石家莊滹沱河山前沖洪積扇地下水位動態演變特征及影響機制

閆佰忠,蓋俊百,王昕洲,占新凱,馬苗苗

1.河北省地質資源環境監測與保護重點實驗室(河北地質大學),石家莊 050031

2.河北省水資源可持續利用與開發重點實驗室(河北地質大學),石家莊 050031

3.河北省水資源可持續利用與產業結構化協同創新中心(河北地質大學),石家莊 050031

0 引言

石家莊滹沱河沖洪積扇處于干旱、半干旱地區,降水量較小,水資源較為貧乏[1],而且地下水資源的過度開發利用導致地下水超采情況嚴重[2]。1965年以來石家莊滹沱河沖洪積扇便存在地下水降落漏斗,直到2015年河北地下水超采治理國家級試點的啟動,提出了設立地下水超采、禁采和壓采區域以及充分利用外流域調水和生態補水等方案[3],研究區地下水超采的情況才得以改善。無論是持續近50 a年的地下水超采還是近些年的地下水人工壓采都影響著當地地下水位動態的變化[4],因此探明地下水位動態時空演變特征及影響因素對于未來地下水超采治理起著指導性的作用。

眾多學者對地下水位動態時空演變問題的研究,可分為長時間尺度和短時間尺度兩個方面。在長時間尺度上:于占江等[5]分析了1970—2010年石家莊地區大氣數據,判斷出石家莊地區地下水情況正不斷惡化;閆佰忠等[6]針對石家莊市藁城區2001—2018年的地下水埋深動態規律,探究了氣候變化與人類活動對其所造成的影響;王水獻等[7]利用焉耆盆地1960—2005年的地下水埋深數據,指明了近50 a來當地地下水埋深和礦化度的時空演變特征;Wang等[8]利用多元統計分析的方法對關中盆地1960—2015年地下水動態特征的影響因素進行探究,發現人類活動是主導其發生變化的主要因素;Shevchenko等[9]對1951年以來烏克蘭南布格河流域的氣象與地下水位觀測資料進行了分析,發現氣候周期對當地地下水位動態周期有較強影響;Liu等[10]利用地統計分析方法,研究了1997—2015年拉薩河谷區地下水動態特征影響因素,得出城市化和氣候因素共同影響當地地下水動態。在短時間尺度上:Chen等[11]利用地統計分析等方法,探究了2015—2020年人工治理前后衡水市地下水系統的時空演變特征;李夢濤[12]運用克里金法,探究了人工壓采實施后的石家莊平原區地下水時空動態分布特征;帥官印等[13]針對2018年以來石家莊平原區的農業限水灌溉,探究了其對地下水恢復的影響;Wang等[14]利用Arcgis插值法探究石河子灌區地下水位變化幅度的空間分布特征,得出了各影響因素對地下水位變化的敏感性;Fan等[15]利用STL(seasonal-trend decomposition procedure based on loess)分解及空間插值等方法,對黃河三角洲2004—2010年地下水位動態進行分析,探究了地下水位動態與季節變化的關系;Li等[16]通過分析中國西北綠洲2013—2019年地下水位變化特征,結合遙感技術,確定了當地的生態地下水位?？梢娽槍Φ叵滤粍討B時空演變的研究中,長時間尺度下多為地下水位空間分布特征的趨勢性變化分析,短時間尺度下多為地下水位空間分布規律分析。在長時間尺度下地下水位動態時空演變特征的影響因素眾多,受人類活動、氣候條件等的綜合影響,有著較強的階段性特點[17];因此在長時間序列下探究地下水時空演變特征與不同歷史時期相結合,可以更好地探討城市發展及人類活動對地下水動力場的影響因素。

本文以石家莊滹沱河沖洪積扇為研究區,基于區內的降水量、地下水埋深、地下水開采量,人口、GDP等數據,對研究區地下水位動態時空特征及其影響因素進行研究。將1980—2021年按其歷史特點分為3個階段,利用多元統計分析及Arcgis反距離權重插值等方法,闡明地下水動力場時空演變特征,并探討不同時期多種人類活動對地下水動力場時空演變特征的影響,以期為當地地下水資源合理利用和科學管理提供理論指導。

1 研究區概況

本文研究區范圍集中于石家莊滹沱河沖洪積扇區,位于37°56′N—38°22′N,114°18′E—114°33′E之間,是石家莊市漏斗核心區(圖1a)。南北長約36 km,東西寬約26 km,總面積約為672.47 km2,區內有滹沱河穿流而過。研究區氣候屬溫帶大陸性季風氣候,四季分明,夏季炎熱多雨,冬季寒冷干燥,區內多年平均降雨量約為514.9 mm,主要集中在7—8月。研究區地下水為第四系松散巖類孔隙水(圖1b),含水層巖性主要以中粗砂和砂卵礫石為主[18]。按照石家莊市水文地質特征和第四系沉積規律,可將第四系含水層劃分為淺層孔隙水和深層孔隙水含水層,研究區內僅存在淺層孔隙水含水層,其巖性主要以砂礫卵石為主[1]。由于人類活動影響,研究區自1965年便開始出現地下水漏斗,并持續存在50余a,當地的地下水系統也因此發生了較大的變化。

2 數據來源及研究方法

本研究使用1980—2021年平均地下水埋深、降水量、地下水開采量數據和1996—2021年人口及GDP數據,以反映自然因素與人類活動對研究區地下水位時空動態演變的影響。年平均地下水埋深、年降水量、地下水開采量數據均來自石家莊市1980—2021年水資源公報,人口和GDP數據均來自石家莊市1996—2021年統計年鑒。

為分析研究區淺層地下水在該時段內的時空動態變化和分布情況,本研究針對年平均地下水位埋深數據繪制了1980—2021年階段性水位變幅圖,利用1980—2021年地下水監測井數據結合Arcgis軟件中反距離插值法繪制了1980—2021年地下水等水位線圖,地下水監測井分布(圖2)密度滿足插值精度要求;為分析不同時段下人類活動對研究區地下水位動態的影響特征,繪制了1980—2021年不同階段的年平均地下水埋深與降水量、工農業地下水開采量的關系曲線圖,1996—2021年地下水埋深與研究區人口、GDP的關系曲線圖,以及研究區1985—2021年土地利用類型圖。結合上述因素之間的相關性分析,探究不同時段下主導研究區地下水埋深變化的影響因素。

圖2 研究區地下水監測井與降水監測站分布圖

3 地下水位動態時空演變特征及影響因素

3.1 地下水位動態時空演變特征

研究區淺層地下水自1965年出現下降趨勢后,便出現了地下水降落漏斗,此種情況一直持續至2015年地下水人工壓采后才有所改善,期間研究區經歷了很多特殊的歷史時期,影響著研究區的地下水位動態。就地下水開采而言,改革開放初期(1980—2000年)研究區年均地下水開采量大(4.42億m3/a),研究區處于地下水超采狀態;21世紀初期(2000—2015年)研究區年均地下水開采量變小(2.83億m3/a),研究區仍處于地下水超采狀態;地下水人工壓采時期(2015—2021年)研究區年均地下水開采量大幅減小(0.82億m3/a),研究區地下水超采問題得以改善。不同的歷史時期對研究區地下水位動態時空演變特征有著不同的影響,因此將1980年到2021年分為3個時段進行討論,分別是1980—2000年、2000—2015年、2015—2021年。

3.1.1 時間演變特征

1980—2000年,石家莊滹沱河沖洪積扇區淺層地下水埋深總體呈下降趨勢(圖3),僅在1991年豐水年和1996年特大豐水年有所回升,但很快又轉為下降趨勢。1980年研究區平均地下水埋深為10.06 m,至2000年研究區平均地下水埋深降至26.46 m,21 a年共降低了16.40 m,平均年降速為0.78 m/a。根據1980—2000年年均地下水埋深降幅與降速(表1),研究區地下水埋深的降幅和降速呈現波動狀態,最大降幅在1980—1985年,下降幅度為4.80 m,下降速率為0.80 m/a;最小降幅在1995—2000年,下降幅度為3.24 m,下降速率為0.54 m/a。

表1 研究區1980—2021年年均地下水埋深變化

a. 1980—2000年;b. 2000—2015年;c. 2015—2021年。

2000—2015年,研究區淺層地下水埋深下降趨勢增大,在2000—2010年下降幅度較大,在2010—2015年下降幅度逐漸趨于平緩,僅在2014年有所回升。由于2014年是研究區人工壓采的起步年,當年地下水開采量(2.60億m3)較2015年地下水開采量(2.80億m3)小,同時2012、2013年為豐水年,研究區地面因逐步硬化而導致地下水位對降水的反應滯后;因此2014年地下水埋深有所回升。但地下水埋深總體仍處于下降趨勢,至2015年埋深已降至40.65 m,16 a降低了14.19 m,平均年降速為0.89 m/a。根據2000—2015年其地下水埋深變化(表1)可知,研究區地下水埋深的降幅和降速呈現先增大后減小的趨勢,最大降幅在2005—2010年,下降幅度為8.41 m,下降速率為1.40 m/a;最小降幅在2010—2015年,下降幅度為1.37 m,下降速率為0.23 m/a。

自2015年地下水超采治理和人工壓采以來,研究區地下水埋深發生明顯改善,出現回升趨勢,僅在2016年與2019年地下水埋深有所下降,但其余年份均處于回升狀態,地下水埋深由2015年的40.65 m至2021年已回升至35.50 m,7 a內地下水埋深回升5.15 m,回升速率達0.74 m/a。其中2020—2021年回升幅度最大,為4.18 m。

石家莊滹沱河沖洪積扇區淺層地下水埋深從1980—2021年總體分為3個階段,分別是1980—2000年較平穩下降階段、2000—2015年快速下降階段、2015—2021年回升階段。

3.1.2 空間演變特征

石家莊滹沱河沖洪積扇區地下水水位整體的大幅下降勢必會引起地下水流場的改變,研究區長期處于地下水超采狀態,使得地下水位大幅下降,局部區域形成地下水降落漏斗。1980年地下水降落漏斗核心區為長安區與新華區交界,核心區地下水水位為50 m,淺層地下水流向由西北(黃壁莊鎮)流向東南(裕華區),在鹿泉區一帶流向變為東向,而后淺層地下水在地下水降落漏斗核心區匯流,匯流后繼續流向西南(圖4a);進入1990年,核心區地下水水位為36 m,較1980年核心區水位降低了14 m,研究區淺層地下水流向與1980年淺層地下水流向大部分一致,僅在長安區一帶流向轉變為南向(圖4b)。

圖4 1980—2021年研究區地下水等水位線圖

2000年研究區的地下水降落漏斗出現第一次大幅擴張,漏斗核心區淺層地下水水位達30 m以下,此時研究區北部淺層地下水流向由西北流向東南,中部淺層地下水流向由東向西,南部淺層地下水流向由西南流向東北,均在地下水降落漏斗核心區——長安區發生匯流(圖4c)。到2010年,由于淺層地下水的持續開采和研究區工業格局的變化,地下水降落漏斗核心區開始向東偏移,漏斗面積也進一步擴大,其北部邊界已越過滹沱河到達正定縣一帶,西部邊界仍維持在新華區一帶,南部與東部邊界均已超出研究區,淺層地下水水位達20 m以下,此時研究區淺層地下水流向與2000年基本一致,僅在研究區東部地下水降落漏斗邊界處有地下水匯流(圖4d)。

2014年國家啟動了河北地下水超采治理國家級試點工作,2015年是研究區地下水人工壓采的第一年,淺層地下水流向已基本轉變成由西向東,地下水降落漏斗僅剩下西邊界在研究區內,因此在研究區內沒有明顯的地下水匯流現象存在(圖4e)。至2021年10月,研究區東南部的裕華區和樓底鎮一帶水位恢復較為明顯,同時研究區內地下水降落漏斗面積大幅減小,研究區東部地下水水位為20 m,較2015年的16 m回升了4 m;但研究區西北部地下水水位有所下降,水力梯度最大達9.84‰,整體呈現增長趨勢(圖4f)。

3.2 地下水位動態變化影響因素

1980年以來研究區地下水位動態共經歷了3個演變階段,不同的演變階段內其主導地下水動態變化的影響因素也有不同。按照各因素的性質,將其分為自然因素、人類活動因素、其他因素進行分析。其中,自然因素主要為降水,人類活動因素主要包括地下水開采與人工壓采,其他影響因素主要包括人口、GDP和土地利用類型。1980年以來研究區地下水埋深整體呈增大趨勢,隨著自然因素與人類活動因素的變化,研究區年際地下水埋深變化存在較大差異,本文利用斯皮爾曼相關系數法研究地下水埋深變化與自然因素和人類活動因素變化間的相關性,結果見表2。

表2 研究區1980—2015年年均地下水埋深變化與年降水量、開采量變化幅度的相關性

3.2.1 自然因素

降水量變化在1980—2000年間與年均地下水埋深變化有負相關關系(圖5),相關系數為-0.477,在2000年后二者相關性逐漸減弱,相關系數為-0.318,到2015年后二者相關性微弱,相關系數為-0.086(表2);說明降水量對年均地下水埋深的影響逐漸減弱,究其原因是2000年后研究區整體地下水埋深較深,地下水埋深對降水的反應滯后,降水補給地下水的路徑較長,地下水處于超采狀態,因此降水量對其影響越來越小。

Fig.5 研究區1980—2021年降水量與年均地下水埋深關系

3.2.2 人類活動因素

地下水開采按其用途可分為地下水農業開采與地下水工業開采,在不同的時段主導研究區地下水埋深變化的地下水開采類型有所不同,因此將地下水開采分為地下水農業開采與工業開采兩類進行討論。1980—2000年的年均地下水埋深與地下水工業開采量的相關性弱,相關系數為0.183,但與地下水農業開采量呈現較強的正相關關系,相關系數為0.529(表2),尤其研究區在1986、1987年遭遇大旱,地下水的農業開采量增加幅度較大,導致研究區整體地下水埋深在這兩年降幅較大(圖6)。2000—2015年,年均地下水埋深與地下水工業開采量呈現較強的正相關關系,相關系數為0.574,但與地下水農業開采量的相關性弱,相關系數為0.266(表2);原因是2000年后研究區工業化進程發展迅速,地下水工業開采量逐漸增大,農業開采量逐漸減小,研究區地下水處于超采狀態,年均地下水埋深連年增大,因此地下水工業開采量對年均地下水埋深的影響越來越大(圖7)。到2015年后,人工壓采使得地下水年開采量大幅下降,此時地下水總開采量與年均地下水埋深變化呈現出較強的正相關關系,相關系數為0.786,2015年后地下水年開采量逐年下降,同時年均地下水埋深也常顯出上升的趨勢(圖8),表現出人工壓采對年均地下水埋深變化有著積極的作用。

圖6 研究區1980—2015年地下水農業開采量與年均地下水埋深關系

圖7 研究區1980—2015年地下水工業開采量與年均地下水埋深關系

圖8 研究區2015—2021年地下水總開采量與年均地下水埋深關系

通過對自然因素和人類活動因素的探討,研究區總體地下水埋深的變化在1980—2021年間主要受4種因素所主導,分別是降水、地下水農業開采、地下水工業開采、人工壓采。在不同的時間段內研究區不同的發展策略也導致各時段的主導因素有所不同,在1980—2000年間降水和地下水農業開采為主導因素,在2000—2015年間主導因素轉變為地下水工業開采,2015年后人工壓采所導致的地下水總開采量下降成為研究區地下水埋深變化的主導因素。

3.2.3 其他影響因素

在1996—2021年,研究區內人口數量與GDP整體呈上升趨勢(圖9、10),在該時段內地下水埋深整體上呈現增加特征。人口數量增加和GDP增長可能導致研究區地下水開采量增加,間接導致地下水埋深持續增加。一般認為,人口數量增加會導致生活地下水開采量增加[19]。在2015年人工壓采前,人口數量增幅較大時,年均地下水埋深增幅也相應增大,其中:2000—2001年間人口數量增加了28.2萬人,期間年均地下水埋深增加了1.15 m;2009—2010年間人口數量增加了17.99萬人,期間年均地下水埋深增加了3.58 m;2007—2008年人口數量增加了2.99萬人,期間年均地下水埋深增加了0.14 m。2015年后,人口數量變化對年均地下水埋深變化的影響變得微弱。可發現在人工壓采前,人口數量變化與年均地下水埋深在變化趨勢上相同,存在弱相關性,人工壓采后人口數量變化基本不會影響年均地下水埋深變化。這與前文得出的2000—2015年間主導研究區整體地下水埋深變化的直接影響因素是工業地下水開采量而不是農業和生活地下水開采量,以及2015年后的主導因素為人工壓采相呼應。

圖9 研究區1996—2021年人口與年均地下水埋深關系曲線

圖10 研究區1996—2021年GDP與年均地下水埋深關系曲線

GDP增加會導致工、農業地下水開采量增加。在2015年人工壓采前,GDP增幅較大時,年均地下水埋深增幅也相應增大,其中:2006—2007年間GDP增加1 426 382萬元,期間年均地下水埋深增加1.11 m;2009—2010年間GDP增加1 576 550萬元,期間年均地下水埋深增加3.59 m;2007—2008年間GDP增加549 626萬元,期間年均地下水埋深增加0.14 m。在人工壓采前,GDP變化與年均地下水埋深變化有較強的趨勢性,在人工壓采后,GDP變化基本不會影響年均地下水埋深變化。

不同的土地利用類型代表著不同的地下水開采類型,隨著研究區城市的發展,土地利用類型發生較大變化,埋深也隨之變化[20]。由圖11可見:1 985—2021年間,研究區的土地利用類型主要為耕地與人造地表,該時段中耕地占研究區面積的36%～68%,人造地表占研究區面積的31%～63%,草地、水體與裸地僅占極少部分。人造地表所占面積呈增長趨勢,17 a年共增長216.33 km2,耕地所占面積呈減少趨勢,17 a共減少218.11 km2,其余土地利用類型均呈現減少趨勢;這導致人工壓采前研究區的農業地下水開采量持續下降,工業地下水開采量持續增加。人造地表主要集中于研究區中部,也是研究區地下水降落漏斗核心區,在未來伴隨著城區面積的增加人類活動對研究區地下水動態的影響越來越強。

圖11 研究區1985—2021年土地利用類型

4 結論

1)研究區的地下水位動態具有明顯的時代特征,1980—2000年研究區年均地下水埋深緩慢增大,2000—2015年快速增大,2016—2021年地下水埋深呈現減小趨勢,2016年為轉折點;空間上,研究區地下水埋深整體呈現西北小、東南大的特點,地下水整體流向由西北流向東南。

2)研究區內的地下水流向40 a內整體變化不大,由西北(黃壁莊鎮)流向東南(裕華區),僅在細微處存在差異,1980—2010年地下水在漏斗核心區(長安區)存在匯流現象,2000—2010年漏斗核心區延伸至正定縣一帶。漏斗核心區地下水埋深在30 a內持續增大,1980年核心區地下水水位為50 m,到2010年核心區地下水水位降至20 m以下,在2015年后研究區內地下水降落漏斗面積逐漸減小,匯流情況逐漸消失。

3)研究區內地下水位動態變化的直接影響因素隨時間變化,其中:1980—2000年,地下水農業開采和年降水量為直接影響因素,2001—2015年,地下水工業開采為直接影響因素,2016—2021年,人工壓采為直接影響因素。

4)人口、GDP以及土地利用類型間接影響研究區地下水位動態,石家莊滹沱河山前沖洪積扇地下水埋深變化有明顯的階段性特點。