潛水位演變特征分析

哈建強，朱艷飛

(1.河北省滄州水文水資源勘測局，河北 滄州 061000；2.滄州市環境保護局，河北 滄州 061000)

1 概 述

滄州市東臨渤海，北靠天津，與山東半島及遼東半島隔海相望。京滬高速公路縱貫全市，京杭大運河穿境而過，104國道、京滬鐵路貫穿全區，海陸空交通便利。全市多年平均氣溫12.2℃，極端最高氣溫43℃，極端最低氣溫-25℃，降水量年內分配不均，80%的降水量集中在6～9月份。本文分析的東南部典型區為東光縣和吳橋縣。

2 資料的選取及站點信息

本文研究區東光縣和吳橋縣內有7個地下水位觀測點，但長系列觀測點只有東光站和樓子鋪站兩個站點。為彌補資料的不足，在研究區附近的衡水市景縣、阜城縣和滄州市南皮縣搜集了4個地下水位長系列站點。因此，共有11個地下水觀測站點，其中長系列觀測點有6個。各個站點地下水位資料見表1。

表1 地下水位觀測點位置及系列長度

地下水位統計分析時，主要以東光、樓子鋪、前村、王海、潞灌和寨子6個長系列資料的站點為主，其它站點作為補充。由于每年1月份地下水位趨于穩定，因此選擇每年1月1日的地下水位進行年際和年代際的變化分析。

3 特征分析

3.1 統計特征分析

根據以上選擇的地下水站點信息，分別計算11站地下水位資料的統計參數，見表2。

表2 各站潛水位序列常規統計參數計算結果

從表2計算結果可以看出，各站地下水位平均值相差較大，標準差和變差系數都較小，即地下水位年際變異較為平緩。從各站偏態系數計算結果可以看出，地下水位序列正偏和負偏情況都存在，負偏情況居多。

3.2 年內變化特征分析

從11眼觀測井中選擇的部分代表性井，選擇資料繪制多年平均的逐月地下水位過程線和多年平均逐月降雨量，見圖1。根據相關資料繪制抽水、灌溉量圖，見圖2。從圖1、圖2可以看出，由于1、2月份抽取地下水和灌溉水量都較少，因此地下水位較為穩定；3月份開始抽水春灌，地下水位迅速降低，4～5月份地下水位達到最低；6～9月份淺層抽水量大大減少，再加之夏季降雨量增多和春灌的回補滯后作用，地下水位逐漸回升，至9月份水位達到最高；10～11月份由于抽水秋灌造墑，使得地下水位出現不同幅度的下降；秋灌后各測站地下水變化也出現兩種變化趨勢：第一種趨勢是秋灌抽水結束后水位上升直至趨于穩定，這種測井多位于地下水位較低的區域(如于集站、秦村站和馬鐵鍋站)，秋灌后水位上升的原因主要是灌溉回補地下水和側向流入所致；第二種趨勢是10月份抽水結束后水位并未上升，而是趨于穩定或繼續下降。這種測井多位于地下水位較高的區域(東光站)，冬灌后水位并未回升甚至出現繼續下降趨勢的主要原因可能是側向流出量抵消或超過該地區灌溉回補水量。

從以上初步分析可以看出，該地區地下水屬于典型的人工-入滲型，人類活動(抽水、灌溉)和降雨是地下水位年內變化的主要影響因素，在灌溉和降雨較少的冬季，側向流動對地下水位也有一定的影響。

圖1 逐月地下水位和降雨年內分布

圖2 逐月淺層抽水量和灌溉水量分布

3.3 趨勢性特征分析

根據實際情況，分別計算長系列資料的東光、樓子鋪、前村等6個站點的地下水位線性傾向估計、趨勢系數和MK統計量的計算，結果見表3。

表3 潛水位趨勢分析結果

從表3計算結果可以看出，除東光站外，其它各個站點地下水位都呈現出明顯的下降趨勢，而東光呈現出明顯的上升趨勢。除東光外，樓子鋪等5站平均下降速率為2.31 m/10 a，平均趨勢系數達-0.76，MK法得到的平均統計量達-5.46。通過檢驗，下降趨勢均超過0.01信度水平。下降的5個站點中，樓子鋪和寨子站下降速率相對較緩。

從兩年滑動平均圖(圖3)也可以直觀地看出，除東光站外，研究區其它站點近40年來地下水位呈現顯著下降趨勢。在1990～1995年間，地下水位下降幅度有所減緩，部分站點甚至出現水位回升現象。1995～1997年后，地下水位進入劇降階段，寨子站在1997年以前地下水位并沒有出現顯著的下降趨勢，在1997年后也開始進入急劇下降趨勢。在近幾年，這種劇降趨勢有所緩減，甚至部分站點還出現水位上升趨勢。

圖3 地下水位滑動平均曲線

東光站整體呈現上升趨勢，主要原因是該站位于東光縣城，主要的用水量是生活用水，灌溉用水和工業用水都較少，而生活用水主要抽取的是深層地下水。另外，該站位于南運河附近，河流的側向補給可能也是導致該區域地下水整體呈現緩慢上升趨勢的原因。樓子鋪等站位于灌溉農地中，由于大量抽取淺層地下水灌溉，使得地下水位整體呈現下降趨勢。

寨子站與其它深埋區站點相比，下降趨勢相對緩慢。并且該站1995年以前地下水位下降趨勢并不明顯，主要原因可能也是因為該站位于漳衛新河附近，河流的側向補給抵消了抽水導致的水位下降。在1995～1997年河道流量劇減后，寨子站的地下水位變化特征與其它位于灌溉地的站點的變化特征趨于一致，表現出明顯的下降趨勢。圖4是南運河逐年流量變化趨勢，由于漳衛新河和南運河從上游德州境內的四女寺閘下開始分叉，因此其變化趨勢應該和南運河相似。

圖4 南運河河道流量變化曲線

樓子鋪的下降趨勢比其它站點要小，一方面是因為其埋深相對較小，降雨會對其有一定的補充；另一方面是因為該地區的淺層抽水量多、地表引水多、灌溉強度大。

3.4 持續性特征分析

對東光、樓子鋪等具有長系列資料的6個地下水位站點的Hurst指數進行計算，結果見表4。

表4 潛水位Hurst指數和容量維

各個站點Hurst指數擬合圖見圖5。

圖5 潛水位Hurst指數擬合圖

從擬合結果來看，域重新標度分析法(R/S分析法)得到了較為滿意的結果。說明該方法用于地下水位動態變化分析是可行的，同時也說明地下水位具有分形特征，分維數可以揭示這一特征。

從上述計算結果可以看出，各站H>0.5，這說明該地區地下水位具有持續性或長程相關性，過去的增加趨勢預示著未來的增加趨勢，過去的減少趨勢意味著將來的減少趨勢。從分析結果還可以看出，該地區平均地下水位的分維數在1～1.2左右，平均H=0.923 6。Hurst指數H和分維數的計算結果與黃勇、謝先紅等學者得到的地下水位分形特征值近似。

3.5 周期性特征分析

用東光等6個長系列地下水位系列站點進行周期分析。分析之前對各序列進行標準化處理，圖6是FFT分析結果。

圖6 FFT法分析潛水位周期圖

從FFT分析結果可以看出，該區域地下水位主要有30年以上、15～17年、8～11年和2～5年4個周期成分。其中，以長周期震蕩最為強烈。

通過對各地下水位標準化序列進行小波變化，得到不同時間尺度的小波方差圖，見圖7。該圖含義與功率譜圖類似，反映的是不同時間尺度上震蕩的強弱，根據小波方差圖可以對序列進行周期識別。表5列出了由小波方差圖得到的各個站點的周期識別結果。為便于比較，將FFT分析結果也列于表5。

圖7 潛水位小波方差圖

表5 FFT法和小波分析潛水位周期結果對比

采用FFT分析的結果與小波分析結果略有差異，原因在于FFT分析時頻率只能取整數，造成周期分量結果有一定偏移，但總體來說FFT進行功率譜分析得到的周期分量與小波分析結果相似。

從表5可以看出，該區域地下水位以超過30年的長周期變化為主，其次為14～16年周期，7～9年周期和2～4年周期。其中，地下水位大于30年的周期代表趨勢性變化特征，對地下水位大于30年長周期分量方差貢獻率計算發現(計算某站主周期方差貢獻率時，取該站主周期中心及其前后各一年的小波方差之和，如計算15年為中心的主周期段，則該主周期方差貢獻率取14～16年的小波方差之和)，東光為10.66%，寨子為12.97%，樓子鋪為13.33%，王海、前村和潞灌為18.5%～19.5%，后3站趨勢分量(長周期)方差貢獻率明顯大于前3站，說明后3站趨勢性更明顯，這與前面趨勢性分析得到的結果是一致的。原因是后3站處于深埋區，人類活動影響大，而樓子鋪為淺埋深區，寨子和東光站位于河邊，降雨和河水的補給抵消了人類抽水帶來的一部分影響。

需要說明的是，因為以上所識別的周期屬于概率周期的范疇，因此某一周期成分并不專指該序列僅僅存在該年份的周期分量。它指的是以該年份為中心的周期范圍，如寨子站有15年的周期分量，代表著該站有以15年為中心的周期范圍，從該站小波方差圖上可以看出，寨子站15年周期成分的特征范圍大概在12～20年。

基于這一考慮，可以認為該區域存在4個較為強烈的周期范圍，分別是30年以上的長周期、12～20年左右的年代際周期、5～10年左右的年際周期和2～4年左右的短周期。

假如某一氣候因子對地下水位有影響，該氣候因子的周期分量應該能夠驅使地下水位產生同樣的周期分量和相位變化，但是由于各種因素的影響，由氣候變化周期分量驅動的地下水位周期分量與該氣候因子周期可能不一定完全同步。因此，采用周期范圍的觀點來識別周期，一方面符合概率周期的內涵，另一方面也有助于后續進一步識別對地下水位產生影響的氣候因子。

4 結 語

通過以上分析滄州市東南部典型區近40年來統計特性、年內變化特征、趨勢性特征、持續性特征和周期性等各種特征，得出以下結論：

1) 該典型區存在4個較為強烈的周期范圍，分別是30年以上的長周期、12～20年左右的年代際周期、5～10年左右的年際周期和2～4年左右的短周期。

2) 該典型區地下水位具有持續性或長程相關性，過去的增加趨勢預示著未來的增加趨勢，過去的減少趨勢意味著將來的減少趨勢。

3) 該典型區除東光站外，其它各個站點地下水位都表現出明顯的下降趨勢，東光表現出明顯的上升趨勢。

4) 該典型區地下水屬于典型的人工-入滲型，抽水、灌溉等人類活動和降雨是地下水位年內變化的主要影響因素，在灌溉和降雨較少的冬季，側向流動對地下水位也有一定的影響。