潜水位演变特征分析

2018-09-01哈建强朱艳飞

水利科技与经济 2018年6期

哈建强，朱艳飞

(1.河北省沧州水文水资源勘测局，河北沧州 061000；2.沧州市环境保护局，河北沧州 061000)

1 概述

沧州市东临渤海，北靠天津，与山东半岛及辽东半岛隔海相望。京沪高速公路纵贯全市，京杭大运河穿境而过，104国道、京沪铁路贯穿全区，海陆空交通便利。全市多年平均气温12.2℃，极端最高气温43℃，极端最低气温-25℃，降水量年内分配不均，80%的降水量集中在6～9月份。本文分析的东南部典型区为东光县和吴桥县。

2 资料的选取及站点信息

本文研究区东光县和吴桥县内有7个地下水位观测点，但长系列观测点只有东光站和楼子铺站两个站点。为弥补资料的不足，在研究区附近的衡水市景县、阜城县和沧州市南皮县搜集了4个地下水位长系列站点。因此，共有11个地下水观测站点，其中长系列观测点有6个。各个站点地下水位资料见表1。

表1 地下水位观测点位置及系列长度

地下水位统计分析时，主要以东光、楼子铺、前村、王海、潞灌和寨子6个长系列资料的站点为主，其它站点作为补充。由于每年1月份地下水位趋于稳定，因此选择每年1月1日的地下水位进行年际和年代际的变化分析。

3 特征分析

3.1 统计特征分析

根据以上选择的地下水站点信息，分别计算11站地下水位资料的统计参数，见表2。

表2 各站潜水位序列常规统计参数计算结果

从表2计算结果可以看出，各站地下水位平均值相差较大，标准差和变差系数都较小，即地下水位年际变异较为平缓。从各站偏态系数计算结果可以看出，地下水位序列正偏和负偏情况都存在，负偏情况居多。

3.2 年内变化特征分析

从11眼观测井中选择的部分代表性井，选择资料绘制多年平均的逐月地下水位过程线和多年平均逐月降雨量，见图1。根据相关资料绘制抽水、灌溉量图，见图2。从图1、图2可以看出，由于1、2月份抽取地下水和灌溉水量都较少，因此地下水位较为稳定；3月份开始抽水春灌，地下水位迅速降低，4～5月份地下水位达到最低；6～9月份浅层抽水量大大减少，再加之夏季降雨量增多和春灌的回补滞后作用，地下水位逐渐回升，至9月份水位达到最高；10～11月份由于抽水秋灌造墒，使得地下水位出现不同幅度的下降；秋灌后各测站地下水变化也出现两种变化趋势：第一种趋势是秋灌抽水结束后水位上升直至趋于稳定，这种测井多位于地下水位较低的区域(如于集站、秦村站和马铁锅站)，秋灌后水位上升的原因主要是灌溉回补地下水和侧向流入所致；第二种趋势是10月份抽水结束后水位并未上升，而是趋于稳定或继续下降。这种测井多位于地下水位较高的区域(东光站)，冬灌后水位并未回升甚至出现继续下降趋势的主要原因可能是侧向流出量抵消或超过该地区灌溉回补水量。

从以上初步分析可以看出，该地区地下水属于典型的人工-入渗型，人类活动(抽水、灌溉)和降雨是地下水位年内变化的主要影响因素，在灌溉和降雨较少的冬季，侧向流动对地下水位也有一定的影响。

图1 逐月地下水位和降雨年内分布

图2 逐月浅层抽水量和灌溉水量分布

3.3 趋势性特征分析

根据实际情况，分别计算长系列资料的东光、楼子铺、前村等6个站点的地下水位线性倾向估计、趋势系数和MK统计量的计算，结果见表3。

表3 潜水位趋势分析结果

从表3计算结果可以看出，除东光站外，其它各个站点地下水位都呈现出明显的下降趋势，而东光呈现出明显的上升趋势。除东光外，楼子铺等5站平均下降速率为2.31 m/10 a，平均趋势系数达-0.76，MK法得到的平均统计量达-5.46。通过检验，下降趋势均超过0.01信度水平。下降的5个站点中，楼子铺和寨子站下降速率相对较缓。

从两年滑动平均图(图3)也可以直观地看出，除东光站外，研究区其它站点近40年来地下水位呈现显著下降趋势。在1990～1995年间，地下水位下降幅度有所减缓，部分站点甚至出现水位回升现象。1995～1997年后，地下水位进入剧降阶段，寨子站在1997年以前地下水位并没有出现显著的下降趋势，在1997年后也开始进入急剧下降趋势。在近几年，这种剧降趋势有所缓减，甚至部分站点还出现水位上升趋势。

图3 地下水位滑动平均曲线

东光站整体呈现上升趋势，主要原因是该站位于东光县城，主要的用水量是生活用水，灌溉用水和工业用水都较少，而生活用水主要抽取的是深层地下水。另外，该站位于南运河附近，河流的侧向补给可能也是导致该区域地下水整体呈现缓慢上升趋势的原因。楼子铺等站位于灌溉农地中，由于大量抽取浅层地下水灌溉，使得地下水位整体呈现下降趋势。

寨子站与其它深埋区站点相比，下降趋势相对缓慢。并且该站1995年以前地下水位下降趋势并不明显，主要原因可能也是因为该站位于漳卫新河附近，河流的侧向补给抵消了抽水导致的水位下降。在1995～1997年河道流量剧减后，寨子站的地下水位变化特征与其它位于灌溉地的站点的变化特征趋于一致，表现出明显的下降趋势。图4是南运河逐年流量变化趋势，由于漳卫新河和南运河从上游德州境内的四女寺闸下开始分叉，因此其变化趋势应该和南运河相似。

图4 南运河河道流量变化曲线

楼子铺的下降趋势比其它站点要小，一方面是因为其埋深相对较小，降雨会对其有一定的补充；另一方面是因为该地区的浅层抽水量多、地表引水多、灌溉强度大。

3.4 持续性特征分析

对东光、楼子铺等具有长系列资料的6个地下水位站点的Hurst指数进行计算，结果见表4。

表4 潜水位Hurst指数和容量维

各个站点Hurst指数拟合图见图5。

图5 潜水位Hurst指数拟合图

从拟合结果来看，域重新标度分析法(R/S分析法)得到了较为满意的结果。说明该方法用于地下水位动态变化分析是可行的，同时也说明地下水位具有分形特征，分维数可以揭示这一特征。

从上述计算结果可以看出，各站H>0.5，这说明该地区地下水位具有持续性或长程相关性，过去的增加趋势预示着未来的增加趋势，过去的减少趋势意味着将来的减少趋势。从分析结果还可以看出，该地区平均地下水位的分维数在1～1.2左右，平均H=0.923 6。Hurst指数H和分维数的计算结果与黄勇、谢先红等学者得到的地下水位分形特征值近似。

3.5 周期性特征分析

用东光等6个长系列地下水位系列站点进行周期分析。分析之前对各序列进行标准化处理，图6是FFT分析结果。

图6 FFT法分析潜水位周期图

从FFT分析结果可以看出，该区域地下水位主要有30年以上、15～17年、8～11年和2～5年4个周期成分。其中，以长周期震荡最为强烈。

通过对各地下水位标准化序列进行小波变化，得到不同时间尺度的小波方差图，见图7。该图含义与功率谱图类似，反映的是不同时间尺度上震荡的强弱，根据小波方差图可以对序列进行周期识别。表5列出了由小波方差图得到的各个站点的周期识别结果。为便于比较，将FFT分析结果也列于表5。

图7 潜水位小波方差图

表5 FFT法和小波分析潜水位周期结果对比

采用FFT分析的结果与小波分析结果略有差异，原因在于FFT分析时频率只能取整数，造成周期分量结果有一定偏移，但总体来说FFT进行功率谱分析得到的周期分量与小波分析结果相似。

从表5可以看出，该区域地下水位以超过30年的长周期变化为主，其次为14～16年周期，7～9年周期和2～4年周期。其中，地下水位大于30年的周期代表趋势性变化特征，对地下水位大于30年长周期分量方差贡献率计算发现(计算某站主周期方差贡献率时，取该站主周期中心及其前后各一年的小波方差之和，如计算15年为中心的主周期段，则该主周期方差贡献率取14～16年的小波方差之和)，东光为10.66%，寨子为12.97%，楼子铺为13.33%，王海、前村和潞灌为18.5%～19.5%，后3站趋势分量(长周期)方差贡献率明显大于前3站，说明后3站趋势性更明显，这与前面趋势性分析得到的结果是一致的。原因是后3站处于深埋区，人类活动影响大，而楼子铺为浅埋深区，寨子和东光站位于河边，降雨和河水的补给抵消了人类抽水带来的一部分影响。

需要说明的是，因为以上所识别的周期属于概率周期的范畴，因此某一周期成分并不专指该序列仅仅存在该年份的周期分量。它指的是以该年份为中心的周期范围，如寨子站有15年的周期分量，代表着该站有以15年为中心的周期范围，从该站小波方差图上可以看出，寨子站15年周期成分的特征范围大概在12～20年。

基于这一考虑，可以认为该区域存在4个较为强烈的周期范围，分别是30年以上的长周期、12～20年左右的年代际周期、5～10年左右的年际周期和2～4年左右的短周期。

假如某一气候因子对地下水位有影响，该气候因子的周期分量应该能够驱使地下水位产生同样的周期分量和相位变化，但是由于各种因素的影响，由气候变化周期分量驱动的地下水位周期分量与该气候因子周期可能不一定完全同步。因此，采用周期范围的观点来识别周期，一方面符合概率周期的内涵，另一方面也有助于后续进一步识别对地下水位产生影响的气候因子。