濮阳市浅层地下水位时空演变特征及驱动机制

蔡 奕，徐 佳，朱 勍，饶元根，曹永涛

（1.同济大学 土木工程学院水利工程系，上海200092；2.同济大学 继续教育学院，上海200092；3.河南省濮阳水文水资源勘测局，河南 濮阳457000；4.黄河水利科学研究院，郑州450003）

0 引 言

地下水资源是陆地水资源的重要组成部分，具有可流动性、可恢复性、可调节性等特点[1]，是干旱和半干旱地区（如我国中西部地区、美国西南部地区）的主要水源，为全球超过20 亿人口提供淡水资源[2-3]。随着社会经济的发展，工农业用水量持续增长，过度开采使得原有的地下水循环系统被扰动[4]，从而引发了水量衰竭，水质劣化等现象[5-6]。【研究意义】作为长期备用水源，地下水资源急剧减少会严重削弱农业抗旱能力，危及粮食生产安全。地下水长期超采还会导致地面沉降、塌陷等不良地质灾害，加大了地区的涝灾风险，危及群众的生命和财产安全[7-8]。因此，合理开发利用和保护地下水资源对保障生态安全和生产安全具有重要的意义。

豫北地区为河南省境内黄河以北区域，地跨黄河流域和海河流域，其东部平原约占总面积80%，地势西高东低，海拔高度40～90 m，是河南省重要的工业生产基地和农作物产区[9]。由于本地地表水资源相对匮乏，自20 世纪60年代起，地下水和引黄水成为豫北沿黄城市（济源市、焦作市、新乡市及濮阳市）的主要供水水源[10]。随着经济的高速发展，豫北沿黄城市用水需求逐年增加。受黄河水情和河势影响，加之引黄指标的限制，引黄水量年际变化较大而且不能满足日益增长的用水需求。为了保障城市的供水安全，地下水开采量不断加大，造成地下水位持续下降，形成了严重的地下水漏斗区，如濮阳-清丰-南乐漏斗。水资源的短缺已成为当地经济社会高质量发展的制约因素之一，严重威胁着地区的粮食生产。

在地下水资源演变研究中，地下水位常被作为研究对象，通过长期多点监测分析其时空变化规律，进而评价地下水资源量的变化[11]。为了科学合理地开发利用地下水，学者们开展了一系列地下水位影响因素研究，涉及的因素包括气象水文因素、下垫面条件及人类活动等[12-14]。【研究进展】张展羽等[15]的研究发现地下水位变化受随机降水事件的影响。Yu 等[16]采用交叉小波与经验正交函数的集成方法研究了地下水位对降水的响应规律，发现滞后时间取决于地理和地质条件。Zhao 等[17]采用M-K 检验法发现气温与地下水位存在较高相关性。秦俊桃[18]对武威盆地6 种不同土地类型的地下水位变化速率进行了分析，发现林地的地下水位变化速度远小于城镇、农田、草地等其他土地类型。土地利用类型的变更会改变流域下垫面条件，从而影响产汇流过程，导致地下水位的变化[19]。高宇阳等[20]应用灰色关联方法分析了乌苏市地下水埋深的影响因素，研究表明地下水开采量是乌苏市地下水位变化的主要驱动力。Bi 等[21]采用PCA 方法分析辽宁省康平县的地下水位变化，发现研究区地下水位的主要影响因素是人口（负相关）与降水（正相关）。人类活动通常会干扰地下水的自然补给和排泄模式，这在农业灌区表现尤为突出[22]。

【切入点】在已有的地下水资源演变及其影响因素研究中，研究区通常集中在单一流域内，而对于跨流域地区关注较少，往往忽略了流域的差异性。进入新时代，黄河流域生态保护和高质量发展已成为国家战略，这对沿黄城市的水资源保护、水生态改善、水安全保障提出了更高要求。【拟解决的关键问题】本文选取濮阳市作为研究区域，开展浅层地下水位时空演变规律及其驱动机制研究，分析其流域差异性，在此基础上提出跨海河-黄河流域的沿黄农业灌溉供水思路与对策，为黄河中下游地区农业高质量发展提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

濮阳市位于河北、山东、河南三省交界处，下辖1 区5 县，总面积为4 188 km2。境内地势平坦，地面海拔39～62 m，总体趋势表现为自西南向东北倾斜。地层300 m 厚度以上为第四系松散沉积物，以下为第三系，成岩性较差，故浅层含水层为本区的主要含水层类型。该层底板埋深86～116 m，砂层较多，以粉细、中细砂为主，局部有中粗砂。砂层顶板埋深3.6～20.0 m，无良好隔水层，地下水属潜水或微承压水。全市土壤以潮土为主，土体疏松、耕性良好，保水保肥，适合农作物生长。

以北金堤为界，濮阳市被分为南、北2 个部分，南部属黄河流域，北部属海河流域。南部地区有黄河、金堤河、天然文岩渠等河流；北部地区有马颊河、卫河、徒骇河、潴龙河等河流。濮阳市行政分区和水系分布见图1。黄河是濮阳市主要的过境水资源，境内干流的年径流量约为436.6 亿m3。境内金堤河和马颊河多年平均径流量分别为1.7 亿m3和0.7 亿m3，承担沿黄灌区退水、农业灌溉、防洪排涝等功能。为了扩大引黄灌溉范围，濮阳市先后修建了第一、第二、第三濮清南干渠及引黄入冀补淀工程。自2016年起，南水北调中线工程陆续向濮阳北部地区供水，丹江水也逐步取代了地下水，成为北部地区城乡饮用水的主要水源。至2018年，丹江水供水量占北部地区总供水量10.8%。

图1 濮阳地区行政区和水系分布Fig.1 Distribution of administrative divisions and water system in Puyang

濮阳市有3 个大型灌区（渠村、南小堤及彭楼）和6 个中型灌区，有效灌溉面积20.4 万hm2，占濮阳市面积的49%，农田灌溉用水量约9.5 亿m3/a。濮阳市农作物以冬小麦与夏玉米为主，沿黄三县还有少量水稻种植。冬小麦生长周期为10月—次年5月，其中11月—次年2月为越冬期，需水量极低；3月初（返青期）至5月，冬小麦需水量达到峰值，此期间降水量少，需持续灌溉补水。夏玉米和水稻生长周期为6—9月，由于蒸散发作用强烈和降水时间分配不均匀，也需进行适时适量的灌溉补水。黄河汛期有桃汛、伏汛和秋汛，特别是桃汛和伏汛期间是主要作物生长的重要阶段，所以引黄水灌溉期往往长达半年，从2月下旬开始至8月末结束。由于大部分引黄水量主要消耗在南部，所以北部的农田灌溉主要依靠地下水（约占60%），长期的超采导致了地下水位持续下降，灌溉机井越打越深，井灌成本不断增加，地下水资源日趋匮乏。

1.2 数据与方法

1.2.1 数据来源

本研究收集了2006—2018年濮阳市域内73 个浅层地下水监测井的地理坐标、井口高程及地下水位埋深数据（5 d 时间序列）。选取研究期间持续测量的55 个监测井数据用于空间插值，其余18 个井的数据用于验证。根据测井的地理坐标，在ArcGIS 中绘制监测井分布图（图2），对图层进行高斯投影转换，以便于地下水位空间插值分析。

图2 濮阳地区浅层地下水监测井位置Fig.2 Distribution of monitoring wells of shallow groundwater in Puyang

为了分析降水量、黄河水位及灌溉量对浅层地下水位（下文简称地下水位）的影响，本研究收集了2006—2018年研究区的月降水量、邻近4 个黄河干流水文站的日水位（夹河滩站、高村站、孙口站及艾山站）及作物种植面积等数据。孙口站位于黄河干流濮阳段中部，其月均水位与其他3 个站点的皮尔逊相关系数均大于0.93，因此选择孙口站水位作为该河段的黄河水位具有较好的代表性。图3 为2006—2018年研究区降水量、孙口站水位（大沽高程）及作物种植面积的年际变化。由图3 可见，研究区黄河流域与海河流域的多年平均降水量基本持平；研究区段黄河水位的年际变化呈下降趋势；南部和北部地区的作物种植面积总体呈上升趋势。

图3 降水量、黄河水位及作物种植面积的年际变化Fig.3 Inter-annual variation of precipitation,water level of the Yellow River and crop planting area

1.2.2 地下水位空间插值

食品中加入香精，有辅助、稳定、补充、赋香、矫味、替代等作用。现代食品的加工过程会使食物香味散失，因此，食品添加剂中的香精成分在某些方面有着不可或缺的作用。然而作为增味剂，乙基麦芽酚之所以能对食品的不同风味进行增香，并非改变了香味物质的结构和组成，而是在于它能够改变人的生理感觉功能。如乙基麦芽酚有高度的选择性，能够使舌部和鼻部某一范围感觉细胞敏感性改变，相应地抑制了其它区域的信号，这就造成了一种或几种气味被增强而一些气味被削弱的效果[2]。若使用得当，即可增强香甜气味的信号传递，使人们对食品的风味感觉增强，从而改善了食品的口感。不过，乙基麦芽酚是不能过量使用的。

本文基于平均绝对误差、平均相对误差及均方根误差3 个指标评价简单克里金法（SK）、普通克里金法（OK）、泛克里金法（UK）、反距离权重法（IDW）、规则样条插值（RS）及趋势面法（TL）等方法在研究区的地下水位插值精度，各指标值如表1 所示。从表1 可以看出，普通克里金方法的上述3 个指标分别为0.18 m、0.23%、0.63 m，相比于其他方法插值精度高。因此，本文选取普通克里金方法作为研究区地下水位空间插值方法。

表1 濮阳地区浅层地下水位插值方法的误差统计Table 1 Error statistics of the methods for interpolating shallow groundwater table in Puyang

1.2.3 滑动窗口相关分析法

滑动窗口相关分析是指通过对多维原始序列进行滑动窗口采样以构建相同维数的样本集合并分析不同集合内样本的相关性。该方法在信息工程、互联网等领域已被广泛应用[23]。近年来，一些学者将其运用于水文学研究中[24]。对于相关性分析，本文选用了Spearman 相关系数作为评价指标[25-26]。

2 结果与分析

2.1 浅层地下水位年际动态变化分析

本研究采用GIS 技术对研究区各浅层监测井水位进行空间分析，获得了2006—2018年南部和北部的地下水位月均值。如图4（a）所示，多项式趋势线可较好地反映北部地下水位年际变化规律。可以看出，北部地下水位年际变化具有明显的波动性：2006—2012年地下水位波动幅度较小；2013—2016年水位急剧下降，下降速度0.48 m/a；2017—2018年水位呈回升趋势。从图4（b）可看出，南部地下水位年际变化呈显著下降趋势，水位下降速度0.11 m/a。

图4 浅层地下水位月均值变化Fig.4 Monthly average change of shallow groundwater table

从图3 可知，2006—2012年，北部的作物种植面积缓慢增加，降水量呈波动性变化，最大和最小值相差近300 mm。尽管2010年降水量超过700 mm，但地下水位相对较低，到2011年开始回升。同样，2012年降水量不足440 mm，但地下水位相对较高，到2013年开始下降。这表明北部的地下水位在此期间主要受降水量的影响且存在一定的滞后性。2013—2016年，北部降水量波动幅度较小，年平均值约520 mm，但作物种植面积持续增加，年平均值相比于2006—2012年增加了0.55 万hm2。北部农业灌溉地下水开采量逐年增加，再加之2012年和2013年降水量少的滞后影响，使得2013—2016年北部地下水位急剧下降。2017年因推进农业供给侧结构性改革，调减了库存较多的玉米种植，农业灌溉地下水开采量也随之减少。

由于南部的农业灌溉水源主要为引黄水，地下水灌溉量仅占15%左右，所以重点分析降水量和黄河水位对南部地下水位的影响。从图3 可知，2006—2018年，研究区段的黄河水位总体呈下降趋势，这与南部地下水位的变化趋势相一致。特别是在2010—2013年，降水量波动较大，最大与最小值的差值近350 mm，但黄河水位的年平均值变化不大，地下水位也趋于平稳。这表明无论从长期还是短期来看，南部的地下水位变化与黄河水位变化保持高度的一致，所以黄河水位是南部地下水位的最主要的影响因素。

2.2 浅层地下水位对降水量和黄河水位变化的响应

考虑到滑动窗口宽度的选取对Spearman 相关系数的计算可能会存在影响，本文分析了不同滑动窗口宽度（1～12 a）下地下水位与降水量（或黄河水位）的Spearman 相关系数。研究发现，当滑动窗口宽度在2～6 a 区间时，Spearman 系数趋于稳定，而且滑动窗口宽度在3 a（即36 对样本数）时，Spearman 相关系数的双侧T检验（p≤0.01）通过率最高。故本研究选取3 a 作为滑动窗口宽度。

通过滑动窗口采样计算，可获得一系列的Spearman 相关系数。从图5（a）可看出，南部的降水量与地下水位的Spearman 相关系数为-0.28～0.27；北部的降水量与地下水位的Spearman 相关系数为-0.58～0.60。这说明南部的地下水位与降水量之间为微弱相关；在北部地区，二者的相关关系受响应滞后时间的影响，当响应滞后时间为6 个月时，地下水位与降水量为中度相关。图5（b）反映了地下水位对黄河水位变化的响应规律，可以看出，当响应滞后时间为1 个月时，南部地下水位与黄河水位的Spearman相关系数达到最大值0.58，即地下水位与黄河水位为中度相关。在北部地区，当响应滞后时间为6 个月时，地下水位与黄河水位的Spearman 相关系数达到最大值0.33，即北部地下水位与黄河水位为低度相关。就降水量和黄河水位而言，北部地下水位受降水量影响大，而南部受黄河水位影响显著。

图5 浅层地下水位与降水量、黄河水位的Spearman 相关系数Fig.5 Spearman correlation coefficients between shallow groundwater table and precipitation&water level of the Yellow River

2.3 浅层地下水位年内动态变化分析

分析了2006—2018年北部地区25 个浅层地下水监测井的水位数据，如图6（a）所示，地下水位最大年内变幅约3.60 m，平均年内变幅1.54 m，且不同监测井的地下水位动态变化呈较为相似的规律。3—6月地下水位总体呈下降趋势，7月—次年2月地下水位持续上升，2月地下水位达到年内最高。通过对研究区南部30 个浅层地下水位数据的分析发现，地下水位最大年内变幅约1.4 m，平均年内变幅0.71 m，较北部地区小。从图6（b）可看出，在南部地区，3—6月地下水位呈先升后降趋势，7—10月地下水位上升，11月—次年2月地下水位呈下降趋势。其中，4月和10月为年内高水位期，6月为年内低水位期。

图6 多年平均浅层地下水位5 d 时间序列Fig.6 5-day time series of average annual shallow groundwater table

3—5月为研究区冬小麦的灌溉期。由于春灌期降水量少，北部地区的作物需水量基本依赖于地下水，大量集中开采导致地下水位迅速下降，直至6月达到最低。7—9月为研究区夏玉米（或水稻）的灌溉期，同期的降水量虽多但分配极其不均，这使得北部农业灌溉地下水开采量随降水量发生变化，从而导致了地下水位呈波动式上升。10月—次年2月为研究区冬灌期，灌溉用水量少，加之7—8月降水量的滞后（6个月）补给，地下水位呈上升趋势。

在以引黄灌溉为主的南部地区，地下水位3—5月先上升后下降，10月—次年2月呈下降趋势，与同时期北部区域地下水位变化趋势截然不同。通过对研究期间孙口站水位数据分析发现，该河段黄河水位3月较高，后下降至5月，6—8月回升至年内高水位，9月—次年2月呈波动式下降趋势。可见，南部的地下水位年内波动与黄河水位变化趋势相似，但存在一个月左右的响应滞后。因此，南部的地下水位变化的主要驱动因子为黄河水位，而北部为降水量和农业灌溉地下水开采量。

2.4 浅层地下水位空间分布特征

综合考虑降水量年内分配、主要农作物生长期及黄河汛期对研究区地下水位的影响，本文对3 个不同时段内的地下水位空间分布特征进行了分析。第一时段为3—6月，降水量低，冬小麦生长需水期，其中3—4月为黄河桃汛期；第二时段为7—10月，期间降水多，夏玉米和水稻生长需水期，黄河处于伏秋汛期；第三阶段为11月—次年2月，降水稀少，黄河水位低，冬小麦处于越冬期，需水量极少。图7 为2006—2018年研究区地下水位在上述3 个时段的平均值。

如图7 所示，尽管研究时段不同，但研究区地下水位总体上均呈南高北低的分布趋势，且在北部存在3 处明显的地下水位异常区（即Z1、Z2 及Z3 区）。南部的地下水位集中在39～57 m 之间，北部的水位分布在18～39 m 之间，南北地下水位的平均差异超过10 m。由于南部与北部地区的地形高程差异不大，均值都在46 m 左右，所以地下水位的差异主要是南北灌溉方式的差异导致的。Z1 区的地下水位比周边的高，这是因为该区位于清丰县和南乐县的交界处（即大流乡、高堡乡及杨村乡），此处地下水矿化度较高（苦咸水），通常不用于灌溉。Z2 区位于清丰县东部的六塔乡和瓦屋头镇的交界处。此处的第二濮清南干渠水量很少且沟渠水网密度较低，农业灌溉基本上靠地下水，长期超采导致了其地下水位比周边低。Z3区位于清丰县西部的韩村乡境内，因地表水资源匮乏，沟渠少，大量地下水被开采用于农业灌溉，补源条件差，所以其地下水位比周边低。由于南北灌溉方式不同，北部地下水位分布的季节性特征（比如Z1、Z2及Z3 区范围的季节性变化）比南部的更为显著。

图7 2006—2018年濮阳地区浅层地下水位多年平均值空间分布图Fig.7 Spatial distribution of average annual shallow groundwater table in Puyang during the period from 2006 to 2018

此外，沿黄3 县（濮阳县、范县和台前县）境内的黄河滩区地下水位具有从上游往下游递减的分布特征，这是由黄河上下游水位差异所导致。可见，研究区地下水位的空间差异主要是因灌溉方式不同和黄河水位时空变化所引发的。

3 讨论

根据濮阳市水资源公报，2006—2018年，濮阳市平均年降水量约520 mm（河南省较干旱地区之一），降水、地表水入渗及井灌回归等地下水补给量约6.3亿m3/a，地下水开采、浅层蒸发等地下水排泄量约6.5 亿m3/a，这表明研究区浅层地下水存储量减少，地下水位总体呈下降趋势。从流域角度看，南部（黄河流域）的地下水资源约3.0 亿m3/a，而北部（海河流域）为2.1 亿m3/a 左右。尽管北部的地下水资源量小于南部，但是其开采率已达到170%（约为南部的3 倍）。长期的超采导致了北部的降落漏斗面积率高于南部，进而引发了土壤沙化和地面沉降等环境地质问题[27]。近年来，受黄河下游主槽下切的影响，黄河水位呈现下降趋势。这不仅造成了下游闸口的引水困难，而且导致了南部地下水位下降，从而提升了南部的灌溉水安全风险。考虑到濮阳市年降水量少，降水对地下水的补给还存在数月的滞后性，所以北部的地下水压采补源和南部的灌溉用水保障需发挥引黄水、引江水、地下水、雨洪水及中水等多水源互补作用，同时加强农业节水灌溉，高效利用有限的水资源。

濮阳市引黄取水许可指标8.24 亿m3/a，引黄耗水指标6.78 亿m3/a，南水北调中线工程引水量指标为1.19 亿m3/a[28]。境内分布11 个引黄闸门，其中渠村闸位于最上游，是引黄入冀补淀干渠的渠首，承担着濮阳市近1/2 的引黄量，确保向河北持续供水。濮阳的大部分地区位于引黄入冀补淀干渠以东，黄河干流以北。该地区西高东低、南高北低的地形为灌区提供了良好的自流引水条件[29]。然而，其境内河流和引黄干渠以南北走向为主，相互之间的连通干渠少，东西水量调剂难。在南部灌区用水需求大时，一些向北输水的沟渠水量少甚至出现断流，北部的灌溉主要依赖于地下水。另外，农村废弃坑塘多，但与河道、沟渠的连通性差，雨洪调蓄能力弱。可见，地表水系连通是地下水压采补源工程的重要部分。2016—2018年引江水量平均0.26 亿m3/a，供水范围为中心城、濮阳县、清丰县及南乐县。未来规划引江水将覆盖濮阳全境，为濮阳市城乡居民提供稳定、优质的饮用水，置换出的地下水可为农业抗旱提供应急水源。

据濮阳市水利统计年报，截至2018年，濮阳市高效节水灌溉面积占总灌溉面积的26.4%，农业灌溉水有效利用系数为0.57，低于河南省平均水平（0.60），高效节水灌溉建设仍有很大的发展空间[30]。通过建设节水工程，推进计量收费，改变灌区粗放用水方式，增强节水护水意识，实现水资源可持续利用。此外，研究区的城镇中水回用率目前较低，可利用污水厂处理与人工湿地净化相结合的方法，变生活污水与工业废水为再生水，不仅可缓解灌溉用水紧缺，同时还可改善河流与沟渠的生态环境。

为了缓解地下水位持续下降和用水需求不断增长造成的农业灌溉用水紧张形势，本文提出要充分发挥引黄入冀补淀干渠和黄河干流的作用，通过构建坑塘（湿地）-沟渠-河流连通网络体系，提升引黄和雨洪调蓄能力及城镇中水回用率，实现“西水东输”与“南水北调”的双向促进，为跨海河-黄河流域的沿黄城市提供地下水压采补源和农业用水安全保障。此外，加强农业高效节水灌溉，利用丹江水置换也是缓解农业灌溉用水供需矛盾的有效途径。

4 结论

1）2006—2018年，濮阳市浅层地下水位动态变化具有显著的流域性特征。北部（海河流域）的地下水位年际变化呈波动性特征，其中2013—2016年水位急剧下降，下降速率0.48 m/a；南部的年际变化呈显著下降趋势，下降速率为0.11 m/a。北部地下水位通常3—6月下降，7月—次年2月回升，年内的最低值和最高值分别出现在6月和2月，平均年内变幅1.54 m；南部地下水位3—6月先升后降，7—10月地下水位回升，11月—次年2月地下水位下降，4月和10月为年内高水位期，6月为低水位期，年内平均变幅0.71 m。

2）从空间分布看，濮阳市地下水位总体从南向北递减，黄河岸滩地下水位从上游往下游递减。北部存在地下水位异常区且面积呈季节性变化。

3）北部地下水位主要受降水和农业灌溉的影响，地下水位对农业灌溉的响应迅速（几乎无滞后），对降水的响应滞后约6 个月；南部地下水位变化的主要驱动因子是黄河水位，地下水位对其的响应滞后约1 个月。