近30年德令哈市東南部地下水埋深動態(tài)變化規(guī)律探究

李媛媛

(青海省水文水資源測報中心，青海 西寧 810000)

水資源是人類賴以生存的必要自然資源之一，我國幅員遼闊且自然資源豐厚，其中水資源總量居世界第四，高達(dá)2.81 012 m3，但因我國人口眾多導(dǎo)致人均水資源量較為匱乏，僅為2 240 m3[1]，依據(jù)瑞典科學(xué)家馬克提出的人均水資源標(biāo)準(zhǔn)，僅為國際標(biāo)準(zhǔn)三分之一[2]。其中我國地下水資源占國內(nèi)水資源總量1/3，達(dá)8.837×108m3，因其作為唯一僅次于冰川可持續(xù)利用的淡水資源，具有不易受污染、分布廣泛且供水量穩(wěn)定的特點，一直作為人們的主要飲用水源，但我國人均占有量依然低于國際標(biāo)準(zhǔn)，不少貧困地區(qū)依然處于缺水少水狀態(tài)，拖累當(dāng)?shù)孛裆?jīng)濟(jì)的發(fā)展[3]，因此在維護(hù)好生態(tài)環(huán)境紅線的前提下，如何更好地掌握地下水資源量動態(tài)變化特征，并進(jìn)行有效的指導(dǎo)地下水資源開采與利用，具有極其重要的戰(zhàn)略意義[4]。

地下水埋深動態(tài)變化在廣義上是人為因素的主觀調(diào)控與自然界客觀條件限制共同作用的結(jié)果，狹義上即為水分子在“大氣降水-地表水-地下水”循環(huán)過程中以不同運動狀態(tài)存在的動態(tài)變化過程[5]。研究地下水埋深的動態(tài)變化規(guī)律，特別是在干旱半干旱地區(qū)，當(dāng)?shù)夭粌H缺失同時強(qiáng)蒸發(fā)作用使得土壤鹽漬化極為嚴(yán)重[6]，掌握地下水動態(tài)變化規(guī)律可以有效的為地下水資源的開發(fā)利用提供良好的理論基礎(chǔ)，使得決策者依據(jù)其變化過程進(jìn)行最優(yōu)化水資源調(diào)配，對于當(dāng)?shù)孛裆哂兄匾饬x，同時也一直是眾多學(xué)者研究的重點與熱點，在取得豐碩研究成果的同時也證明了地下水埋深動態(tài)變化的研究確實有效的支撐著地下水資源開發(fā)[7-9]。

本文所選研究區(qū)地理上隸屬于青海省德令哈市東南部區(qū)域，為更好地服務(wù)于區(qū)域地下水資源的開發(fā)利用，擬基于研究區(qū)5口觀測井1981-2016年期間共30 a地下水埋深數(shù)據(jù)資料(其中6年數(shù)據(jù)由于記錄設(shè)備原因缺失)，通過數(shù)學(xué)統(tǒng)計學(xué)分析、Personal相關(guān)性分析、線性傾向估計和Mann-Kendall趨勢檢驗法等分析手段，探求德令哈市東南部近30 a地下水埋深統(tǒng)計學(xué)特征規(guī)律性及內(nèi)部不同區(qū)域地下水埋深動態(tài)變化關(guān)聯(lián)性，并基于此進(jìn)行隨時間序列變化下地下水埋深整體趨勢規(guī)律性的研究，以期為當(dāng)?shù)氐叵滤Y源的開采提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)位于德令哈市東南部區(qū)域，海拔處于2 700～2 800 m，區(qū)域地貌上整體上處于開闊型山間小型盆地，三面環(huán)山，據(jù)德令哈氣象站觀測資料，本區(qū)多年平均降水量僅為120 mm，年降雨量稀少且蒸發(fā)強(qiáng)烈，多年平均蒸發(fā)量可達(dá)2 370 mm，多年平均氣溫為2.6℃～3.1℃，屬于荒漠性氣候[10]。研究區(qū)流經(jīng)主要河流為巴音河流域，屬于柴達(dá)木盆地第四大內(nèi)陸河，發(fā)源于祁連山支脈野牛脊山，全長可達(dá)326 km，流域面積約9 918 km2，多年平均流量為10.93 m3/s[11]，有效的對區(qū)域地下水進(jìn)行部分補(bǔ)給。

研究區(qū)地下水類型以潛水層第四系松散巖類孔隙水為主，廣泛分布于沖洪積-湖積平原，含水層巖性以砂礫卵石和含泥砂卵礫石層構(gòu)成為主，具有厚度大且顆粒較粗、結(jié)構(gòu)單一和透水性較強(qiáng)的特點，地下水埋深通常小于3 m。區(qū)域內(nèi)地下水主要補(bǔ)給源為大氣降雨，次要補(bǔ)給源為巴音河?xùn)|南部流域側(cè)向補(bǔ)給，受地形地貌影響整體徑流方向由南向北，少部分地下水遇地勢低洼處以泉形式排出地表，大部分以地下徑流方式排入尕海[12]。

圖1 研究區(qū)位置圖[12]

研究區(qū)分析數(shù)據(jù)主要來自于青海省水文水資源測報中心自1980年開始設(shè)立的人工地下水埋深觀測井，先后共建設(shè)49眼地下水監(jiān)測井，其中研究區(qū)主要有5口，觀測時間自1980-2016年期間，觀測井由專業(yè)技術(shù)人員在每月1號、6號、11號、16號、21號、26號上午8時記錄地下水埋深并每年進(jìn)行數(shù)據(jù)檢驗，數(shù)據(jù)資料豐富且真實可信，研究區(qū)地下水監(jiān)測井基本信息如表1所示。

表1 研究區(qū)地下水監(jiān)測井基本信息一覽表

2 研究方法及原理

2.1 統(tǒng)計學(xué)和Personal相關(guān)性分析

描述性統(tǒng)計學(xué)分析法由數(shù)學(xué)概率論基礎(chǔ)上發(fā)展而來，依靠大量樣本數(shù)據(jù)，選取統(tǒng)計參數(shù)(極差值、均值、變異系數(shù)、偏度值)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的深度挖掘，總結(jié)客觀事物發(fā)展的定量化演化規(guī)律，同時在一定程度上反映出數(shù)據(jù)空間分布特性，目前該方法已應(yīng)用于包括地下水位埋深動態(tài)變化等多個領(lǐng)域且取得了良好反饋效果，有效的為客觀事物規(guī)律性總結(jié)的深入研究奠定良好理論基礎(chǔ)[13～15]。統(tǒng)計參數(shù)原理如下。

2.1.1 極差

極差即為最大值和最小值的差值，可有效上反映出某指標(biāo)數(shù)據(jù)在同一空間隨時間序列的變幅情況，多用來探尋是否存在區(qū)域極端現(xiàn)象并探明發(fā)生原因。

2.1.2 統(tǒng)計均值

統(tǒng)計均值是統(tǒng)計學(xué)中最常用的統(tǒng)計量，用來表明資料中各觀測值相對集中較多的中心位置，可反映現(xiàn)象總體的一般水平或分布的集中趨勢，即為某指標(biāo)數(shù)據(jù)長時間演化下固定時間段的平均數(shù)值，可一定程度上反映演化規(guī)律的穩(wěn)定性[16]。

2.1.3 變異系數(shù)

變異系數(shù)可反映樣本數(shù)據(jù)整體離散程度，且可適用于數(shù)據(jù)不同量綱之間，離散程度即可表征樣本某指標(biāo)數(shù)據(jù)在相同空間尺度下的空間分布變化穩(wěn)定性，變異系數(shù)越小，意味著該指標(biāo)在該區(qū)域內(nèi)空間分布上穩(wěn)定性越好[17]。變異系數(shù)計算公式如下，分類如表2所示。

變異系數(shù)計算公式如下：

(1)

表2 變異系數(shù)分類表

2.1.4 Pearson相關(guān)性分析

Pearson相關(guān)系數(shù)由統(tǒng)計學(xué)之父Karl Pearson于19世紀(jì)80年代提出，以此定量化呈現(xiàn)不同變量之間的相關(guān)性關(guān)系，因其表示效果良好，數(shù)年來被廣泛應(yīng)用于地下水埋深動態(tài)變化分析中[18-20]。其原理是利用兩個變量之間的協(xié)方差與方差之比值來量化二者的相互聯(lián)系程度，相關(guān)系數(shù)范圍是[-1，1]，正相關(guān)即為正數(shù)，且數(shù)值越高表明兩個變量之間線性程度越高，負(fù)數(shù)反之亦然。相應(yīng)計算公式如下：

(2)

表3 Pearson相關(guān)系數(shù)相關(guān)性程度分類表

2.2 線性傾向估計法

線性傾向估計法是基于線性函數(shù)理論下，由已知觀測值在最優(yōu)線性模型下預(yù)測隨機(jī)變量值的一種趨勢分析方法，該方法以其計算簡便且表達(dá)直觀，對于趨勢明顯的長時間序列能有效得到規(guī)律性結(jié)論的優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于地下水埋深動態(tài)變換趨勢分析中，計算原理如下[21]。

用yi表示樣本數(shù)據(jù)量為n的某時間序列變量，用ti表示yi所對應(yīng)時間序列，建立yi與ti之間的一元線性關(guān)系式：

yi=ati+b，i=1，2，3…n

(3)

式中：a為一元線性方程系數(shù)(趨勢傾向率)，b為回歸常數(shù)，采用最小二乘法即可估算a和b。

基于yi與ti對應(yīng)數(shù)據(jù)求出二者之間的趨勢相關(guān)性系數(shù)r，并依據(jù)置信率水平查詢相關(guān)系數(shù)臨界值表，若滿足，則認(rèn)為線性趨勢顯著；若趨勢傾向率a>0，時間t隨y呈現(xiàn)上升趨勢，反之呈下降趨勢。相關(guān)系數(shù)公式如下：

(4)

2.3 Mann-Kendall趨勢檢驗法

Mann-Kendall趨勢檢驗分析方法，能有效區(qū)分某自然界事物現(xiàn)象演化過程是處于自然波動還是存在確定的某方向變化趨勢，特別是針對于在長時間序列下樣本數(shù)據(jù)隸屬于非正態(tài)分布曲線的水文氣象數(shù)據(jù)，Mann-Kendall檢驗具有更加突出的適用性，經(jīng)常用于氣候變化影響下的地下水位埋深、降水頻率及干旱頻次的趨勢檢測，計算原理如下[22]。

假設(shè)H0：時間序列(y1，…，yn)是n個獨立隨機(jī)同分布的樣本，假設(shè)H1是雙邊檢驗，對于所有的i，j≤n且i≠j，xi和xj的分布不同，Mann-Kendall檢驗統(tǒng)計量S計算公式為：

(5)

式中：yi和yj分別為第i、j時對應(yīng)數(shù)據(jù)；sgn為符號函數(shù)，且當(dāng)yj-yi分別大于0、等于0或小于0時，sgn(yj-yi)分別為1、0或-1。

S近似于服從正態(tài)分布，其均值為0，方差為：

(6)

在雙邊趨勢檢驗中，對于給定的置信度a，若|Z|≥Z1-1/2a，在假設(shè)H0中是不可接受的，即意味著在給定的a中樣本數(shù)據(jù)隨時間序列變化存在明顯的上升或下降趨勢。其中Z為正值即代表上升趨勢，為負(fù)值則代表下降趨勢，當(dāng)|Z|大于等于1.28、1.64和2.32時，表示其在置信率為90%，95%和99%時分別通過顯著性檢驗。統(tǒng)計量檢驗值Z計算公式如下：

(7)

3 結(jié)果與分析

3.1 描述性統(tǒng)計結(jié)果與分析

基于統(tǒng)計學(xué)特征值原理及相應(yīng)公式，通過Excel進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)特征值計算，計算詳細(xì)結(jié)果如表3所示，各測井統(tǒng)計特征值折線圖如圖2所示。

表3 研究區(qū)各測井統(tǒng)計特征值表

由表3可知，從研究區(qū)整體情況來看，區(qū)域極差值為2.9 m，均值為2.39 m，最大值和最小值差距可達(dá)70%，但變異系數(shù)0.36相對偏低，綜合表明研究區(qū)在30a期間出現(xiàn)過地下水埋深大幅變化情況，但整體上動態(tài)變化較為平穩(wěn)，波動性不強(qiáng)。

從各個測井局部地下水埋深情況來看，各測井地下水埋深差異性還是較為明顯，其中1-1號測井30 a期間埋深最小值(0.35 m)相對小于其他測井，且該井最大值(3.3 m)和年均值(1.73 m)也明顯小于其他測井，綜合表明該井周邊地下水位埋深相較其他區(qū)域偏淺，可利用性相對較好。3-9號測井30 a期間地下水埋深最大值(5.11 m)明顯大于其他測井，且該井在這期間地下水埋深變幅可達(dá)至3.39 m，也較其他測井更大，表明該測井周邊區(qū)域相較其他區(qū)域動態(tài)出現(xiàn)過大幅變化情況，從開采角度來說不確定性較高。

從年均值來看，最大年均值出現(xiàn)于3-1號測井(3 m)，相較于最小年均值1-1號測井差距可達(dá)42%，說明研究區(qū)內(nèi)部地下水埋深最淺和最深區(qū)域存在較大差異性。從極差值來看，最大極差值出現(xiàn)于3-9號測井已進(jìn)行分析，最小極差值出現(xiàn)于1-13號測井(2.35 m)，表明該測井區(qū)域相對其他測井區(qū)域地下水埋深在30 a期間變幅情況較小。從變異系數(shù)來看，研究區(qū)五個測井均處于中等變異程度，其中最大變異系數(shù)出現(xiàn)于1-3號測井(0.49)，可說明該井30a期間地下水埋深動態(tài)變化在自然和人為影響作用下變化波動較大，最小變異系數(shù)出現(xiàn)于3-1號測井(0.25)，相較于其他測井該測井區(qū)域30a期間地下水埋深動態(tài)相對平穩(wěn)。

研究區(qū)各測井30 a期間地下水埋深相關(guān)性關(guān)系分析結(jié)果如表4所示。由表可得，整體上地下水埋深均表現(xiàn)為正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)無負(fù)數(shù)出現(xiàn)，表明研究區(qū)各區(qū)域地下水埋深動態(tài)變化具有相同趨勢。其中1-1號測井和1-3號測井與1-13號測井之間存在極強(qiáng)正相關(guān)(0.91和0.93)，表示1-1號測井與該兩種測井30 a期間地下水埋深變化具有高度趨同性，可表明三種測井之間地下水水力聯(lián)系性極強(qiáng)；1-3號測井和1-13號測井與3-1號測井相關(guān)系數(shù)分別為0.85和0.75，表明1-3號測井與該兩種測井分別呈現(xiàn)極強(qiáng)正相關(guān)和強(qiáng)正相關(guān)，其地下水埋深動態(tài)變化之間同樣具有較好的趨同性，水力聯(lián)系性較好；相關(guān)性最弱分別出現(xiàn)于1-1號測井和1-13號測井與3-9號測井之間(0.11和0.08)，表明該兩種測井與3-9號測井之間在30 a期間地下水埋深動態(tài)變化無關(guān)聯(lián)性，可說明二者與該井之間水力聯(lián)系極弱，可能存在局部隔水區(qū)域。

表4 研究區(qū)各測井30a期間地下水埋深相關(guān)性關(guān)系

3.2 30a趨勢性結(jié)果與分析

為揭示研究區(qū)地下水埋深30 a期間變化趨勢規(guī)律，對研究區(qū)五個測井和區(qū)域整體進(jìn)行線性傾向估計，包含線性回歸和時間序列與地下水埋深相關(guān)系數(shù)的計算；同時進(jìn)行研究區(qū)五個測井和區(qū)域整體的Mann-Kendall趨勢檢驗分析，計算出各自對應(yīng)的Z值。上述具體計算結(jié)果見圖2和表5。

圖2 研究區(qū)各測井地下水埋深線性估計規(guī)律圖

表5 研究區(qū)各測井地下水埋深線性估計和Mann-Kendall檢驗結(jié)果表

由圖2(f)和表4可知，整個研究區(qū)在30a期間地下水埋深動態(tài)變化從宏觀上看呈現(xiàn)較明顯減少趨勢，2016年相較于1981年地下水位抬升了1.56m；時間序列和地下水埋深相關(guān)系數(shù)為-0.58，呈現(xiàn)中等負(fù)相關(guān)，同時Z值絕對值>2.32且為-3.07<0，綜合表明隨著時間序列的增大地下水埋深相應(yīng)減小，且其減少趨勢在置信率99%下通過檢驗，印證了線性回歸曲線的正確性。該趨勢表明研究區(qū)地下水30a期間開采量小于補(bǔ)給量，地下水資源得到一定程度增加。

研究區(qū)地下水埋深動態(tài)從局部上看是呈現(xiàn)先減小后增大再減小的趨勢，其中1981-1991年期間地下水水位持續(xù)處于顯著抬升狀態(tài)，1991-2001年期間地下水水位持續(xù)處于顯著下降狀態(tài)，下降至最高埋深于2001年達(dá)到3.79 m，之后地下水埋深又處于顯著抬升狀態(tài)，一直持續(xù)到2006年逐漸恢復(fù)與1990年持平，2006年之后10 a期間地下水埋深動態(tài)存在較小范圍變化，但與前20 a相比動態(tài)波動性基本趨于穩(wěn)定，表明這期間研究區(qū)地下水資源開采處于合理范圍，年均開采量和補(bǔ)給量更接近平衡狀態(tài)。

由圖2(a)～(e)和表4可知，在30 a期間測井1-1號、1-3號和1-13號區(qū)域地下水埋深從宏觀上看均處于減小趨勢，2016年相較于1981年地下水位抬升了1.16～2.3 m，其時間序列和地下水埋深相關(guān)系數(shù)為-0.71～-0.79，呈現(xiàn)負(fù)強(qiáng)相關(guān)，同時檢驗值Z為-3.46～-4.96均<0，且絕對值均>2.32，綜合表明三個測井隨著時間序列的增加地下水埋深處于置信率99%的顯著減小趨勢，表明三個測井周邊區(qū)域30 a期間地下水開采量小于補(bǔ)給量。

3-1號測井周邊區(qū)域地下水埋深在30a期間存在局部波動性減小和增大，但宏觀上地下水埋深也在減少但波動性相較于上述三個測井較小，從其相關(guān)系數(shù)(-0.1)和檢驗值Z(-1.41)也得到側(cè)面驗證。3-9號測井呈現(xiàn)與其余四個測井完全相反的變化，地下水埋深處于增大狀態(tài)，最大于2001年下降至5.11 m，同時其相關(guān)系數(shù)和檢驗值Z分別為0.3和1.46，側(cè)面驗證該測井處于增大趨勢，但增大趨勢不明顯，這與該測井最終于2016年恢復(fù)至平均值(2.51 m)有關(guān)，可能與后期該測井周邊區(qū)域地下水開采量逐漸減小或受人為灌溉等影響補(bǔ)給量增大有關(guān)。

4 結(jié)語

本文以德令哈市東南部作為研究區(qū)，以研究區(qū)五口測井地下水埋深30 a常年監(jiān)測數(shù)據(jù)(1981-2016)為基礎(chǔ)，利用統(tǒng)計學(xué)特征、Personal相關(guān)性、線性傾向估計法和Mann-Kendall趨勢檢驗法等方法，進(jìn)行區(qū)域地下水埋深30 a期間時空分布規(guī)律分析，得出如下主要結(jié)論：

(1)研究區(qū)在30 a期間出現(xiàn)過地下水埋深大幅變化情況，但整體上動態(tài)變化波動性趨于穩(wěn)定。各測井30 a期間地下水埋深變化差異性較明顯，其中1-1號測井周邊地下水位埋深相較其他區(qū)域偏淺，3-1號測井區(qū)域地下水埋深動態(tài)變化相對平穩(wěn)，二者可利用性相對較好；3-9號測井周邊區(qū)域相較其他區(qū)域動態(tài)出現(xiàn)過短期大幅變化情況，1-3號測井地下水埋深動態(tài)變化波動性較大，二者從開采角度來說不確定性較高。

(2)研究區(qū)1-1號測井和1-3號測井與1-13號測井之間地下水埋深變化具有高度趨同性，測井之間地下水水力聯(lián)系性極強(qiáng)；1-3號測井和1-13號測井與3-1號測井地下水埋深動態(tài)變化之間同樣具有較好的趨同性，水力聯(lián)系性較好；1-1號測井和1-13號測井與3-9號測井之間在30 a期間地下水埋深動態(tài)變化無關(guān)聯(lián)性，水力聯(lián)系極弱，可能存在局部隔水區(qū)域。

(3)研究區(qū)在30a期間地下水埋深隨著時間序列的增大相應(yīng)減小，地下水開采量小于補(bǔ)給量，地下水資源得到一定程度增加，其中2006年之后10 a期間與前20 a相比動態(tài)波動性基本趨于穩(wěn)定，地下水資源年均開采量和補(bǔ)給量更趨于平衡狀態(tài)。測井1-1號、1-3號和1-13號區(qū)域地下水埋深隨著時間序列的增加處于置信率99%的顯著減小趨勢，地下水開采量小于補(bǔ)給量；3-1號測井區(qū)域地下水埋深整體平穩(wěn)，存在局部波動性減小和增大；3-9號測井地下水埋深處于增大趨勢但不顯著，可能與后期該測井周邊區(qū)域地下水開采量逐漸減小或受人為灌溉等影響補(bǔ)給量增大有關(guān)。