河北平原淺層地下水位動態變化分析

劉美英，閔雷雷，沈彥俊

(1.中國科學院遺傳與發育生物學研究所農業資源研究中心/中國科學院農業水資源重點實驗室，河北 石家莊 050021；2.中國科學院大學，北京 100049)

河北平原地處華北平原北部，多年平均降水量為529.1 mm，人均水資源量和畝均水資源量僅占到全國平均水平的11.18%和9.13%[1]，是海河流域典型的灌溉糧食產區[2-5]。由于地區地表水資源較少，灌溉主要靠抽取地下水，農用地下水占總地下水開采量的74.5%～76.6%，河北平原是我國當前水資源供需矛盾最為嚴重的地區之一[2, 6,7, 9]。近年來，一些學者在該地區開展了地下水位動態變化分析的研究，張永強等以欒城縣為例，分析了華北平原地下水位動態變化，欒城縣地下水位多年平均下降速率為0.7m/a[8]；許月卿等利用GIS技術，分析了1975-2000年河北平原(北京、天津以南)淺層、深層地下水位波動狀況[9]；劉志國等在地理信息系統的支持下，運用地統計學方法研究了1986年到2000年地下水位時空變化規律[10]；王仕琴等分析華北平原39處淺層地下水監測結果，將地下水動態分為六大類型[11]。此外，張光輝等人針對冀中山前平原的農業區淺層地下水位不斷下降問題，研究了地下水強降弱升機制[12]。受人口、地下水開采量、降水和徑流等諸多因素的影響，河北平原地下水水位不斷變化，并由此衍生了一系列的生態環境問題，例如地面沉降、塌陷、土壤次生鹽漬化等[13-17]。以往的研究受到數據資料的限制，通常是基于月尺度或年尺度水位的數據，因而對水位動態變化的分析不夠深入。本文基于日尺度的自動觀測數據分析河北平原區域內的淺層地下水位動態變化，研究結果有助于深入了解區域地下水循環規律，可為區域地下水資源的可持續利用和區域經濟社會協同發展提供科學依據。

1 研究區概況和監測點分布

1.1 研究區概況

本文所指的河北平原是石家莊、保定、衡水、滄州以及廊坊的部分區域(圖1)，從南北方向上，位于河北省中部。地勢較低平，主要由黃河和海河等不斷沖擊而成，海拔由西部山前平原100 m左右降低到東部濱海平原的3 m左右，屬于溫帶季風性氣候，四季變化明顯，冬季干燥寒冷，夏季高溫多雨，春季干旱少雨，蒸發強烈，年均氣溫和年降水量由南向北隨緯度增加而遞減。春季小麥需水量大，降水量較小，旱情較重，夏季降水量大，常有洪澇。河北平原是中國嚴重缺水的地區之一，人均水資源量僅為335 m3/a，地下水是該地區的主要用水來源[18]。

圖1 研究區地形及地下水監測點分布圖Fig. 1 Location of groundwater monitoring sites in the research area

河北平原是個大型的沉降盆地，在其地質演化過程中，沉積了較厚層的松散物質，形成了河北平原主要的地下水流動體系。河北平原自太行山區向中部平原呈現出水文地質條件的水平方向分帶性。自西向東在含水層的巖性、分布、厚度和地下水的化學成分與運動特征等方面均有顯著變化，南北方向變化較小。含水層的巖性成分具有以粗顆粒為主變為以細顆粒為主的區域性變化規律[19]。區域內，淺層地下水補給的來源主要是降水入滲補給和灌溉回水補給，此外還有山前側向徑流補給、河道及渠系滲漏補給等[20]。

1.2 地下水位監測

我國地下水水位的監測從20世紀50年代就已經開始[21]，但是大多數監測系統由于時間較長，數據質量不高。為深入研究河北平原地下水變化，本文共在河北平原設置11個監測點(圖1和表1)，這11個監測點是從2008年開始，依次在河北平原(石家莊、保定、衡水、廊坊)選取了11眼灌溉或生產生活觀測孔(有些監測點的數據存在不同程度缺失)。機井位置的選擇考慮了數據的代表性，監測點遠離工廠等地下水嚴重開采區，此外還考慮到儀器管理的安全性和數據收集的便利性等，部分監測點在監測過程中存在數據缺失現象。

本研究采用的水位自動記錄儀是ONSET公司生產的HOBO Water Level Logger水位計。地下水位監測頻率為1 h。水位計可以對地下水埋深的變化進行連續自動監測，進而反映地下水位的動態變化。每次采集數據時，均采用加拿大Solinst公司102型地下水位計對地下水埋深進行校準驗證。

2 數據處理

對于上述11個HOBO測得的1 h一次的觀測數據進行處理。由于觀測井多用于生活和農業灌溉，地下水抽取多發生在白天，觀測井的水位受人為開采地下水的影響存在明顯的日變化，本文選擇凌晨4時相對靜態穩定時間段的水位作為當天的水位觀測值進行分析。

3 地下水位動態變化分析

3.1 不同地區地下水埋深動態變化

河北平原地下水埋深動態變化過程受到多重因素的影響，例如地形地貌、降水量、土地利用類型、湖泊水庫等自然因素，人類治水工程、開采地下水等人為因素[22]。且這些因素本身也存在時空變異，變化速率也有差異，導致地下水位呈現出不同的動態變化特征。

3.1.1 山前平原區地下水埋深動態變化

山前平原區的監測點主要分布在石家莊和保定。區域監測點呈現出的整體趨勢：年內存在較大水位波動，除7號監測點(圖2和圖3)外年平均地下水位不斷下降。但由于不同監測點的地貌地形、周圍土地利用現狀以及地下水位埋深等存在空間差異，該區域各監測點地下水位變化過程又呈現出不同動態特征。

圖2 山前平原區1、2號監測點地下水埋深動態變化曲線Fig.2 The curves of dynamic variation of groundwater depth of No.1, 2 in the region of the piedmont plain.

圖3 山前平原3、4、5號監測點地下水埋深動態變化曲線Fig.3 The curves of dynamic variation of groundwater depth of No.3, 4, 5 in the region of the piedmont plain

其中石家莊的1、2號監測點(圖2)，位于河北山前平原最西部。1號監測點位于山前平原最西部海拔較高的地區，含水層的滲透性較好，以及地下水位埋深較淺，地下水位受到山區側向補給和降雨補給的作用明顯，地下水位下降幅度較小，在降水量較小的2014年(降水量為294.8 mm)地下水位明顯下降。該點的年內最低水位出現7月底、8月初，在雨季來臨之后1個月，9月份地下水位達到年內最高值，年內最高水位與最低水位差在2～3 m之間，9月份達到最高水位之后又不斷下降，直到翌年7月底8月初。2號監測點位于石家莊市區，地下水位埋深較深，但由于靠近山區，同樣受到山前側向補給作用明顯，且在雨季來臨后，接受到山區側向補給的時間較快，年內最低水位出現在4-5月份，最高水位出現的時間與年內最大降水量出現的時間相對應。由于該點周圍生活用水主要靠抽取地下水，開采程度較高，地下水位下降的平均速率為1.2 m/a。

3、4、5號監測點(圖3)分布在山前開采程度高的地區，屬于農業用水集中區，水位埋深較大，特別是5號監測點水位埋深大于 45 m。該區域地下水變化的特點是水位在年際尺度上不斷下降。據調查，3號監測點在2013年之前農業灌溉采用的是污水灌溉，減少了農業灌溉地下水的開采，因此在2013年之前年際地下水位無明顯波動，2014年起農業灌溉不再使用污水灌溉，轉而依靠抽取地下水，在降水量與前一年基本相同的情況下(2013年降水量596 mm，2014年降水量609 mm)，相比2013年，2014年該監測點水位出現下降趨勢，下降3 m左右。這3個監測點所在區域年內地下水位存在較大波動，年內最高水位和最低水位差值為3～5 m，地下水位變化對降水量的響應比較緩慢，在雨季來臨之后，水位沒有立即回升至年內最大值，年內最高水位出現在2-3月份，最低水位出現在7-8 月份。這主要是由農業灌溉用水引起的，3-7月份是小麥灌溉用水的集中時間段，小麥生長季的需水量遠大于降水量，過量抽取地下水使得2月份到7月份地下水位持續下降，7月份之后由于降水量的增加以及灌溉用水的減少，地下水位不斷回升，直到翌年2-3月份。

圖4 山前平原7號監測點地下水埋深動態變化曲線Fig.4 The curves of dynamic variation of groundwater depth of No.7 in the region of the piedmont plain

7號監測點位于保定西大洋水庫附近，且距離山區較近，海拔相對較高，地下水位呈現出明顯區別于其他觀測點的特征。觀測年份內，7號監測點(圖4)年際地下水位不斷上升，2011-2013年的年平均地下水埋深分別為8.37、6.28和5.85 m，2011-2012年地下水位大幅度回升。此外由于地下水埋深淺，受到降雨入滲補給和蒸發排泄作用明顯，同時受到山區和水庫側向補給作用的影響，年內地下水埋深在雨季來臨之前達到年內最低值，在雨季來臨之后不斷回升，1～2個月后達到年內最大值，之后不斷下降。

分析7號監測點地下水位回升的原因。西大洋水庫作為保定飲用水水源地，年均供水量為5 000 萬m3，但由于水庫蓄水量嚴重不足，自2007年底保定市王快水庫至西大洋水庫聯通工程建成通水，正常年份王快水庫每年可向西大洋水庫輸水兩億方[23,24]，西大洋水庫供水不足問題得到緩解，這是7號監測點地下水位在監測年份內不斷回升的主要原因。與此同時，農業用水也是引起河北平原地下水位下降的主要因素，河北平原農作物的主要類型是冬小麥和夏玉米，小麥是引起地下水位下降幅度最大的作物種類[25]，當降水量并不能滿足作物生長需水時，必須依靠抽取地下水進行灌溉。據河北農村統計年鑒數據，7號監測點所在縣(曲陽縣)的小麥播種面積在不斷減少[圖5(a)]。2000-2006年的年平均降水量為439.17 mm，2007-2013年的年平均降水量為566.05mm，降水量增加了28.9%[圖5(b)]。小麥種植面積減少，農業灌溉用水相對減少，地下水的開采量減少；年平均降水量增加，降水對地下水的補給量增加，也可能是7號監測點地下水埋深不斷減小的另一原因[26]。

圖5 曲陽縣2000-2013年小麥播種面積和降水量變化圖Fig.5 The variation diagram of wheat planted area and precipitation in Qu yang county in 2000-2013

3.1.2 中部平原區地下水埋深動態變化

中部平原區的監測點主要分布在衡水北部、保定西部、滄州和廊坊的東部。地下水的整體特征為地下水埋深較淺，從西到東地下水埋深越來越小，平均地下水埋深從西邊的9號監測點24 m到東部11號監測點8 m。

年際地下水位無明顯升高降低趨勢，觀測年份內各水文年水位波動小于3 m(表2)，處于動態穩定狀態。年內地下水位存在較大波動，隨著地下水開采量和降水量的變化而不斷變化。由于中部平原地區地下水埋深較淺，地下水開發利用程度較低，地下水位動態變化主要受到降雨入滲、蒸發排泄和人為開采的影響。最低水位出現在5-6月份，此時間段降水量較少。進入雨季之后，受到降雨入滲的影響，地下水位不斷回升。例如6號和9號監測點，地下水位平均埋深分別為15.02、23.14 m，每年最低水位出現在6月底，之后隨著雨季的到來，降水量不斷增加，地下水位開始不斷回升，在10-11月份由于降水量減少，地下水位出現輕微下降，之后不斷回升達到年內最高值。而8號、10號和11號監測點，地下水位平均埋深分別為10.17、6.66和7.69 m，相對7、10號監測點，地下水位埋深更淺，地下水位對降水量的響應更快，每年的最低水位出現在5月底、6月初，隨著雨季的到來，降水量增加，地下水位開始快速回升，9月份以后基本達到年內最高值，之后地下水位無明顯下降，保持著水位高值，直到翌年的3月底、4月初，由于灌溉開采量增大和降水量較小，地下水位開始持續下降。在過去的1980年到2003年，該區域地下水位也在不斷波動，分別經歷了穩定下降、上升、相對穩定、逐漸下降等階段[20](圖6)。

表2 研究區各監測點地下水埋深 m

注：監測數據在不同年份內有數據缺失現象。

圖6 中部平原區6、8、9、10、11號監測點地下水埋深動態變化曲線Fig.6 The curves of dynamic variation of groundwater depth of No.6, 8, 9, 10, 11 in the region of the central plain

3.2 典型觀測點年內地下水埋深波動對比

不同地區年內地下水位的波動變化方式有很大的區別，選取不同地區的3個典型監測點同一時間段(2010/1/1-2011/7/1)，分析年內地下水位變化機制(圖7)。位于山前平原最西部海拔較高地區的1號監測點，水位埋深較淺，年際地下水位下降程度較小(圖2)；位于山前平原的5號監測點，水位埋深較大，在觀測年份內地下水位不斷下降(圖3)；位于中部平原的6號監測點，地下水埋深相對山前平原較淺，在觀測年份內，年際地下水位基本不變(圖6)。地下水位的年際動態變化是由地下水位的年內水位升高降低機制反映出來的[12]。

在山前平原西部海拔較高的地區(以1號監測點為例)，年內地下水位變化比較平穩，年初地下水位先降低后回升，回升3個月很快達到年內最高值，之后又不斷下降，水位下降期日變化速率小于水位回升期日變化速率，但是年內下降期的時間遠大于回升期的時間，水位在年際上緩慢下降。

在山前低平原區(以5號監測點為例)，年內地下水位的波動相對于中部平原區比較平穩，年初水位先回升，之后不斷下降，8月左右水位開始再次回升。年內水位變化趨勢與山前丘陵區存在較大的差距，水位下降期日變化速率大于水位回升期日變化速率。在小麥農灌時期，地下水開采量較大，補給量較小，日下降速率大于1 cm/d，在雨季來臨后，降水量增加，并且農業灌溉開采用水減少，水位開始回升，但是回升速率遠小于1 cm/d。雖然年內回升期的時間略大于下降期的時間，但是由于回升期日變化速率遠小于下降期的日變化速率，下降速度為上升速度的2.1～3.6倍，年際地下水位呈不斷下降的趨勢。

在中部平原區(以6號監測點為例)，年內水位波動趨勢與山前平原大致相同，但存在較多的小波動，由于水位埋深較淺，水位對降水量的反應較快，春灌期后水位回升的時間比山前平原早一些，水位下降期日變化速率大于水位回升期日變化速率，下降速度為上升速度的1.7～6.7倍，但是上升時間約為下降時間的4倍，年際地下水位基本穩定。

4 結 語

(1)河北平原地下水動態變化呈現出空間分布的整體規律，平均地下水埋深由山前平原區到中部平原區不斷減小。山前平原區地下水開發利用程度較高，地下水埋深較深，中部平原區地下水開發利用程度較低，地下水埋深較淺。地下水年際變化分布規律為：中部平原區地下水埋深基本不變，觀測年份內各水文年水位波動小于3 m，山前平原區地下水埋深不斷下降，不同監測點下降幅度差異較大。局部地區，由于靠近水庫，水庫蓄水量增加，且小麥種植面積減少和降水量增加，地下水位呈回升趨勢。地下水年內變化規律為：山前平原最西部海拔較高地區，受到地貌地形、地下水滲透系數的影響，年內最低水位出現在7-8月份，最高水位出現在9月份；山前平原農業用水集中區，地下水開發利用程度較高，受到降雨入滲、農業灌溉用水和側向補給作用的影響，年內最高水位出現在2-3月份，最低水位出現在7月份；中部平原，地下水埋深較淺，地下水變化受到蒸發排泄和降雨入滲的雙重影響，年內最低水位出現在4-6月份，最高水位出現在9月份左右。

2)不同地區年內水位波動存在較大差異。從山前平原區到中部平原區，海拔相對較高的地區與低平原區的年內水位下降期和水位上升期分布差異較大，低平原區年內水位下降時間小于水位回升時間，而海拔相對較高的地區則相反，且兩個區域水位下降期和水位上升期日變化速率也不相同。山前低平原區和中部平原區，年內水位下降期和水位上升期分布大致相同，但是中部平原區年內回升期開始的比山前低平原區早，可能是由于水位埋深較淺，對降雨的響應更及時，且中部平原區的年內回升期的時間較長。

本研究分析了河北平原地下水位動態變化規律，同時對比了區域內的典型觀測點的同時間年內水位波動狀況，是該地區水位動態變化研究的基礎，下一步將結合土地利用類型和所處區位在地下水流場上的不同位置深入分析水位變動的規律和原因。

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