鲁北平原引黄典型区地下水埋深时空变异规律及开采适宜性分析

王乃江，高佩玲,，赵连东，刘小媛，马艳飞，刘 晓

(1.山东理工大学 农业工程与食品科学学院 山东 淄博 255000；2.山东理工大学 资源与环境工程学院 山东 淄博 255000)

鲁北平原是山东省主要的粮棉基地和经济作物区，黄河水为其主要的供水水源，属北方半干旱地区[1-3]。区内人均水资源占有量仅460 m3/a，约为全国人均水资源量的1/5[1]，尤其是近年来，随着黄河流域自然环境的恶化、工业的发展和城市化进程的加快，黄河可供水量呈逐年递减趋势和水体污染不断加重[4,5]，水资源不足已严重限制了该地区农业、经济的可持续发展。然而，鲁北平原作为华北平原浅层地下水可持续利用潜力最大的地区，地下水储量丰富，开采潜力系数大，为缓解该区水资源供需矛盾提供了一种有效的途径[6]，并且合理开采地下水可以调控地下水水位，在一定程度上有效防治土壤渍、涝、盐、碱等危害[7,8]。所以，研究鲁北平原引黄典型区地下水埋深时空变异规律及开采适宜性，对于合理使用与调配地下水资源、提高土壤质量具有重要的现实意义。

本文以山东省德州市为研究区，利用统计学方法分析2005-2014年地下水埋深的基本特征及年际变化规律，采用ArcGIS研究2005、2009和2013年地下水埋深的空间分布格局，基于以上分析，以地下水临界深度、漏斗区和超采区为评价指标，定量分析地下水开采的适宜性，以期为鲁北平原合理利用地下水资源提供理论数据与技术方法。

1 研究区概况

德州市位于黄河下游，鲁北中部，地跨东经115°45′24″～117°36′02″，北纬36°24′25″～38°00′41″，辖2市8县1区，总面积10 346 km2，其中耕地面积5 600 km2，农业发达，人均粮食产量居山东省首位；地处干旱和湿润气候的过渡带，属暖温带季风性气候，具有温度适宜、四季分明的特点，多年平均降雨量568.1 mm，低于全省平均水平，其中1-5月占15%左右，6-9月占76.2%左右，10-12月占8.8%左右，易造成春旱、夏涝、晚秋又旱的自然灾害，对农业生产有一定的影响；全市河流水系污染严重，可利用水资源严重缺乏，人均占有量仅为202 m3，黄河水为其主要的供水水源，建有潘庄、李家岸两处大型引黄灌区和韩刘、豆腐窝两处中型引黄灌区，供水量占全市总供水量的54.6%。

2 数据来源与主要研究方法

2.1 数据来源与预处理

本文的数据来源于德州市水文局对境内158口观测井的常年监测数据，包括经纬度、高程和地下水水位。根据158口观测井的高程和地下水水位，计算出每个监测点的平均埋深(每年)，进而研究该区域2005-2014年地下水埋深的动态变化特征，并对地下水开采的适宜性进行评价。

2.2 主要研究方法

2.2.1反距离权重插值(IDW)

IDW(inverse distance weighted)是一种常用而简便的空间插值方法，它是以插值点与样本点间的距离为权重进行加权平均，离插值点越近的样本点赋予的权重越大。具体的计算方法可用下式[9,10]表示：

(1)

本文采用ArcGIS中的IDW方法，对德州市158口观测井的地下水埋深进行空间插值，得到2005、2009、2013、2014年地下水埋深空间分布。

2.2.2栅格计算与重分类

栅格计算是对栅格数据进行数学运算、数学函数运算或空间分析函数运算；重分类是基于原有数值，对原有数值重新进行分类整理从而得到一组新值并输出[10]。

本文运用ArcGIS中的栅格计算器和重分类功能研究德州市地下水开采的适宜性，具体步骤简述如下：

(1)将德州市2014年地下水埋深空间插值图重分类为3个等级，即埋深<2.5 cm的区域，等级为1；2.5 m≤埋深≤6 m，等级为2；埋深>6 m的区域，等级为3(漏斗区)。

(2)对德州市2014、2005年地下水埋深空间插值图进行栅格计算，具体公式为(2014插值图-2005年插值图)/9，得到地下水超采情况区划图，然后将其重分类为两个等级，即年均地下水埋深变化速率≤0 m/a的区域，等级为4(非超采区)；年均地下水埋深变化速率>0 m/a的区域，等级为5(超采区)。

(3)对(1)、(2)所得到的栅格数据进行栅格计算，具体公式为2014年地下水埋深空间插值重分类数据×地下水超采情况区划重分类数据，然后对栅格计算的结果重分类为3个等级，即数值为4、5的区域，等级为1(可大量开采区)；数值为8的区域，等级为2(可适宜开采区)；数值为10、12、15的区域，等级为3(限采区)，得到研究区地下水开采适宜性分区图。

3 引黄典型区地下水埋深动态变化特征

地下水在维持干旱、半干旱区生态系统和人类社会稳定起着关键作用[11-13]，德州市大规模开发利用地下水始于20世纪70年代初期，随着开采量的逐渐加大，局部出现了地下水降落漏斗、地面沉降、(地下)咸水界面下侵及南移等地质环境问题[14,15]，但近年来，该地区重视水网建设，大面积进行引黄灌溉，使地下水得到一定的补给和恢复，故研究其多年的地下水埋深动态变化特征对于合理利用地下水资源、保护生态环境具有重要的意义。

3.1 地下水埋深特征值分析

利用SPSS软件对德州市158口观测井2005-2014年的地下水埋深数据进行描述统计分析，具体结果见表1。

由表1可知，研究区除宁津县、德城区和夏津县之外，其他区域地下水埋深普遍较浅，年均埋深在1.7～5.7 m之间，最小埋深为1.57 m，最大埋深为5.92 m，均没达到浅层地下水降落漏斗的埋深警戒线(6 m[16])；各县区地下水埋深具有明显的差异性，西北部县区普遍高于东南部，其中夏津县的年均埋深最大，为8.26 m，庆元县的年均埋深最小，仅为1.71 m，相差79.3%；德州市大部分县区地下水埋深的变异系数CV大于10%，变化程度达到中等变异(10%

表1 德州市各县市2005-2014年地下水埋深特征参数Tab.1 The characteristic parameters of ground water in Dezhou city during 2005-2014

3.2 地下水埋深变化趋势特征分析

为了揭示研究区地下水埋深的变化规律，利用SPSS软件对11个县区2005-2014年的地下水埋深数据进行线性回归分析，具体结果见图1。

由图1(a)可知，整个研究区2009年之前的地下水埋深变化不明显，之后显著下降，但在2014年有一定程度的升高，这是因为德州市于2009年启动实施了大水网建设[18]，大面积进行引黄灌溉，并且灌区输水方式以明渠为主，普遍采用漫灌、畦灌等传统的灌溉方式，深层渗漏严重，使地下水埋深不断减小，而2014年该地区遭受了30年一遇的大旱[19]，为了提高城市和农田的抗旱能力，大量开采地下水，导致地下水埋深升高了0.6 m。

图1 德州市各县区2005-2014年地下水埋深变化规律Fig.1 The variation laws of groundwater depth in Dezhou city during 2005-2014

由图1(b)～(l)可知，各县区10 a的地下水埋深变化规律存在很大的区别。宁津县、陵县、德城区、平原县、夏津县地下水埋深呈极显著下降趋势(P<0.01)；乐陵市、临邑县呈显著下降趋势(P<0.05)；而庆云县、禹城市、齐河县和武城县变化规律不明显(P>0.05)，地下水埋深上下波动，处于一种动态平衡状态，原因可能是该地区引黄灌溉的同时地下水开采较多，地下水的补给和排泄基本一致。

为了进一步探寻研究区地下水埋深的变化特征，采用ArcGIS中IDW法对158口观测井不同年份的地下水埋深数据进行插值，生成了2005、2009和2013年地下水埋深空间分布图(图2-4)，并计算出了2005、2009和2013年不同埋深区域的面积(图5)。

图2 德州市2005年地下水埋深空间分布图Fig.2 Spatial distribution of groundwater depth in Dezhou city in 2005

图3 德州市2009年地下水埋深空间分布图Fig.3 Spatial distribution of groundwater depth in Dezhou city in 2009

图4 德州市2013年地下水埋深空间分布图Fig.4 Spatial distribution of groundwater depth in Dezhou city in 2013

图5 德州市2005、2009、2013年地下水不同埋深面积Fig.5 Different depth area of groundwater in Dezhou city in 2005,2009,2013

由图2～4可知，研究区2005、2009和2013年的地下水埋深空间分布格局相似，从西北到东南，地下水埋深逐渐降低，漏斗区(埋深>6 m)主要分布于宁津县、德城区和夏津县，浅埋区(埋深<2m)主要分布于庆元县、禹城市、齐河县。造成这种现象的原因，一方面是德州市东南部位于黄河下游西岸，黄河水不断侧渗补给地下水，另一方面是该地区引黄河水方便，灌区大面积进行引黄灌溉，土壤深层渗漏引起地下水埋深发生了变化。

同时，研究区2005、2009和2013年的地下水埋深空间分布亦存在明显的区别，由图2～5可知，地下水埋深小于2 m的区域范围先减小后增大，面积由2005年的1 796 km2，减小到2009年的1 131 km2，最后快速增加到1 962 km2；2～4 m的区域范围不断扩大，2013年的面积达5 380 km2；4～6 m的区域面积先增大后减小，从最初的2 111 km2，增大到2009年的2 372 km2，最后减小到1 857 km2。总之，研究区的非漏斗区(埋深≤6 m)面积逐渐增大，而浅层地下水降落漏斗(埋深>6 m)的区域面积逐渐减小，这与德州市近年来重视水网建设，大量引黄河水进行农业灌溉有关。

4 引黄典型区地下水开采适宜性评价

由研究区地下水埋深动态变化特征可知，研究区大部分县区的地下水埋深较浅，易于开采，10 a地下水埋深呈下降趋势，适于开采。但不合理的利用会导致水质恶化、植被退化、湿地面积萎缩等一系列严重的生态环境问题，所以本小节以地下水临界深度、浅层地下水是否漏斗及是否超采为评价因子，定量分析研究区地下水开采的适宜性，以期对研究区地下水的合理开发利用提供指导。

4.1 评价指标

本文在分析研究区地下水开采适宜性时，主要考虑以下因素：

(1)德州市地处黄河下游北岸，由于受自然因素和人为活动的影响，区内盐碱化、次生盐碱化土壤分布广泛[20]，严重阻碍了灌区农业的可持续发展。为了防治和改良土壤盐碱化及保证作物不受盐害，应使地下水埋深大于或等于地下水临界深度[21]。华北平原的地下水临界深度为2～2.5 m[22,23]，故当地下水埋深小于2.5 m时，应大量开采。

(2)超采区和漏斗区一般不适宜常年开采地下水。当平原区浅层地下水埋深大于6 m时，就产生了地下水降落漏斗[16]。对地下水超采区，本文采用埋深动态法[24]进行区划，具体的计算公式为：

(2)

式中：v为年均地下水埋深变化速率，m/a；H1为初始水平年地下水埋深，m；H2为现状水平年地下水埋深，m；Δt为时间段，a，所选择时段系列必须保证不少于10 a。

对于研究区的浅层地下水(孔隙水[25])，若v≤0 m/a，为非超采区；若01.0 m/a，为严重超采区。

基于以上分析，在地下水开采适宜性评价中，共设立3个指标，分别为地下水临界深度、漏斗区和超采区。当地下水埋深<2.5 m时，可大量开采；当2.5 m≤埋深≤6 m时，若该区域为超采区，必须限制开采地下水，若为非超采区，可适宜开采地下水；当埋深>6 m时，浅层地下水产生了漏斗，不适宜常年开采，为限采区。

综上，记i为地下水埋深，i取1(埋深<2.5 m)、2(2.5 m≤埋深≤6 m)、3(漏斗区，埋深>6 m)；j为研究区是否为超采区，j取4(非超采区)、5(超采区，包括一般超采区和严重超采区)；M为地下水开采的适宜性级别，具体的计算公式为：

(3)

4.2 地下水开采适宜性评价

借助ArcGIS平台，以2005年为初始水平年，2014年为现状水平年，利用IDW法分析研究区地下水埋深的空间分布特征，根据埋深动态法研究地下水的超采情况，最后基于式(3)对研究区的地下水开采进行适宜性评价，具体结果见图6、7、8和表2。

图6 德州市现状水平年(2014)地下水埋深分布图Fig.6 Spatial distribution of groundwater depth in Dezhou city in 2014

图7 德州市地下水超采情况区划图Fig.7 Zoning map of groundwater overexploitation in Dezhou city

图8 德州市地下水开采适宜性分区图Fig.8 Zoning map of groundwater exploitation suitability in Dezhou city

表2 研究区不同区域面积Tab.2 Different region area of the study area

由图6和表2可知，研究区现状水平年的浅层地下水漏斗(地下水埋深>6 m)主要位于德州市西北部和西南部，总面积为1 668 km2，其中宁津县分布区域最大，夏津县和德城区次之，武城县、乐陵市和陵县亦有小部分区域分布；地下水埋深小于2.5 m的区域主要分布于庆元县、齐河县、禹城市，及陵县、平原县、乐陵市、临邑县的小部分区域，总面积为2 290 km2；埋深2.5～6.0 m的区域面积最大，为6 411 km2，主要位于德州市的中部、东北部、西部及南部小部分区域。

由图7和表2可知，德州市超采区和非超采区的分布比较集中，面积分别为4 257和6 112 km2，其中超采区主要位于研究区的南部，东北部和西部亦有小部分区域分布。

德州市地下水开采适宜性分区，如图8和表2所示，埋深小于2.5 m的区域即为可大量开采区；适宜开采区主要位于研究区的中部、东北部和西部，总面积为3 790 km2；限采区分布比较分散，乐陵市、宁津县、德城区、武城县等11个县区均有分布，总面积为4 289 km2。

5 结 语

本文以研究区158口观测井地下水的常年监测数据(2005-2014年)为基础，结合当地的气候、水源及灌溉情况，利用GIS技术和统计学方法，对该区地下水埋深的时空变异规律及开采适宜性进行了分析，得出如下结论：

(1)研究区除宁津县、夏津县和德城区外，其他区域的平均埋深(2005-2014年)均小于6 m；各县区地下水埋深存在较大的差异，并且在10 a(2005-2014年)间，地下水埋深变化波动较大，7个县区的CV大于10%，达到中等变异程度，但从整体上看，研究区地下水埋深普遍较浅，10 a的平均埋深为4.6 m，适于开采。

(2)研究区10 a的地下水埋深呈极显著下降趋势(R2=0.765 5，P<0.01)，但各县区存在较大的区别，其中宁津县、陵县、德城区、平原县、夏津县的下降趋势极显著(P<0.01)，乐陵市、临邑县的下降趋势显著(P<0.05)，而庆云县、禹城市、齐河县、武城县的地下水由于得到不断的补给和排泄，埋深变化规律不明显(P>0.05)。

(3)研究区2005、2009和2013年的地下水埋深空间分布格局相似，从西北到东南，地下水埋深逐渐降低，但也存在明显的空间变异性，埋深小于2 m的区域面积先减小后增大，2～4 m的范围逐渐扩大，4～6 m的区域面积先增大后减小，大于6 m的浅层地下水漏斗区不断缩小。

(4)研究区埋深小于2.5 m的区域即为可大量开采区，主要位于庆元县、禹城市、齐河县等县区，面积为2 290 km2；适宜开采区主要位于研究区的中部、东北部和西部，面积为3 790 km2；限采区分布比较分散，各县区均有分布，面积为4 289 km2。

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