太原市冲积平原区潜水水位动态变化趋势分析

王占全 李海明 杨丽霞 赵飞 于芳 蔚进步

摘要：选取太原市冲积平原具有代表性的潜水水位监测资料，通过线性倾向估计和Mann-Kendall检验方法识别地下水位的趋势性、持续性和突变性。结果表明：城北和西谷水位年际波动较小，而南固碾、大井峪、良隆3站水位波动较大；大井峪、城北、良隆站地下水位表现为下降趋势，大井峪下降速率最大（为0.49 m/a），城北下降速率最小（为0.02m/a），良隆站下降速率为0.36m/a；南固碾和西谷站地下水位呈上升趋势，上升速率分别为1.09、0.06m/a；通过M-K法检验，良隆站下降趋势显著，南固碾、大井峪、城北、西谷站趋势不显著；南固碾、大井峪和西谷站突变开始时间分别为2006年、2002年、2003年，城北、良隆站没有突变点。

关键词：潜水；地下水位；变化趋势；M-K法；冲积平原；太原市

中图分类号：P641. 74

文献标志码：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.07.013

随着城市与工业规模的不断发展，太原市对水资源的需求量逐年增加，地下水超采严重。2013年，太原市总供水量为7.69亿m^3，其中地下水为3.62亿m^3。地下水长期超采不仅引发了地下水降落漏斗、地面沉降和地裂缝等环境地质问题，而且对太原市的供水产生一定的影响。

太原市地下水管理应该由过去对可开采量的单一管理转移到对可开采量和地下水位的双重管理。地下水位动态变化特征反映了地下水开发利用的过程，因此研究太原市地下水位动态变化特征，对于水质水量评价及水资源的合理开发意义重大，是对地下水开采量监管必不可少的环节。张淑亮等 对近年来太原井水位快速上升机理进行了探讨；王宏、陈素霞

对太原盆地1982-2002年地下水位动态演化进行了分析；郭玉琢等采用M-K法对某水文站年际与年内径流变化趋势进行了分析；黄勇等利用R/S分析法定量描述了地下水动态过程的分形特征，得到了其分维数。地下水位动态可分为年内变化和年际变化，其中：年内变化特征一般用来反映地下水动态类型，年际变化特征可用来分析气候变化、土地类型变化及人为开采等因素造成的地下水位趋势性和突变性变化。前人对太原市地下水动态的研究多集中在地下水动态类型的划分及影响因素的分析上，而对太原市地下水位的趋势性及突变性研究很少，笔者通过线性倾向估计和M-K法研究太原市地下水位变化的趋势性、持续性和突变性。

1研究区概况

1.1研究区水文地质条件

太原盆地为新生界断陷盆地，西边以柴村—晋祠—交城等隱伏断裂与西山分界，东边以范村—太原东断陷与东山分界。盆地沉积有巨厚松散层，其下伏基岩由北向南依次为奥陶系、石炭一二叠系、三叠系和侏罗系地层。太原市地处盆地北端，北高南低，东西两侧高、中间低，山区向盆地呈阶梯状下降，这种不对称的地形特点对盆地地下水有明显影响，使含水层的分布和富水性具有较大差异。

太原市地下水主要为松散岩类孔隙水。根据地层结构，可分为潜水含水层、第一承压含水层、第二承压含水层及第三承压含水层。潜水含水层即第四系上更新统、全新统含水岩组，在东、西两侧山前洪积平原多为沙卵石、粗细沙及亚沙土、亚黏土，含水层总厚度为5～30m。总的来说，沉积物西部较东部的岩性粗、沙层厚度大。中部沉积平原由北部的卵砾石和粗沙、中沙层往南逐渐变为砾石、粗沙、中沙及亚沙土、亚黏土互层，最后到南部变为亚沙土、亚黏土为主夹薄层沙层。含水层厚20～ 30m。

1.2监测站选取

汾河经兰村流人太原市平原区，沉积了很厚的松散物，构成宽阔平缓的洪积倾斜平原区。汾河两侧为冲积平原，中心地势低洼，向山前倾斜为洪积平原，呈南北向条带状分布，地面略有起伏并向汾河倾斜。汾河以西，冲积平原与洪积平原之间有冲洪积交接洼地，呈南北向条带状 。依据太原市平原区地貌特征，选取具有代表性的5个地下水位监测站，即南固碾、大井峪、城北、良隆、西谷（见图1），其中：大井峪、南固碾站位于冲洪积倾斜平原，城北站位于冲积、洪积交接洼地，良隆、西谷站位于冲积平原。

2方法原理

M-K法可以用来分析趋势和突变点。

基于时间序列{X1，X2，…，Xn}，构造一个秩序列mi，表示Xi>Xj（1≤j≤i）的样本累计个数，定义为

选取不同的k值（2≤k≤n），得到（k，dk）组合。数学期望和方差分别为将dk标准化得到统计量

则UFk为标准正态分布，取UFk=0，若曲线UFk的值大于0，则表明序列呈上升趋势，小于0则表明呈下降趋势：取显著水平α=0. 05，查标准正态分布表临界值Uα/2=1.96，当|UFk|>Uα/2时，说明序列存在明显的增大或减小趋势。所有的（k，UFk）组成一条曲线C1，通过置信度检验可知其是否具有趋势性。

求{X1，X2，…，Xn}的反序列为{XnXn-1，…，X1}，按照上述方法计算反序列的UFk，则反序列曲线UBk =-UFk，所有的（k，UB）组成曲线C2。

当曲线C1过临界直线时，表明上升或下降趋势显著，超过临界线的范围确定为突变时间区域。如果UFk与UBk 两条曲线出现交点且在临界线之间，则交点对应的时刻即为突变开始时间。

3地下水动态特征分析

3.1潜水地下水动态特征

根据影响地下水位动态的主要因素、作用程度及地下水位动态特征，并结合水文地质条件和地下水均衡要素，将太原市平原区浅层地下水位动态类型划分为入渗—蒸发型、径流排泄型、入渗—开采—径流型、开采动态型

。

（1）入渗—蒸发型。主要分布于汾河冲积平原区，地下水埋深一般小于5m，水位年变幅小于1m，地下水年动态过程主要受降雨量影响，如城北站（见图2）。

（2）径流排泄型。主要分布于太原市中北部地区，地下水埋深一般大于5m。该区域于2003年实施关井压采措施，地下水位开始呈上升趋势，如南固碾站（见图3）。

（3）入渗—开采—径流型。主要分布于开采强度中等、补给条件较好的平原区，地下水埋深10m以上，地下水年内动态受开采、降水、地表水灌溉影响，过程线呈V形或U形，如西谷站（见图4）。

（4）开采动态型。主要位于开采强度大的城区及漏斗区，地下水埋深超过10m，地下水位动态过程线呈下降趋势，如大井峪、良隆（见图5）。

3.2潜水地下水位特征

分别计算各站点1993-2011年地下水位特征参数，见表1。从表1中可以看出，大井峪地下水位均值最大（为802.71m），西谷最小（为760.52m），相差较大（42.19m）。整体上来说，地下水位北高南低，东西两侧高中间低，与地形特征一致。各站点极差（最大值与最小值之差）指示了地下水位的波动范围，标准差反映历年水位值的离散程度，南固碾站极差和标准差均最大，分别为19.12m和6.00 m；城北站极差和标准差均最小，分别为0.87m和0.21m。变差系数南固碾站最大、城北最小。城北、西谷的极差、标准差和变差系数较小，说明这2站地下水位年际波动较小：南固碾、大井峪、良隆的极差、标准差和变差系数较大，说明这3站的地下水位波动较大。

3.3地下水位趋势性和突变性分析

3.3.1地下水位趋势性分析

分别用线性倾向估计和M-K检验法分析各站点地下水位系列资料，结果见表2（x为年份，取值范围为1993-2011年）。从表2可以看出，大井峪、城北、良隆3站地下水位均表现出下降趋势，大井峪下降速率最大（为0.49m/a），城北下降速率最小（为0.02m/a），良隆站下降速率居中（为0.36m/a），3站平均下降速率为0.29m/a；良隆站M-K检验值U为-2.75，|UFk|>Uα/2，说明该序列存在明显的下降趋势；大井峪和城北站M-K检验值U分别为-1.46、-0.18，即|UFk|3.3.2地下水位突变性分析

各站点地下水位的M-K检验结果见图6。从UFk曲线变化趋势来看：南固碾站地下水位1993-1995年呈上升趋势，1996-2003年呈下降趋势，2004-2011年表现为上升趋势，2008年UFk、UBk超过置信水平为0.05临界值，表明地下水位上升趋势显著：大井峪地下水位1993-1997年呈上升趋势，1998-2011年呈下降趋势，其中2003-2011年超过置信水平为0.05臨界值，下降趋势显著；城北站地下水位1993-1997年呈上升趋势，1998-2011年呈下降趋势，没有年份超过置信水平为0.05临界值，趋势不显著；良隆站1993-2011年地下水位总体表现为下降趋势，其中1999-2011年超过置信水平为0.05临界值，下降趋势显著：西谷站除2002年表现为下降趋势外，其余时间均表现为上升趋势，且2006-2011年超过置信水平为0.05临界值，表明地下水位上升趋势显著。

根据UFk和UBk交点可以得出，南固碾站突变时间为2006年左右，大井峪站为2002年，西谷站为2003年。城北站UFk在该时段未发生突变；良隆站UFk和UBk 两曲线交点不在临界值之间，因此无法求出该时间系列的突变时间。

3.3.3地下水位趋势性和突变型分析

以突变点为界，分别对突变前、后各监测井的地下水平均水位、年平均降深进行对比分析。良隆站UFk曲线与UBk曲线交点超过Uα/2=1.96，以突变时间区域为界；城北站没有明显的趋势变化，没有突变点，借鉴良隆站的突变时间。计算结果见表3。

1993-2005年南固碾站地下水平均水位为773.50m，2006-2011年平均水位为783.03m，差值为-9.53m，其在突变前、后水位年平均降深分别为-0.16、3.24m；1993-2002年大井峪地下水平均水位为805.04m、年平均降深为-0.36m，2003-2011年平均水位为800.12m、年平均降深为-0.25m，差值分别为4.92、-0.11m；1993-1998年良隆站地下水平均水位为766.78m、年平均降深为-0.72m，1999-2011年的平均水位为763.16m、年平均降深为-0.30m，差值分别为3.62、-0.42m。可以看出，南固碾、大井峪、良隆站地下水位动态波动较大。

1993-1998年城北站地下水平均水位为777.69m，1999-2011年平均水位为777.47m，两者相差0.22m；1993-2003年西谷站平均地下水位为760.25m，2004-2011年平均水位为760.64m，差值为-0.39m，在突变前、后水位年平均降深均为0.03m。可以看出，西谷、城北站地下水位动态波动较小。

以开始突变时间为界，计算该时间点前后拟合公式的拟合优度见表3，大井峪、良隆站在突变前拟合优度分别为0.23、0.49，突变后拟合优度为0.77、0.97，即大井峪、良隆站地下水位未来将保持下降趋势；南固碾站突变前后拟合优度分别为0.07、0.96，表明地下水位未来将保持上升趋势；城北、西谷站突变前拟合优度分别为0.03、0.08，突变后分别为0.01、0.14，表明未来地下水位动态较为平稳。

4结论

（1）整体上来说，各站点地下水位呈现北高南低、东西两侧高中间低的特点，与地形特征一致。南固碾站极差、标准差和变差系数均最大，大井峪、良隆的次之，城北、西谷站的均较小；城北和西谷站水位年际波动较小，南固碾、大井峪、良隆3站水位波动较大。

（2）大井峪、城北、西谷3站地下水位变化速率为负值，即表现为下降趋势，其M-K法检验值U也为负值；南固碾和西谷地下水位变化速率为正值，即呈上升趋势，其M-K法检验值U也为正值。

（3）各站点拟合公式的拟合优度R2大小顺序为良隆>大井峪>南固碾>西谷>城北，M-K法检验值U大小顺序为良隆>大井峪>南固碾>西谷>城北，说明各站点M-K法检验值U与拟合公式的拟合优度成正相关关系。

（4）大井峪、良隆站在突变前拟合优度分别为0.23、0.49，突变后拟合优度为0.77、0.97，即大井峪、良隆站地下水位未来将保持下降趋势：南固碾站突变前后拟合优度分别为0.07、0.96，表明地下水位未来将保持上升趋势；城北、西谷站突变前拟合优度分别为0.03、0.08，突变后分别为0.01、0.14，表明未来地下水位动态较为平稳。