相关分析法在地下水位预测中的应用

吴丽英

(河北省邢台水文水资源勘测局，河北 邢台054000)

邢台县位于河北省南部，太行山东麓。东经113°45'～114°38'，北纬 36°58'～37°22'，东临南和县、任县;西与山西省左权、和顺、昔阳三县接壤;南与沙河市、武安市相连;北与内丘县毗邻。

邢台县分布有松散岩类孔隙水、岩溶水和基岩裂隙水。境内河流有沙河、七里河、白马河和牛尾河，均为季节性河流，平时基流甚少，或干枯，汛期洪水暴涨暴落。

1 邢台县水资源开发利用现状

水是实现经济社会可持续发展的重要战略性资源，地下水资源作为水资源的重要组成部分，不仅弥补了地表水资源时空分布不均匀引起的区域供水不足，同时也支撑了生态环境的和谐。在平原区，除个别大水年份外，大多数年份地表水资源量已全部被上游截流消耗利用，地下水资源就成了维持需水量的主要水源。现在主要开采地下水(第四系孔隙水)。由于开采量增大，补给量减少，导致地下水位持续下降，如今灌溉农田要从几十米，甚至上百米的机井抽水，农用机井和提水机械平均10年更换一次，增大农业投资。机井越打越深，抽水成本逐渐增大，农业生产成本逐年攀升，对农业生产产生负面影响，严重挫伤农民种田的积极性。

1979年以后，岩溶水大规模集中开采，水位变化大，呈现出多年下降趋势。年内水位历时曲线的上升段变缓，下降段曲线变陡，说明补给量已小于开采量，反映了开采型水位特征。在集中开采区，还产生了地下水位下降漏斗，使地下水流系统受到人为经济工程的影响，由天然型稳定状态变成为天然—人工复合流动系统的非稳定状。在人工集中大量开采岩溶水的地段，则出现漏斗状流网形态。邢台市区由于过量开采岩溶水，按1991—2000年岩溶地下水位资料统计，地下水位平均下降1.4～1.6 m/a，1999年最大埋深达85.06 m(动水位埋深)，已经形成多次“水荒”和工矿企业因“吊泵”而停产的事件。

邢台县多年平均水资源总量37 839.0万m3，其中地下水资源量为24 834.2万m3，地下水资源量占总资源量的65.6%［1］。地下水一方面为国民经济发展和人民生活水平提高提供了水源保证，做出了巨大贡献，另一方面由于无序开采，造成地下水严重超采，引发了地下水位持续下降及其一系列的水环境问题。

由于地下水超采引发了区域性地下水位大幅度下降、地面沉降、海水入侵、基岩地区的地面塌陷和地下水污染等一系列的环境地质问题。这一系列的环境恶化问题，改变了天然地下水存储状态，破坏了生态环境的平衡，已经影响了国民的生产生活和饮水安全，同时也制约了我国社会经济快速稳定发展［2］。

针对上述情况，我们有必要对邢台县的地下水作进一步的预测，做到对其未来的变化趋势心中有数，对水资源的管理和国民的生产生活都是十分有益的。

2 各因素对地下水动态变化的影响

邢台县地下水动态变化受多种因素影响，不同年份不尽相同，但一般年份，都是有共性的，1～2月份，降水量和开采量都不是很大，地下水位升幅不明显;3～6月份，降水量小，开采量大，地下水位迅速下降，大部分区域在六月底前后出现最低水位;7月到9月上旬是降雨高峰时节，地下水位大幅度上升，随后，地下水又会随着开采量的增加和降水量的减少而降低;11～12月份，地下水又会恢复稳定阶段，但是，遇到特殊年份，地下水位也会有很大的差异［3］。

3 相关分析法在地下水位预测中的应用

目前，地下水预报模型主要有相关分析法、神经网络法、多元线性回归法等，本论文主要采用的是相关分析法来做地下水预报。

降雨通过在土壤中的入渗到达地下水面，由于渗流的速度比较缓慢，降雨对地下水位影响的滞后时间相对较长。在华北平原，地下水埋深小于10 m时，雨后2～3 d后地下水位会有反应;地下水埋深超过20 m时，半年内的降雨对地下水位的变化都有影响。

邢台县作为研究区域，选用浅井5眼，雨量站22处，研究区域内多年平均降雨量588.8 mm，大部分雨量集中在6～9月，6～9月的降雨量占全年降雨量的75% ～80%。由于6～9月的降雨量较大，降雨能够渗入下层土壤补给地下水，6～10月的地下水位变化趋势受降雨影响比较明显，降雨量与地下水位变化值的相关关系较好，相关系数较大;其它月份因降水稀少，降水对地下水的补给量不大，降水与地下水埋深变化的关系不好。

3.1 研究区11～5月份地下水埋深变化的预测方案

每年的11～2月为农闲季节，地下水开采量较少，此时地下水位多处于上升期;3～5月进入农忙季节，地下水开采量增加，地下水位处于下降期。11～5月由于降水量稀少，地下水位的月变幅与降水量几乎没有什么关系，这个时间段的地下水变幅主要受开采量的影响［4］。由于地下水的开采量统计数据精确度较差，另外这几个月地下水的历年变幅差别不是很大，因此采用各月历年区域地下水平均变化幅度预测，即:

式中:Hi+1为下月末区域平均埋深(m);

H为本月末区域平均埋深(m);

各月历年区域平均地下水位变幅见表1。

表1 枯季各月多年平均地下水位月变幅

采用这个方法模拟的各月历年区域平均地下水位变幅和实测值的对比见表2～表8。

表2 11月区域平均地下水埋深实测和模拟对比

表3 12月区域平均地下水埋深实测和模拟对比

表4 1月区域平均地下水埋深实测和模拟对比

表5 2月区域平均地下水埋深实测和模拟对比

表6 3月区域平均地下水埋深实测和模拟对比

表7 4月区域平均地下水埋深实测和模拟对比

表8 5月区域平均地下水埋深实测和模拟对比

3.2 研究区6～10月份地下水埋深变化的预测方案

建立区域面平均降雨量与区域面平均月地下水位变幅的相关图，区域面平均月地下水位变幅采用当月26日区域面平均埋深减去上月同日区域面平均埋深值。在建立相关关系时，首先需要确定用什么时间段，然后对时间段内区域面平均雨量与区域面平均月地下水位变幅建立关系，为此进行区域面平均月降雨量与区域面平均月地下水埋深变幅的相关分析，通过相关分析发现:5月、6月区域面平均雨量合计值(5月、6月雨量数据之和，以下同)与5～6月区域面平均地下水位变幅(6月底与5月底数据之差，以下同)，6月、7月区域面平均雨量合计值与6～7月区域面平均地下水位变幅，7月、8月区域面平均雨量合计值与7～8月区域面平均地下水位变幅，8月、9月区域面平均雨量合计值与8～9月区域面平均地下水位变幅，7月、8月、9月、10月区域面平均雨量合计值与9～10月区域面平均地下水位变幅，相关程度最好。因此采用上述关系建立相关图，见图1～图5。

图1 5月、6月合计降雨量与6月末与5月末地下水埋深变幅相关图

图2 6月、7月合计降雨量与7月末与6月末地下水埋深变幅相关图

图3 7月、8月合计降雨量与8月末与7月末地下水埋深变幅相关图

图4 8月、9月合计降雨量与9月末与8月末地下水埋深变幅相关图

图5 7～10月合计降雨量与10月末与9月末地下水埋深变幅相关图

4 结论与建议

针对邢台县地下水预测预报进行了研究。在分析历史数据的基础上，使用相关分析法建立了数学模型，方法简便易行、稳定可靠、需要参数少。

通过此次研究可以看出，由于降水量、地下水位监测资料由实际监测一手获得，资料来源稳定，数据翔实、客观，准确度较高，由二者建立的相关关系误差小、精度较高，适宜进行地下水位预测预报，也具有较高的推广价值。

［1］邢台市水务局.邢台县水资源评价，2008.

［2］乔光建，张均玲.邢台市平原区地下水环境问题分析［J］.水资源保护，2002，(4):25 －27.

［3］蔺颖，周孝德，杨方廷.泰安市地下水动态研究［J］.人民黄河，2010，(3):51－52.

［4］李秀丽.邢台市地下水动态现状及初步分析［J］.地下水2009，(5):40－41。