石家庄滹沱河山前冲洪积扇地下水位动态演变特征及影响机制

　　石家庄滹沱河山前冲洪积扇地下水位动态演变特征及影响机制

　　引言

　　石家庄滹沱河冲洪积扇处于干旱、半干旱地区，降水量较小，水资源较为贫乏，而且地下水资源的过度开发利用导致地下水超采情况严重。1965年以来石家庄滹沱河冲洪积扇便存在地下水降落漏斗，直到2015年河北地下水超采治理国家级试点的启动，提出了设立地下水超采、禁采和压采区域以及充分利用外流域调水和生态补水等方案，研究区地下水超采的情况才得以改善。无论是持续近50年的地下水超采还是近些年的地下水人工压采都影响着当地地下水位动态的变化，因此探明地下水位动态时空演变特征及影响因素对于未来地下水超采治理起着指导性的作用。

　　众多学者对地下水位动态时空演变问题的研究，可分为长时间尺度和短时间尺度两个方面。在长时间尺度上：于占江等分析了1970—2010年石家庄地区大气数据，判断出石家庄地区地下水情况正不断恶化；闫佰忠等针对石家庄市藁城区2001—2018年的地下水埋深动态规律，探究了气候变化与人类活动对其所造成的影响；王水献等利用焉耆盆地1960—2005年的地下水埋深数据，指明了近50年来当地地下水埋深和矿化度的时空演变特征；Wang等利用多元统计分析的方法对关中盆地1960—2015年地下水动态特征的影响因素进行探究，发现人类活动是主导其发生变化的主要因素；Shevchenko等对1951年以来乌克兰南布格河流域的气象与地下水位观测资料进行了分析，发现气候周期对当地地下水位动态周期有较强影响；Liu等利用地统计分析方法，研究了1997—2015年拉萨河谷区地下水动态特征影响因素，得出城市化和气候因素共同影响当地地下水动态。在短时间尺度上：Chen等利用地统计分析等方法，探究了2015—2020年人工治理前后衡水市地下水系统的时空演变特征；李梦涛运用克里金法，探究了人工压采实施后的石家庄平原区地下水时空动态分布特征；帅官印等针对2018年以来石家庄平原区的农业限水灌溉，探究了其对地下水恢复的影响；Wang等利用Arcgis插值法探究石河子灌区地下水位变化幅度的空间分布特征，得出了各影响因素对地下水位变化的敏感性；Fan等利用STL(seasonal-trenddecompositionprocedurebasedonloess）分解及空间插值等方法，对黄河三角洲2004—2010年地下水位动态进行分析，探究了地下水位动态与季节变化的关系；Li等通过分析中国西北绿洲2013—2019年地下水位变化特征，结合遥感技术，确定了当地的生态地下水位。可见针对地下水位动态时空演变的研究中，长时间尺度下多为地下水位空间分布特征的趋势性变化分析，短时间尺度下多为地下水位空间分布规律分析。在长时间尺度下地下水位动态时空演变特征的影响因素众多，受人类活动、气候条件等的综合影响，有着较强的阶段性特点；因此在长时间序列下探究地下水时空演变特征与不同历史时期相结合，可以更好地探讨城市发展及人类活动对地下水动力场的影响因素。

　　本文以石家庄滹沱河冲洪积扇为研究区，基于区内的降水量、地下水埋深、地下水开采量，人口、GDP等数据，对研究区地下水位动态时空特征及其影响因素进行研究。将1980—2021年按其历史特点分为3个阶段，利用多元统计分析及Arcgis反距离权重插值等方法，阐明地下水动力场时空演变特征，并探讨不同时期多种人类活动对地下水动力场时空演变特征的影响，以期为当地地下水资源合理利用和科学管理提供理论指导。

　　1.研究区概况

　　本文研究区范围集中于石家庄滹沱河冲洪积扇区，位于37°56'N—38°22'N,114°18'E—114°33'E之间，是石家庄市漏斗核心区（图1a)。南北长约36km，东西宽约26km，总面积约为672.47km2，区内有滹沱河穿流而过。研究区气候属温带大陆性季风气候，四季分明，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥，区内多年平均降雨量约为514.9mm，主要集中在7—8月。研究区地下水为第四系松散岩类孔隙水，含水层岩性主要以中粗砂和砂卵砾石为主。

　　按照石家庄市水文地质特征和第四系沉积规律，可将第四系含水层划分为浅层孔隙水和深层孔隙水含水层，研究区内仅存在浅层孔隙水含水层，其岩性主要以砂砾卵石为主。由于人类活动影响，研究区自1965年便开始出现地下水漏斗，并持续存在50余年，当地的地下水系统也因此发生了较大的变化。

　　2.数据来源及研究方法

　　本研究使用1980—2021年平均地下水埋深、降水量、地下水开采量数据和1996—2021年人口及GDP数据，以反映自然因素与人类活动对研究区地下水位时空动态演变的影响。年平均地下水埋深、年降水量、地下水开采量数据均来自石家庄市1980—2021年水资源公报，人口和GDP数据均来自石家庄市1996—2021年统计年鉴。

　　为分析研究区浅层地下水在该时段内的时空动态变化和分布情况，本研究针对年平均地下水位埋深数据绘制了1980—2021年阶段性水位变幅图，利用1980—2021年地下水监测井数据结合Arcgis软件中反距离插值法绘制了1980—2021年地下水等水位线图，地下水监测井分布密度满足插值精度要求；为分析不同时段下人类活动对研究区地下水位动态的影响特征，绘制了1980—2021年不同阶段的年平均地下水埋深与降水量、工农业地下水开采量的关系曲线图，1996—2021年地下水埋深与研究区人口、GDP的关系曲线图，以及研究区1985—2021年土地利用类型图。结合上述因素之间的相关性分析，探究不同时段下主导研究区地下水埋深变化的影响因素。

　　3.地下水位动态时空演变特征及影响因素

　　3.1地下水位动态时空演变特征

　　研究区浅层地下水自1965年出现下降趋势后，便出现了地下水降落漏斗，此种情况一直持续至2015年地下水人工压采后才有所改善，期间研究区经历了很多特殊的历史时期，影响着研究区的地下水位动态。就地下水开采而言，改革开放初期（1980—2000年）研究区年均地下水开采量大（4.42亿m3/a)，研究区处于地下水超采状态；21世纪初期（2000—2015年）研究区年均地下水开采量变小（2.83亿m3/a)，研究区仍处于地下水超采状态；地下水人工压采时期（2015—2021年）研究区年均地下水开采量大幅减小（0.82亿m3/a)，研究区地下水超采问题得以改善。不同的历史时期对研究区地下水位动态时空演变特征有着不同的影响，因此将1980年到2021年分为3个时段进行讨论，分别是1980—2000年、2000—2015年、2015—2021年。

　　3.1.1时间演变特征

　　1980—2000年，石家庄滹沱河冲洪积扇区浅层地下水埋深总体呈下降趋势（图3)，仅在1991年丰水年和1996年特大丰水年有所回升，但很快又转为下降趋势。1980年研究区平均地下水埋深为10.06m，至2000年研究区平均地下水埋深降至26.46m,21a年共降低了16.40m，平均年降速为0.78m/a。根据1980—2000年年均地下水埋深降幅与降速（表1)，研究区地下水埋深的降幅和降速呈现波动状态，最大降幅在1980—1985年，下降幅度为4.80m，下降速率为0.80m/a；最小降幅在1995—2000年，下降幅度为3.24m，下降速率为0.54m/a。

　　2000—2015年，研究区浅层地下水埋深下降趋势增大，在2000—2010年下降幅度较大，在2010—2015年下降幅度逐渐趋于平缓，仅在2014年有所回升。由于2014年是研究区人工压采的起步年，当年地下水开采量（2.60亿m3）较2015年地下水开采量（2.80亿m3）小，同时2012、2013年为丰水年，研究区地面因逐步硬化而导致地下水位对降水的反应滞后；因此2014年地下水埋深有所回升。但地下水埋深总体仍处于下降趋势，至2015年埋深已降至40.65m,16a降低了14.19m，平均年降速为0.89m/a。根据2000—2015年其地下水埋深变化可知，研究区地下水埋深的降幅和降速呈现先增大后减小的趋势，最大降幅在2005—2010年，下降幅度为8.41m，下降速率为1.40m/a；最小降幅在2010—2015年，下降幅度为1.37m，下降速率为0.23m/a。

　　自2015年地下水超采治理和人工压采以来，研究区地下水埋深发生明显改善，出现回升趋势，仅在2016年与2019年地下水埋深有所下降，但其余年份均处于回升状态，地下水埋深由2015年的40.65m至2021年已回升至35.50m,7a内地下水埋深回升5.15m，回升速率达0.74m/a。其中2020—2021年回升幅度最大，为4.18m。

　　石家庄滹沱河冲洪积扇区浅层地下水埋深从1980—2021年总体分为3个阶段，分别是1980—2000年较平稳下降阶段、2000—2015年快速下降阶段、2015—2021年回升阶段。

　　3.1.2空间演变特征

　　石家庄滹沱河冲洪积扇区地下水水位整体的大幅下降势必会引起地下水流场的改变，研究区长期处于地下水超采状态，使得地下水位大幅下降，局部区域形成地下水降落漏斗。1980年地下水降落漏斗核心区为长安区与新华区交界，核心区地下水水位为50m，浅层地下水流向由西北（黄壁庄镇）流向东南（裕华区），在鹿泉区一带流向变为东向，而后浅层地下水在地下水降落漏斗核心区汇流，汇流后继续流向西南；进入1990年，核心区地下水水位为36m，较1980年核心区水位降低了14m，研究区浅层地下水流向与1980年浅层地下水流向大部分一致，仅在长安区一带流向转变为南向。

　　2000年研究区的地下水降落漏斗出现第一次大幅扩张，漏斗核心区浅层地下水水位达30m以下，此时研究区北部浅层地下水流向由西北流向东南，中部浅层地下水流向由东向西，南部浅层地下水流向由西南流向东北，均在地下水降落漏斗核心区———长安区发生汇流。到2010年，由于浅层地下水的持续开采和研究区工业格局的变化，地下水降落漏斗核心区开始向东偏移，漏斗面积也进一步扩大，其北部边界已越过滹沱河到达正定县一带，西部边界仍维持在新华区一带，南部与东部边界均已超出研究区，浅层地下水水位达20m以下，此时研究区浅层地下水流向与2000年基本一致，仅在研究区东部地下水降落漏斗边界处有地下水汇流。

　　2014年国家启动了河北地下水超采治理国家级试点工作，2015年是研究区地下水人工压采的第一年，浅层地下水流向已基本转变成由西向东，地下水降落漏斗仅剩下西边界在研究区内，因此在研究区内没有明显的地下水汇流现象存在。至2021年10月，研究区东南部的裕华区和楼底镇一带水位恢复较为明显，同时研究区内地下水降落漏斗面积大幅减小，研究区东部地下水水位为20m，较2015年的16m回升了4m；但研究区西北部地下水水位有所下降，水力梯度最大达9.84‰，整体呈现增长趋势。

　　3.2地下水位动态变化影响因素

　　1980年以来研究区地下水位动态共经历了3个演变阶段，不同的演变阶段内其主导地下水动态变化的影响因素也有不同。按照各因素的性质，将其分为自然因素、人类活动因素、其他因素进行分析。其中，自然因素主要为降水，人类活动因素主要包括地下水开采与人工压采，其他影响因素主要包括人口、GDP和土地利用类型。1980年以来研究区地下水埋深整体呈增大趋势，随着自然因素与人类活动因素的变化，研究区年际地下水埋深变化存在较大差异，本文利用斯皮尔曼相关系数法研究地下水埋深变化与自然因素和人类活动因素变化间的相关性。

　　3.2.1自然因素

　　降水量变化在1980—2000年间与年均地下水埋深变化有负相关关系，相关系数为-0.477，在2000年后二者相关性逐渐减弱，相关系数为-0.318，到2015年后二者相关性微弱，相关系数为-0.086；说明降水量对年均地下水埋深的影响逐渐减弱，究其原因是2000年后研究区整体地下水埋深较深，地下水埋深对降水的反应滞后，降水补给地下水的路径较长，地下水处于超采状态，因此降水量对其影响越来越小。

　　3.2.2人类活动因素

　　地下水开采按其用途可分为地下水农业开采与地下水工业开采，在不同的时段主导研究区地下水埋深变化的地下水开采类型有所不同，因此将地下水开采分为地下水农业开采与工业开采两类进行讨论。1980—2000年的年均地下水埋深与地下水工业开采量的相关性弱，相关系数为0.183，但与地下水农业开采量呈现较强的正相关关系，相关系数为0.529，尤其研究区在1986、1987年遭遇大旱，地下水的农业开采量增加幅度较大，导致研究区整体地下水埋深在这两年降幅较大。2000—2015年，年均地下水埋深与地下水工业开采量呈现较强的正相关关系，相关系数为0.574，但与地下水农业开采量的相关性弱，相关系数为0.266；原因是2000年后研究区工业化进程发展迅速，地下水工业开采量逐渐增大，农业开采量逐渐减小，研究区地下水处于超采状态，年均地下水埋深连年增大，因此地下水工业开采量对年均地下水埋深的影响越来越大。到2015年后，人工压采使得地下水年开采量大幅下降，此时地下水总开采量与年均地下水埋深变化呈现出较强的正相关关系，相关系数为0.786,2015年后地下水年开采量逐年下降，同时年均地下水埋深也常显出上升的趋势，表现出人工压采对年均地下水埋深变化有着积极的作用。

　　通过对自然因素和人类活动因素的探讨，研究区总体地下水埋深的变化在1980—2021年间主要受4种因素所主导，分别是降水、地下水农业开采、地下水工业开采、人工压采。在不同的时间段内研究区不同的发展策略也导致各时段的主导因素有所不同，在1980—2000年间降水和地下水农业开采为主导因素，在2000—2015年间主导因素转变为地下水工业开采，2015年后人工压采所导致的地下水总开采量下降成为研究区地下水埋深变化的主导因素。

　　3.2.3其他影响因素

　　在1996—2021年，研究区内人口数量与GDP整体呈上升趋势，在该时段内地下水埋深整体上呈现增加特征。人口数量增加和GDP增长可能导致研究区地下水开采量增加，间接导致地下水埋深持续增加。一般认为，人口数量增加会导致生活地下水开采量增加。在2015年人工压采前，人口数量增幅较大时，年均地下水埋深增幅也相应增大，其中：2000—2001年间人口数量增加了28.2万人，期间年均地下水埋深增加了1.15m;2009—2010年间人口数量增加了17.99万人，期间年均地下水埋深增加了3.58m;2007—2008年人口数量增加了2.99万人，期间年均地下水埋深增加了0.14m。2015年后，人口数量变化对年均地下水埋深变化的影响变得微弱。可发现在人工压采前，人口数量变化与年均地下水埋深在变化趋势上相同，存在弱相关性，人工压采后人口数量变化基本不会影响年均地下水埋深变化。这与前文得出的2000—2015年间主导研究区整体地下水埋深变化的直接影响因素是工业地下水开采量而不是农业和生活地下水开采量，以及2015年后的主导因素为人工压采相呼应。

　　GDP增加会导致工、农业地下水开采量增加。

　　在2015年人工压采前，GDP增幅较大时，年均地下水埋深增幅也相应增大，其中：2006—2007年间GDP增加1426382万元，期间年均地下水埋深增加1.11m;2009—2010年间GDP增加1576550万元，期间年均地下水埋深增加3.59m;2007—2008年间GDP增加549626万元，期间年均地下水埋深增加0.14m。在人工压采前，GDP变化与年均地下水埋深变化有较强的趋势性，在人工压采后，GDP变化基本不会影响年均地下水埋深变化。

　　不同的土地利用类型代表着不同的地下水开采类型，随着研究区城市的发展，土地利用类型发生较大变化，埋深也随之变化。由图11可见：1985—2021年间，研究区的土地利用类型主要为耕地与人造地表，该时段中耕地占研究区面积的36%～68%，人造地表占研究区面积的31%～63%，草地、水体与裸地仅占极少部分。人造地表所占面积呈增长趋势，17a年共增长216.33km2，耕地所占面积呈减少趋势，17a共减少218.11km2，其余土地利用类型均呈现减少趋势；这导致人工压采前研究区的农业地下水开采量持续下降，工业地下水开采量持续增加。人造地表主要集中于研究区中部，也是研究区地下水降落漏斗核心区，在未来伴随着城区面积的增加人类活动对研究区地下水动态的影响越来越强。

　　4.结论

　　1）研究区的地下水位动态具有明显的时代特征，1980—2000年研究区年均地下水埋深缓慢增大，2000—2015年快速增大，2016—2021年地下水埋深呈现减小趋势，2016年为转折点；空间上，研究区地下水埋深整体呈现西北小、东南大的特点，地下水整体流向由西北流向东南。

　　2）研究区内的地下水流向40a内整体变化不大，由西北（黄壁庄镇）流向东南（裕华区），仅在细微处存在差异，1980—2010年地下水在漏斗核心区（长安区）存在汇流现象，2000—2010年漏斗核心区延伸至正定县一带。漏斗核心区地下水埋深在30a内持续增大，1980年核心区地下水水位为50m，到2010年核心区地下水水位降至20m以下，在2015年后研究区内地下水降落漏斗面积逐渐减小，汇流情况逐渐消失。

　　3）研究区内地下水位动态变化的直接影响因素随时间变化，其中：1980—2000年，地下水农业开采和年降水量为直接影响因素，2001—2015年，地下水工业开采为直接影响因素，2016—2021年，人工压采为直接影响因素。

　　4）人口、GDP以及土地利用类型间接影响研究区地下水位动态，石家庄滹沱河山前冲洪积扇地下水埋深变化有明显的阶段性特点。

　　

　　

　　摘自《吉林大学学报》2023年6期

原文链接：http://zrzy.hebei.gov.cn/heb/gongk/gkml/kjxx/kjfz/10971151896277434368.html
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