全面實施壓采后石家莊平原區(qū)地下水時空動態(tài)特征分析

李夢濤，何 鑫，劉 淼，秦 韜

（1.河北工程大學(xué)數(shù)理科學(xué)與工程學(xué)院，河北 邯鄲 056021；2.中國水利水電科學(xué)研究院水資源研究所，北京 100038；3.河北省水資源研究與水利技術(shù)試驗推廣中心，河北 石家莊 050000）

石家莊市作為一個資源型缺水城市，地表水資源稀缺，經(jīng)濟(jì)發(fā)展常年依靠超采地下水，導(dǎo)致地下水降落漏斗面積和深度持續(xù)擴(kuò)大，水資源供需矛盾十分尖銳。

2015年，石家莊市被列入河北省地下水超采綜合治理試點。2018年，石家莊市政府出臺了《石家莊市地下水超采綜合治理五年實施計劃（2018—2022年）》，確定到2022年實現(xiàn)累計壓采能力6.94 億m3，從而使地下水漏斗中心水位回升、漏斗面積逐步減小。為實現(xiàn)此目標(biāo)，需要及時掌握實施壓采后石家莊市地下水時空動態(tài)特征，可為后續(xù)壓采工作的部署和實施提供重要的科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

石家莊市地處河北省中南部，地勢東南低西北高，東部平原區(qū)總面積5 767 km2，根據(jù)平原區(qū)的水文地質(zhì)條件可將其劃分為北部的沖洪積平原區(qū)、中部的河山前坡積—洪積水文地質(zhì)亞區(qū)、南部的磁河—沙河沖洪積扇水文地質(zhì)亞區(qū)以及東部的滹沱河沖洪積扇水文地質(zhì)亞區(qū)，各含水層底板的砂層厚度均大致由東向西遞減。石家莊屬于溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均降水為543.2 mm，年內(nèi)分布不均，季節(jié)差異明顯，近3 a 降水量均小于多年平均降水量，年際變化大，降雨總量較少[1，2]。 市內(nèi)多年平均氣溫13.4 ℃，春季風(fēng)力大，地表回溫快，蒸發(fā)旺盛，多年平均蒸發(fā)量1 616.6 mm。全市常住人口1 103.12 萬人，水資源需求量大，2019 年石家莊總用水量達(dá)到30.49 億m3，農(nóng)業(yè)用水量占50.38%，總用水量中地表水用水量與地下水開采量分別占48.6% 和46.9%、其余4.5%為其他用水[3]。

2 地下水觀測數(shù)據(jù)

目前，石家莊地區(qū)地下水監(jiān)測站網(wǎng)共計242 個監(jiān)測點，采取人工觀測與自動監(jiān)測相結(jié)合的方式，監(jiān)測控制面積達(dá)8 685 km2[4]，筆者選取石家莊平原區(qū)80 個自動監(jiān)測站2018 年1 月—2020 年10 月共34 個月的地下水觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。這些自動監(jiān)測站均位于淺層，大部分處于北部的沖洪積平原區(qū)和中部的河山前坡積—洪積水文地質(zhì)亞區(qū)，井口高程在28～138 m，觀測期地下水平均埋深在3～57 m，單井單位涌水量大部分為30～50 m3∕（h·m）和10～30 m3∕（h·m），極少數(shù)為50～70 m3∕（h·m），監(jiān)測頻率為每日6 次，自每日零點開始每4 h 更新1 次數(shù)據(jù)。自動監(jiān)測站分布如圖1 所示，圖中三角標(biāo)志的站點為后文中進(jìn)行趨勢分析選取的典型觀測井。

圖1 石家莊平原區(qū)地下水自動監(jiān)測站分布

3 地下水時空動態(tài)特征分析

3.1 時間序列變化及分析

首先，繪制自動監(jiān)測站的地下水埋深時序圖。由于監(jiān)測設(shè)備偶爾會出現(xiàn)故障等問題，導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)缺失和異常的情況，因此利用線性插值方法對缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行插補[5]，并去除明顯的異常值，對于突然大幅度變化、長時間數(shù)據(jù)缺失的站點，認(rèn)為其監(jiān)測設(shè)備長期故障，不對其進(jìn)行趨勢分析。最終，選取71 個自動監(jiān)測站進(jìn)行地下水埋深趨勢分析，觀察各監(jiān)測站點的埋深變化曲線，根據(jù)變化趨勢將其分為6 類[6]，選擇各類中的典型觀測井進(jìn)行趨勢分析，如圖2 所示。典型觀測井的基礎(chǔ)信息，詳見表1。

圖2 典型自動觀測站地下水埋深變化曲線

表1 典型觀測井基礎(chǔ)信息

自動監(jiān)測站在觀測期內(nèi)的地下水埋深隨時間變化規(guī)律可以分成以下6類：①無明顯變化趨勢，圍繞均值上下波動。典型觀測站編號30970120，位于新樂市，變化趨勢相近的站點有18 個，多位于石家莊平原區(qū)東北部，一般耕地居多。②整體下降趨勢顯著。典型觀測站點編號30970021，位于深澤縣，是選取的觀測站點中變化趨勢最普遍的一種，相似站點有24 個，多位于石家莊平原區(qū)中部，大部分為一般耕地。③持續(xù)上升。典型觀測站點編號30970007，位于石家莊市轄區(qū)，相似站點有7個，多為高密度城鎮(zhèn)，其中石家莊市轄區(qū)地下水埋深上升趨勢最為顯著。 ④先上升后下降。 典型觀測站點編號30970134，位于鹿泉區(qū)，另外4 個相似站點均位于鹿泉區(qū)，地下水埋深相對較淺。⑤整體緩慢下降。典型觀測站點編號30970090，位于趙縣，相似站點有10 個，集中在石家莊平原區(qū)中南部，多為一般耕地或低密度城鎮(zhèn)。⑥整體緩慢上升。典型觀測站點編號30970148，位于元氏縣，僅3個站點符合整體緩慢上升的趨勢。

通過觀察發(fā)現(xiàn)，①、②、⑤、⑥4 類均具有明顯的周期性，其所對應(yīng)的土地利用類型以耕地為主。地下水埋深在3 月前后達(dá)到最高，隨著春耕及工業(yè)生產(chǎn)活動的進(jìn)行，地下水水位持續(xù)下降，在8月前后達(dá)到最低。隨后，由于農(nóng)業(yè)需水量減少以及降雨量增多，地下水埋深出現(xiàn)緩慢回升，直到翌年春季達(dá)到最高，依此循環(huán)。

水位持續(xù)上升的自動監(jiān)測站多位于石家莊市轄區(qū)，此處地下水開采幾乎全部用于工業(yè)、生活，因此觀測數(shù)據(jù)沒有出現(xiàn)因農(nóng)業(yè)灌溉開采而造成的水位年際波動。石家莊市轄區(qū)近年來開展了一系列地下水壓采工作，進(jìn)行了多處水源置換，地下水開采井關(guān)停，使得地下水位得到恢復(fù)。

3.2 空間變化及分析

在Surfer 軟件中通過克里金法對地下水埋深數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值[7]，繪制石家莊平原區(qū)地下水埋深等值線，選擇2018年2月26日與2020年2月26日的地下水埋深等值線圖進(jìn)行對比，如圖3所示，觀察石家莊平原區(qū)地下水埋深的空間分布特點，并用2020年2 月26 日與2018 年2月26 日地下水埋深作差，如圖4所示，觀察地下水埋深空間變化趨勢。

圖3 不同時期石家莊平原區(qū)地下水埋深等值線

圖4 石家莊平原區(qū)地下水埋深變化曲線

從整體空間分布來看，石家莊平原區(qū)地勢西高東低，地下水水位北部地區(qū)顯著高于南部地區(qū)，西部地區(qū)顯著高于東部地區(qū)，水位由東南向西北逐漸升高。晉州市南部、辛集市北部、藁城市南部、趙縣及高邑縣全部范圍地下水埋深最大，達(dá)到40～50 m；欒城縣東部、藁城市中部、正定縣東部、石家莊市轄區(qū)東部地下水埋深36～40 m；周邊地區(qū)地下水埋深逐漸減小為20～36 m，鹿泉市東部、元氏縣東部地下水埋深達(dá)到20 m左右。

從空間變化趨勢來看，石家莊平原區(qū)地下水埋深整體變化在3.5 m以內(nèi)，空間變化差異較大。中部、西部地區(qū)及辛集市北部地下水埋深明顯減小，其中藁城市中部及正定縣南部地下水埋深減小2～2.7 m，地下水位顯著回升，鹿泉市東部、石家莊市轄區(qū)、元氏縣東部、辛集市北部、無極縣南部地下水埋深減小0.3～1.5 m；北部、南部及東部地區(qū)地下水埋深顯著增大，特別是地下水埋深最大的趙縣、晉州市一帶地區(qū)埋深增大2～2.5 m，辛集市南部、深澤縣、無極縣北部、新樂市、行唐縣、靈壽縣、正定縣北部地下水埋深增大0.3～1.8 m。結(jié)合圖4與各自動監(jiān)測站地下水埋深時序圖來看，地下水埋深顯著增大的是趙縣，該區(qū)域內(nèi)所有自動監(jiān)測站的埋深時序圖均有下降趨勢；地下水埋深顯著減小的是市轄區(qū)，該區(qū)域內(nèi)所有自動監(jiān)測站的埋深時序圖均有上升趨勢，地下水埋深時間、空間變化趨勢吻合。

3.3 石家莊平原區(qū)蓄水變量

淺層地下水蓄水變量計算公式[8]為：

式中：Q蓄為研究區(qū)地下水蓄水變量（億m3）；μ為含水層給水度；K為觀測時期內(nèi)的水位變幅（m）；S為各區(qū)縣平原區(qū)面積（km2）。

借助ArcGIS軟件進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計，計算出2018年2 月26 日和2020 年2 月26 日石家莊平原區(qū)各區(qū)縣的地下水平均埋深，以對應(yīng)的地下水埋深作差得到水位變幅，平原區(qū)各區(qū)縣面積、給水度數(shù)據(jù)均來自于《2019 年度石家莊水資源公報附表》。石家莊平原區(qū)各區(qū)縣蓄水變量計算結(jié)果，詳見表2。

由表2 計算結(jié)果可以得到，蓄水量增多的有正定縣、藁城市、鹿泉區(qū)、市轄區(qū)、元氏縣、贊皇縣，處于平原區(qū)中部和西部；蓄水量減少的有靈壽縣、行唐縣、新樂市、深澤縣、無極縣、晉州市、欒城縣、趙縣、高邑縣，處于平原區(qū)北部、南部、東部，整體蓄水量減少1.69 億m3。結(jié)合圖4可以看出，趙縣、市轄區(qū)和晉州市全區(qū)地下水埋深變化趨勢一致，蓄水量變化最大，變化量超過1 億m3；正定縣、藁城市、無極縣、元氏縣區(qū)域內(nèi)地下水埋深有增有減，整體蓄水變化量較小，在0.28億～0.43 億m3。

表2 石家莊平原區(qū)各區(qū)縣蓄水變量

4 地下水修復(fù)現(xiàn)狀與未來修復(fù)前景分析

石家莊市水資源公報顯示，2013 年石家莊平原區(qū)地下水平均埋深31.87 m，2014年增加到33.13 m，降幅速率為1.26 m∕a。之后，隨著地下水超采綜合治理工作的推進(jìn)和南水北調(diào)中線工程的通水，2018年平原區(qū)地下水平均埋深為39.88 m，2019年增加到40.11 m[3]，降幅速率為0.23 m∕a，下降速率明顯趨于平緩。南水北調(diào)工程的水源補給直接用于城鎮(zhèn)生活和工業(yè)生產(chǎn)，因此農(nóng)業(yè)用水占比小，工業(yè)及城鎮(zhèn)生活用水占比大的石家莊市轄區(qū)地下水位有明顯回升；而與之相反的趙縣，地下水開采量仍然較大，地下水位也仍在下降。總體來看，地下水超采綜合治理效果明顯，到2018年已形成壓采能力4.78 億m3。

石家莊市最新壓采計劃《石家莊市地下水超采綜合治理五年實施計劃（2018—2022 年）》預(yù)計到2022 年新增地下水壓采能力2.16 億m3。從目前來看，平原區(qū)地下水位實現(xiàn)止跌回升的區(qū)縣仍然偏少，未來的壓采任務(wù)仍然十分艱巨。因此，需要進(jìn)一步推廣使用節(jié)水器具，加快節(jié)水設(shè)備改造，落實水源置換，特別是在農(nóng)灌區(qū)需要繼續(xù)調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，改變灌溉方式，增加建設(shè)人工湖或中小型蓄水工程等，從而改善全市水資源條件，增強水源涵養(yǎng)能力[9，10]。從長遠(yuǎn)來看，隨著南水北調(diào)中線二期工程的規(guī)劃和實施，長期堅持地下水壓采工作并接受南水北調(diào)水源補給，石家莊地下水位將逐步回升并趨于平穩(wěn)[11]。