天津地區(qū)近21年地下水埋深變化特征及其影響因素

王凱燕，王文卓，李瓊芳，虞美秀，李鵬程

(1河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，江蘇南京 210098;2.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇南京210098;3.河海大學(xué)國際河流研究所，江蘇南京 210098;4.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098)

天津地區(qū)近21年地下水埋深變化特征及其影響因素

王凱燕1，2，3，王文卓4，李瓊芳1，3，2，虞美秀1，2，3，李鵬程1，2，3

(1河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，江蘇南京 210098;2.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇南京210098;3.河海大學(xué)國際河流研究所，江蘇南京 210098;4.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098)

選用天津地區(qū)89個觀測井1990—2010年的月地下水埋深，基于Mann-Kendall法研究地下水埋深的變化趨勢、埋深變幅年代際變化特性及其年內(nèi)分配變化特性，并探討影響地下水埋深的相關(guān)因素。結(jié)果表明:觀測期內(nèi)天津平原區(qū)不同含水組地下水埋深的時空變化和影響因素差距較大，尤其在2000年后，由于受開采量的影響，地下水年際和年內(nèi)變化更為劇烈。研究結(jié)果可為天津地區(qū)地下水資源的可持續(xù)利用和保護決策提供重要參考。

平原區(qū);地下水埋深;開采量;天津市

華北平原區(qū)域是中國經(jīng)濟、文化和政治中心，但由于氣候變化的影響，干旱已成為影響該地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展和安定的最重要的自然災(zāi)害問題［1］。尤其是進入20世紀(jì)90年代以后，多年持續(xù)干旱的發(fā)生使地下水成了主要水源，而地下水資源的過度利用和儲量的枯竭使得該區(qū)域抗干旱的能力仍在減弱，因此研究不同歷時多年連續(xù)干旱條件下地下水埋深變化特征對該地區(qū)的水資源保障問題有著重要的意義。

天津市地處華北平原東北部，是華北地區(qū)重要的經(jīng)濟文化中心，但人均水資源占有量僅占全國人均占有量的1/15，遠(yuǎn)低于世界公認(rèn)的1 000 m3的缺水警戒線。地下水由于長期超采嚴(yán)重，可持續(xù)利用受到嚴(yán)重影響，造成了一系列環(huán)境地質(zhì)問題，如地面沉降、海水入侵、地下水污染等［2］，為此國內(nèi)很多學(xué)者對地下水埋深的變化規(guī)律等進行了研究，如楊耀棟等［3］對天津平原區(qū)地下水位動態(tài)特征與影響因素進行分析，認(rèn)為不同類型地下水動態(tài)規(guī)律在時空分布上有明顯差異;閆學(xué)軍等［4］采用非平穩(wěn)時間序列分析方法研究了天津市平原區(qū)地下水水位動態(tài)特征并進行了變化趨勢預(yù)報，認(rèn)為地下水水位動態(tài)的趨勢變化特征以持續(xù)下降型為主。本文主要考慮地下水動態(tài)特征的空間分布，即基于天津地區(qū)89個觀測井1990—2010年的月地下水埋深序列，研究地下水埋深的變化趨勢、埋深變幅年代際變化特性及其年內(nèi)分配變化特性，并探討了與地下水埋深相關(guān)的影響因素。研究成果可加深對天津地區(qū)地下水埋深變化規(guī)律的了解，為地面沉降的控制以及地下水資源的合理開發(fā)提供重要參考。

1 研究區(qū)概況

天津市位于華北平原東北部，海河流域下游，東臨渤海，北依燕山，位于北緯 38°33'～40°14'，東經(jīng)116°42'～118°03'之間，年平均降水量由北向南遞減，為560～720 mm［5］。該地區(qū)干旱少雨，降水嚴(yán)重缺乏，供水主要以地下水為主。

地下水研究主要是通過地下不同含水組來研究的，根據(jù)天津市平原區(qū)水文地質(zhì)條件，可將其松散層自上而下分成5個含水組［5-6］，其中第I含水組屬于淺層地下水系統(tǒng)，第II、III、IV、V含水組屬于深層地下水系統(tǒng)。

研究所用資料為天津平原區(qū)89個觀測井1990—2010年的月地下水埋深序列，圖1為觀測井所在5個含水組的分布圖。由圖1可知淺層地下水主要分布于天津西部和北部的武清、寶坻、薊縣等地，深層地下水主要分布于中部和南部及沿海地區(qū)。

2 地下水水位動態(tài)特征

2.1 地下水埋深變化的年代際特性分析

通過統(tǒng)計1990年代和2000年代地下水埋深變幅落于不同范圍的觀測井?dāng)?shù)所占總井?dāng)?shù)的百分比，分析研究地下水埋深的年代際變化情況，結(jié)果見圖2。

由圖2知，1990年代天津平原區(qū)69%的井點(61個)埋深變幅大于0，占一半以上，其中44%的井點(39個)埋深變幅為0～0.5 m/a。此外，31%的井點(28個)埋深變幅小于0，由此可見，1990年代天津市地下水埋深普遍增加，但總體較平緩，且有一部分地區(qū)埋深變幅明顯減少。進入2000年代后，63%的井點(56個)埋深變幅大于0，其中36%的井點(32個)埋深變幅為0～0.5 m/a，17%的井點(15個)埋深變幅超過1 m/a。地下水埋深變幅小于0的井點占37%(33個)，這說明天津平原區(qū)地下水埋深變幅普遍增大的趨勢仍在持續(xù)，與1990年代相比，由于有引灤水作為替代水源，埋深變幅增大的井?dāng)?shù)略有減少，但埋深變幅大于1 m/a的井?dāng)?shù)卻在增加，說明地下水埋深較為劇烈增加的區(qū)域擴大。

圖2 1990年代和2000年代落于不同埋深范圍的觀測井?dāng)?shù)

為直觀反映埋深變幅空間分布，作1990年代和2000年代埋深變幅分布圖(圖3)。

由圖3可知，在1990年代，天津平原地區(qū)地下水埋深變幅減小的區(qū)域主要分布在沿海的塘沽等地，并以其為中心，向平原中部延伸，另在寶坻的北部和西部的武清也有部分分布;埋深變幅增加的區(qū)域主要分布于西南部，另在東部也有少許分布。而到了2000年代，埋深變幅增加的區(qū)域主要分布平原中部及東南部臨近沿海的地區(qū);而埋深變幅減小的區(qū)域已變遷到東部的寧河及北部的薊縣部分地區(qū)。總體上看，1990年代到2000年代，埋深變幅減小的區(qū)域明顯減少，說明地下水埋深增加的趨勢較快、范圍較廣，尤其是東南的塘沽沿海變化最為明顯，1990年代該地區(qū)處于天津平原埋深變幅最小的區(qū)域，而到了2000年代，該地區(qū)大部分區(qū)域的埋深變幅都已超過0.5 m，部分區(qū)域甚至超過1 m。

圖3 不同年代際天津平原地區(qū)地下水埋深變幅的空間分布

2.2 地下水埋深變化趨勢特征分析

利用Mann-Kendall(M-K)趨勢分析法［7］計算天津平原地區(qū)1990—2010年89個觀測井的實測地下水埋深的趨勢檢驗Z值，并以顯著水平0.05的臨界值為界，分為Z＞1.96、-1.96＜Z＜1.96和Z＜-1.96這3個區(qū)間，統(tǒng)計分布于各區(qū)間的井點數(shù)，如圖4。由圖4知，89口觀測井中，74%的井點地下水埋深Z值大于1.96，通過置信水平為95%的顯著性檢驗，說明埋深顯著增加;24%的井點地下水埋深Z值落于(-1.96，1.96)區(qū)間，說明這些觀測井地下水埋深變化趨勢不明顯，相對比較穩(wěn)定;2%的井點地下水埋深Z值小于-1.96，下降趨勢顯著，說明地下水埋深顯著下降。可見地下水埋深顯著增加的觀測井占多數(shù)，總體來說，天津平原區(qū)地下水這21年中埋深變幅增加顯著;從空間分布來看，西北部和東部沿海地區(qū)埋深相對比較穩(wěn)定，而塘沽沿海地區(qū)地下水埋深顯著下降。

圖4 各觀測井含水層和趨勢檢驗Z值分布

2.3 地下水埋深的年內(nèi)季節(jié)變化特性分析

在不同含水組中根據(jù)不同變化趨勢分別選取代表井，并統(tǒng)計各井1990年代和2000年代的月平均埋深，以此分析地下水埋深的年內(nèi)動態(tài)規(guī)律和季節(jié)變化特性，如圖5所示。

圖5 1990年代和2000年代地下水埋深年內(nèi)分配變化過程

由圖5可知，從1990年代到2000年代，武清小沙河、西青小年莊、靜海中旺的月平均埋深大幅增加，漢沽東莊坨變化相對較平穩(wěn)，塘沽梁子十隊明顯減少。這5個含水組的代表井點的月平均埋深均在5月份以后開始增加，整個春夏季節(jié)埋深都相對較大，至9—10月埋深開始減少，即春夏之交的埋深最大，秋季的埋深隨之減少，冬季埋深普遍較小。年內(nèi)埋深增加在4—8月，主要是由于開采地下水，5—6月為春灌期，大量抽取地下水灌溉使得埋深最大均出現(xiàn)在6月。地下水埋深大幅減少出現(xiàn)在秋冬季，這主要是受降水影響，秋季埋深低是由于夏季的降水補給，使得在10月地下水埋深達(dá)到最小，有時滯后到11—12月，而冬季則是由于降雪較多，蒸發(fā)消耗少，使得地下水埋深也在減少。此外5個含水組中第III含水組的代表井點埋深最大，可能是由于它處于西青—靜海—大港—津南這個復(fù)合大漏斗，其漏斗中心中有兩個水位埋深超過90 m，而第Ⅴ含水組的年內(nèi)變幅最強烈，尤其是4—8月，主要是因為春灌期開采強度大，而降水和徑流補給條件最差，使得地下水恢復(fù)能力最差，埋深變幅最大。但各含水組到了2000年代略有回升，尤其是第II含水組塘沽區(qū)效果最明顯，主要是由于有引灤水，以及水庫引水或河道引水等作為替代水源，開采強度減小，使得地下水水位略有抬升。

3 地下水埋深變化的影響因素分析

地下水埋深變化主要取決于降水、溫度、人工開采、地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造和巖性綜合影響，其中最主要的影響因素是降水和人工開采［3，6，8］。降水量作為地下水補給的主要來源，很大程度上影響著地下水埋深，尤其是淺層地下水。而人工開采是地下水消耗的主要方式，由于天津地區(qū)的農(nóng)業(yè)用水開采主要集中在北部，灌溉比較分散，導(dǎo)致北部地區(qū)埋深增加不明顯;而工業(yè)用水的開采具有一定的區(qū)域性，主要集中在南部，因此南部埋深增加較為明顯［9］。研究主要選取開采量和降水量分析對地下水埋深變化規(guī)律的影響。

3.1 淺層地下水

以武清小沙河為代表觀測井，分別制作1990—2010年的地下水埋深和降水及開采量的相關(guān)圖(圖6)，分析淺層地下水埋深動態(tài)變化的影響因素。

從圖6(a)可看出，小沙河淺層地下水埋深與降水量存在一定程度的響應(yīng)關(guān)系。1990年代埋深和降水的相關(guān)系數(shù)超過了0.7，且由表1得知二者回歸方程的，大于0.05顯著水平的t臨界值2.306，相關(guān)關(guān)系很好，可能是由于1990年代為非持續(xù)性干旱，尤其是該年代中期降水較豐，使得地下水埋深整體隨著降水增加而減少;而進入2000年代后天津地區(qū)遭遇多年持續(xù)性干旱，降水明顯偏少，這時期地下水埋深和降水量相關(guān)關(guān)系并不明顯，說明2000年以后埋深可能與開采量等其他因素更為相關(guān)。圖6(b)中1990年代和2000年代地下水埋深和地下水開采量的相關(guān)系數(shù)分別為0.518和0.885，且2000年代地下水埋深和開采量的回歸方程的，大于0.05顯著水平的t臨界值2.262，即進入2000年代后地下水埋深和開采量之間的相關(guān)關(guān)系比較顯著，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了降水與埋深的相關(guān)系數(shù)，說明2000年代該地區(qū)淺水層地下水埋深的變化主要受控于地下水開采量的變化。

圖6 武清小沙河降水量和開采量與埋深的相關(guān)關(guān)系

表1 降水量和開采量與埋深的一元線性回歸方程的t檢驗值

3.2 深層地下水

深層地下水一般由淺層地下水越流補給，受降水影響較小，因此選取塘沽的梁子十隊為代表觀測井，作相關(guān)圖(圖7，8)，分析影響承壓水埋深動態(tài)變化的開采量因子。

由圖7可看出，在2000年代中，2006—2008年開采量較大，但埋深反而減小，可能是由于地下水回灌，使得地下水資源消耗后能得到補充。故地下水埋深和開采量在進行相關(guān)分析時剔除了2006—2008這3年的影響。從圖8可以看到，塘沽梁子十隊站的地下水埋深和開采量的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.7，且回歸方程的，大于0.05顯著水平的t臨界值2.093，為顯著相關(guān)，說明兩者有著密切的響應(yīng)關(guān)系。開采量增加，則埋深增加，反之則減小。

圖7 1990—2010年埋深隨開采量變化

圖8 地下水埋深與開采量相關(guān)關(guān)系

4 結(jié)論

a.近21年來，天津平原區(qū)地下水埋深的變化規(guī)律為:大部分地區(qū)地下水埋深顯著上升，西北部和東部沿海相對比較穩(wěn)定，而塘沽沿海地區(qū)顯著下降。

b.天津平原地區(qū)地下水埋深在2000年代較1990年代普遍增大，在時空分布上有明顯差異，尤其是東南地區(qū)的塘沽沿海變化最為明顯，并且埋深變幅大于1 m/a的井?dāng)?shù)明顯增加;此外，不同含水組地下水埋深的年內(nèi)變化趨勢一致，但變幅相差較大，尤其是第Ⅴ含水組的年內(nèi)變幅最強烈，這可能與它的補給源有關(guān)。

c.天津地區(qū)1990年代淺水層地下水埋深主要受降水影響;進入2000年代后兩種類型均主要受控于地下水開采量的變化，尤其是深層地下水埋深和地下水開采量相關(guān)關(guān)系密切，人工開采地下水成為影響地下水埋深的主要因素。

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Characteristics of changes of groundwater buried depth and influencing factors in Tianjin plain area over past 21 years

WANG Kaiyan1，2，3，WANG Wenzhuo4，LI Qiongfang1，3，2，YU Meixiu1，2，3，LI Pengcheng1，2，3
(1.State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering，Hohai University，Nanjing210098，China;2.College of Hydrology and Water Resources，Hohai University，Nanjing210098，China;3.Institute of International Rivers Research Academy，Hohai University，Nanjing210098，China;4.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering，Hohai University，Nanjing210098，China)

We selected monthly groundwater buried depth series of 89 observation wells from 1990 to 2010 in Tianjin，in order to study the change trend，inter-annual change，and intra-annual distribution change of the groundwater buried depth using the Mann-Kendall method，and to explore the factors that influence the groundwater buried depth.The results show that，during the observation period，the temporal and spatial variation and influencing factors of the groundwater buried depth differed largely in different aquifers in the plain area of Tianjin，especially after the year 2000，when significant inter-annual and intra-annual changes of groundwater occurred due to mining.These research results can provide important references for sustainable utilization and protection of groundwater resources by the water resources administrations in Tianjin.

plain area;groundwater buried depth;mining amount;Tianjin City

P641.74

A

1004-6933(2014)03-0045-05

10.3969/j.issn.1004-6933.2014.03.009

國家自然科學(xué)基金(41171220);國家科技支撐項目(2012BAB03B03);水利部公益性行業(yè)項目(200901045)

王凱燕(1989—)，女，碩士研究生，研究方向為水文預(yù)報。E-mail:wkyzkf@163.com

李瓊芳，教授。E-mail:qfli@hhu.edu.cn

(收稿日期:2013-07-31 編輯:高渭文)