河北省邢臺市地下水位時空變化及其驅動因素

崔 旭，張 兵，何明霞，夏文雪

（1.天津師范大學天津市水資源與水環境重點實驗室，天津300387；2.天津師范大學地理與環境科學學院，天津300387）

地下水是人類生存發展的重要水源，地下水位是反映地下水資源的重要指標，可以為區域地下水資源的開采利用及區域水資源可持續利用提供合理和可靠的依據[1-2].地下水位的動態變化是氣象和人文因素對地下水系統作用的反映，也對該地區社會經濟的持續健康發展產生巨大影響[3].過度開發利用地下水資源會導致地下水位急劇下降形成降落漏斗，產生地面沉降、塌陷、土壤次生鹽漬化、地面裂縫以及水環境惡化等一系列問題[4].Liu等[5]、李生潛等[6]、劉效東等[7]和王根緒等[8]分別對我國勝利渠灌區、石羊河流域、鼎湖山流域和黑河流域地下水位的變化情況開展研究，發現地下水開采量、作物耕作模式、灌溉方式、氣象氣候條件和土地利用類型等人類活動因素均會對地下水位產生影響.因此，了解人類活動和氣候條件對地下水系統產生的影響可為地下水資源評價以及合理開發利用水資源奠定堅實基礎.

華北平原地下水資源人均占有量較低，經濟社會發展受地下水資源制約嚴重[9-10].邢臺市為華北平原水資源缺乏的典型區，人均水資源量僅190 m3，遠低于國際公認的人均用水緊張線（1 750 m3）[11].為滿足日常生活和生產需要，對地下水資源的過度開采使邢臺市水資源緊缺的現狀不斷惡化，導致一系列生態環境問題的出現[12-14].自1978年，邢臺市區地下水位平均每年下降1.6～1.8 m，1999年地下水最大埋深達85.06 m，造成多次“水荒”和工礦企業停產事件，同時導致素有“百泉之城”的邢臺市泉水干涸[15].邢臺市水生態維護修復工程于2009年2月展開，作為全國10個水生態修復試點之一，代表華北平原和南水北調受水區，是全國唯一一個地下水修復試點.近年來，對邢臺市水資源的研究主要集中在地下水超采治理成效、水資源統一管理及優化配置、水安全以及水資源承載力等方面[15-18].

地下水位的變化與區域的地質、生態和環境等多種要素息息相關，對工農業生產和人民生活產生重要影響.因此，跟蹤區域性的地下水位變化可為地下水資源評價及合理開發利用奠定基礎.本研究以地下水位為切入點，選取邢臺市作為研究區，分析1995—2016年該區地下水位的時空變化特征及其區域響應；結合氣象觀測數據及人類活動的相關資料，從氣候因素和人為因素2個方面探討地下水位變化機制，識別地下水位變化中的氣候因素和人為因素，闡明地下水位變化的主要控制因素和恢復途徑，以期為華北乃至西北干旱區的地下水資源可持續開發、利用和保護提供一定的參考.

1 材料與方法

1.1 研究區概況

邢臺市（36°50′N～37°47′N，113°52′E～115°49′E）地處華北平原中部地區，位于河北省中南部，總面積1.24×104km2，為暖溫帶亞濕潤季風氣候，年平均氣溫12℃～14℃，全市多年平均降水量為490 mm，蒸發量高達1 160 mm[19].圖1為邢臺市地形地貌概況.

圖1 研究區及監測井點示意圖Fig.1 Studied area and location of monitoring wells

邢臺市西部山地區海拔多低于1 000 m，最高可達1 803 m，山地區面積占全市面積的29%；東部平原區可分為山前沖洪積扇平原和湖積平原，海拔高程為16～75 m，面積約8 910 km2，主要有滏西平原、黑龍港平原和滹滏平原.邢臺市地下水含水層巖性自西向東由沙卵石變為粉細砂，地下水自上而下分為4個含水組，其中第1和第2含水組為淺層地下水，第3和第4含水組為深層地下水[20].地下水補給來源主要包括大氣降水直接入滲補給、地表徑流和水庫水在河道滲漏補給以及太行山山區地下水側向補給.華北平原地下水資源人均占有量較低，經濟社會發展受地下水資源制約嚴重[21].邢臺市是華北平原水資源缺乏典型區，大量開采地下水資源使邢臺市水資源緊缺的現象持續惡化.

1.2 數據來源及研究方法

1.2.1 數據來源

邢臺市1995—2016年地下水位數據來源于中國地質環境監測院獲得的長期水位觀測資料.監測井點基本信息如表1所示，主要包括3個淺層水井和4個深層水井.監測井點井深、地理位置和研究區水文地質剖面圖如圖2所示.氣象資料來源于中國地面國際交換站氣候資料日值數據集（V3.0）（http：//data.cma.cn/data/detail/dataCode/SURF_CLI_CHN_MUL_DAY_CES_V3.0.html）.

圖2 監測井點水文地質剖面圖（A-A′）Fig.2 Hydrogeological section of logging site（A-A′）

表1 監測井點信息Tab.1 Description of groundwater monitoring wells

1.2.2 研究方法

（1）利用Origin繪制地下水位與相關氣象數據5年滑動平均圖，表征地下水位的年內、年際和地區分布變化特征.

（2）在ArcGIS中，利用克里金插值法繪制研究區地下水位空間分異圖.

（3）利用灰度關聯分析法分析地下水位時空變化的驅動因素，具體步驟為：

①設各影響因子橫向序列為Xi（k），代表影響因子Xi在第k（k=1，2，…，m）年所得數據，i為影響因子個數（i=1，2，3，…，n）.采用均值化變換方法對Xi（k）進行無量綱化處理，轉化為可以相互比較的數據：

②分別計算參考序列與影響因子序列的關聯系數

式（3）中：λ（0＜λ＜1）為分辨系數，λ越小表示區分能力越強，一般情況下λ取值為0.5.

③計算出參考序列與各影響因子的關聯度

2 地下水位時空變化

2.1 年內變化特征

1995—2016年，邢臺市各監測點多年月均地下水位如表2所示.

表2 邢臺市月均地下水位Tab.2 Monthly mean groundwater level of Xingtai City

每年1～3月，邢臺市大部分農作物處于幼苗或收割期，用水量相對較少，各監測點地下水位無較大變化.3月春灌期開始后，各監測點地下水位均呈下降趨勢，并于6～8月達到年中最小值.由于農業需水量減少以及太行山區含水層的側向補給，地下水位于9～12月回升.邢臺市深層地下水位年內波動較大，變幅為16.48 m，這主要與當地農業灌溉用水多為深層地下水有關，東郭鄉地區深層地下水位最高，臨西地區最低.淺層地下水位年內變化較平穩，臨西地區最高為28.16 m，寧晉地區地下水位較低，為-12.89 m.新河地區地下水位較其他區域年內變化明顯，該地區7月農業用水量急劇增加是導致地下水位低至-27.32 m的主要原因.

2.2 年際變化特征

1995—2016年，邢臺市淺層和深層地下水水位年際變化分別如圖3和圖4所示.

圖3 淺層地下水位的年際變化Fig.3 Interannual variation of shallow groundwater level

圖4 深層地下水位的年際變化Fig.4 Interannual variation of deep groundwater level

由圖3和圖4可以看出，自1995年，邢臺市各地區地下水位整體呈下降趨勢，由于在用水量、經濟發展水平和人口規模等方面存在一定差異，各區域不同時期地下水位有所不同.淺層地下水位平均下降速率為0.89 m/a，滏西平原和平鄉地區淺層地下水位直線下降，臨西地區淺層地下水位在1998—2004年大幅度回升，上升速率為0.96 m/a（圖3）.平原區和山地區深層地下水位均呈波浪式下降，平均下降速率為3.03 m/a，其中南石門深層地下水位由1995年的58.9 m下降至2011年的-0.56 m，下降速率高達3.96 m/a（圖4），深層地下水位下降速率遠高于淺層地下水位下降速率.由于長時間、大面積過量開采，滏西平原、黑龍港平原以及滹滏平原區深、淺層地下水采補嚴重失衡，邢臺市可利用地下水量逐年減少，地下水位急劇下降，地下水降落漏斗面積增加、含水斷層大面積疏干、泉水干枯、地面下沉以及淡咸水界面下降等多重問題在短時間內難以解決.

2.3 空間分布特征

為直觀分析邢臺市地下水位時空分布及其變異特征，選取1996、2000、2003、2005、2010和2016年為代表年份，運用克里金插值法繪制邢臺市地下水位空間分布圖，結果如圖5所示.

圖5 邢臺市地下水水位空間分布的插值圖Fig.5 Interpolation map of groundwater level spatial distribution of Xingtai City

由圖5可以看出，邢臺市地下水位整體自東北向西南方向遞減，滏西平原地下水位遠高于黑龍港平原和滹滏平原，地下水位的持續下降導致“寧柏隆”漏斗區和滏東平原漏斗區面積進一步擴張，且漏斗區中心埋深持續下降.相較于1996年，2000—2003年降落漏斗區逐漸縮小，2005年漏斗區又逐漸擴大，2010和2016年地下水降落漏斗區面積縮小，這主要是因為2009年邢臺市成為地下水修復試點，政府大力治理地下水開采，但由于邢臺市地下水資源嚴重不足，地下水補給周期長，恢復難度大，降落漏斗區水位仍呈下降趨勢.

3 影響因素分析

3.1 氣候因素

降雨量、蒸發量和溫度等因素都決定著地下水動態的基本特性，本研究根據中國地面國際交換站氣候資料日值數據集（V3.0）繪制出1995—2016年邢臺市降雨量、蒸發量和氣溫的變化情況，結果如圖6所示.

圖6 1995—2016年邢臺市降雨量、蒸發量和氣溫的變化情況Fig.6 Precipitation，evaporation and temperature changes of Xingtai City from 1995 to 2016

1995—2016年邢臺市降水量整體呈上升趨勢，極低值為234.4 mm，極高值為873.8 mm，處于枯水期的年份較多，2004—2013年降水年際變化幅度較小，2016年降水量增加顯著.邢臺市年均降水量為534.3 mm，其中平原區降水量明顯少于山區，西部山區為595 mm，東部平原區約為500 mm，而黑龍港平原和滹滏平原則低于480 mm，因此降水量空間分布不均是導致地下水位變化的重要因素.2000—2016年邢臺市蒸發量呈增長趨勢，2004—2010年蒸發量較穩定，年均蒸發量為1 176.81 mm，2014—2016年蒸發量顯著增加，2015年蒸發量高達1 654.6 mm.17年間邢臺市年均蒸發量（1 187.8 mm）明顯大于年均降水量（534.3 mm），二者比值為2.22，平原區干旱指數大于2，黑龍港平原和滹滏平原則達到2.6～2.8，蒸發作用強烈導致邢臺市降水不能有效補給地下水.1996年和2014年邢臺市年均溫度分別為13.95℃和15.43℃，溫差為1.47℃，2007—2012年溫度逐年降低，降幅為1.25℃.

降水、蒸發和溫度的變化特征均說明邢臺市氣候趨于暖干化，這在一定程度上會影響地下水補給量和地下水位.隨著氣候變暖，降水量減少和蒸發量增高導致地下水自然補給來源不足，造成邢臺市地下水位下降.

3.2 人為因素

人類活動主要包括流域水量的分配以及地表水和地下水的利用數量和利用方式等，在水資源供需矛盾緊張的地區，人類活動通過影響水循環過程改變水資源的時空分布.地下水采補失衡是導致邢臺市地下水位下降的決定性因素.邢臺市2013—2020年的產業結構如圖7所示.

圖7 2013—2020年邢臺市的產業結構Fig.7 Industrial structure of Xingtai City from 2013 to 2020

由圖7可以看出，隨著人口增長，產業結構調整，邢臺市生產總值呈現上升趨勢，用水量持續增長導致地下水資源壓力急劇增加.1964—2008年，邢臺市區人口增加約5.660×105人，生活用水量由2.00×105m3增長到2.40×107m3；2008—2016年邢臺市市區人口增加9.510×105人，生活用水量增至3.67×107m3，增長速率高達1.59×106m3/a[22].據邢臺市水資源利用調查數據[11]顯示，邢臺市農業用水量約占總用水量的80%，1999年邢臺市耕地面積為6.76×103km2，2016年增長至6.95×103km2，耕地面積增長使農業用水量急劇增加，直接導致地下水位下降.1985年后，隨著工業的快速發展，邢臺市市區內電廠和鋼鐵廠等用水量較多的企業紛紛投產或擴大生產及加工規模，增加了對地下水的開采量，導致地下水位持續下降[23].

為實現地下水資源的可持續利用，促進地下水采補平衡，各地區實施地下水超采綜合治理項目，積極調整作物種植模式，大力推廣噴灌、微灌和低壓管道輸水等高效節水灌溉技術[24].通過實施南水北調受水區壓采方案，壓減城市工業和生活地下水超采量1.15×109m3.2015年來累計關停市區自備井53眼，2015年邢臺市高效節水灌溉面積達4.51×108m2，壓減地下水超采量5.36×107m3，至2016年邢臺市地下水壓采量累計達2.51×109m3.隨著節能減排、壓減過剩產能和大氣污染治理力度的加大，在環境污染與資源枯竭的雙重壓力下，邢臺市不斷優化產業結構和能源結構，改造節水技術，依托傳統重工業基礎，對鋼鐵和煤炭等企業進行改造升級，大力發展高端裝備制造業、新能源產業和節能環保產業，積極推動現代服務業發展[25].2016年邢臺市引進全國工商聯環境商會企業，并建造了節能環保產業園區，電廠和旭陽焦化等企業每年使用污水處理廠再生水1.00×107m3以上，減少了對地下水的開采[26].

生態補水延緩了邢臺市地下水位下降的趨勢.邢臺市按照“優先使用引江水、充分利用地表水、限制開采巖溶水”的原則優化水資源配置.2015—2018年，通過南水北調總干渠退水口門向七里河、白馬河以及市區內河道補水7.48×107m3[27].對滹沱河和滏陽河實施河湖生態補水入滲回補地下水，治理地下水超采.自2018年9月采取先期大流量貫通河段，后期小流量維持全河段有水和穩定入滲的補水方式，緩解了地下水超采產生的影響.目前，失涌斷流多年的百泉、狗頭泉和黑龍潭出現了復涌現象[26].百泉地下水位迅速回升，2018年9月回升2.97 m，10月回升2.50 m，與補水前同期相比地下水位共回升了4.21 m[27].2008—2020年邢臺市地下漏斗面積及中心埋深如圖8所示.

圖8 2008—2020年邢臺市地下漏斗面積及中心埋深Fig.8 Area and depth of groundwater depression cones in Xingtai City from 2008 to 2020

由圖8可以看出，“寧柏隆”淺層地下水漏斗中心埋深上升0.19 m，南宮深層地下水漏斗中心埋深上升9.50 m.生態補水后，邢臺市地下水位整體仍然呈現下降趨勢，但與補水前相比，降幅明顯減小.

3.3 主導因素確定

基于自然和人文等因素對地下水位的影響，選取12個指標作為研究區地下水水位變化的重要影響因子，采用灰度關聯分析法對邢臺市地下水位變化影響因素進行分析，結果如表3所示.表3中降水量（r1）、蒸發量（r2）和溫度（r3）為表征氣候因素的影響因子，GDP（r4）為表征人為影響因素的因子，第一產業產值（r5）、耕地面積（r6）、糧食產量（r7）、蔬菜產量（r8）和肉類產量（r9）為表征農業用水的影響因子，第二產業產值（r10）為表征工業用水對地下水位的影響因子，第三產業產值（r11）和常住人口數（r12）為表征生活用水的影響因子.

表3 地下水位埋深及主要影響因素觀測數據Tab.3 Observation data of groundwater depth and main influencing factors

經灰度關聯分析法計算得到關聯度序列大小順序為r5＞r10＞r1＞r7＞r4＞r8＞r11＞r12＞r6＞r9＞r2＞r3.關聯序列說明氣溫和蒸發量等氣候因素對邢臺地區地下水位變化的影響較小，人為因素是地下水位下降的主導因素.表征農業用水影響因子的第一產業產值對邢臺市年均地下水位埋深影響最大，其中糧食和蔬菜產量對邢臺市地下水位埋深影響較大.此外，第二產業產值也是本地區地下水位變化的重要影響因素.

4 結論

基于1995—2016年邢臺市地下水位監測數據及近22年氣象數據，對邢臺市地下水位時空變化及其驅動因素進行分析，得到以下主要結論：

（1）地下水位整體呈下降趨勢.深層地下水位平均下降速率為3.03 m/a，淺層地下水位平均下降速率為0.89 m/a.地下水位年內變化與農業需水量變化基本同步，春季因灌溉用水增加水位逐漸下降，秋季后隨著灌溉結束水位逐步回升.地下水位自西南向東北方向遞減，滏西平原地下水水位遠高于黑龍港平原和滹滏平原，形成“寧柏隆”及“南巨”等地下漏斗區.2000年和2003年降落漏斗區逐漸縮小，2005年漏斗區呈擴大趨勢，邢臺市的水資源管理措施使2010年后降落漏斗區面積顯著縮小，但依舊面臨地下水位持續下降的問題.

（2）氣候條件和人類活動綜合影響著地下水水位.降水量時空分布不均、蒸發作用強烈以及溫度升高等氣候變化均導致邢臺市地下水補給量及地下水位下降.隨著人口增長以及農業、工業和服務業的發展，邢臺市地下水開采量增加，水資源壓力上升.為實現地下水采補平衡，邢臺市調整作物種植模式，不斷優化產業和能源結構，依托先進技術綜合治理地下水超采及污染，并通過向河道進行生態補水，延緩了地下水位下降趨勢.

（3）在氣候暖干化及生產生活需水量巨大的背景下，人類活動對邢臺市及華北平原地下水資源起決定性作用，其中工、農業用水對邢臺市地下水位埋深影響最大.華北及西北干旱地區可通過壓采地下水、優化用水結構以及加大地下水補給等“開源節流”的方式提高水資源的綜合利用效能，緩解地下水降落漏斗，提升地下水資源承載力，促進地區生態環境和社會經濟的永續發展.