洮兒河扇形地地下水動態特征分析

孟凡傲，梁秀娟，郝 洋，王岳航，婁 洋，李洪武

(1.吉林大學環境與資源學院，長春 130021；2.吉林大學地下水資源與環境教育部重點實驗室，長春 130021)

0 引 言

地下水動態變化是在一定時期內,各種自然因素和人為因素隨時間變化的直接結果,研究地下水動態是了解人類活動對地下水系統影響程度的一個重要手段[1,2]。通過對地下水動態的分析、預測和控制，可以為水利、礦山等工程以及人們的日常生活提供服務[3]。洮兒河扇形地占地面積2 800 km2，為白城市城區所在地。隨著白城市的經濟迅速發展和人口的增長，對地下水的需求逐漸增大，加上白城城區逐年干旱，人們過度開采地下水，導致洮兒河扇形地地下水位逐漸降低。因此，查明研究區地下水動態的空間變異規律對研究區地下水的合理開發、利用具有重要的理論和現實意義[4]。所以本文就采用方差分析方法以及相關分析方法對洮兒河扇形地內1999-2013年的地下水埋深數據進行分析，確定地下水動態演化規律，以期加深對洮兒河扇形地地下水埋深動態規律的了解，為洮兒河扇形地地下水資源可持續利用和保護提供重要參考[5]。

1 水文以及水文地質條件

洮兒河扇形地位于大興安嶺東麓山前傾斜平原,松嫩平原的西側,洮兒河與蛟流河兩條河流從大興安嶺東坡流出山口，進入平原，形成了沖積洪積扇，構成了山前傾斜平原[6]。研究區屬于溫帶大陸性氣候，冬季寒冷干燥，夏天炎熱多雨。降雨多集中在6-9月份，多年平均降雨量為389.9 mm。研究區內最大的河流是洮兒河與蛟流河，從西北部山區入境，斜貫研究區西部流向東南，蛟流河在洮南附近注入洮兒河。

洮兒河扇形地主要含水層是中更新統冰水堆積砂礫石，上更新統沖洪積砂礫石，全新統沖擊砂礫石構成的潛水含水層，新近系碎屑巖類孔隙裂隙承壓含水層。礫卵石含水層由扇形地頂端至前緣粒徑漸小，厚度增大，并出現有細粒砂土夾層。大致在平臺至洮東以上，含水層以卵礫石為主，厚15～25 m，少有細粒夾層，因而造成扇形地上緣與靠近洮兒河河谷的含水層接受源源不斷的河水的大量補給，水量極為豐富，單位出水量大于3 000 m3/d。平臺至洮東以下，含水層多為礫卵石層，厚25～40 m，多有細粒夾層，局部夾黏性土薄層，且含水層多有上粗下細的特點。扇形地內降水入滲率很高，流經扇形地的洮兒河河水滲漏率為36%，入滲量每年可達2～3億m3，可見該區潛水補給條件極為優越。由于扇形地處在山前，在扇形地上緣吸收了大量的補給源，形成規模巨大的地下徑流，過水斷面天然徑流量極為豐富，沿扇形地傾斜方向由上端向前緣流動，徑流由強變弱。

2 研究方法

2.1 襯度系數方差分析

在數理統計中，方差就是用來描述一系列離散數據對于數學期望的偏離程度的一種方式，方差與數據的離散程度成正比，離散程度越高，表示數據波動越大[4]。在地下水動態中，人為影響的因素最大，在時空上具有離散程度高，波動大的特征。在洮兒河扇形地中，對于地下水動態還有一定影響的條件是降水以及水文地質條件。對于本研究區來說，降雨量在時間、頻率以及降水量都相差不大，對于地下水方差的影響不大；另一個方面，洮兒河扇形地的水文地質條件都屬于漸變分布，含水層變化不大，沒有影響離散的水文地質結構，所以降水量以及水文地質條件對地下水動態的方差影響較小。因此用方差研究地下水動態，可以確定受人類活動影響的地下水動態以及影響程度[7]。

針對研究區內有不同的監測井的情況，為了將不同的監測井進行比較，先要把每個監測井的數據進行處理，也就是求其襯度系數，襯度系數是指一組數據的平均異常強度與異常下限或背景值的比值；也可表達為異常峰值與異常下限的比值，用v表示，公式為：

(1)

求出襯度系數，將均值不等的每個監測井的監測數據轉化成均值相等的數據系列，對之進行方差分析，方差用σ表示，公式為：

(2)

2.2 兩變量相關性分析

兩變量相關分析是對兩個變量之間的相關性進行分析，采用SPSS進行相關分析時， 對于不符合正態分布的資料，不用原始數據計算相關系數，而是將原始觀察值由小到大編秩，然后根據秩次來計算秩相關系數。通過秩相關系數rs來說明兩個變量間相關關系的密切程度，本次相關分析采用 Spearman等級相關系數計算，這個方法適用于有序數據和不滿足正態分布假設的等間隔數據[8]。

設有n例分析對象同時取得兩個測定值(Xi,Yi)，分別按Xi、Yi(i=1,2,3,…,n)的值由小到大編秩為1,2,3 …，n。用RXi表示Xi的秩次，RYi表示Yi的秩次。因為n是固定的，所以總秩相等即：

∑RXi=∑RYi=n(n+1)/2

(3)

平均秩

(4)

(5)

(6)

假設同一對分析對象的秩次差為di=RXi-RYi(i=1,2,3,…,n)，則可以將式(6)簡化為：

(7)

式中：n為觀察例數；rs的取值為|rs|<1。

當相同秩次較多時，公式為：

(8)

式中：TX(或TY)=S(t3-t)/12；t為X(或Y)中相同秩次的個數。

另外，統計學中一般這樣考慮相關系數：

(1)相關系數的絕對值在[0,0.3)之間，描述為不相關或者極弱相關；

(2)相關系數的絕對值在[0.3,0.5)之間，描述為低相關或弱相關；

(3)相關系數的絕對值在[0.5,0.8)之間，描述為顯著相關

(4)相關系數的絕對值在[0.8,0]之間，描述為高度相關或強相關[9]。

3 結果分析

3.1 地下水動態分析

氣象、水文、地貌、巖性以及人工開采是影響本區地下水動態變化的重要因素。其中降水、地表水滲入和地下水徑流流入是區內地下水的主要補給來源。主要排泄方式為蒸發、人工開采以及地下水徑流。每個觀測井地下水埋深動態呈現年內規律變化以及多年走向變化見圖1。

圖1 洮兒河扇形地各監測井地下水埋深多年動態曲線

由圖1可知，洮兒河扇形地地下水埋深動態呈現年內變化。由于區內氣象要素具有周期性、季節變化的規律，因此地下水動態也與之相適應。一年一個豐水期，地下水埋深減小，出現在7-8月降雨集中的季節；一個枯水期，地下水埋深增大，多形成于1-4月的干旱和封凍季節。

對于多年動態，由圖1可知，從1999-2010年每年的地下水埋深總體上都在增加，而從2010年以后地下水埋深開始呈現逐漸回升的趨勢。根據每年的平均埋深，算出1999-2004年、2004-2009年以及2009-2013年的地下水埋深差值，用ARCGIS軟件進行插值，得出地下水埋深差值分區圖(圖2)。

圖2 洮兒河扇形地地下水埋深變化幅度分區圖

圖2正數表示地下水埋深增大，負數表示埋深減小。從圖2中可以看出1999-2004年扇形地東北和西北兩處埋深增加較大，整體上北部埋深增加幅度大于南部；2004-2009年西北部埋深減小，水位回升，東部和南部埋深仍然呈現增大趨勢；2009-2013年只有扇形地南部小部分區域埋深仍然增大，其余大部分呈現埋深減小，水位回升的趨勢。

3.2 襯度系數方差分析

將15組數據進行整理并進行襯度系數計算，最后計算其方差，結果見表1。計算結果顯示每個觀測井的埋深均呈現明顯的波動性，同時由表1可知，研究區觀測井的地下水埋深襯度系數方差也呈現出明顯的空間分布特征，對襯度系數方差進行差值，見圖3。從圖3中可以看出洮兒河扇形地地下水埋深波動東北部最大，其次是西部部分地區和南部地區，南部及中部地下水埋深波動相對較小。

3.3 兩變量相關分析

在實際情況中，由于植被覆蓋，地表土壤含水率以及人工影響等因素，每個地區地下水埋深受降水因素影響的程度會有所不同，所以文章選取每個觀測井都與其降水量進行兩兩相關分析，求出每個觀測井所在的位置與降雨量的相關系數，見表2。由表2可知洮兒河扇形地地下水埋深與降雨量相關性變化較大，其中相關系數小于0.3的極弱相關監測井有2號井、3號井、7號井、10號井、11號井以及13號井6個，占監測井總數的40%；相關系數在[0.3,0.5)之間的弱相關監測井有5號井、6號井、8號井、9號井、12號井、14號井以及15號井7個，占監測井總數的46.7%；相關系數在[0.5,0.8)之間的顯著相關監測井有1號井以及4號井2個，占監測井總數的13.3%?？傮w來說洮兒河扇形地地下水埋深與降雨量相關性較弱。將相關系數進行差值，得出相關系數空間分布圖，見圖4。由圖4可知，洮兒河扇形地總體上相關系數東部大于西部，同時南部局部地區也有部分相關系數較高的地區。

表1 洮兒河扇形地監測井地下水埋深序列襯度系數方差

圖3 洮兒河扇形地地下水埋深序列襯度系數方差空間分布圖

表2 洮兒河扇形地監測井地下水埋深與降雨量相關系數分析結果

圖4 洮兒河扇形地地下水埋深與降雨量相關系數空間分布

3.4 綜合分析

(1)扇形地降水滲入補給對地下水補給具有較大意義，地下水動態多為滲入-徑流型。由于研究區氣象要素具有周期性、季節性變化規律，因此地下水動態變化也與之相對應。2010年以前由于多年氣候逐漸干旱以及人工大量開采，導致研究區地下水埋深逐年下降，2010年以后，由于當地政府的政策改變，減少了地下水的開采量，以及地下水與地表水的聯合調蓄，合理開發利用，提高水資源利用率[10]，使得地下水位逐年回升。

(2)方差分析結果反映的是地下水埋深的平穩性[11]。洮兒河扇形地地下水埋深序列襯度系數方差反映的是研究區地下水的波動性。研究區地下水埋深的波動性總體上呈現東部波動大于西部，北部波動大于南部，四周波動大于研究區中心的趨勢。

(3)相關分析結果反映了地下水埋深與降水量的相關性，總體上來說兩者相關性較弱。并且研究區東部地區地下水埋深與降雨量的相關性明顯大于西部地區。地下水埋深受很多因素的影響，降水入滲率也會在空間上有很大變化，所以降水對地下水埋深有一定的影響，并且在不同的區域，影響的程度也會發生變化。

4 結 語

(1)研究區地下水動態類型為滲入-徑流型，地下水位在大約2010年之前呈現逐年下降的趨勢，在2010年以后，地下水位呈現逐年回升的趨勢；方差分析結果顯示每個觀測井的埋深均呈現明顯的波動性，研究區東北部最大，其他部分變化相對較??；地下水埋深與降雨量存在一定的相關性，但是相關性不是十分明顯，并且研究區東部相關性明顯大于西部地區。

(2)研究區應該進行水資源可持續利用對策研究，合理利用地下水資源，增加水資源利用率。同時當地政府應該制定一定的法律法規，嚴格控制地下水的開采，要在不超過允許開采量的前提下做到有規劃，有限度的開采地下水。研究區的地層巖性主要以砂礫巖為主，十分有利于地表水向地下水的轉化，可以在汛期加大對地表水的攔截力度，補給地下水，對地表水與地下水進行聯合調蓄，實現地下水資源的可持續利用。

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