图5 1986—2013年灌区年均地下水位变化情况 由图5可知，邢家渡引黄灌区1986—2013年地下水位变化大致可分为3个时期：1986—1995年为水位抬升期，1996—2000年为水位下降期，2001—2013年为水位平稳期。1986—1995年，灌区年均地下水位抬升0.75 m，灌区上游、中游、下游均有不同程度的抬升，如上游和下游分别抬升1.13、0.63 m；1996—2000年灌区年均地下水位下降1.36 m，其中灌区上游、中游均下降1.2 m左右，下游下降2.3 m左右，灌区下游6号观测井水位下降了3.8 m；2001—2013年灌区年均地下水位抬升0.84 m，上游、中游和下游分别抬升1.03、0.68、1.25 m。1986—2013年，灌区上游、中游地下水位基本保持平稳，而灌区下游水位有波动下降趋势，如78号井和88号井近10 a地下水位分别下降了0.87、1.86 m。 3.2 地下水位空间变化特征 灌区水文地质条件和地下水补给、排泄条件在空间上具有差异性，导致地下水位在空间上呈现不同的变化特征。为分析邢家渡引黄灌区地下水位空间变化特征，选择灌区内均匀分布的16眼观测井，采用ArcGIS软件中的Kriging空间插值法［19］分别对1990年、2010年灌区地下水位和1990—2010年地下水位下降深度进行空间插值。各年份地下水位和灌区地下水位下降深度空间分布见图6。 由图6（a）和图6（b）可知，邢家渡引黄灌区南部区域地下水位高、北部区域水位低，与灌区地势变化趋势一致。1990—2010年，灌区上游地下水位较高，为18.00～22.00 m；灌区中游地下水位为12.00～18.00 m；灌区下游地下水位较低，为9.08～12.00 m（西部水位最低，为9.08 m）。分析图6（c）可知：1990—2010年，灌区上游和中游地下水位下降幅度较小，为0.30～0.60 m，局部为0.60～0.90 m，原因是该区域可利用地表水资源较丰富，地下水开采量较少，并邻近黄河，对该区域地下水的补给强度较大；灌区下游地下水位下降较明显，降幅为1.45～2.03 m，其中下游西部区域水位下降幅度最大（6号观测井地下水位下降了2.97 m），原因是该区域灌溉工程不完善，地下水开采量较大。  图6 邢家渡引黄灌区地下水位分布情况 4 地下水位动态变化驱动因素分析基于上述分析可知，邢家渡引黄灌区不同区域地下水动态时空变化特征具有很大差异。不同区域地下水位受不同驱动因素的影响，而各因素对地下水系统的影响程度也不相同。为合理分析各驱动因素在灌区不同区域对地下水系统的影响程度，依据灌区上游、中游和下游相关资料，分别计算灌区上游、中游和下游地下水位动态变化驱动因素的灰色关联度［20-21］，结果见表3。 表3 驱动因素灰色关联度计算结果  自然因素人为因素区域降水量蒸发量地表水灌溉量地下水开采量灌区上游0.66 0.79 0.59 0.40灌区中游0.82 0.89 0.53 0.49灌区下游0.73 0.87 0.42 0.67 由表3可知：各驱动因素的灰色关联度有很大差异，如灌区上游蒸发量的灰色关联度为0.79，而地下水开采量的为0.40，表明灌区地下水位受各驱动因素的影响程度不同；同一因素在不同区域的灰色关联度不同，如地表水灌溉量在灌区上游的灰色关联度为0.59，而在下游的灰色关联度为0.42，表明各驱动因素对不同区域地下水位的影响程度不同。经对比可知：自然因素的关联度均大于0.65，说明降水和蒸发对灌区地下水位动态变化的影响程度较大；而人为因素对地下水位影响程度因区域位置而异，灌区上游和中游主要受地表水灌溉影响，而下游受地下水开采影响程度较大。人为因素在空间上的差异性与灌区水资源实际利用情况相同，证明了计算结果的合理性。 邢家渡引黄灌区上游和中游地下水位动态变化驱动因素关联度从大到小依次为蒸发、降水、地表水灌溉、地下水开采，该区域地表水资源充沛，农业灌溉多采用地表水，地下水开采量较小；灌区中游地下水开采量关联度比上游的大，原因是灌区水利工程设施不完善，利用地表水灌溉量较少，而地下水开采量较大。灌区下游地下水动态变化驱动因素关联度从大到小依次为蒸发、降水、地下水开采和地表水灌溉，与灌区上游、中游相比，地下水开采的影响程度变大、地表水灌溉量的影响变小，原因是该区域属于井灌区，地表水灌溉量很小，地下水开采量较大。 5 结 语（1）邢家渡引黄灌区地下水系统主要受自然因素（降水、蒸发）和人为因素（地表水灌溉和地下水开采）的影响。采用多种方法进行趋势分析，结果表明：1986—2013年，灌区降水量具有丰枯交替特点并呈非显著增大趋势，蒸发量呈现非显著减小趋势；2004—2013年，灌区用水量具有显著增大趋势；1986—2013年，灌区地表水灌溉量呈显著减小趋势（减速为367.6万m3／a），地下水开采量呈显著增大趋势（增速为200.8万m3／a）。 （2）灌区地下水位时空变化特征研究表明，1986—2013年灌区地下水位变化大致可分为3个时期：1986—1995年为水位抬升期，1996—2000年为水位下降期，2001—2013年为水位平稳期。1990—2010年，灌区上游、中游地下水位较高，水位有小幅下降，降幅为0.3～0.6 m（局部区域为0.6～0.9 m）；灌区下游水位较低，水位下降较明显，为1.45～2.03 m，其中下游西部区域水位下降幅度最大（6号观测井地下水位下降了2.97 m）。 （3）灰色关联分析法研究结果表明：自然因素对灌区地下水的影响程度较大，人为因素的影响程度因区域位置而异。灌区上游和中游驱动因素关联度大小次序为蒸发、降水、地表水灌溉和地下水开采，下游驱动因素关联度大小排序为蒸发、降水、地下水开采和地表水灌溉。灌区上游、中游主要受地表水灌溉影响，而下游受地下水开采的影响程度更大，这与灌区水资源利用实际情况相符。 （4）地下水位动态变化主要受自然和人为因素影响，而地下水位的持续下降是地下水不合理开采所致。近些年邢家渡引黄灌区用水量呈增大趋势，而引黄水量已为定值，为促进灌区稳定发展，应完善灌区节水灌溉工程，提高地表水资源利用系数，减小地下水开采量；同时依据灌区地下水位动态变化特征制定当地水资源科学利用方案，实现灌区水资源可持续利用。 参考文献： ［1］ 郝芳华，欧阳威，岳勇，等.内蒙古农业灌区水循环特征及对土壤水运移影响的分析［J］.环境科学学报，2008，28（5）：825-831. ［2］ PETHERAM Cuan，BRISTOW Keith L，NELSON Paul N.Understanding and Managing Groundwater and Salinity in a Tropical Conjunctive Water Use Irrigation Area［J］.Agricultural Water Management，2008，95（10）：1167-1179. ［3］ DAHAN Ofer，MCGRAW David，ADAR Eilon，et al.Multi-Variable Mixing Cell Model as a Calibration and Validation Tool for Hydrogeologic Groundwater Modeling［J］.Hydrology，2004，293（1-4）：115-136. ［4］ 姜秀芳，张霞，张钦武，等.青铜峡灌区引黄用水与地下水位响应关系分析［J］.水资源与水工程学报，2012，23（4）：148-150. ［5］ 王建莹，张盼盼，刘燕.泾惠渠灌区地下水位动态与灌溉农业的关系［J］.干旱地区农业研究，2016（1）：247-251. ［6］ 谢正辉，梁妙玲，袁星，等.黄淮海平原浅层地下水埋深对气候变化的响应［J］.水文，2009，29（1）：30-35. ［7］ 陈皓锐，高占义，王少丽，等.基于MODFLOW的潜水位对气候变化和人类活动改变的响应［J］.水利学报，2012，43（3）：344-353. ［8］ 张文化，魏晓妹，李彦刚.气候变化与人类活动对石羊河流域地下水动态变化的影响［J］.水土保持研究，2009，16（1）：183-187. ［9］ 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Tong，XU Zhenghe，ZHANG Lizhi，ZHAO Zhiqiang Abstract：In order to promote the sustainable utilization of groundwater resources and ensure the benign circulation of groundwater in the Yellow River irrigation area，theXingjiadu Yellow River irrigation area was studied.Based on the 1986-2013 data，the dynamic change characteristics of groundwater level and the influence of driving factors to the groundwater were studied with the trend analysis method，ArcGIS and grey relationalanalysis method.The results show thatthe precipitation and evaporation presentan increasing and decreasing trend respectively，and the total water consumption，the irrigation quantity and the groundwater production significantly increase，decrease and increase in the irrigation area respectively.The annualdynamic change of groundwater levelin irrigated area is divided into 3 stages，namely the rising period（1986-1995），falling period（1996-2000）and stable period（2001-2013）.In the 1990-2010，the groundwater level in the upper and middle reaches of irrigation area is higher with a small decline；the downstream groundwater level is lower with larger drop amplitude.The grey correlation degree of the driving factors of groundwater dynamic change in irrigation area is different.The natural factors（the grey relational degree is allabove 0.65）have a great influence to the dynamic change of groundwater level in the irrigation area.The impactofhuman activities on groundwater varies by different locations.Surface water irrigation is the main influence factor in the upstream and midstream of the irrigation area and the groundwater dynamic change is influenced distinctly by the groundwater exploitation in the downstream of the irrigation area. Key words：groundwater level；dynamic change；driving factor；grey relevance analysis method；Xingjiadu Yellow River irrigation area 中图分类号：P641.76；TV882.1 文献标志码：：A doi：10.3969／j.issn.1000-1379.2017.08.010 收稿日期：2016-07-27 基金项目：“十二五”国家科技支撑计划项目（2015BAD20B02）；山东省水利科研及技术推广项目（SDSLKY201410）；济南大学研究生创新基金资助项目（GIFUJN）。 作者简介：王通（1987—），男，山东菏泽人，硕士研究生，研究方向为水利水电工程。 通信作者：徐征和（1968—），男，山东济南人，教授，博士，硕士生导师，从事农田水利、水资源研究工作。 |
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