三江平原建三江地下水動態變化特征

劉偉坡，沙 娜，程旭學

（中國地質調查局 水文地質環境地質調查中心，河北 保定 071051）

0 引 言

【研究意義】地下水作為水資源的重要組成部分，既在區域水循環中發揮著重要作用，又是我國北方地區工農業生產和人類生活的重要供水水源[1]。由于地下水的開發、利用缺乏統一的規劃和有效管理，致使當前的地下水開發利用過程中出現地下水位持續下降、地面沉降、地裂縫、海水入侵等一系列生態環境問題[2-4]。因此，地下水動態變化規律及其影響因素研究已成為國內外專家關注的熱點問題之一[5-7]，所采用的研究方法主要有雙向回歸分析方法[8-9]、R/S 分析法[10-11]、Mann-Kendall 檢驗、Yamamoto 檢驗、滑動t 檢驗[12-14]。【研究進展】李鴻雁等[15]應用方差分析和分形理論研究了建三江地區2005—2008 年地下水動態變化規律。危潤初等[16]采用雙向回歸突變分析方法和標準化降水指數（SPI）方法研究了建三江地區1992—2011 年地下水埋深的趨勢突變，分析了地下水動態趨勢突變與降水之間的響應關系。【切入點】近年來，隨著區內農業種植結構的不斷調整和水稻田種植規模的不斷擴大，地下水補排產生了新的變化趨勢，改變了地下水流場特征，引起地下水位不同幅度下降。【擬解決的關鍵問題】本文運用Arcgis 空間插值分析、OriginPro 趨勢分析、襯度系數方差分析及地下水動力學等方法，研究地下水時空動態變化特征，揭示現狀條件下地下水動態變化規律，對指導地方合理開發利用地下水資源具有重要現實意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

建三江位于三江平原的東北部，地處黑龍江、松花江和烏蘇里江三江匯流的河間地帶，轄區總面積1.24 萬km2，擁有15 個大中型農場，是我國重要的商品糧生產基地。多年平均氣溫1.0～2.0 ℃，極端最高氣溫38 ℃，極端最低氣溫-41.6 ℃，多年平均降水量為383.5～886.1 mm。區內河流水系發育，黑龍江、烏蘇里江南北環繞，松花江貫穿全境，撓力河、七星河、別拉洪河和其他支流縱橫交錯。自第四紀以來，研究區以間歇式沉降為主，地表沉積了3～20 m不等厚度的黏土和亞黏土，大大降低了大氣降水對地下水的垂直入滲補給[17-19]。區內地勢平緩，地下水水力坡度與地面坡降相近，為1/10 000～1/5 000，地下水徑流緩慢。根據黑龍江墾區1998—2018 年統計年鑒資料，1997—2017 年20 a 間，區內耕地面積由38.12 萬hm2增加至75.28 萬hm2，增長了近1 倍，水稻田種植面積由14.67 萬hm2增加至65.66 萬hm2，增長了近3.5 倍。區內地表水資源雖較為豐富，但開發利用程度低，灌溉用水90%以上以地下水為主。因此，隨著水稻田種植規模的不斷擴大，對地下水的需求量日益增加，地下水嚴重超采，地下水位呈不等程度下降。

1.2 數據來源

本研究收集了建三江分局15 個農場監測井20 a（1997—2017 年）的逐年地下水位標高、1997—2017年不等時期土地利用類型遙感影像數據，以及建三江分局20 a 耕地面積和水稻田面積的統計數據。收集監測井監測層位為第四系松散巖類孔隙含水層，為區內地下水主要開采目的層，能較好反映區內地下水動態。

1.3 數據分析

對 1997—2017 年的地下水位標高數據應用OriginPro 軟件分析地下水位動態變化規律；根據SPSS 預測模型預測未來5 a 地下水位變化趨勢；應用襯度系數方差分析揭示研究區地下水位變幅空間變化特征，應用Arcgis 空間插值分析揭示地下水流場空間異變特征，查明地下水動態變化規律及其影響因素。

1.3.1 襯度系數方差分析

離散型變量方差計算公式為：

式中：n 為樣本個數；Xi為樣本值；為樣本均值。

襯度系數V 作為一種變量波動性評判指標，反映樣本值與樣本均值的比較，其表達式為：

式中：Vi為樣本值；為樣本均值。

由式（2）可知，襯度系數值的大小可以體現樣本值的異常程度。襯度系數方差分析即先求取每個變量的襯度系數值，再求其方差[20]。

1.3.2 Arcgis 空間插值分析

以建三江分局15 個農場監測井1997、2017 年地下水位標高數據為基礎，利用Arcgis 克里金插值分析，繪制了區內1997—2017 年地下水位變幅圖、地下水位襯度系數方差圖以及地下水流場圖，揭示地下水過度開采引起的地下水位下降幅度空間分布規律及地下水流場變化趨勢。

2 結果與分析

2.1 地下水位動態分析

建三江分局15 個農場監測井20 a（1997—2017年）地下水動態曲線如圖1 所示。區內除前哨、勤得利農場地下水位動態變化相對較小外，其他13 個農場監測井地下水位動態波動幅度均大于3.0 m，濃江農場監測井地下水位降幅最大，為9.29 m，地下水位平均下降速率為0.46 m/a。

圖1 建三江地下水水位多年動態曲線 Fig.1 Multi-year dynamic curve of groundwater level in Jiansanjiang

2007—2017 年，勤得利農場地下水位波動幅度為0.15～0.48 m，波動幅度相對穩定；2015 年以來，創業農場地下水位基本保持相對穩定狀態，波動幅度為0.12～0.16 m，七星農場、紅衛農場地下水位呈現小幅上升趨勢，七星農場地下水位由2015 年的46.5 m上升至2017 年的47.23 m，上升幅度為0.37 m/a。

根據15個監測井1997—2017年地下水位變化幅度，應用Arcgis 空間插值繪制了地下水位變幅圖（圖2）。

從圖2 可以看出，區內東部、西部地下水位下降幅度較大，為7.8～9.29 m，且西部下降幅度明顯大于東部，南部和北部下降幅度相對較小，位于東北部的勤得利農場下降幅度最小，為1.60 m，推測主要受地下水開采強度及地表水側向補給的影響。 由于農業種植結構和土地利用類型的不斷調整，耕地面積和水稻田種植面積呈逐年增長趨勢，自1997—2017年耕地面積由38.12萬hm2增加至75.28萬hm2，增長了近1 倍，水稻田種植面積由14.67 萬hm2增加至65.66 萬hm2，增長了近3.5 倍。區內水稻田灌溉用水90%以上以開發利用第四系孔隙水為主。因此，隨著水稻田種植規模的不斷擴大，地下水的開采量不斷增加致使地下水超采是導致區內地下水位下降的主要原因。近年來，隨著三江平原水稻田種植規模的相對穩定和農業節水灌溉意識的不斷提高，水稻需水量灌溉定額由4 500～5 250 m3/hm2調為4 200～4 950 m3/hm2，灌溉渠系的修整、防護間接提高了井水灌溉利用系數，有效降低了渠間滲漏量，地下水開采量得到有效控制，地下水位呈現小幅波動或緩慢上升趨勢。 區內南部和東北部山前地表水系較為發育，撓力河、七星河、濃江和黑龍江環繞其間，地表水—地下水動態轉化頻繁，受人類活動因素影響引起的區域地下水位下降，改變了天然地下水流場特征，增大了山前地下水水力坡度，地表水—地下水動態轉化關系以入滲補給地下水為主，致使山前側向徑流補給量和河流入滲補給量增加，是區內南部和北部地下水位下降幅度相對較小的主要原因。

2.2 襯度系數方差分析

根據襯度系數方差分析公式對建三江分局15 個農場監測井進行統計分析，為便于對比分析，將地下水位襯度系數方差結果均放大103倍，結果見表1。

表1 地下水水位襯度系數方差值 Table 1 Variances of contrast coefficients of groundwater level

從表1 可以看出，研究區15 眼監測井地下水位襯度系數方差為0.19～4.61，地下水位波動幅度最小區位于勤得利農場，濃江農場地下水位波動幅度最大。對地下水位襯度系數方差值進行Arcgis 插值處理，結果見圖3。從圖3 可以看出，研究區地下水位波動呈明顯的空間分異特征。研究區內形成3 個“向心圓”狀地下水位波動漸變區，漸變區中心分別為濃江農場、創業農場、八五九農場，自四周向中心區地下水位波動幅度呈逐漸增大趨勢，漸變區中心最大襯度系數方差分別為4.61、4.07、3.72，西部地下水位波動幅度明顯大于東部地區，除東南部八五九農場襯度系數方差較大外，研究區四周地下水位襯度系數方差均小于研究區內部。

圖3 地下水位襯度系數方差空間分布 Fig.3 Spatial structure of variances of contrast coefficients of groundwater level

2.3 地下水流場變化分析

地下水流場方向及水力梯度的變化主要受地下水開采量、大氣降水入滲補給量、側向徑流入滲補給量、地表水入滲補給量等因素的影響，為了直觀地反映研究區地下水流場變化特征，將1997 年、2017 年研究區地下水流場繪于圖4。

從圖4 可以看出，1997 年地下水流向大致為南北向、北東向，以北東向為主，最終排泄于烏蘇里江流出區外，地下水徑流條件差、徑流緩慢。1997—2017年由于地下水的過量開采引起的地下水位不等幅度下降致使地下水流場變化表現出明顯的空間分異特征，中西部地下水流向由中心向西北、東南邊界補給地表水轉變為由北西、北東邊界向中心補給地下水，使得中西部低平原成為地下水的集中匯流區，南部大興農場、七星農場、創業農場及西北部勤得利農場地下水水力坡度明顯增大，地下水徑流條件增強，東南部山前地區水力坡度增大致使地下水側向補給量顯著增加，地下水徑流條件增強，中部低平原區由于地勢低平，地下水徑流緩慢，為地下水的弱徑流區，水力坡度無明顯變化，地下水主要接收南、北西及北東向補給，成為地下水匯流區。

3 討 論

研究區表層廣泛分布3～20 m 厚黏土和亞黏土層，大氣降水垂直入滲補給能力差，地下水主要接收側向徑流補給，西部、東南部山前地區由于地下水位的持續下降致使水力梯度明顯增大，地下水徑流條件變強，側向補給量顯著增加。南部創業農場、七星農場、大興農場部分地表水系較為發育的地區地下水位降至河水位以下，地下水接受河水入滲補給，佐證了前人的研究成果。中西部、中東部廣大低平原區地勢低平，地下水徑流遲緩，地下水垂直入滲補給及側向徑流補給能力相對較差，因此，由于地下水的過量開采致使地下水位波動及下降幅度表現為最大，與前人研究成果相一致[12,16]。

地下水動態預測模型可分為確定性模型和隨機性模型，確定性模型包括解析法、數值法、物理模擬法等；隨機性模型有回歸分析模型、頻譜分析模型以及時間序列模型等[21-23]。為揭示研究區未來5 a 地下水位變化趨勢，應用SPSS 時間序列統計預測模型對15 個監測點1997—2017 年地下水位數據進行了動態模擬，建立了ARIMA 模型，擬合度均大于0.80，擬合度較好，預測模型結果顯示：位于研究區北部的勤得利農場和南部的勝利、大興農場地下水位呈不同幅度上升趨勢，上升幅度為0.31～2.27 m，推測主要原因是由于農業種植結構的調整和節水灌溉措施的實施，有效控制了水稻田種植面積和農作物耗水量，大大減少了地下水開采量[26]；其他地區呈現不等幅度下降趨勢，下降幅度為0.3～3.55 m，其中八五九農場地下水位下降幅度最大為3.55 m，地下水不同程度過量開采是導致地下水位不等幅度下降的主要原因[15]。

由于本研究未收集到研究區內河水位高程數據，且缺少相關水化學數據支撐，地下水、河水補排關系及補給量多少等問題具有不確定性，因此，在后續工作中需開展河水位高精度GPS 測量及地表水-地下水定量轉化關系相關性研究，定量評價地表水-地下水轉化關系[24-25]，進一步研究地下水流場及時空異變特征。

4 結 論

1）1997—2017 年，區內水稻田種植面積由14.67萬hm2增加到65.66 萬hm2，灌溉用水對地下水的需求量不斷增加，地下水位呈持續下降趨勢，下降幅度為1.60～9.29 m。

2）中東部、中西部地下水位下降幅度在空間上表現為最大，地下水動態變化受人類活動的影響更強烈。

3） 東北部、東南部及南部水力梯度變化幅度最大，中西部、中東部低平原區變化幅度最小；地下水自北西、南東邊界向平原中心匯流沿北東向流出區外。

4）地下水過量開采激發了河水入滲補給地下水能力，增加了地下水側向徑流補給量。