松遼平原淺層地下水降落漏斗演變及控制因素分析

邱 磊，孫 龍，于 釙，吳昊晨，魯程鵬

(1. 河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210098；2.水利部信息中心，北京 100053；3. 松遼水利委員會水文局黑龍江中游水文水資源中心，黑龍江 佳木斯 156499)

地下水是水資源系統中的重要組成部分，是支撐經濟社會發展的重要自然資源，也是維系良好生態環境的要素之一，地下水的開發利用在國民經濟建設和社會發展中占有十分重要的地位[1-2]。但是在地下水的使用過程中，由于部分區域地下水集中大量無序開采或者開采布井不合理，在開采過程中形成地下水超采區[3]，地下水超采引發了含水層疏干、泉水斷流、地面沉降、熔巖塌陷、海(咸)水入侵、水質惡化等一系列環境地質問題，給人民的生產生活帶來了嚴重危害[4-5]。

2017年6月，農業部、水利部等六部委聯合印發的《東北黑土地保護規劃綱要(2017—2030年)》指出，近年來東北地區水稻面積逐年擴大，地下水超采嚴重[6]。遼寧省遼河地下水利用程度達80.2%，是東北地區開發利用程度最高的河流，幾乎所有的大中型城市均存在著嚴重超采現象，形成了大面積的地下水降落漏斗，引發一系列環境地質問題[7]。準確分析近年來東北松遼平原淺層地下水變化及影響因素具有重要意義。

地下水分布的時空變化不僅能夠反映含水層功能變化，還可以反映地下水系統的變化趨勢及人類活動對其影響程度，隨著地理信息系統的發展，基于地質統計的空間統計分析方法已經成為描述地下水分布的有力工具。地下水數值模擬[8]、灰色關聯度[9]、主成分分析[9-10]、回歸分析[11-12]等方法在分析地下水動態影響方面也都有廣泛的應用，其中灰色關聯度方法是一種成熟的多因素統計分析方法，研究表明該方法能夠很大程度減少由于信息不對稱帶來的損失。本文收集2005—2015年以來松遼平原淺層地下水監測資料，通過空間分析得到淺層地下水埋深的分布與變化特征，并采用灰色關聯度的方法定量評價影響淺層地下水動態變化的控制因素。

1 松遼平原地下水超采現狀

松遼平原地區包括遼寧、吉林、黑龍江三省和內蒙古自治區東部的呼倫貝爾市、興安盟、通遼市和赤峰市，與松遼流域的松花江區和遼河區2個一級水資源分區基本吻合，因此，亦可用松遼流域代表東北地區總面積。該區是中國著名的糧食基地，無論是現在還是將來，在保障國家糧食安全方面，都具有不可替代的地位。中華人民共和國成立以來，東北地區農耕規模飛速發展，特別是20世紀70年代中期以來，東北地區耕地面積持續增加。松遼流域地表水資源的開發利用程度偏低，地下水資源的開采率較高。松嫩平原和遼河平原處于超采狀態(表1)，地下水資源的開發潛力已經非常有限，一些用水量較大的城市，由于過量開采地表水，致使地下水水位下降，形成了地下水位降落漏斗，對水資源的正常循環產生了不利影響。

表1 松遼平原2016年淺層地下水超采區分布

水位降落漏斗是地下水開采在地域上、層位上、時間上的集中造成的。按出現的含水層位分為淺層地下水降落漏斗和深層水位降落漏斗。東北地區旱作農業大部分為雨養，正常年份灌溉量較少，干旱年份才需補充灌溉；而水稻每年都需要灌溉，且灌溉定額較高，逐年擴大的水稻種植面積帶來灌溉用水需求量不斷增加。這一現狀導致東北地區水資源供求形勢日漸緊張[13]。松花江-遼河流域2016年地下水開采量318.7億m3，部分地區地下水開采量已經超過補給量。根據遼寧省超采區評價成果，全省淺層地下水超采區面積為3 221.6 km2，深層承壓水超采區面積為5 870.1 km2，淺層與深層超采區垂向上重合部分的面積為227.5 km2，扣除重合部分后，全省超采區總面積為8 864.2 km2[14]。2016年松遼平原地下水位超采區總面積達到3 800 km2，部分地區地下水位持續下降。表1所示為松遼平原2016年淺層地下水超采區分布。

2 地下水埋深、降水及開采量變化趨勢

本次數據統計來源于2005—2015年全國水資源公報與松遼平原淺層地下水控制站的監測數據。

2.1 地下水埋深分布及動態

基于2005—2015年全國水資源公報統計數據與全國地下水控制站的監測數據，對大量的監測數據進行嚴格篩選，選取14個典型監測站點，選取原則應滿足代表性(監測站點位于超采區)、可靠性(至少具有近15 a監測數據)、一致性的要求，分析這11 a松遼平原地下水埋深動態變化，同時選取2005、2015年為代表年分別繪制地下水埋深分布圖。

選取的吉林省典型測站是位于白城市淺層地下水超采區的勿蘭花站、長春市的雙井和高家店以及松原市的蔡家溝潛水測站，分析潛水位埋深與降水量的變化過程。由圖1曲線可以看出，4個測站在2010—2015年數值及趨勢上基本是一致的，潛水埋深總體上增加。綜合降水量柱狀圖分析，在降水量上升的同時潛水位埋深下降，而部分年份(如2009年)降水量增加時，潛水位埋深卻在增加，表明除降水之外地下水埋深變化還受其他因素的控制。

選取的遼寧省潛水典型測站為阜新市淺層地下水嚴重超采區的大廟、雙廟潛水測站，位于錦州市淺層地下嚴重水超采區的中安潛水測站以及沈陽市的大科莊潛水測站。由圖1可以看出2015年與2005年相比潛水埋深總趨勢是增加的；2010—2011年降水量減少的同時，地下水埋深也降低，由此可知影響潛水埋深變化的主要原因也并非降水這一要素。

選取的黑龍江省潛水典型測站為海倫市淺層地下水超采區同江市的樂業、清河、綏濱縣的北山村以及撫遠縣的前鋒農場場部潛水測站，可以看出2015年與2005年相比潛水埋深是增加的；同時2011—2012年降水量增加，地下水埋深也增加，同樣可以判斷潛水埋深變化還受其他因素的影響。

a) 吉林省

b) 遼寧省

c) 黑龍江省

d) 內蒙古自治區圖1 松遼平原4省(自治區)典型站點潛水埋深及降水量對比

選取的內蒙古潛水典型測站為通遼市淺層地下水嚴重超采區的興安村、豐盛村和水泉村潛水測站。由圖可以看出2015年同2005年相比潛水埋深總趨勢是增加的；同時2011—2012年降水量增加，地下水埋深也增加，可知潛水埋深變化也同時受到多個要素的影響。

結合14個典型站點的潛水面埋深過程線圖，分別繪制2005、2015年松遼平原潛水埋深等值線(圖2)，用以分析其潛水埋深的空間分布特征。2005年，潛水埋深大于30 m區域面積164.17 km2，位于吉林省松原市前郭爾羅斯蒙古族自治縣；埋深20～30 m區域位于吉林省松原市前郭爾羅斯蒙古族自治縣(328.34 km2)和長春市農安縣(4.06 km2)；埋深10～20 m區域分布于吉林省白城市(736.81 km2)、四平市(16.06 km2)，黑龍江訥河市(7 095.69 km2)、綏化市(2 551.52 km2)、海倫市(268.00 km2)、五大連池市(232.00 km2)、雙鴨山市(28 km2)以及內蒙古的通遼市(203.07 km2)；其余地區埋深均小于10 m。

a)2005年

b)2015年圖2 2005、2015年松遼平原潛水埋深等值線

2015年，潛水埋深大于30 m的區域仍位于吉林省松原市前郭爾羅斯蒙古族自治縣，面積增加至419.54 km2，增加了150%；埋深20～30 m區域總面積比2005年增加了533.31 km2(其中吉林省松原市前郭爾羅斯蒙古族自治縣增加至747.88 km2，新增長春市農安縣117.83 km2)；埋深10～20 m區域新增吉林省松原市(3 466.83 km2)，此外農安縣(674.49 km2)、前郭爾羅斯蒙古族自治縣(725.09 km2)、四平市(176 km2)、海倫市(1 982.39 km2)、綏化市(918.55 km2)和內蒙古通遼市(增加1 7531.67 km2)潛水埋深均較2005年有所增大。

2.2 降水量的變化

潛水面埋深變化取決于地下水補給量和排泄量的變化，如果地下水補給量小于排泄量，降落漏斗區潛水埋深增加。不同地區降落漏斗的變化成因不同，研究松遼平原地區地下水降落漏斗成因機制及各因素貢獻率，從補給來源和排泄兩方面分析，淺層地下水的主要補給來源于降水[15]。

松遼平原屬于溫帶季風性氣候，夏季短促而溫暖多雨，冬季漫長而寒冷少雪。根據這11 a年降水量對比，可得枯水年2007年為409.6 mm，2011年為444.8 mm，豐水年2013年為649.7 mm。豐水年降水量可達枯水年降水量的1.59倍。從圖3中可以看出，這11 a年降水量均有較大差異，但并無明顯增加或者減少的趨勢。除2010、2012、2013年外都低于多年平均降水量，這11 a年平均降水量為511.5 mm，略低于多年平均降水量514.5 mm(多年平均值采用1956—2000年系列平均值)，較多年平均低0.58%。

圖3 2005—2015年松遼平原降水量

2.3 地下水開采量的變化

地下水開采量增大，并持續維持較大開采程度，是造成地下水位難以恢復的另一原因。2005、2010、2015年4省(自治區)地下水開采量見圖4。吉林省2005、2010、2015年的地下水開采量分別為36.8億、44.2億、44.0億m3；遼寧省2005、2010、2015年的地下水開采量分別為64.3億、67.6億、58.6億m3；內蒙古2005、2010、2015年的地下水開采量分別為86.2億、88.6億、88.3億m3。以上3個省(自治區)地下水開采量2005—2010年增加，2010年之后有減少趨勢，這可能是由于之前過量開采導致地下水位下降致開采難度增加以及政策對地下水的保護造成了地下水開采量的減少。黑龍江省2005、2010、2015年的地下水開采量分別為113.1億、146.1億、157.7億m3，地下水開采量逐年增加。總體來說，2015年研究區地下水總開采量比2005年增加了48.2億m3，淺層地下水開采力度略增加，這可能是由于部分地區近些年降水偏少、蒸發強烈、地表水資源相對匱乏不十分發育，同時農業灌溉、工業生產及生活用水增加，打破區內原有的生態環境平衡狀態，逐漸形成地下水的超采趨勢。

圖4 2005—2015年松遼平原4省(自治區)地下水開采量

3 地下水埋深變化控制因素分析

地下水埋深動態變化的影響因素主要有降水量、人工開采量，但對于不同地區，這些因素對其影響程度并不相同。本次研究采用灰色關聯度法[9]的相關分析來研究影響松遼平原地區潛水埋深變化的主導因素。灰色關聯度是一種確定各自變量指標權重的有效方法，自變量與因變量之間的相關程度通過關聯系數r來表示，r的絕對值越接近于1，兩變量的關聯程度越強，r的絕對值越接近0，兩變量的關聯程度越弱。松遼平原包括4個省(自治區)，其淺層地下水超采區內水文測站數據結合降水量及地下開采量數據可得分析結果見表2。

通過分析計算可得吉林、遼寧、黑龍江、內蒙古4省(自治區)地下水開采量與潛水埋深關聯系數均大于降水量與潛水埋深灰色關聯度，所以可得松遼平原降落漏斗潛水位埋深變化受到地下水開采量影響程度大于降水量。

表2 松遼平原4省(自治區)地下水埋深與降水及開采量的灰色關聯度

4 結論

本文根據全國水資源公報以及地下水歷史站點與監測數據統計分析松遼平原淺層地下水超采區分布，降落漏斗潛水位埋深動態變化及其主導因素。

a) 2005—2015年松遼平原淺層地下水水位整體呈下降趨勢。

b) 松遼平原淺層地下水降深中心位于吉林省松原市前郭爾羅斯蒙古族自治縣，埋深已達48 m，埋深大于10 m的區域面積占全區總面積的64.74%，與2005年相比，2015年埋深大于10 m的區域面積增加了1.95萬km2。

c) 降落漏斗淺水位埋深的變化可歸結為降水量的變化和人工開采的程度，根據灰色關聯度法計算可以得出主導因素為人工開采，降水影響其次。