许昌市地下水位动态变化及影响因素分析

刘晓博，王磊，刘力玮

（华北水利水电大学测绘与地理信息学院，河南 郑州 450046）

0 前言

地下水作为水资源的重要组成部分，是推动中国城镇发展建设、提高广大人民群众的饮水安全、促进生态环境良好改善的一个重要基础性保障。地下水位的动态变化的主要原因在于外界各种环境因素对地下水系统的综合影响，通过研究分析地下水位的动态变化特点，可以帮助了解当地的气候条件和人类活动对地下水系统的影响程度及其变化趋势，也有助于人类正确认识和理解自然界。地下水位是反映地下水动态的重要因素，能够在空间上直接反映地下水资源的分布。随着当前社会经济的进步，人类对地下水资源的依赖性越来越强，地下水的利用量已经大大超过了自然补给量，使地下水循环系统受到威胁，削弱了生态系统的抗干扰能力，威胁到区域的社会经济发展。因此，研究地下水埋深动态规律并分析其影响因素对于当地地下水资源可持续利用有至关重要的现实意义。

许昌市的地表水资源相对稀缺，地下水的综合开发和利用弥补了地表水资源的短缺和不足，提高了各部门行业的供水保障率，为中国社会经济的可持续发展提供了一个良好的基础条件。然而，随着城市的快速进步与发展、人口急剧扩张，人类社会对水资源的依赖程度越来越高，因此很多地区都出现了地下水超采的现象，基于这种现象，研究当地地下水位的时空变化规律，对于了解当地的地下水资源储存总量、科学合理地开发地下水资源、发展区域经济有着重要的意义。

1 研究区概况及数据来源

许昌市位于河南省中部地区（113°03′E～114°19′E，33°42′N～34°24'N）。全市地形西高东低，以平原地区为主，掺杂山地、丘陵和岗地，分别占全市总面积的72.80%、10.40%、16.80%，地处从山地通过丘陵和岗地到平原的过渡地带；地处第四系松散岩系地层，地下水的储藏、富水程度受地形地貌、地质构造、地层岩性和补给方式等的制约；许昌市属于暖温带大陆性季风气候，全市降水由北向南递增，多年平均降雨量为701.10 mm，受境内河流和季风的影响，降水量的年际变动较大，境内河流的丰水期与枯水期水量最高之间相差2.50倍，年降水量的变异系数CV值为0.30，降雨集中在汛期6-9月份（夏季和初秋），占全年累计降雨量的62%以上，蒸发能力远远超过了降雨，属于偏干旱区，多年平均水面蒸发量（913.30 mm）大于降水。

此次地下水位时空动态变化规律的研究是基于许昌市水文水资源局提供的1980-2018年46口水井的地下水位观测数据开展进行的，水井位置的分布涵盖了全市所辖5 个县域，水井位置分布见图1。

图1 观测井位置分布图

2 地下水水位的时空变化规律

2.1 地下水水位的时间变化规律

取46 口井的年平均地下水位绘制许昌市1980-2018 年地下水位变化图，从图2 可以看出，许昌市地下水位呈波荡起伏的趋势，整体上经历了三个上升阶段和三个下降阶段，第一个上升阶段是1980-1983年，上升率为1.34%，但上升率相对来说较小；第二个上升阶段是1985-1995年，上升率为99.94%，上升率大且上升时期持续时间最长；第三个上升阶段为2013-2014年，上升率为76.61%且上升时期持续时间最短，此阶段时间间隔为一年，视为地下水位骤升现象，初步分析与2014年南水北调中线工程通水有关，南水北调中线工程分配许昌市水量为2.26×104m3，一定程度上缓解了许昌市的供水压力，从而使得许昌市地下水位有所上升。在1985年许昌市地下水位达到历史最低，最低值为5.17 m，而随后十年开始回升，至1995年，地下水位上升到10.33 m，达到历史最高。

图2 许昌市1980-2018年地下水位变化图

利用Mann-Kendall秩相关检验法对许昌市地下水年际变化进行进趋势分析和突变状况检验，结果表明：地下水位UFk和UBk曲线大部分处于α=0.05显著水平线之间，说明其变化不显著。UFk曲线在1980-1993年小于0，说明这段时间地下水位呈下降趋势，UFk曲线在1994-2005 年大于0，说明这段时间地下水位呈上升趋势，其他时间UFk曲线小于0，说明地下水位呈下降趋势。UFk曲线在研究期内频繁与UBk曲线在显著水平线内相交，说明许昌市地下水位在1980年、1992年和2003年都有突变点出现且均通过了显著性检验。利用小波进行周期分析，通过小波分析表明，许昌市地下水波动无明显的周期性现象，如图3。

图3 许昌市1980-2018年地下水位M-K曲线图

2.2 地下水水位的空间变化规律

地下水观测井是一群离散性的空间分布点，因此针对数据的离散性，采用空间插值法来探索地下水位的空间变化特征，其中的统计学理论中的克里金插值法是一种被广泛使用的内插法。选用研究区1980-2018年地下水的年平均埋深数据，利用Kriging插值法对46眼监测井地下水位值的数据进行空间插值，在GIS 中进行空间表达，得到1980 年、2000 年、2010 年、2012年、2014年、2016年、2018年地下水位分布图。

从图4 中可以看出，1980-2018 年许昌市地下水埋深整体表现出由西北向东南方向，地下水埋深越来越浅，大部分区域的地下水埋深在8.79 m以下，只有禹州市的地下水埋深基本上处于8.79～14.62 m 之间，在空间上出现漏斗状。1980-2018 以来，禹州市是许昌市地下水埋深最深的地区，1980-2010 年禹州市地下水埋深值在7～11.34 m 之间且呈现较小面积的漏斗状，2012-2018 年禹州市大部分地区的地下水埋深值在7.81～13.17 m之间且漏斗状面积较大，2016年禹州市地下水埋深值在10.93～14.62 m 之间的面积增大，但漏斗状面积较小且地下水埋深最深值达到历年来最大值，为14.62 m；1980年许昌市地下水位埋深最浅的为襄城东南地区和鄢陵南部地区，地下水埋深最浅值为3.08 m，1990-2010年间襄城县是许昌市地下水埋深最浅的地区，此期间地下水埋深最浅值为3.51 m，2012-2018年，襄城东南和鄢陵南部地区成为地下水埋深最浅的区域，地下水埋深最浅值达到最小，为2.17 m，且鄢陵县地下水埋深浅值区的面积较襄城县地下水位低值区的面积大。1980-2018年间，长葛市和建安区地下水埋深处于中间值区域，1980-2010年间长葛西部地区和建安区西北地下水埋深处于中高值区域，2012-2014 年长葛西部地区和建安区西北地下水埋深由中高值区变为中值区，而2016-2018年长葛西部地区和建安区西北地下水埋深由中值区又转变为中高值区。

图4 地下水位时空分布图

3 地下水水位影响因素

3.1 自然因素影响

大气降水是地下水的主要补给来源，其多年的变化规律，会导致地下水位发生相应的变化。许昌市降水具有年内分配不均且年际变化大的特点，该研究对1980-2018 年许昌市降水总量进行分析，该市最大的一次降水出现在1984 年，为1 095 mm，最小一次降水出现在2013 年，为467 mm，相差2 倍多；39 年来，许昌市降水量总体上呈现减少趋势，2000-2012年降水量略有回升，2000-2018 年平均降水量690 mm，略高于39 年平均值680 mm，其中2012 年、2013 年和2015 年为枯水年，降水量分别为476 mm、467 mm 和487 mm。2000、2013年为丰水年，降水量均为1 000 mm。降水量的年际变化规律会影响地下水位动态规律，降雨对地下水位的影响具有主导作用，降雨量的大小、降雨强度对地下水位埋深均会产生显著影响，许昌市地下水位的变化和降水量在时间上的变化基本相一致，但是在一段时间内会稍微有些滞后。分析许昌市1980-2018 年年际降水量及地下水位变化情况，由图5 可以看出，1984 年降水量最大，1985 年地下水位最低，1992-1994 年降水量较小，1995 年地下水位较高，2003-2006 年降水量较多，地下水位有所下降，2011-2013 年连续3 年降水量都非常少，2014年地下水位开始升高。

图5 降水量与许昌市地下水位年际变化图

水文因素对地下水位动态的影响，河流对地下水位动态的影响最大，当河水下渗补给地下水导致地下水位抬升时，其受到影响的程度随着距离的增大而减弱，而影响的滞后期则随距离的增大而逐渐延长。颍河、清潩河是该市的两条主要河流，是该市地表主要的灌溉水源，该市多年平均地表径流量为3.37×104m3，此次分析中这两条河流对该市地下水位的影响较小，因此不予考虑。

3.2 人类活动影响

由于许昌市的地表水资源非常匮乏，因此该市的供水水源主要来自地下水。许昌市的浅层、深层地下水开采量分别为2 764.63 万m3/a、2 157.18 万m3/a，浅层地下水的多年平均开采量高于深层地下水。多年来由于该市对地下水的利用和开采强度过高，使得该市大面积的地下水水位下降，逐渐形成了降落漏斗，漏斗面积年平均达67 km2，随着时间的推进，许昌市降落漏斗面积逐年扩大，至2018年许昌市的降落漏斗面积达160 km2，是该市年平均漏斗面积的2 倍多。地下水降落漏斗可能会产生地质灾害，如发生地面沉降、地裂痕、诱发滑坡等，因此要科学合理地开采地下水资源。

4 结论

研究利用许昌市1980-2018年观测井水位监测数据，绘制地下水位随时间变化的动态曲线、突变特征以及地下水位的空间分布图，分析地下水位时空动态变化规律以及地下水位的影响因素。得到的主要结论如下：多年来，许昌市地下水位总体呈波荡起伏的趋势，动荡幅度较大且未呈现出明显的周期性；许昌市地下水位动态规律随着空间分布的变化而有明显的差异，许昌市整体表现出地下水埋深从西北向东南方向越来越浅的态势；许昌市地下水位动态主要是由降水状况和地下水过度开采所造成，水文因素对该市的地下水位动态影响较小。

研究选取46口井研究整个许昌市地区地下水变化规律，建议在后期研究的过程中补充更多监测点，能够更加综合地反映地下水位动态特性。在深入研究水位动态影响因素的过程中，研究仅分析了人工开采、大气降水以及水文因素对地下水位动态的影响，地下水动态变化是对外界各个影响因子的一种综合反应，建议在之后的研究中增加多因素对地下水位变化影响的探讨。