河北省邢台市地下水位时空变化及其驱动因素

崔 旭，张 兵，何明霞，夏文雪

（1.天津师范大学天津市水资源与水环境重点实验室，天津300387；2.天津师范大学地理与环境科学学院，天津300387）

地下水是人类生存发展的重要水源，地下水位是反映地下水资源的重要指标，可以为区域地下水资源的开采利用及区域水资源可持续利用提供合理和可靠的依据[1-2].地下水位的动态变化是气象和人文因素对地下水系统作用的反映，也对该地区社会经济的持续健康发展产生巨大影响[3].过度开发利用地下水资源会导致地下水位急剧下降形成降落漏斗，产生地面沉降、塌陷、土壤次生盐渍化、地面裂缝以及水环境恶化等一系列问题[4].Liu等[5]、李生潜等[6]、刘效东等[7]和王根绪等[8]分别对我国胜利渠灌区、石羊河流域、鼎湖山流域和黑河流域地下水位的变化情况开展研究，发现地下水开采量、作物耕作模式、灌溉方式、气象气候条件和土地利用类型等人类活动因素均会对地下水位产生影响.因此，了解人类活动和气候条件对地下水系统产生的影响可为地下水资源评价以及合理开发利用水资源奠定坚实基础.

华北平原地下水资源人均占有量较低，经济社会发展受地下水资源制约严重[9-10].邢台市为华北平原水资源缺乏的典型区，人均水资源量仅190 m3，远低于国际公认的人均用水紧张线（1 750 m3）[11].为满足日常生活和生产需要，对地下水资源的过度开采使邢台市水资源紧缺的现状不断恶化，导致一系列生态环境问题的出现[12-14].自1978年，邢台市区地下水位平均每年下降1.6～1.8 m，1999年地下水最大埋深达85.06 m，造成多次“水荒”和工矿企业停产事件，同时导致素有“百泉之城”的邢台市泉水干涸[15].邢台市水生态维护修复工程于2009年2月展开，作为全国10个水生态修复试点之一，代表华北平原和南水北调受水区，是全国唯一一个地下水修复试点.近年来，对邢台市水资源的研究主要集中在地下水超采治理成效、水资源统一管理及优化配置、水安全以及水资源承载力等方面[15-18].

地下水位的变化与区域的地质、生态和环境等多种要素息息相关，对工农业生产和人民生活产生重要影响.因此，跟踪区域性的地下水位变化可为地下水资源评价及合理开发利用奠定基础.本研究以地下水位为切入点，选取邢台市作为研究区，分析1995—2016年该区地下水位的时空变化特征及其区域响应；结合气象观测数据及人类活动的相关资料，从气候因素和人为因素2个方面探讨地下水位变化机制，识别地下水位变化中的气候因素和人为因素，阐明地下水位变化的主要控制因素和恢复途径，以期为华北乃至西北干旱区的地下水资源可持续开发、利用和保护提供一定的参考.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

邢台市（36°50′N～37°47′N，113°52′E～115°49′E）地处华北平原中部地区，位于河北省中南部，总面积1.24×104km2，为暖温带亚湿润季风气候，年平均气温12℃～14℃，全市多年平均降水量为490 mm，蒸发量高达1 160 mm[19].图1为邢台市地形地貌概况.

图1 研究区及监测井点示意图Fig.1 Studied area and location of monitoring wells

邢台市西部山地区海拔多低于1 000 m，最高可达1 803 m，山地区面积占全市面积的29%；东部平原区可分为山前冲洪积扇平原和湖积平原，海拔高程为16～75 m，面积约8 910 km2，主要有滏西平原、黑龙港平原和滹滏平原.邢台市地下水含水层岩性自西向东由沙卵石变为粉细砂，地下水自上而下分为4个含水组，其中第1和第2含水组为浅层地下水，第3和第4含水组为深层地下水[20].地下水补给来源主要包括大气降水直接入渗补给、地表径流和水库水在河道渗漏补给以及太行山山区地下水侧向补给.华北平原地下水资源人均占有量较低，经济社会发展受地下水资源制约严重[21].邢台市是华北平原水资源缺乏典型区，大量开采地下水资源使邢台市水资源紧缺的现象持续恶化.

1.2 数据来源及研究方法

1.2.1 数据来源

邢台市1995—2016年地下水位数据来源于中国地质环境监测院获得的长期水位观测资料.监测井点基本信息如表1所示，主要包括3个浅层水井和4个深层水井.监测井点井深、地理位置和研究区水文地质剖面图如图2所示.气象资料来源于中国地面国际交换站气候资料日值数据集（V3.0）（http：//data.cma.cn/data/detail/dataCode/SURF_CLI_CHN_MUL_DAY_CES_V3.0.html）.

图2 监测井点水文地质剖面图（A-A′）Fig.2 Hydrogeological section of logging site（A-A′）

表1 监测井点信息Tab.1 Description of groundwater monitoring wells

1.2.2 研究方法

（1）利用Origin绘制地下水位与相关气象数据5年滑动平均图，表征地下水位的年内、年际和地区分布变化特征.

（2）在ArcGIS中，利用克里金插值法绘制研究区地下水位空间分异图.

（3）利用灰度关联分析法分析地下水位时空变化的驱动因素，具体步骤为：

①设各影响因子横向序列为Xi（k），代表影响因子Xi在第k（k=1，2，…，m）年所得数据，i为影响因子个数（i=1，2，3，…，n）.采用均值化变换方法对Xi（k）进行无量纲化处理，转化为可以相互比较的数据：

②分别计算参考序列与影响因子序列的关联系数

式（3）中：λ（0＜λ＜1）为分辨系数，λ越小表示区分能力越强，一般情况下λ取值为0.5.

③计算出参考序列与各影响因子的关联度

2 地下水位时空变化

2.1 年内变化特征

1995—2016年，邢台市各监测点多年月均地下水位如表2所示.

表2 邢台市月均地下水位Tab.2 Monthly mean groundwater level of Xingtai City

每年1～3月，邢台市大部分农作物处于幼苗或收割期，用水量相对较少，各监测点地下水位无较大变化.3月春灌期开始后，各监测点地下水位均呈下降趋势，并于6～8月达到年中最小值.由于农业需水量减少以及太行山区含水层的侧向补给，地下水位于9～12月回升.邢台市深层地下水位年内波动较大，变幅为16.48 m，这主要与当地农业灌溉用水多为深层地下水有关，东郭乡地区深层地下水位最高，临西地区最低.浅层地下水位年内变化较平稳，临西地区最高为28.16 m，宁晋地区地下水位较低，为-12.89 m.新河地区地下水位较其他区域年内变化明显，该地区7月农业用水量急剧增加是导致地下水位低至-27.32 m的主要原因.

2.2 年际变化特征

1995—2016年，邢台市浅层和深层地下水水位年际变化分别如图3和图4所示.

图3 浅层地下水位的年际变化Fig.3 Interannual variation of shallow groundwater level

图4 深层地下水位的年际变化Fig.4 Interannual variation of deep groundwater level

由图3和图4可以看出，自1995年，邢台市各地区地下水位整体呈下降趋势，由于在用水量、经济发展水平和人口规模等方面存在一定差异，各区域不同时期地下水位有所不同.浅层地下水位平均下降速率为0.89 m/a，滏西平原和平乡地区浅层地下水位直线下降，临西地区浅层地下水位在1998—2004年大幅度回升，上升速率为0.96 m/a（图3）.平原区和山地区深层地下水位均呈波浪式下降，平均下降速率为3.03 m/a，其中南石门深层地下水位由1995年的58.9 m下降至2011年的-0.56 m，下降速率高达3.96 m/a（图4），深层地下水位下降速率远高于浅层地下水位下降速率.由于长时间、大面积过量开采，滏西平原、黑龙港平原以及滹滏平原区深、浅层地下水采补严重失衡，邢台市可利用地下水量逐年减少，地下水位急剧下降，地下水降落漏斗面积增加、含水断层大面积疏干、泉水干枯、地面下沉以及淡咸水界面下降等多重问题在短时间内难以解决.

2.3 空间分布特征

为直观分析邢台市地下水位时空分布及其变异特征，选取1996、2000、2003、2005、2010和2016年为代表年份，运用克里金插值法绘制邢台市地下水位空间分布图，结果如图5所示.

图5 邢台市地下水水位空间分布的插值图Fig.5 Interpolation map of groundwater level spatial distribution of Xingtai City

由图5可以看出，邢台市地下水位整体自东北向西南方向递减，滏西平原地下水位远高于黑龙港平原和滹滏平原，地下水位的持续下降导致“宁柏隆”漏斗区和滏东平原漏斗区面积进一步扩张，且漏斗区中心埋深持续下降.相较于1996年，2000—2003年降落漏斗区逐渐缩小，2005年漏斗区又逐渐扩大，2010和2016年地下水降落漏斗区面积缩小，这主要是因为2009年邢台市成为地下水修复试点，政府大力治理地下水开采，但由于邢台市地下水资源严重不足，地下水补给周期长，恢复难度大，降落漏斗区水位仍呈下降趋势.

3 影响因素分析

3.1 气候因素

降雨量、蒸发量和温度等因素都决定着地下水动态的基本特性，本研究根据中国地面国际交换站气候资料日值数据集（V3.0）绘制出1995—2016年邢台市降雨量、蒸发量和气温的变化情况，结果如图6所示.

图6 1995—2016年邢台市降雨量、蒸发量和气温的变化情况Fig.6 Precipitation，evaporation and temperature changes of Xingtai City from 1995 to 2016

1995—2016年邢台市降水量整体呈上升趋势，极低值为234.4 mm，极高值为873.8 mm，处于枯水期的年份较多，2004—2013年降水年际变化幅度较小，2016年降水量增加显著.邢台市年均降水量为534.3 mm，其中平原区降水量明显少于山区，西部山区为595 mm，东部平原区约为500 mm，而黑龙港平原和滹滏平原则低于480 mm，因此降水量空间分布不均是导致地下水位变化的重要因素.2000—2016年邢台市蒸发量呈增长趋势，2004—2010年蒸发量较稳定，年均蒸发量为1 176.81 mm，2014—2016年蒸发量显著增加，2015年蒸发量高达1 654.6 mm.17年间邢台市年均蒸发量（1 187.8 mm）明显大于年均降水量（534.3 mm），二者比值为2.22，平原区干旱指数大于2，黑龙港平原和滹滏平原则达到2.6～2.8，蒸发作用强烈导致邢台市降水不能有效补给地下水.1996年和2014年邢台市年均温度分别为13.95℃和15.43℃，温差为1.47℃，2007—2012年温度逐年降低，降幅为1.25℃.

降水、蒸发和温度的变化特征均说明邢台市气候趋于暖干化，这在一定程度上会影响地下水补给量和地下水位.随着气候变暖，降水量减少和蒸发量增高导致地下水自然补给来源不足，造成邢台市地下水位下降.

3.2 人为因素

人类活动主要包括流域水量的分配以及地表水和地下水的利用数量和利用方式等，在水资源供需矛盾紧张的地区，人类活动通过影响水循环过程改变水资源的时空分布.地下水采补失衡是导致邢台市地下水位下降的决定性因素.邢台市2013—2020年的产业结构如图7所示.

图7 2013—2020年邢台市的产业结构Fig.7 Industrial structure of Xingtai City from 2013 to 2020

由图7可以看出，随着人口增长，产业结构调整，邢台市生产总值呈现上升趋势，用水量持续增长导致地下水资源压力急剧增加.1964—2008年，邢台市区人口增加约5.660×105人，生活用水量由2.00×105m3增长到2.40×107m3；2008—2016年邢台市市区人口增加9.510×105人，生活用水量增至3.67×107m3，增长速率高达1.59×106m3/a[22].据邢台市水资源利用调查数据[11]显示，邢台市农业用水量约占总用水量的80%，1999年邢台市耕地面积为6.76×103km2，2016年增长至6.95×103km2，耕地面积增长使农业用水量急剧增加，直接导致地下水位下降.1985年后，随着工业的快速发展，邢台市市区内电厂和钢铁厂等用水量较多的企业纷纷投产或扩大生产及加工规模，增加了对地下水的开采量，导致地下水位持续下降[23].

为实现地下水资源的可持续利用，促进地下水采补平衡，各地区实施地下水超采综合治理项目，积极调整作物种植模式，大力推广喷灌、微灌和低压管道输水等高效节水灌溉技术[24].通过实施南水北调受水区压采方案，压减城市工业和生活地下水超采量1.15×109m3.2015年来累计关停市区自备井53眼，2015年邢台市高效节水灌溉面积达4.51×108m2，压减地下水超采量5.36×107m3，至2016年邢台市地下水压采量累计达2.51×109m3.随着节能减排、压减过剩产能和大气污染治理力度的加大，在环境污染与资源枯竭的双重压力下，邢台市不断优化产业结构和能源结构，改造节水技术，依托传统重工业基础，对钢铁和煤炭等企业进行改造升级，大力发展高端装备制造业、新能源产业和节能环保产业，积极推动现代服务业发展[25].2016年邢台市引进全国工商联环境商会企业，并建造了节能环保产业园区，电厂和旭阳焦化等企业每年使用污水处理厂再生水1.00×107m3以上，减少了对地下水的开采[26].

生态补水延缓了邢台市地下水位下降的趋势.邢台市按照“优先使用引江水、充分利用地表水、限制开采岩溶水”的原则优化水资源配置.2015—2018年，通过南水北调总干渠退水口门向七里河、白马河以及市区内河道补水7.48×107m3[27].对滹沱河和滏阳河实施河湖生态补水入渗回补地下水，治理地下水超采.自2018年9月采取先期大流量贯通河段，后期小流量维持全河段有水和稳定入渗的补水方式，缓解了地下水超采产生的影响.目前，失涌断流多年的百泉、狗头泉和黑龙潭出现了复涌现象[26].百泉地下水位迅速回升，2018年9月回升2.97 m，10月回升2.50 m，与补水前同期相比地下水位共回升了4.21 m[27].2008—2020年邢台市地下漏斗面积及中心埋深如图8所示.

图8 2008—2020年邢台市地下漏斗面积及中心埋深Fig.8 Area and depth of groundwater depression cones in Xingtai City from 2008 to 2020

由图8可以看出，“宁柏隆”浅层地下水漏斗中心埋深上升0.19 m，南宫深层地下水漏斗中心埋深上升9.50 m.生态补水后，邢台市地下水位整体仍然呈现下降趋势，但与补水前相比，降幅明显减小.

3.3 主导因素确定

基于自然和人文等因素对地下水位的影响，选取12个指标作为研究区地下水水位变化的重要影响因子，采用灰度关联分析法对邢台市地下水位变化影响因素进行分析，结果如表3所示.表3中降水量（r1）、蒸发量（r2）和温度（r3）为表征气候因素的影响因子，GDP（r4）为表征人为影响因素的因子，第一产业产值（r5）、耕地面积（r6）、粮食产量（r7）、蔬菜产量（r8）和肉类产量（r9）为表征农业用水的影响因子，第二产业产值（r10）为表征工业用水对地下水位的影响因子，第三产业产值（r11）和常住人口数（r12）为表征生活用水的影响因子.

表3 地下水位埋深及主要影响因素观测数据Tab.3 Observation data of groundwater depth and main influencing factors

经灰度关联分析法计算得到关联度序列大小顺序为r5＞r10＞r1＞r7＞r4＞r8＞r11＞r12＞r6＞r9＞r2＞r3.关联序列说明气温和蒸发量等气候因素对邢台地区地下水位变化的影响较小，人为因素是地下水位下降的主导因素.表征农业用水影响因子的第一产业产值对邢台市年均地下水位埋深影响最大，其中粮食和蔬菜产量对邢台市地下水位埋深影响较大.此外，第二产业产值也是本地区地下水位变化的重要影响因素.

4 结论

基于1995—2016年邢台市地下水位监测数据及近22年气象数据，对邢台市地下水位时空变化及其驱动因素进行分析，得到以下主要结论：

（1）地下水位整体呈下降趋势.深层地下水位平均下降速率为3.03 m/a，浅层地下水位平均下降速率为0.89 m/a.地下水位年内变化与农业需水量变化基本同步，春季因灌溉用水增加水位逐渐下降，秋季后随着灌溉结束水位逐步回升.地下水位自西南向东北方向递减，滏西平原地下水水位远高于黑龙港平原和滹滏平原，形成“宁柏隆”及“南巨”等地下漏斗区.2000年和2003年降落漏斗区逐渐缩小，2005年漏斗区呈扩大趋势，邢台市的水资源管理措施使2010年后降落漏斗区面积显著缩小，但依旧面临地下水位持续下降的问题.

（2）气候条件和人类活动综合影响着地下水水位.降水量时空分布不均、蒸发作用强烈以及温度升高等气候变化均导致邢台市地下水补给量及地下水位下降.随着人口增长以及农业、工业和服务业的发展，邢台市地下水开采量增加，水资源压力上升.为实现地下水采补平衡，邢台市调整作物种植模式，不断优化产业和能源结构，依托先进技术综合治理地下水超采及污染，并通过向河道进行生态补水，延缓了地下水位下降趋势.

（3）在气候暖干化及生产生活需水量巨大的背景下，人类活动对邢台市及华北平原地下水资源起决定性作用，其中工、农业用水对邢台市地下水位埋深影响最大.华北及西北干旱地区可通过压采地下水、优化用水结构以及加大地下水补给等“开源节流”的方式提高水资源的综合利用效能，缓解地下水降落漏斗，提升地下水资源承载力，促进地区生态环境和社会经济的永续发展.