黃河中下游地下水的演變規(guī)律和形成機(jī)制,水資源論文

黃河中下游地下水的演變規(guī)律和形成機(jī)制,水資源論文摘要：地下水資源是黃河中下游生態(tài)保衛(wèi)和高質(zhì)量發(fā)展的重要基礎(chǔ),討論其時(shí)空動(dòng)態(tài)變化特征,可為地下水開(kāi)發(fā)利用和保衛(wèi)治理提供科學(xué)根據(jù)。利用GIS對(duì)黃河中下游地下水位進(jìn)行空間插值,采用Mann-Kendall檢驗(yàn)、TheilSen斜率和小波等技術(shù)方式方法分析地下水變化趨勢(shì)和周期。結(jié)果表示清楚:黃河中下游地下水位整體上有明顯的下降趨勢(shì),十分是2002年后下游地下水位下降明顯,不同地段地下水位變化的幅度和時(shí)間有所差異20012021年8月地下水位只要零星區(qū)域上升;懸河地帶地下水從2001年后下降趨勢(shì)明顯,年均、春季地下水位下降趨勢(shì)在2002年通過(guò)顯著性檢驗(yàn);地下水的時(shí)空變化使黃河中下游景觀生態(tài)系統(tǒng)面臨嚴(yán)峻的局面。本文關(guān)鍵詞語(yǔ)：水資源;地下水;Mann-Kendall檢驗(yàn);小波分析;黃河中下游;隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人類(lèi)對(duì)地下水資源的依靠性越來(lái)越強(qiáng)。地下水的利用量大大超過(guò)了自然補(bǔ)給量,使地下水循環(huán)系統(tǒng)遭到威脅,削弱了生態(tài)系統(tǒng)的抗干擾能力,威脅到區(qū)域的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。黃河中下游地質(zhì)為多孔隙介質(zhì),地表徑流與地下水的補(bǔ)排關(guān)系特別密切,地表水與地下水資源共同作用,影響著區(qū)域景觀生態(tài)系統(tǒng)的功能[1]。同時(shí),一系列治黃工程改變了水文的原始特征,對(duì)地下水產(chǎn)生影響[2],引發(fā)河道內(nèi)外土地利用和土地覆蓋變化[3],最終影響區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的構(gòu)成和維持[4]。黃河中下游區(qū)域地下水資源主要來(lái)源于降水、黃河側(cè)滲和引黃渠道滲漏[5]等,多種因素共同使地下水資源發(fā)生時(shí)空變化。以往對(duì)黃河水資源的研究多集中在地表徑流和水沙態(tài)勢(shì)等[6],對(duì)地下水資源研究較少。分析地下水演變規(guī)律和構(gòu)成機(jī)制,可為地下水資源的可持續(xù)利用提供科學(xué)根據(jù),促進(jìn)黃河中下游生態(tài)保衛(wèi)和高質(zhì)量發(fā)展。1、研究區(qū)大概情況以黃河中下游河南省20個(gè)縣區(qū)為研究區(qū),該區(qū)大部分位于黃河沖積扇平原。鄭州至蘭考是懸河的主要區(qū)域,也是本研究的重點(diǎn)區(qū)域?？傮w地勢(shì)由西南向東北稍傾,局部地勢(shì)變化復(fù)雜,零星分布著沙崗、平原和洼地等。黃河大堤經(jīng)過(guò)不斷加高加固,堤高8～9m。黃河大堤南北廣闊的平原區(qū)域除寓居區(qū)外絕大多數(shù)均開(kāi)墾為農(nóng)田,大堤內(nèi)外的背河洼地和引黃灌溉條件較好的區(qū)域則構(gòu)成了濕地和水田,沿河兩側(cè)為刺槐和楊樹(shù)等人工林地。2、研究方式方法利用地下水長(zhǎng)期觀測(cè)井?dāng)?shù)據(jù),采用克里金(Kriging)插值法進(jìn)行空間插值,在GIS中進(jìn)行空間表示出。在半變異函數(shù)和構(gòu)造分析理論基礎(chǔ)上,根據(jù)已經(jīng)知道樣本點(diǎn)信息,在有限區(qū)域內(nèi)對(duì)區(qū)域化變量取值進(jìn)行無(wú)偏最優(yōu)估計(jì)。利用Matlab軟件、Mann-Kendall檢驗(yàn)、TheilSen斜率和小波分析等方式方法,分析地下水位年內(nèi)、年際變化,典型地段地下水位變化趨勢(shì)、突變點(diǎn)、周期特征等。Mann-Kendall突變檢驗(yàn)(M-K檢驗(yàn))是非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方式方法,不受異常值的干擾,樣本不需要遵從正態(tài)分布,是水文、氣象等研究時(shí)間序列趨勢(shì)檢驗(yàn)的重要方式方法[7]。Theilsen斜率分析法適用于相關(guān)趨勢(shì)分析,能有效避免時(shí)間序列的數(shù)據(jù)缺失及分布對(duì)結(jié)果的影響[8],比最小二乘法的線性趨勢(shì)更具優(yōu)勢(shì)。小波分析法準(zhǔn)確找出地下水時(shí)間序列數(shù)據(jù)的周期,判定各個(gè)時(shí)期所處的階段并進(jìn)行預(yù)測(cè)。3、結(jié)果與分析3.1、地下水資源分布地下水位是反映地下水動(dòng)態(tài)的關(guān)鍵指標(biāo),能反映出地下水資源在空間上的分布。在黃河中下游,影響地下水的外部因素主要是地表水文、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和氣候等,內(nèi)部因素主要是地質(zhì)、地形以及距黃河的距離等。在內(nèi)部因素的制約下,外部因素對(duì)地下水的補(bǔ)給存在滯后現(xiàn)象,如地表水補(bǔ)給地下水需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才會(huì)對(duì)外部因素做出響應(yīng)。鄭州原陽(yáng)段地下水位構(gòu)成了以黃河為中心的分布場(chǎng),這種現(xiàn)象一方面是黃河地表徑流側(cè)滲造成的,另一方面是黃河常年淤積構(gòu)成的地上河獨(dú)特地貌造成的。2021年,沿黃地下水位等值線在開(kāi)封等地出現(xiàn)不連續(xù)的狀況,原陽(yáng)地下水位距地表為2～14m,蘭考的個(gè)別地方地下水位距地表20m(見(jiàn)圖1)。整體而言,地下水位在季節(jié)上變化不大,但在年際上有較明顯的下降,這種現(xiàn)象在城市中心附近和懸河地帶比擬明顯,下降幅度與地形及離黃河遠(yuǎn)近有直接關(guān)系。3.2、地下水位年內(nèi)變化地下水位年內(nèi)變化用28月水位差來(lái)表示(見(jiàn)圖2),能反映出一年內(nèi)地下水位的動(dòng)態(tài)經(jīng)過(guò)。1980年28月地下水位上升的區(qū)域主要在原陽(yáng)鄭州、濮陽(yáng)范縣一帶,上升的中心集中在黃河河道附近,下降較明顯的區(qū)域在溫縣、武陟、封丘、長(zhǎng)坦和蘭考等地,下降的中心并不在黃河兩岸。修建小浪底水庫(kù)后,2021年28月孟津、鞏義、濮陽(yáng)、范縣和臺(tái)前大部分區(qū)域地下水位有所上升,原陽(yáng)和中牟部分區(qū)域有所上升,其他區(qū)域地下水位下降。整體上,2月的地下水位略高于8月的,除受黃河徑流影響外,地下水位與工農(nóng)業(yè)用水有密切關(guān)系。圖12021年研究區(qū)地下水位圖2研究區(qū)2021年28月地下水位變化3.3、地下水位年際變化20012021年8月只要小部分區(qū)域(溫縣和開(kāi)封市大部分區(qū)域、蘭考東北部區(qū)域、濮陽(yáng)和范縣部分區(qū)域)地下水位上升(見(jiàn)圖3),大部分區(qū)域地下水位下降,地下水位上升的區(qū)域中心并不在黃河,而且上升的區(qū)域面積較小。圖3研究區(qū)20012021年8月地下水年際變化3.4、典型區(qū)域地下水位變化(1)整體變化趨勢(shì)。為了進(jìn)一步了解地下水的變化動(dòng)態(tài),選取懸河地段封丘縣距黃河較近區(qū)域,分析其地下水變化情況。從1975年到2021年,封丘縣地下水位下降顯著,華而不實(shí)年均、春季、夏季、冬季地下水位下降幅度通過(guò)了99%的顯著性檢驗(yàn),秋季地下水位下降幅度通過(guò)了95%的顯著性檢驗(yàn)(見(jiàn)表1)。封丘縣地下水位在1985年最高,19902018年地下水位有緩慢下降,1995年、2001年、2018年和2005年地下水位波動(dòng)較大,且地下水位較低的值比擬突出,在2005年出現(xiàn)了地下水位異常低的情況。2021年地下水位下降幅度較大,比2001年地下水位下降了近3m,最高地下水位只要70.15m(見(jiàn)圖4)。表1封丘地下水TheilSen變化趨勢(shì)檢驗(yàn)圖4封丘縣地下水位變化(2)突變檢驗(yàn)。對(duì)封丘縣地下水變化進(jìn)行突變檢驗(yàn),結(jié)果表示清楚:19811990年年均地下水位有上升趨勢(shì),其他時(shí)間都呈下降趨勢(shì),20022021年地下水位顯著下降,2008年有突變點(diǎn)出現(xiàn),下降幅度增大;春季地下水位19912021年呈下降趨勢(shì);夏季地下水位19952021年呈下降趨勢(shì),2003年和2007年出現(xiàn)突變點(diǎn),2018年下降趨勢(shì)通過(guò)了顯著性檢驗(yàn);秋季地下水位19902021年呈下降趨勢(shì),但沒(méi)有通過(guò)顯著性檢驗(yàn),2020年地下水位有下降的突變點(diǎn)出現(xiàn);冬季地下水位19872021年呈下降趨勢(shì),在2018年有突變點(diǎn)出現(xiàn),且下降趨勢(shì)通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)(見(jiàn)圖5)。圖5封丘縣地下水位突變檢驗(yàn)圖6封丘縣年均地下水位小波分析(3)周期分析。通過(guò)小波分析表示清楚,封丘地下水波動(dòng)有周期性現(xiàn)象(見(jiàn)圖6)。年均地下水位有14a的主周期和9a的小周期,主周期中地下水位偏低的等值線中心在1996年左右,偏低的強(qiáng)度和影響范圍大,而9a的周期極不穩(wěn)定。封丘地下水的春、夏、秋、冬季地下水位的周期性都與年均地下水位的周期性存在類(lèi)似性,有14a的主周期和9a的小周期。總體上,地下水位在19982000年前是波動(dòng)上升的,在2002年以后地下水位基本上為上升趨緩或直線下降,并且存在10a以上穩(wěn)定的主周期和10a下面不穩(wěn)定的小周期。2021年偏低周期線沒(méi)有閉合,表示清楚2021年后地下水位還會(huì)持續(xù)下降。4、結(jié)語(yǔ)研究區(qū)地下水資源變化呈一定的規(guī)律:地下水季節(jié)變化不大,有年際下降趨勢(shì),下降幅度與地形及離黃河遠(yuǎn)近有直接關(guān)系。2000年以前,越靠近黃河,地下水位越穩(wěn)定,地下水位年際變化小;2002年以后,地表徑流減少、地下水位下降,使近黃河區(qū)域地下水位年際變化較大。長(zhǎng)期以來(lái),水資源的開(kāi)發(fā)利用主要以社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展為目的,注重知足日益增長(zhǎng)的用水需求,卻忽視了生態(tài)用水、自然水生態(tài)循環(huán)和由水循環(huán)改變引發(fā)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能變化。人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)烈改變了地下水與地表水之間的動(dòng)態(tài)循環(huán)以及水資源與生物之間的內(nèi)在關(guān)系,使生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能在短期內(nèi)難以全面協(xié)調(diào)。運(yùn)用生態(tài)學(xué)基本原理,根據(jù)水循環(huán)的自然規(guī)律,合理調(diào)控水資源,可實(shí)現(xiàn)生態(tài)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展。以下為參考文獻(xiàn)[1]MANTELSK,MULLERNW,HUGHESDA.EcologicalImpactsofSmallDamsonSouthAfricanRiversPart2:BioticResponse-AbundanceandCompositionofMacroinvertebrateCommunities[J].WaterSA,2018,36(3):361-370.[2]FANTIN-CRUZI,PEDROLLOO,GIRARDP,etal.ChangesinRiverWaterQualityCausedbyaDiversionHydropowerDamBorderingthePantanalFloodplain[J].Hydrobiologia,2021,768(1):223-238.[3]OUYANGW,HAOF,ZHAOC,etal.VegetationResponseto30YearsHydropowerCascadeExploitationinUpperStreamofYellowRiver[J].CommunicationsinNonlinearScienceandNumericalSimulation,2018,15(7):1928-1941.[4]SHAFIEEL,ABDINAE,NOURELDINA,etal.EnhancingInflowForecastingModelatAswanHighDamUtilizingRadialBasisNeuralNetworkandUpstreamMonitoringStationsMeasurements[J].WaterResourcesManagement,2018,23(11):2289-2315.[5]趙云章,邵景力,劉坤書(shū),等.黃河水對(duì)地下水補(bǔ)給深度的初步研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2005,32(4):48-50.[6]劉秀,劉永和,趙建民,等.1998年以來(lái)黃河干流水資源量變化特征分析[J].人民黃河,2022,41(2):74-79.[7]HELSELDR,FRANSLM.Reg