宁柏隆地下水漏斗水位变化影响因素分析

赵 伟，贾新颖，武丽生，刘 鹏，张 昊

(河北省水利水电第二勘测设计研究院，河北 石家庄 050021)

河北省水资源短缺，地下水超采严重，局部地下水开采强度大、超采最严重的地区形成了多个浅层和深层地下水漏斗，地下水漏斗的治理在地下水超采综合治理中难度最大。地下水位及其变化趋势是反映地下水采补平衡与否的客观标尺和晴雨表，也是衡量地下水资源开发是否合理的重要评判依据[1]。通过实测数据利用系统分析的方法，可以得到精度较高的成果，且具有需要参数少，便于推广的优点[2]。本次研究采用了SPSS软件中的多元回归分析的功能，从地下水补给和地下水开采两方面对漏斗中心地下水埋深影响因素进行了回归分析，可为合理有效利用地下水资源提供参考，为地下水可开采量评价和地下水超采治理、评估提供依据[3- 11]。

本次以宁柏隆漏斗为例进行分析，宁柏隆漏斗为浅层地下水漏斗，位于河北省邢台市宁晋县西南部、柏乡县东部和隆尧县的北部[12]，属于太行山山前平原。2018年宁柏隆漏斗中心位于宁晋县李家营，漏斗中心埋深81.20m，50m地下水埋深等值线包围漏斗区面积为1330km2[13]，为河北省面积最大的浅层地下水漏斗。

1 漏斗中心地下水位埋深变化分析

根据历年《河北省水资源公报》，2001—2018年(共18年)宁柏隆漏斗中心地下水位埋深变化如图1所示。对宁柏隆漏斗中心地下水位埋深进行一元线性回归分析，可看出漏斗中心埋深逐年下降趋势明显，年均下降1.64m。

分阶段看，2001—2015年漏斗中心埋深年均下降1.82m，2014年河北省开始大规模在黑龙港运东地区实施地下水超采综合治理试点，2015年地下水超采综合治理试点扩大到宁柏隆漏斗区，2015—2018年，漏斗中心埋深年均下降0.92m，下降速率明显减小，减小幅度达49%。

2 降雨影响分析

统计分析2001—2018年宁晋县、柏乡县、隆尧县年降雨量数据，三县18a平均面降雨量为459.3mm，最大降水量为2016年的608.5mm，最小降水量为2014年的322.8mm，如图2所示。对降雨量进行一元线性回归分析，年降雨量呈缓慢增加的趋势。利用M-K检验对降雨变化进行趋势检验，降雨量M-K统计量曲线如图3所示，Z=0.84，小于α=0.05(1.96)，没有通过显著性检验，说明降雨增加趋势不明显。

对降雨量和宁柏隆漏斗中心地下水位埋深变化进行分析，2003、2009、2013、2016年为丰水年，相应宁柏隆漏斗中心地下水位埋深比上一年分别增加0.4、-1.92、3.58、5.38m；2007、2010、2014年为枯水年，相应宁柏隆漏斗中心地下水位埋深比上一年分别减少-3.57、-3.49、-4.68m；2004、2008、2018年为平水年，相应宁柏隆漏斗中心地下水位埋深比上一年分别减少-1.86、2.3、0.3m。进行相关性分析，相关系数为0.02，不具有相关性。

从图2中可分析，18a中降雨量丰枯交替明显，存在4个丰枯变化周期，基本上3a是一个丰平枯周期，首先计算降雨量和漏斗中心水位埋深年变化量，然后以3a滑动平均计算降雨量和漏斗中心水位埋深，进行相关性分析，相关系数为0.713，在0.1(双侧)具有显著相关。如图4所示。

综上，降雨量对宁柏隆漏斗中心地下水位埋深变化具有影响，特别是在3a平均变化状态下，降雨量的变化对漏斗中心水位埋深变化具有显著影响，但在目前地下水超采状况下不能改变漏斗中心地下水位埋深整体下降的趋势，只是影响前后年份地下水埋深变化。

3 供用水量影响分析

根据河北省水资源公报，2018年三县总供用水量4.13亿m3。分供水水源看，其中，当地地表水供水量0.53亿m3，占总供水量的12.8%；跨流域调水量0.45亿m3，占总供水量的10.8%；地下水供水量2.82亿m3，占总供水量的68.2%；非常规水源供水量0.33亿m3，占总供水量的8.1%。由此可知，目前地下水是主要供水水源。分用水行业看，其中，城镇生活(含公共)用水量0.09亿m3，占总用水量的2.1%；农村生活用水量0.20亿m3，占总用水量的4.8%；工业用水量0.14亿m3，占总用水量的3.4%；农业灌溉用水量3.53亿m3，占总用水量的85.5%；生态环境用水量0.17亿m3，占总用水量的4.2%。由此可知，目前农业灌溉是主要用水对象。如图5所示。

图1 宁柏隆漏斗中心地下水位埋深变化图

图3 降雨量M-K统计曲线

图4 3年滑动平均降雨量变化与漏斗中心水位埋深变化关系

图5 2018年宁柏隆供用水情况

统计分析2001—2018年宁晋县、柏乡县、隆尧县年供用水情况。总供水量呈波动下降趋势，2001—2004年呈下降趋势，2005—2009年呈上升趋势，2010—2013年呈下降趋势，2015—2018年基本保持在4.0亿m3。从供水方面分析，地下水开采量呈逐年下降趋势，从2001年的5.68亿m3下降到2018年的2.82亿m3，下降了50%；地表水供水量(当地地表水和外调水)，特别是2014年南水北调中线通水以来，随着引江水供水量的逐年增加，地表水供水量呈逐年增加趋势。从用水方面分析，重点分析农业灌溉用水量，农业灌溉用水量和总供用水量变化趋势基本保持一致，从2001年的5.38亿m3下降到2018年的3.53亿m3，下降了34%。

对地下水开采量和宁柏隆漏斗中心地下水位埋深变化进行相关分析，相关系数为-0.929，为负相关，两者具有显著相关性，说明地下水开采量决定漏斗中心地下水位埋深。

对农业灌溉用水量变化进行分析，2001—2014年，农业灌溉用水量和地下水开采量相关系数为0.947，变化趋势基本一致；2015—2018年，农业灌溉用水量和地下水开采量相关系数仅为0.26，出现明显偏离，特别是2017年为平水年、2018年为偏枯年，农业灌溉用水量基本保持不变呈稍增加趋势，但地下水开采量缺呈下降趋势，分析原因主要是地表水供水量增加较快，通过地表水置换了地下水的开采量。

从图6中可以看出，2016年为丰水年，地下水开采量相比上一年减少4.3%，按趋势地下水水位应下降6.3%，但地下水却上升了6.9%，说明2016年降雨量对地下水位变化起到重要作用；2017年为平水年、2018年为偏枯年，用水总量、农业灌溉用水量均稍增加，但漏斗中心地下水水位保持持平状态，分析原因主要为，地表水供水量特别是南水北调中线引江水的增加一方面减少了地下水开采量，另一方面增加了地下水补给量，外调水对漏斗中心地下水位埋深具有一定影响。

图6 2001—2018年供用水量与漏斗中心地下水位埋深关系图

图7 宁柏隆漏斗中心地下水位埋深实测与模拟地下水位埋深对比

4 影响因素分析

在地下水超采状态下，通过降雨量和供用水量分析，得出地下水开采量、降雨量、外调水供水量三个因素共同对宁柏隆漏斗中心地下水位埋深发展变化起关键作用。

为了量化地下水开采量(K，亿m3)、降雨量(P，mm)、外调水供水量(W，亿m3)三个因素对宁柏隆漏斗中心地下水位埋深(H，m)的影响作用，利用SPSS数据统计软件进行多元线性回归分析。得出回归方程如下：

H=-137.947+14.03K+0.018P+21.405W

图7为宁柏隆漏斗中心地下水位埋深与拟合地下水位埋深的对比。利用SPSS数据统计软件对模型关键指标进行计算，复相关系数R=0.955，确定性系数R2=0.913，表明拟合的方程能够反映91.3%的原始监测数据。从图6中，可以看出除个别年份出现偏离外，回归方程拟合优度好，特别是2015—2018年近几年，基本为完全拟合。对模拟值和实测值误差进行分析，从表1可看出相对误差控制在9%以内，说明回归方程模拟效果好。

为了消除地下水开采量、降雨量、外调水供水量三个因素量纲的影响，利用SPSS数据统计软件对其进行标准化，从表2可以看出地下水开采量、降雨量、外调水供水量标准系数分别为1.25、0.15、0.34，说明地下水开采量对宁柏隆漏斗中心地下水位埋深影响起决定作用，外调水利用量次之，降雨量最小。

表2 回归方程各变量非标准化和标准系数表

5 地下水超采治理对策

经过2015年至今的地下水超采综合治理，宁柏隆漏斗中心地下水位埋深下降的趋势基本得到遏制。通过以上分析，在不考虑降雨量因素影响下，宁柏隆漏斗地下水超采综合治理关键是增加外调水量和减少地下水开采，提出以下治理措施。

(1)引足用好外调水。宁晋、柏乡、隆尧首先应引足南水北调中线分配指标内的引江水，加快城镇公共供水管网建设与改造，实施城乡水源置换，置换地下水开采量。大力实施河湖生态补水，利用临城水库、南水北调中线工程，通过泜河、午河等主要河流进行补水，回补地下水。

(2)减少地下水开采。全面推进全社会节水，基于农业灌溉用水占用水总量85%的状况，大力推广小麦节水品种及配套技术，因地制宜发展节水灌溉，在稳定粮食生产能力的基础上，大力实施季节性休耕、退灌、旱作雨养等农业种植结构调整，统筹推进工业和生活节水，持续减少地下水开采。

6 结语

本次分别从地下水补给和地下水开采两个方面对地下水位变化影响进行分析，提出了降雨量、外调水量、地下水开采量是影响宁柏隆漏斗中心地下水位埋深变化的关键影响因素，提出下阶段地下水超采综合治理重点是引足用好外调水、减少地下水开采。影响地下水位的变化因素还有很多，比如本次未考虑山前平原的侧渗影响，下阶段需进一步研究其影响。下阶段应研究基于地下水水位不同降雨量下地下水可开采量和地下水超采量；对于地下水超采综合治理考核，需进一步量化降雨量的影响，更精准的评价地下水超采综合治理措施效果。