辛安泉流量衰减成因分析

通信作者:张幼宽,教授。E-mail: ykzhang@nju.edu.cn

辛安泉流量衰减成因分析

陈荦1,2,张幼宽1,朱敏1

(1.南京大学水科学研究中心,江苏 南京210093; 2.江苏上田环境修复有限公司, 江苏 常州213022)

摘要：利用Kendall秩相关法判别辛安泉泉流量的变化趋势,建立1981—2006年的泉流量衰减方程,分析泉域内的降水规律和地下水开采量变化规律,并研究降水量变化和地下水开采对泉流量衰减的影响。结果表明:辛安泉泉流量在1980年以后有明显的衰减趋势,并服从负指数方程衰减;降水量变化和地下水开采是导致泉流量衰减的主要成因,地下水开采所导致的泉流衰减量占泉流衰减总量的83%。

关键词：泉流量;衰减成因;降水规律;地下水开采;Kendall秩相关法;辛安泉

基金项目:国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07204-003;2012ZX07204-001)

作者简介:陈荦(1988—),男,硕士研究生,研究方向为水文学及水资源。E-mail:chenluocumt@163.com

中图分类号：P641.8文献标志码：A

收稿日期：(2014-04-23编辑：彭桃英)

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2015.03.015

Analysis of cause of Xin’an Spring flow attenuation

CHEN Luo1,2， ZHANG Youkuan1, ZHU Min1

(1.CenterforHydrosciencesResearch,NanjingUniversity,Nanjing210093,China;

2.JiangsuSuntimeEnvironmentRemediationCo.Ltd,Changzhou213022,China)

Abstract：The author of this paper tried to judge the change trend of the Xin'an Spring flow by using Kendall rank correlation method, and set up an equation of Xin’an Spring flow attenuation of the years from 1981 to 2006, analyzing the precipitation rule and the changing patterns of groundwater exploitation amount so as to study the influence of the variation of precipitation and groundwater exploitation on the spring flow attenuation. The results show that there has been an obvious attenuation trend in Xin'an Spring since 1980, obeying a negative exponential decay equation; changes in precipitation and groundwater exploitation are the main reasons for the spring flow attenuation, and the spring flow attenuation resulted from groundwater exploitation accounts for 83% of the total flow attenuation.

Key words： spring flow; attenuation causes; precipitation patterns; groundwater exploitation;Kendall rank correlation method;Xin’an Spring

山西省是我国北方碳酸岩分布面积最广的地区,区域内分布着众多的岩溶泉。但对岩溶泉不合理的开发利用,导致众多泉流量减少,甚至断流。据统计,完全断流的泉已有3处,即晋祠泉、兰村泉和古堆泉,接近断流的有两处[1]。从20世纪50年代有关部门就开始记录这些泉流量的变化情况。从20世纪70年代末起,山西省大规模开发利用岩溶水。1980年以后,山西省泉平均流量较1980年以前减少52.13%[1]。辛安泉是山西省的第三岩溶大泉,该泉1981—2006年的平均流量比1960—1980年的平均流量减少了42%,2000年以后平均流量较1960—1980年的平均流量减少了56%。山西省岩溶泉流量的衰减不仅加剧了山西省水资源的短缺,也对山西省的生态环境、旅游资源造成了难以弥补的损失。为了避免岩溶泉断流,有必要研究泉流量的衰减趋势及成因。

郭振中[2]对辛安泉的岩溶水特征进行了分析,发现泉流量的衰减趋势遵循负指数方程衰减规律,并呈现一个21a左右的大周期和5a左右的小周期,且以小周期为主,降水量的滞后期为4～5a。邓安利[3-4]研究了泉流量和降水量的相关性,认为导致辛安泉泉流量衰减的成因主要是降水量的减少。武鹏林等[5]对1956—2000年的辛安泉泉流量进行了细致的研究,发现泉流量与11a降水和泉水的开采相关,开采量的增加和降水量的减少是导致辛安泉泉流量衰减的原因。陈荦等[6]研究了泉流量与降水量的关系,发现1980年以前泉流量与7a降水相关,而1980年以后,与5a降水相关,并且泉域系统水资源量与21a平均降水量相关性最好。

上述研究主要针对泉流量与降水量之间的关系,而对泉流量衰减的成因尚未有细致的研究。笔者采用相关性分析、最小二乘回归拟合等方法定量研究降水量变化及泉域内深井开采(包括矿坑排水)对泉流量衰减的影响。

1辛安泉域地质环境条件

辛安泉域系统[7](图1)分布在长治市12个县内,总面积10950km2,其中碳酸盐裸露面积2200km2,覆盖与埋藏区面积8750km2。辛安泉域系统的北部和西部边界为沁水向斜核部,该处寒武、奥陶系地层埋深在1000m以上,岩溶水呈封闭的滞流状态;南部边界为浊漳河和沁河与丹河的地表分水岭;东部边界的东北段与娘子关泉相邻,以清漳河与浊漳河地表分水岭及神烟地下分水岭为界,中段为受上遥背斜影响寒武系下统以及长城系的非可溶岩形成的隔水边界,南段为平顺县虹梯关、赵城一带燕山期闪长岩侵入构成的阻水边界。

辛安泉的补给区主要分布在东部寒武、奥陶系碳酸盐岩裸露区,补给来源除了大气降水入渗外,还有区内河流线状补给以及河流之上水库的渗漏补给。受到区内构造太行山复背斜及沁水复向斜和泉群出露位置控制,地下水由西、北、南向泉群汇集,泉域的排泄主要集中在辛安村一带,其原因除了浊漳河侵蚀以外,最主要的是由于上奥陶统(O1)白云岩弱透水层在此处出露,使上游中奥陶统(O2)岩溶水受阻而汇集形成泉群。

图1　辛安泉域示意图

2泉流量衰减现状

2.1泉流量衰减研究方法

图2给出了1950—2006年辛安泉泉流量的变化曲线。由图2可见,1981—2006年的平均流量较1960—1980年减少了42%,2000年以后的平均泉流量较1960—1980年的平均泉流量减少了56%;泉流量的显著变化发生在1980年前后。本文将泉流量分为1956—1980年和1981—2006年两个序列,分析研究这两个序列的泉流量趋势变化。

首先通过Kendall秩相关法[8]判别泉流量的变化趋势。在随机序列{Xi}(i=1,2,…,n)中,p表示随机序列中所有对偶值{Xi,Xj}(i=1,2,…,n;j=i+1,i+2,…,i+n}中的Xi

(1)

式中,n为序列长度。

由式(1)可知: ①当n增加时,U很快收敛于标准正态分布。在显著性水平α下,若|U|0,说明序列有增加的趋势;若U<0,表示序列有减少的趋势。③在本文中显著性水平α取0.05。

图2　辛安泉泉流量变化过程

流量演化方程研究采用回归分析法,建立泉流量与时间的回归方程:

(2)

由此可知,泉流量为时间t的函数,流量随着时间而变化。

2.2研究结果

利用Kendall秩相关法计算1959—1980年和1981—2006年的检验统计变量U,分别为1.73和-5.29,取α为0.05,则U0.05=1.96。由此可知,1959—1980年的泉流量没有明显的变化趋势,而1981—2006年的泉流量衰减趋势明显。

通过回归分析方法得出泉流量的衰减服从负指数方程,泉流量拟合方程见式(3):

(3)

式中:t为计算时段(t=0的时间为1973年)。

辛安泉泉流量趋势拟合结果图见图3。图3中复相关系数R=0.97,剩余标准差S=0.72。

图3　辛安泉泉流量趋势拟合结果

由图3可知,辛安泉泉流量均匀分布在衰减曲线附近,拟合曲线能够很好地反映出泉流量的衰减规律。1980年以后,辛安泉泉流量服从负指数方程衰减,至2006年,泉流量衰减至5m3/s左右，仅为1980年流量的50%左右。

综合上述,辛安泉流量逐年衰减,早期(1956—1980年)趋势变化不明显,后期(1981—2006年)泉流量下降明显,服从负指数衰减规律。

3结果与讨论

3.1地下水开采量的影响

20世纪80年代初,山西省开始开采利用辛安泉泉域内的岩溶地下水资源,开发利用程度逐步增大(图4)。在起始阶段开采量仅为0.03m3/s。1987年长治市城市供水和山西化肥厂两个大型水源地投产,地下水开采量急剧上升,达到1.2m3/s,1994年地下水开采量超过2m3/s,2006年达到2.85m3/s。由于辛安泉是封闭式泉域系统,在系统水均衡维持原状的条件下,系统补给量保持不变,而且地下水开采量与泉流量之和是原先系统的补给量,地下水开采量的急剧增加必然导致泉流量的衰减。

图4　辛安泉泉域系统内地下水开采量的变化

地下水开采量对泉域系统的影响,不仅仅表现为泉流量的衰减,而且对泉域系统的补给量和资源量也会造成一定的影响。由于地下水开采的影响,泉域系统地下水水位逐渐下降,降雨补给地下水的量在逐渐衰减,造成资源量的衰减和系统功能的退化。

地下水开采井主要位于泉域系统的补给区以及排泄区,人为开采岩溶地下水水必然会造成泉流量的减少。地下水开采井的开采量和泉流量之和为系统得到的补给量,两者之间必然存在一定的相关关系。鉴于此,笔者利用相关系数法来判别地下水开采量和泉流量之间的相关关系。先计算泉流量和多年平均地下水开采量之间的相关系数,再通过系数的大小来判别地下水开采对泉流量的影响。表1中给出了泉流量和地下水多年平均开采量之间的相关系数。由表3可知,当年地下水开采量和泉流量之间的相关系数最大,为-0.92。地下水开采对泉流量的影响不存在滞后作用。

表1　辛安泉泉流量和地下水多年平均

随后采用回归分析法建立泉流量和地下水开采量之间的相关关系,拟合方程为

(3)

拟合方程的复相关系数R=0.92,剩余标准方差S=0.84。拟合曲线见图5。

图5　辛安泉泉流量和地下水开采量之间的拟合关系

从拟合方程和图5可以看出泉流量和地下水开采量之间的定量关系。当泉域内的地下水开采量增加1m3/s时,泉流量减少1.63m3/s,说明地下水开采量的增加加剧了泉流量的衰减,使系统得到的补给量也逐渐减少。

3.2降水量的影响

降水是辛安泉的主要补给来源,降水量的变化直接影响泉域内岩溶水资源量的变化,进而影响泉流量的变化。相关研究表明,辛安泉的天然资源量与21a平均降水量密切相关(相关系数为0.91);泉流量在1980年以前与7a降水量相关(相关系数为0.68),而1980年以后与5a降水量相关(相关系数为0.53)。可以看出,天然资源量、泉流量均与多年降水量相关,说明降水量对泉域系统的补给存在一定的滞后,系统能够调节多年降水量。泉流量与降水量的相关关系表明,系统能够调蓄的降水量愈来愈少,1980年以前能够调蓄7a的降水量,而1980年以后仅能调节5a的降水量,泉流量和降水量的相关系数也在减少,说明系统受到了除降水以外的因素,如地下水开采、矿坑排水等的影响。

图6中给出了辛安泉泉域系统内降水量的变化过程,并给出了降水量的变化规律。从图6可以看出,泉域内降水量具有一定的周期性,但2000年以后系统内的降水规律有明显的改变,降水的周期性减弱,降水量集中在平均降水量附近,总降水量并没有明显减少。降水周期性规律的减弱导致每年泉域系统得到的补给量相近,丰水年并没有大规模的补给,而地下水开采量逐渐增加,必然会导致泉流量的减少。

图6　辛安泉泉域系统内降水及其变化规律

3.3综合因素的影响

笔者借鉴前人研究成果[6],得到在无地下水开采情况下的稳定泉流量,见图7。从图7可见,辛安泉稳定泉流量变化趋势与降水变化趋势基本一致,与实测泉流量的差异逐渐变大,两者之间的差值为外界因素影响条件下泉流量的衰减量。

图7　辛安泉稳定泉流量、实测泉流量及降水趋势变化关系

导致泉流量衰减的成因主要为降水量变化、泉域系统因素、人类开采地下水以及矿坑排水。降水量变化在稳定泉流量计算中已经考虑,而且前文已经对降水的影响进行分析,因此本文中将矿坑排水和人类地下水开采活动看成同一影响因素——开采量,则泉流量的衰减主要是由于地下水开采和泉域系统因素的影响,因此有:

(4)

1980年以前稳定泉流量和实测泉流量基本没有明显差别,本文主要讨论1980年以后两者的变化过程。表2中给出了泉流量总衰减量、地下水开采量以及地下水开采导致的泉流量衰减量。由表2可以看出,在1981—1985年间泉流量的总衰减量为负值,说明地下水开采导致了泉流量的增加,在地下水开采的刺激下,由于泉域系统存在趋稳能力,系统为了维持原来的状态而得到了更多的降水补给。后期由于地下水开采的持续以及地下水开采量的增加,导致泉流量衰减,尤其是在1987年以后,泉流量衰减幅度逐渐加大。但1996—2000年,除去1999年降水导致泉流量的衰减为负值外,泉域系统因素是使泉流量增加的因素。

总体而言,地下水开采导致的泉流量衰减量占泉流量衰减总量的83%。深井开采岩溶地下水对泉流量衰减有放大作用,但目前泉域系统的地下水开采井主要分布在径流区和排泄区,不过近年来由于地下水水位的持续下降及用水量的增加,开采井的深度有所增加,且开采范围也向补给区逐步推进,地下水开采对泉流量的衰减影响逐步加大。目前泉域内的用水来源仍然以深井地下水开采为主,岩溶深井达到162口,正在使用的大约有129口。2000年岩溶泉水开采量为2.68m3/s(8434.9万m3),其中泉口引水量为0.12m3/s,提水工程量为1.19m3/s,深井地下水开采量1.37m3/s[8],深井地下水开采量仅占全部用水量的51%。因此增加泉口引水量以及提水工程量,减少地下水深井开采量,将有效减少泉流量的衰减。

表2　辛安泉泉流量衰减分析结果

4结论

笔者采用Kendall秩相关法判别辛安泉泉流量变化趋势,结果表明,1980年以前泉流量变化趋势不明显;1981—2006年泉流量具有明显的衰减趋势。利用回归分析法得出泉流量服从负指数方程衰减(复相关系数R=0.9702)的研究结果。分析造成辛安泉泉流量衰减的原因,认为是降水量变化及人工地下水开采。

辛安泉泉域内降水量变化具有一定的周期性,但2000年以后周期性减弱,降水量集中在多年平均降水量附近。降水周期性规律的减弱导致每年泉域系统得到的补给量相近,缺乏丰水年大规模的补给,而地下水开采量的逐渐增加,必然会导致泉流量的减少。研究发现,地下水开采量的增加造成泉流量减少了100%,开采量增加1m3/s,泉流量相应减少1.63m3/s,地下水开采所造成的泉流衰减量占全部泉流衰减量的83%。

辛安泉天然资源量(泉流量与开采量的和)与21a平均降水量密切相关。目前辛安泉天然资源量为7.5m3/s左右,平均泉流量为3.65m3/s[6],在合理的开采条件下可供开采的最大地下水开采量为3.85m3/s。

为了确保辛安泉不断流,增加泉域系统资源量,应采取适当措施防止泉流量持续衰减:① 减少泉域系统内的地下水开采量,减少开采井数量,尤其减少泉域上游的开采井数量;② 增加矿井排水的资源化利用率,将矿区内排水作为矿区及其周边地区工业用水;③ 增加泉口引水量。目前泉域系统内的供水以深井地下水开采为主,泉口引水量较小,增加泉口引水量必然减少地下水深井开采量,减缓泉流量衰减趋势。

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