衛寧平原近5 年地下水埋深變化特征及其影響因素

唐利君，丁文明，劉桂環，康錦輝

（1.寧夏回族自治區國土資源調查監測院,寧夏 銀川 750002；2.寧夏回族自治區礦產地質調查院,寧夏 銀川 750021；3.寧夏回族自治區國土資源調查監測院,寧夏 銀川 750002；4.寧夏回族自治區國土資源調查監測院,寧夏 銀川 750002）

1 引言

衛寧平原位于寧夏回族自治區的中北部,屬于我國西北地區的干旱半干旱帶[1],擁有兩千多年的引黃灌溉歷史[2]。然而,隨著當地經濟的蓬勃發展,衛寧平原工農業對水資源的需求不斷增加,加之全球自然環境的變化影響,僅依賴黃河的供水能力遠遠無法滿足需求。因此,地下水作為衛寧平原的主要水源之一,深入研究地下水埋深在不同時間尺度上的變化特征,對于保障衛寧平原地下水資源具有重要的學術和實踐價值。

衛寧平原的地下水補給主要依賴于渠系滲漏和田間灌溉入滲,同時通過蒸發、開采和地下徑流的方式排泄。根據不同地段的特征,衛寧平原的水位動態呈現出多樣化的形態[3]。在黃河漫灘、階地水位埋藏淺以及蒸發強烈的地區,潛水水位動態呈現出灌溉—蒸發—徑流型；而在地下水開采集中地段,則屬于灌溉—開采—徑流型。而大部分地區則呈現出灌溉—徑流型的水位變化特征[4]。近年來,沿黃經濟帶城市群嚴重依賴有限的黃河水資源供應[5],導致每個人可利用的水資源僅為50 m3,遠低于國際公認的500 m3的標準[6]。與此同時,衛寧平原對地下水的過度超采和防滲工程,導致地下水位逐漸下降。長期的過度采水對地下水的可持續利用產生了嚴重影響,進而引發了一系列環境地質問題,如地面沉降和地下水污染等。針對這些問題,國內外許多學者已經進行了地下水埋深變化的研究：賈丹[7]采集了95 組水樣,以研究衛寧平原地下水的水化學特征及其成因,通過對這些樣本的分析,確定了地下水化學特征形成的主要原因。吉磊等[8]根據14 個長期觀測井地下水位數據,運用水量均衡法和Mann—Kendall 突變檢驗法分析了灌區地下水埋深動態特征及成因,其結果表明認為灌溉入滲、地下水開采和潛水蒸發是影響研究區地下水埋深變化的主要因素。Hoogland, T.[9]采用時空地理統計分析法研究了荷蘭地下水水位深度及其變化,揭示了精確化水位深度信息的重要性,并提出了未來提高預測精度的建議。

考慮地下水動態特征的空間分布[10],本文主要基于衛寧平原 33 個觀測井2019 年～ 2023 年的地下水埋深序列。該研究旨在探究地下水埋深變化的趨勢、變幅年代際變化特性以及年內分配變化特性,并進一步探討地下水埋深相關影響因素。此次研究成果可以深入了解衛寧平原地下水埋深的變化規律,以期為控制地面沉降以及合理開發地下水資源提供重要參考。

2 研究方法

2.1 研究區域概況

衛寧平原位于衛寧北山與香山、煙筒山、牛首山之間,海拔為1200 m～1300 m,總面積為794.126 km2。這里是新生代斷陷盆地,第四系地層的厚度為100 m～200 m,沉降中心大致在黃莊-中衛城區一帶。一般情況下,50 深度內主要是黃河沖積砂礫卵石層,巖性比較穩定。表層0～10 m 多為粘性土,50 以下則以粘性土夾砂層或砂礫石層、砂卵石層為主,巖性不穩定。

該地下水類型包括潛水和承壓水,潛水含水層巖性主要為砂礫石層,局部夾有中細砂層及粘性土透鏡體,厚度一般為10 m～50 m。水位埋深一般為1 m～5 m。富水性一般由上游向下游、由河床向山邊減弱,單井涌水量在100 m3/d～2000 m3/d之間。本研究所用數據為衛寧平原區33 個觀測井在2019 年～2023 年間的地下水埋深序列。

2.2 研究方法

采用Mann-Kendall 法進行研究,Mann-Kendall[11]方法是一種適用于判定時間序列的突變點和趨勢檢驗的非參數統計檢驗方法。該方法計算簡單,應用范圍廣泛,而且檢驗過程不易受到異常值的影響[12]。

為了滿足n 個樣本的需求,我們需要構建一組秩序列,以對時間序列x 進行處理：

其中,Sk的定義是,在i 時刻大于j 時刻數值個數的累積值,UFk定義為統計量（時間序列隨機獨立的假設條件下）。當k=1,此時UFk=0 時,我們可以通過Sk 的累積數來計算其均值E（Sk）和方差Var（Sk）,假設序列相互獨立且連續分布,可以應用式（4）、式（5）來計算它們。 如果,表明其序列呈現上升趨勢,當其值超過臨界值線,則表明序列在上升或下降方面趨勢顯著。按照時間逆序tn,tn-1,…,t1重復該過程,得到UBk,如果UF 和UB 交點在臨界值線之間,則在該交點處會出現突變的開始時間[13]。

3 結果與分析

3.1 地下水埋深變化

衛寧平原監測區潛水水位整體上與地勢高低有關,呈西高東低、南高北低的趨勢,地下水流向整體上與黃河流向一致,由西南流向東北。低水位期與高水位期水位統測分析結果對比分析發現,在平原中部余丁鎮以西區域高水位期和低水位期水位無明顯變幅,余丁鎮東側黃河南岸高水位期水位較低水位期水位有所下降,在中寧縣鳴沙鎮形成局部降落漏斗,低水位期漏斗中心水位標高為1163.74 m,高水位期漏斗中心水位標高為1164.79 m,漏斗面積較小且中心水位埋深較淺。衛寧平原監測區大部分區域內潛水水位埋深大于3 m；而在東園—宣和等區域水位埋深為2 m～3 m 之間；水位埋深小于2 m 區域零星出露于沙坡頭、趙灘及王營等地。

3.2 年內與年際變化

潛水主要接受渠系滲漏、田間灌溉入滲補給,主要排泄于蒸發、開采和地下徑流。潛水水位動態除黃河漫灘、階地水位埋藏淺、蒸發強烈地段屬灌溉—蒸發—徑流型、地下水開采集中地段屬灌溉—開采—徑流型外,大部分屬灌溉—徑流型。 選取640502210127、640502210140、640502210151幾個典型的監測孔為研究對象進行分析。

（1）年內變化

衛寧平原地下水埋深變化主要受到降雨量,灌溉量,開采量,蒸發量等因素的影響,以灌溉量和開采量為主,地下水埋深表現出周期性變化特征。

從圖1 中可以分析得出,127 號監測點在2019 年灌區最大地下水埋深出現在4 月,深度約為5.6 m,最小水埋深出現在8 月～9 月,深度約為4.0 m,年內變化幅度在1.6 m。2021 年灌區最大地下水埋深出現在10 月,深度約為5.6 m,最小水埋深出現在6 月,深度約為4.6 m,變化幅度約為1.0 m。

圖1 127 號監測點地下水埋深變化

從圖2 中可以分析得出,140 號監測點在2019 年最大地下水埋深出現在3 月,深度約為4.4 m,最小地下水埋深在8 月,深度為2.8 m,年內變化幅度為1.6 m。2021 年地下最大水埋深出現在4 月,深度為4.1 m,最小地下水埋深在11 月,深度為3.1 m,年內變化區間大約在1.0 m。

圖2 140 號監測點地下水埋深變化

從圖3 中可以分析得出,151 號監測點在2019 年最大地下水埋深在10 月,深度為5.6 m,最小地下水埋深在6 月,深度為5.05 m,變化區間在0.55 m。2021 年最大地下水埋深在4 月,深度為5.65 m,最小地下水埋深在11 月,深度為5.15 m,年內變化區間在0.5 m。

圖3 151 號監測點地下水埋深變化

綜上所述,衛寧平原地下水埋深的年變幅在1 m～1.5 m,最大地下水埋深出現在4 月～5 月,最小地下水埋深出現在9 月～10 月,與灌溉量和開采量變化規律基本保持一致。主要原因是四月開始進入春季灌溉期,灌溉水和凍融水回補地下,使得地下水埋深變淺,5 月～8 月氣溫逐漸升高,受大量的地下水開采灌溉和高溫導致的潛水蒸發影響,地下水埋深加深,9 月、10 月進入秋收期,地下水的開采量逐漸減少,11 月冬灌期,因此9 月～11 月地下水埋深深度逐漸減小。2021 年變化幅度在1.0 之間,變化區間較2019 年有所減小,主要原因在于衛寧灌區的節水技術不斷推進,逐漸轉變為小洼、滴灌技術,提高了田間用水效率,降低了地下水埋深變化區間。

（2）年際變化

衛寧灌區地下水埋深年際變化見圖4,2019 年衛寧平原平均地下水埋深為4.51 m,2022 年平均地下水埋深為4.31 m。研究發現衛寧灌區地下水埋深近幾年呈逐漸減小的趨勢,減小速率為0.067 m/d。由于地下水埋深與灌溉量和開采量的關聯緊密,灌區種植結構及灌溉技術的調整對地下水埋深的影響較大[14]。且由此三個監測點可以看出,衛寧平原地下水埋深由西部到中部無明顯變化,但是由中部到東部逐漸增大,存在明顯的空間差異,主要原因在于東部鳴沙鎮地區有中國石油建設的鳴沙輸水站,該輸水站的7 眼地下水輸水井使衛寧平原形成局部降落漏斗,導致鳴沙鎮水埋深較大。但是不同監測點同時期的地下水水埋深變化基本一致,1 月～3 月為農歇期,水位變化幅度較小,地下水埋深大幅變化要出現在4 月～12 月,因此每年下半年地下水埋深值均小于上半年,與灌溉峰值保持一致。

圖4 衛寧平原各監測點2019 年～2023 年地下水埋深變化

3.3 地下水埋深變化的突變檢驗

利用Mann-Kendall 突變檢測方法,以0.05 作為顯著水平,對衛寧平原監測孔640502210127、640502210140、640502210151 在2019 年～2023 年的地下水埋深變化和灌區降水、徑流及氣溫序列進行變化趨勢檢驗,結果見圖5、圖6。

圖5 127、140、151 號監測點 2019 年～2023 年地下水埋深Mann-Kendall 檢驗

圖6 衛寧平原2019 年～2023 年降水、徑流及氣溫序列的Mann-Kendall 檢驗

根據地下水埋深Mann-Kendall 突變檢驗結果,發現127號監測孔地下水埋深在2019 年年初至2019 年下半年年期間出現短暫增大,但并未達到顯著水平,隨后減小,變化趨勢在2021 年下半年發生突變,UF 和UB 曲線在|UF|=1.94（a=0.05）信度臨界值之間產生交點,即產生突變點）,之后進入顯著減小水平。140 號監測孔地下水埋深在2019 年～2020 年下半年呈先增大趨勢,2020 年8 月逐漸減小,變化趨勢在2022 年初發生突變,地下水埋深呈現出明顯增大趨勢。151 號監測孔地下水埋深在2019 年～2020 年初呈增大趨勢,2020 年～2021 年初變化較為復雜,在2021 年上半年產生突變,之后地下水埋深呈現出減小的趨勢。

將衛寧平原地下水埋深檢驗結果（圖7）與降水、徑流及氣溫序列檢驗結果（圖8）對比,發現降水在2020 年發生突變,之后總體呈現增加的趨勢,3 個監測孔地下水位埋深并沒有處于一直減小的狀態；徑流量在2019 年下半年發生突變,在2020 年呈現增加,隨后產生下降的變化,而3 個監測點地下水位埋深變化一直在上下不斷浮動,因此可以說明地下水位埋深變化與徑流量相關性不大；氣溫變化在2020 年產生突變,增溫趨勢顯著變大,由于氣溫與蒸發量呈現正相關,因此蒸發量應該逐漸增大,而地下水埋深并沒有顯著增大。反而處于波動狀態。因此,綜合降水、徑流及氣溫的變化趨勢可以得出地下水位埋深與這三者并無明顯的關聯。

4 結論

（1）衛寧平原地下水埋深變化主要受到農業灌溉影響,由于分為冬季灌溉高峰期和春夏灌溉高峰期,冬灌為11 月下旬～12 月中旬,春夏主灌期為4 月～9 月,因此年內水埋深呈W 形變化,每年出現的兩個水位高峰與灌溉高峰基本一致。

（2）隨著近幾年來科學種植,灌區節水灌溉措施的大力實施,衛寧平原地下水埋深2019 年～2022 呈現出緩步減小的趨勢,而地下水是西北干旱地區自然環境中植被的主要水源,保障衛寧平原地下水埋深對衛寧平原環境的影響有著十分重要的意義。

（3）采用Mann-Kendall 突變檢驗結果表明：衛寧平原地下水埋深變化趨勢均在2021 年前后發生轉變,127 號監測孔在2021 年下半年發生突變, 140 號監測孔地下水埋深在2022 年初發生突變,151 號監測孔地下水埋深在2021 年上半年發生突變,這些變化主要是受灌溉入滲和開采量的影響,這與降水、徑流及氣溫序列變化沒有明顯的關系。因此,人類活動是影響衛寧平原地下水埋深的主要因素。