南水北調中線工程通水后鄭州市地下水埋深變化研究

關鍵詞：南水北調；地下水埋深；地下水開采；鄭州市

中圖分類號：Ｐ６４１；ＴＶ２１３．４ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．０５．０１６

引用格式：田大永，張春艷，程艷紅，等．南水北調中線工程通水后鄭州市地下水埋深變化研究［Ｊ］．人民黃河，２０２３，４５（５）：７６－８２，１０２．

地下水是寶貴的淡水資源，特別是在干旱半干旱地區，地下水是主要的甚至是唯一的可用水源［１－２］ 。

２０１４ 年１２ 月１２ 日，南水北調工程中線通水，重點解決河南、河北、北京、天津４ 個省（市）的水資源短缺問題［３］ 。目前，南水北調對受水區地下水動態的影響研究多集中在水質方面，對地下水埋深的影響研究存在一定的不足［４－８］ 。劉昌明［９］ 討論了南水北調工程對華北平原地下水枯竭產生的潛在生態效應，認為南水北調工程可以實現對地下水的回補。劉予等［１０］ 分析了南水北調引水對北京市環境產生的影響，發現南水北調引水進京后對北京地區生態環境有正面效應，主要是增加水資源量和改善現有生態環境條件。馮忠倫等［１１］ 研究發現南水北調東線輸水后，對梁濟運河區域地下水位的影響超過了降水的影響。Ｌｏｎｇ 等［７］ 研究發現南水北調中線工程對北京市地下水位的穩定恢復有重要作用，對地下水恢復的貢獻為４０％。景兆凱等［１２］ 指出南水北調中線工程對河南省淺層地下水位恢復起到積極作用，主要體現在地下水埋深８ ～１２ ｍ區向埋深４～８ ｍ 區及４ ｍ 以下區轉變。Ｙａｎｇ 等［１３］ 系統分析了調水、用水和氣候對華北平原地下水儲量的影響，認為在用水減少和調水、降水的共同影響下，華北平原未來地下水位可上升１５０ ｍｍ。綜合前人研究結果發現，南水北調對受水區地下水位回升、儲量增加產生了不同程度的積極影響，為地下水位穩定恢復提供了有利條件。

鄭州市人均水資源占有量僅為全國人均水平的１／１０，屬于資源型和水質型缺水城市［１４－１５］ 。為順應人口增長和經濟發展需要，鄭州市長期開采地下水，導致地面沉降、塌陷等一系列問題。２０１５ 年１ 月１２ 日，鄭州市劃定了承壓水限采區和禁采區，南水北調水源和黃河調水水源代替因禁限采地下水而減少的供水量。２０１７—２０１９ 年，南水北調中線工程向鄭州市年均調水３．６ 億ｍ３。然而，南水北調入鄭后，對鄭州市供水結構及地下水位產生的影響，以往文獻中未見相關報道。因此，本文以鄭州市淺層和中深層地下水埋深為研究對象，應用地統計學方法和主成分分析法，對南水北調中線工程通水后鄭州市城區供用水結構變化、地下水埋深時空變化及影響因素進行分析，以期為研究區水資源配置、地下水資源評價管理以及城市規劃等提供參考。

１研究方法

１．１地統計學方法

地統計學方法是分析地下水動態時空變化的常用方法［１６］ ，其基本工具為半方差函數和克里金插值。半方差函數的表達式為

利用地統計學軟件ＧＳ＋，首先對地下水原始埋深數據進行正態性檢驗，發現原始數據并不服從正態分布；然后對原始數據進行對數變換后再次進行正態檢驗，發現變換后的數據服從正態分布；最后，分別利用球狀模型、指數模型、高斯模型和線性模型計算半方差，經分析比較，認為球狀模型對淺層地下水埋深半變異函數進行擬合的效果最好。

１．２主成分分析

法主成分分析法的步驟詳見文獻［２１－２２］。選取研究區２００３—２０１９ 年的地下水年開采量、年降水量、年蒸發量、黃河年調水量、南水北調年調水量、地下水年供水量、農業年用水量、工業年用水量、生活年用水量和生態環境年用水量１０ 個因子進行計算。利用ＳＰＳＳ軟件，首先對數據進行標準化，發現各因子間存在強烈共線性，根據ＫＭＯ 檢驗和Ｂａｒｔｌｅｔｔ 球形檢驗結果，統計量ＫＭＯ_淺層＝ ０．６７１＞０．５、顯著性水平Ｐ_淺層＝ ０．００６ ＜０．０５，ＫＭＯ_中深層＝ ０．６８３＞０．５、著性水平Ｐ_中深層＝ ０．００６＜０．０５，結果表明可以進行主成分降維分析；然后計算公因子方差，查看信息濃縮情況，根據總方差解釋結果和碎石圖，淺層和中深層地下水埋深影響因子各提取３個主成分，計算主成分系數，得到主成分表達式；最后進行主成分評價。

２研究區概況

鄭州市地處河南中部，北臨黃河，西南部有黃土丘陵與嵩山相接，東部地勢平坦，屬黃河沖積平原，海拔８０～２００ ｍ，地勢由西南向東北傾斜。以鄭州市惠濟區、金水區、中原區、管城回族區、二七區為研究區，研究區內有淺層地下水監測井７６ 眼、中深層地下水監測井６８ 眼，位置分布見圖１。

鄭州市屬溫帶半干旱大陸性氣候區，四季分明，７—９ 月降水量占全年降水量的５０％～６０％。以京廣鐵路為界，淺層含水層組大致分為東西兩部分：東部淺層含水層組位于黃河沖積平原，主要由第四系全新統和上更新統沖積成因的細中沙組成，局部為粉細沙；西部淺層含水層組位于塬前平原和臺塬崗地，主要由第四系全新統和上更新統沖洪積粉細沙層組成，其次由中更新統沖洪積成因的含黏粒、中細沙組成，臺塬處上部以中更新統沖洪積細中沙為主，下部為下更新統及新近系湖積相地層。淺層地下水為潛水或微承壓水類型。淺層地下水主要受降雨入滲補給，西南部為山前徑流補給，東北部為黃河側滲補給，其他地表水補給量較少。排泄方式主要受開采和氣象的影響，有越流排泄和少量蒸發排泄。淺層地下水天然流向整體由西南向東北，局部地區因開采而形成了橢圓形漏斗，地下水由周邊向中心匯流。淺層地下水埋深受開采、氣象等多重因素影響，２００６—２０１２ 年逐漸增大、２０１２年之后逐漸減小（見表１）。

根據埋藏條件和水文地質特征，中深層地下水可分為上部亞層組及下部亞層組：上部亞層組主要由中更新統和下更新統組成，含水層巖性為中細沙、中粗沙及細沙，為承壓水，是地下水主要開采層段之一；下部亞層組由中粗沙、中細沙、細沙組成。中深層地下水受西南山區降水－巖溶裂隙水徑流和淺層水越流補給，排泄方式主要為開采和側向徑流排泄。中深層地下水整體流動方向由西南向東北，局部因開采而形成了地下水降落漏斗。中深層地下水埋深主要受開采量的影響，局部地區受淺層地下水越流補給影響，２００５—２０１８年中深層地下水平均埋深與開采量變化趨勢大致相同（見表１）。

３數據來源

２０１５—２０１９年研究區地下水埋深數據來源于河南省地質局生態環境地質服務中心（其余埋深數據來源于前人研究報告），地下水開采量來源于鄭州市節約用水辦公室，氣象數據來源于鄭州市氣象局。

４供用水結構分析

鄭州市年總用水量從２００３ 年的５．２６ 億ｍ^３ 增至２０１９ 年的９．４２ 億ｍ^３。南水北調中線工程通水前２００３—２０１４ 年年平均用水量５． ７９ 億ｍ^３， 通水后２０１５—２０１９ 年年平均用水量增至８．１３ 億ｍ^３，增加４０．４％。各類用水量及占比如圖２ 所示，農業多年平均用水量占比由２００３—２０１４ 年的２０．７％降至２０１５—２０１９年的４．７％，生活多年平均用水量占比由２００３—２０１４ 年的４１．５％增至２０１５—２０１９ 年的４９．０％，生態環境多年平均用水量占比由２００３—２０１４ 年的１９．１％增至２０１５—２０１９ 年的２８．７％，工業用水量年際間變化幅度不大（占比２０％左右）。用水結構的變化是城市化、社會經濟結構改變和水源替代政策等因素綜合作用的結果。

研究區供水來源主要有當地地表水、外調水（引黃水和南水北調水）、地下水和其他非常規水源。分析各類水資源年供水量及占比（見圖３）可知，南水北調中線工程通水前２００３—２０１４ 年地下水多年平均供水量為２．４０ 億～３．５８ 億ｍ^３（占總供水量的３８．０％ ～５９．８％，平均為４９．８％），通水后２０１５—２０１９ 年地下水多年平均供水量為０．５９ 億～３．０８ 億ｍ^３（占總供水量的６．３％～４０％，平均為１９．１％），減少的地下水供水量由調水量置換。調水量由２００３ 年的１．８１ 億ｍ^３（只有引黃水，占比３３．４％）增至２０１９ 年的６．３２ 億ｍ^３（引黃水和南水北調水，占比６７．１％），成為鄭州市主要的供水水源。２００３—２０１４ 年，地下水供水量占地下水可開采量的１３１．１％～３２２．３％（平均為２４２．７％），地下水超采嚴重；２０１５—２０１９ 年，地下水供水量占地下水可開采量的７５．２％～２２４．３％（平均為１２９．６％），下降１１３．１％。特別是２０１７—２０１９ 年，地下水開采量低于地下水可開采量，平均占比８２．９％，較南水北調中線工程通水前下降１５９．８％，為地下水穩定恢復提供了有利條件。地下水開采量的大幅度減少是調水和限采綜合作用的結果，特別是南水北調輸水入鄭后（２０１５—２０１９ 年），地下水年均開采量比２００３—２０１４ 年年均開采量下降５８％。

５地下水埋深分析

５．１地下水埋深時空變化

２０１５ 年和２０１９ 年枯、豐水期，研究區淺層和中深層地下水埋深空間分布如圖４、圖５ 所示。可以看出，淺層地下水埋深由西部（大于４０ ｍ） 向東部（小于１０ ｍ）逐漸減小、中深層地下水埋深由西南（大于６０ ｍ）向東北（小于４０ ｍ）逐漸減小。

２０１５—２０１９ 年，淺層和中深層地下水埋深分區面積變化如圖６ 所示。與２０１５ 年相比，２０１９ 年淺層地下水埋深小于１０ ｍ 的分區面積在枯水期減小３２％、豐水期增大３％；埋深為１０～２０、２０～３０、３０～４０ ｍ 的分區面積在枯水期分別增大２１％、２２％、１％，豐水期分別增大２％、１３％、３４％；埋深大于４０ ｍ 的分區面積在枯水期減小５３％、豐水期減小８１％；不同年份地下水埋深為１０～２０ ｍ 的分區面積比例始終最大（占５０％左右）。與２０１５ 年相比，２０１９ 年中深層地下水埋深小于４０ ｍ的分區面積明顯增大，枯水期增大４６％、豐水期增大３９％；埋深為４０～６０ ｍ 的分區面積明顯減小，枯水期減小３０％、豐水期減小２７％；埋深大于６０ ｍ 的分區面積略有減小，枯水期減小９％、豐水期減小１８％。

研究區地下水埋深參數統計見表２。２０１９ 年，淺層地下水埋深為３．３６～４６．９５ ｍ，平均為１６．２４ ｍ；中深層地下水埋深為１４．８１～１１６．９３ ｍ，平均為４５．４５ ｍ。與２０１５ 年相比，２０１９ 年淺層地下水平均埋深在枯水期減小０．６３ ｍ（減幅３． ７％）、豐水期減小２． ３７ｍ （減幅１３．０％）；中深層地下水平均埋深在枯水期減小５．１５ ｍ（減幅１０．２％）、豐水期減小２１．０４ ｍ（減幅３１．６％）。總體而言，中深層地下水位恢復程度高于淺層地下水位的。研究區地下水埋深空間變異均屬中等變異，淺層變異系數隨時間減小，中深層變異系數隨時間增大。

５．２地下水埋深空間變異

地下水埋深半變異函數的參數值見表３。淺層地下水埋深的Ｃ_０ ／ （Ｃ_０ ＋Ｃ） 波動較小，２０１５—２０１７ 年在０．００１～０．０１１范圍內變化，２０１８—２０１９ 年增至０．０７５ ～０．１２８。Ｃ_０值呈增大趨勢，表明淺層地下水埋深有強烈的空間相關性，但隨著時間推移，空間相關性減弱，表明人類活動等隨機因素引起的空間變異性增強，地形、水文地質條件等結構因素引起的空間變異性雖有所減弱但仍占主導地位。南水北調入鄭后，地下水開采量減少，淺層地下水除局部小部分區域埋深增大外，其余大部分區域埋深呈減小趨勢（見圖４），水位整體緩慢回升，地下水埋深變化空間響應度較低，導致空間相關性雖有減弱但仍具有強烈相關性。

主成分Ｆ_ｓ１中，影響最大的４ 個因子分別為年開采量（－０．３９）、南水北調年調水量（０．３８）、生活年用水量（０．３９）和生態環境年用水量（０．３８）；主成分Ｆ_ｓ２ 中，影響最大的２ 個因子為黃河年調水量（－０．６５）和年降水量（０．３９）；主成分Ｆ_ｓ３中影響最大的２ 個因子為年降水量（０．６２）和工業年用水量（－０．６７）。影響中深層地下水埋深的因子歸納為調水量、開采量、用水量、降水量。計算主成分綜合得分并進行降序排列，結果見表５。各因子綜合影響力最強的時段為２０１５—２０１９ 年，且影響力呈逐年增大趨勢，可見南水北調中線工程對中深層地下水埋深變化同樣產生了主導性的影響。

地下水埋深的影響因素分析結果表明，調水和減少開采量等對淺層和中深層地下水埋深產生了顯著的影響，且在南水北調中線工程通水之后影響力呈逐年增大趨勢，這與上文得出的人類活動等隨機因素對地下水埋深空間變異性的影響越來越大的結論一致。

６結論

（１）２００３—２０１９ 年，鄭州市供水結構發生了較大變化。２０１５ 年之前地下水超采嚴重，２０１５—２０１９ 年地下水供水量比２００３—２０１４ 年減少１１３．１％。２０１７—２０１９ 年地下水開采量低于地下水可開采量，較南水北調中線工程通水前減少１５９．８％。

（２）南水北調中線工程調水入鄭后，研究區淺層和中深層地下水多年平均埋深在枯水期和豐水期均有不同程度的減小。淺層地下水埋深小于１０ ｍ 的分區面積在枯水期明顯減小、豐水期略有增大，埋深為１０～２０、２０～３０、３０～４０ 的分區面積有不同程度的增大，埋深大于４０ ｍ 的分區面積明顯減小；中深層地下水埋深小于４０ ｍ 的分區面積明顯增大，埋深為４０～６０ ｍ 的分區面積明顯減小，埋深大于６０ ｍ 的分區面積略有減小。

（ ３）地統計法分析結果表明，受南水北調中線工程的影響，鄭州市淺層和中深層地下水埋深的空間相關性均呈減弱趨勢。對于淺層地下水埋深，人類活動等隨機因素引起的空間變異性越來越強，地形、水文地質條件等結構因素引起的空間變異性雖有所減弱但仍占主導地位；對于中深層地下水埋深，結構因素和隨機因素引起的空間變異性逐漸趨于平衡。

（４）主成分分析結果表明，影響淺層和中深層地下水埋深變化的影響因子為調水量、開采量、用水量和降水量。南水北調中線工程通水后，水源替代政策對淺層和中深層地下水位恢復起到了主導性的積極作用。

【責任編輯 張華興】