大沽夾河流域地下水位時空變化趨勢分析

于中江，欒 孌，王 晶

（煙臺市水文中心，山東 煙臺 264006）

煙臺市大沽夾河由內、外夾河兩大支流匯合而成，流域位于山東半島，煙臺市的中北部，河道干流總長140 km，流域面積2 296 km2。大沽夾河流域屬暖溫帶東亞季風流域大陸性氣候，流域內降水受氣候影響較大，時空分布極不均勻，汛期（6~9月）降水量占全年降水量的70%以上。多年平均降水量723.6 mm，多年平均陸上水面蒸發量1115.5 mm，年徑流總量2.81億m3。多年平均水資源總量為3.06億m3。流域內有豹山河、韓家疃河等眾多支流，沿岸多耕地，涵養60萬人口。

1 數據來源與研究方法

根據煙臺市水文中心對該流域水文變化的常年監測數據進行篩選。地下水位資料選取大沽夾河流域內14處典型測井，所選測井的地理位置和所處水網覆蓋了大沽夾河流域的所有范圍，具有較強的代表性。實地考察中借助手持GPS對測井地理位置進行定位，記錄其經緯度。

利用SPSS17.0統計分析軟件對數據進行統計分析，結合空間變異理論，利用AcrGIS10.0中地統計模塊（Geostatistical Analyst）對數據進行空間克里格插值（Ordinary Kriging）分析，分析其地下水位的空間變異性。

2 結果分析

2.1 近10年水位走勢分析

對2011—2020年每年內的14處測井水位求平均值，得到該年全流域的平均水位。并根據10年的平均水位進行趨勢分析，了解近10年的平均水位走勢，由此可看出在2017年大沽夾河流域水位達到了最低值9.61 m，在2011年水位達到了最高值13.89 m；其余年份水位圍繞著10年的平均水位11.69 m上下波動，處于一個動態平衡過程。年際水位大幅度變化歸因于該年的降雨、蒸發等因素，這一推測在大沽夾河流域降雨蒸發分析中得以驗證。

2.2 流域年際地下水位變化分析

對選取的14處測井地下水位數據進行研究，運用SPSS對其在2011～2020年間的地下水位進行統計分析，得到各測井地下水位特征參數，見表1。由表1知，14處測井的地下水位存在明顯差異性；10年中每處測井的變幅差異較大，最高變幅是棲霞機井隊，變化范圍為18.96 m；最低變幅是王格莊村，僅為0.02 m。標準正態分布偏度為0，表1的偏度值表明地下水位無規律的分布在平均值的兩側，各處水位的不對稱分布主要與降雨、蒸發、灌溉等因素有關。由表1數據可見荊子埠村、前鋪村、東關村附近地下水位波動較小，芝陽村、七里屯村、西埠莊村等地下水位波動較大，地下水位的波動與各處測井的地理位置和灌溉方式有一定關系。根據上述分析，對于水位較高且波動較小的流域可在農業灌溉期間采用井灌方式；針對水位較低的西埠莊、北五供水公司等地流域應采用渠灌方式，并對當地不合理的用水方式加以整治。

表1 2011—2020年研究流域地下水位特征參數

2.3 流域年內地下水位空間變異分析

對地下水位進行半方差分析，擬合結果見表2。可以用高斯模型進行擬合，塊金值（C0）反映了區域化變量由于試驗誤差或其他隨機變量引起的變異程度，地下水位的C0均較小，說明熱導率測量中由于測量誤差等隨機變量引起的空間變異程度較低。

表2 不同尺度土壤熱導率半方差函數模型及參數擬合

基臺值（C0+C）反映了各變量在研究區內空間變異的總強度，變程（A）表示區域化變量空間自相關的尺度范圍，3種尺度下C0+C和A均值表現出隨尺度的減小而減小，說明研究區系統內總的空間變異程度與采樣尺度密切相關，即采樣尺度越小，空間自相關距離越小。空間自相關作用范圍隨尺度的減小而減小。

塊金系數C0（/C0+C）反映隨機部分引起的空間異質性占總空間異質性的百分比，該值越高，說明隨機部分引起的空間異質性程度作用越大。且其值代表了系統變量空間相關性的程度，該值<25%表明系統空間相關性較強，該值在25%~75%之間表明系統空間相關性為中等，該值>75%表明系統空間相關性較弱。

2.4 流域年內地下水位時間變異分析

為了研究地下水位在各個季節之間的差異，進行地下水年內變化特點分析，特別是研究在農業灌溉用水季節，應用何種灌溉方式，以達到最優的地下水利用模式。在研究各個月份的水位變化時，為減小洪澇和干旱年份對分析結果的影響，去除了2011年和2017年的數據，從其余8年的數據中求得各月份的平均水位，分析地下水位的時間變異規律見圖1。

圖1 大沽夾河流域水位隨時間變化趨勢圖

大沽夾河流域地下水位受降水量、蒸發量、人類活動、農業用水量等多種因素的影響。由圖1可知，該流域地下水位季節性變化影響大。原因如下：1月煙臺地區冬季降雪量較大，氣溫低，蒸發量小，且冬季農業用水量少；2月中下旬開始天氣回暖，冰雪融化，河流解凍，地表徑流增多，地表水補給地下水，使地下水位略微升高；3月開始到5月中旬，該階段降水量少，蒸發量逐漸增加，耕地復蘇，農作物需水量增多，導致地下水位下降；5月下旬到6月開始降水增加對地下水有所補給，但仍利用地下水灌溉，地下水位略微升高；7~9月降雨量逐漸增多，地表水補給地下水，同時農業灌溉水由地下水轉變為降水，地下水用量減少，水位開始回升。從10月下旬到12月，降雨基本結束，加之蒸發消耗和人類生活用水，地下水位有所回落。

2.5 大沽夾河流域降雨蒸發分析

水位變化的原因是地下水系統對內外作用力的一種響應[1]，地下水均衡的主要影響因素包括：降雨量、蒸發量、地表水滲透補給量、其他含水層的滲透補給量、地下水溢出量等[2]。水位變化是多種影響因素綜合作用的結果，其中降水與蒸發對水位動態的影響最為顯著。

降雨蒸發資料選門樓水庫站水文觀測站的數據，見表3。

表3 大沽夾河流域降雨蒸發數據統計表

蒸降差指某一流域在一定時間內，蒸發量與降水量的差值[3]。研究蒸降差的時空分異，在地理環境上，對探討氣候環境變化條件下的水資源循環具有重要的意義；在農業生產上，蒸降差是制定農作物灌溉計劃的重要依據。分析蒸降差與地下水位間的關聯性，可為水資源的高效利用提供參考依據[4，5]。

由表3可以看出蒸降差在研究年際內變化顯著。蒸降差越大說明該年份的水資源消耗越大，地下水位隨之降低；反之亦然。可見在2019年蒸降差最大時產生了10年內的最低水位，這一現象符合上述規律；在2011年蒸降差達到最小時產生了10年內的最高水位。以上分析說明研究流域內蒸降差與地下水位的關聯性較強，受其他因素如地表徑流入滲、地下水開采、相鄰流域排補量的影響較小。

3 結論

結合地統計學技術與統計學原理，對大沽夾河流域10年地下水位進行空間變異分析與年內的時間變異分析，針對地下水位的時空變化提出在某一時期、某一流域到底該應用何種灌溉方式。本文的主要研究成果如下：

1）根據研究流域近10年地下水位走勢分析，地下水位圍繞10年水位均值32.92 m上下波動，呈現出動態平衡的狀態。

2）從對研究流域典型年份的地下水位插值分析中得到，年內水位空間變異性較強，針對東關村、芝陽村等低水位流域，農業灌溉應以渠灌方式取代井灌方式。針對王各莊村等高水位流可在其附近采用井灌方式，以防止土地次生鹽堿化。

3）根據2011—2020年研究流域地下水位特征參數，各處測井的水位差異較大，變幅差異較大，地下水位無規律的分布在平均值的兩側，水位波動較大。

4）由年內地下水位時間變異分析，研究流域地下水位變化受季節性影響較大，應針對不同季節選取合理的灌溉方式，合理配置地下水。

5）研究降雨蒸發量時，發現蒸降差與該流域地下水位變化的關聯性較強，但不能完全控制地下水位的變化。

分析地下水位應從多因素入手，積極開展井渠雙灌工程，對不合理的灌溉模式及地下水使用方式予以糾正和改善，為農業灌溉提出理論依據，給予灌溉管理人員和農民指導性意見，從而實現合理、科學用水，節水減耗增效和農業增收。