莱州湾南岸浅层地下水特征的空间变异性研究

刘文全，于洪军，徐兴永，陈广泉

（国家海洋局第一海洋研究所，山东 青岛 266061）

土壤盐渍化是制约莱州湾南岸地区农业生产和生态可持续发展的主要障碍因子之一。20世纪70年代开始由于过量开采地下水，该区的咸淡水界面不断向内陆推移（张祖陆等，2007），直接导致地下水水质下降，而农业生产中抽取地下水进行大面积灌溉又对土壤质量产生不利影响，诱发大规模次生盐渍化。土壤盐渍化与地下水关系密切，因此在莱州湾南岸地区开展地下水质量定量分析研究，对地下水质量评估和农业生产具有重要意义。围绕地下水性质与土壤盐渍化的研究国内外开展了大量的工作，有关这方面的研究已有很多详细的文献（刘广明等，2003；陈小兵等，2008；郭全恩等，2010）。

研究表明，地统计学是研究地下水特征空间变异的有效工具（Morio et al，2010），它能解释属性变量在空间上的分布、变异和相关特征（王政权，1999）。国内学者在利用地统计学研究地下水模拟、空间变异方面也取得了很好的科研成果。王水献等（2007）采用地统计学经典理论分析了焉耆盆地不同时期地下水TDS和埋深在时间和空间的变异特征，结果表明地下水TDS和埋深在时间和空间上都存在明显的空间变异性。阮本清等（2008）应用地质统计学方法对宁夏青铜峡灌区地下水水位空间变异特性的研究表明灌区地下水埋深总体上逐年增加，在年内变化上，顺着地下水自南向北的流向，地下水位随灌溉呈周期性涨落变化。买买提等（2010）采用地统计学经典理论分析了伊犁河谷典型区域在不同时期地下水TDS和埋深在时间和空间上的变异特征，结果表明在该地区地下水TDS和埋深在时间和空间上存在明显的变异性。本文以整个莱州湾南岸区域为研究对象，运用经典统计学和地统计学的方法对该区2007-2009年地下水矿化度和水埋深这两个重要指标的空间变异性进行了综合分析与评价，研究成果为莱州湾南岸水盐调控及土壤盐渍化防治提供参考。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

本文的研究区位于莱州湾南岸滨海平原北部，沿海岸近平行分布的东西长约120 km，南北宽度约40km的带状区域。地理位置介于118°38′-119°50′E，36°45′-37°15′N 之间。该区属于暖温带半湿润季风型大陆性气候，降水量较少，海洋性特征并不明显。光照充足，热量丰富，雨热同期，四季分明，全年平均气温一般在11.5℃～13℃；多年平均降雨量为670～800 mm，年内降雨分布不均，雨量多集中在6月下旬至9月上旬，占全年的70%～80%；蒸发强烈，蒸散量大，全区干旱系数一般在1.2左右。研究区地势南高北低，作物种类北部以棉花为主，南部主要是小麦和玉米，土壤类型主要以潮土与盐化潮土两类为主。

1.2 研究方法

1.2.1 样品采集

本文主要通过对农用水井的监测来分析地下水特征变化，根据研究区地势南高北低及当地植被覆盖等特点对监测井进行选择。共监测水井63口，具体位置如图1所示，监测时间为2007年、2008年和2009年连续3年时间，监测频率为每月一次，进行地下水埋深测量和地下水取样，各监测井坐标采用差分GPS定位技术确定。本文所用数据为每年的监测均值，取样方式为地下水矿化度：现场取水样置于100 mL塑料瓶中，在冰箱中保存，用重量法测定（HJ/T 51-1999）；地下水埋深：利用平尺水位计（北京西化仪科技有限公司，CN61/DDZ300）测量地下水的埋深，这是目前测量地下水埋深最精确的仪器，其原理是仪器平尺前端的探头设有针式水位传感器，当探针接触水面时将触发卷轮内的声光报警器，从而通过平尺上的刻度来指示水面距离地面的深度。

图1 研究区地下水取样点位分布

1.2.2 数据处理

数据处理采用了统计软件SPSS 18.0和地质统计学软件GS+V9.0，地下水埋深及矿化度空间分布图的绘制采用ArcGIS 9.3软件。

1.2.3 地统计学分析方法

地统计学方法是在经典统计学基础上发展起来的空间分析方法，此方法不仅能够有效提示属性变量在空间上的分布变异特征，而且能够有效解释空间格局对生态过程与功能的影响。变异函数是以区域化变量理论为基础，分析自然现象空间变异和空间相关的统计学，是地统计学的基本工具。其理论模型公式为（王政权，1999）：

式中：r（h）为变异函数；h为步长，即样点空间间隔距离；N（h）为抽样间隔为h时的点对数；Z（xi）和Z（xi+h）分别是变量Z在空间位置xi和xi+h上的取值。

2 结果与分析

2.1 地下水特征的描述性统计分析

地下水矿化度和埋深的统计特征值如表1所示。由于变异函数的计算一般要求数据符合正态分布，否则可能存在比例效应（李哈滨等，1998）。进一步通过K-S法进行正态检验（P＜0.05，2-tailed）发现地下水埋深符合正态分布，变异函数计算采用原始数据；地下水矿化度经对数转化后符合近似的正态分布，变异函数计算采用对数转化后的数据。

表1 地下水埋深及矿化度含量的统计特征值T

从变幅来看，二者的变化幅度均较大，2007年矿化度最大变幅为18.82 g/L，2008年埋深最大变幅达到38.08 m。从平均值来看，2007-2009年地下水矿化度和埋深比较稳定，变幅不大；地下水矿化度均值均大于2.3 g/L，按照地下水矿化度划分标准，属于微咸水；除少数井的矿化度＞3 g/L（咸水），绝大多数监测井矿化度值属于微咸水和淡水范围。从变异系数来看，2007-2009年地下水矿化度在水平方向的变异强度均超过100%，属于强变异强度，其中2007年超过150%，造成这种现象的原因在于区内地质背景条件、海咸水入侵等自然条件影响；地下水埋深的变异系数均介于10%～100%之间，属于中等强度的变异，这主要是受农业灌溉、土地利用方式以及耕作方式差异等因素的影响。

2.2 地下水特征的空间变异趋势分析

图2和图3为地下水矿化度和埋深空间分布趋势图，X-Z和Y-Z投影面上曲线分别表示东-西向和南-北向全局性趋势效应变化情况，X-Y投影面上的散点表示采样点的二维平面空间分布。对趋势效应的处理办法一般是在半方差/协方差函数建模时去掉趋势效应，而在克立格预测时再把趋势效应追加回来（姚荣江等，2007）。在本文中，尽管地下水矿化度和埋深的偏、峰度检验结果均呈正态（或对数正态）分布，但都表现出明显的趋势效应，显然本研究中趋势效应的分析已不容忽略。

图2 地下水矿化度趋势效应分析

图3 地下水埋深趋势效应分析

从图2可以看出，地下水矿化度从西向东呈逐渐增加趋势，呈比较微弱的二阶趋势效应；而在南北方向二阶趋势比较明显，南部低，北部高，这主要是受地质背景条件、海咸水入侵等自然条件影响，靠近莱州湾的位置数值较大。从图3中可以看出，地下水埋深在东西方向和南北方向都呈现较明显的二阶趋势效应，其中南北方向变化比较大，呈倒“U”型的抛物线变化，这主要是在莱州湾南岸地区有几个地下漏斗区，使得中间位置地下水比较深，而越往南部地区，受地势的影响，地下水埋深数值逐渐升高。从这里可以看出，随着埋深的增大，矿化度浓度值逐渐减小，二者在空间上具有一定的关联性。

2.3 地下水特征的空间变异分析

由于经典统计学方法只能揭示地下水矿化度和埋深变化的总体，不能反映样本的独立性，解决这一问题的方法是研究其空间变异的结构性，即应用地统计学的方法研究地下水埋深和矿化度的空间变异结构。

变异函数揭示了整个尺度上的空间变异，随间隔距离h的增大，变异函数r（h）从非零值达到一个相对稳定的数值，该数值称为基台值C0+C，表示系统内总的变异，其中C0为块金值，表示由试验误差和小于试验取样尺度等随机部分引起的空间异质，较大的块金值表明较小尺度上的某种生态过程不可忽视。块金值（C0）与基台值（C0+C）之比表示随机部分引起的空间异质性占系统总变异的比例；比值小于25%，说明具有强烈的空间相关性，比值在25%～75%之间，说明为中等空间相关，比值大于75%，说明具有较弱的空间相关性（侯景儒等，1998）。变程а反映属性因子的空间自相关范围的大小，与观测尺度及其取样尺度有关，在变程之内，变量具有空间自相关性，反之不存在。表2是通过计算得到的地下水矿化度和埋深的半方差函数拟合理论模型及其参数，模型参数采用交叉验证法进行修正，直至达到所需要的要求。图4为地下水矿化度和埋深均值的半方差函数图，二者均符合球状模型。

由表2可见，2007-2009年地下水矿化度和埋深的半方差函数理论模型均符合球状模型。从块基比（C0/（C0+C））的比值可以看出，除2009年地下水埋深的块基比略大于25%外，其他时间内地下水矿化度和埋深在研究尺度上具有强烈的空间自相关；其中，地下水埋深的块基比接近25%，大于矿化度的块基比值，这种现象与研究区的实际情况完全符合，地下水矿化度和埋深主要受地质背景、地形地势及海咸水入侵等自然因素影响，人为影响较小。地下水矿化度的空间相关距离均为20 km左右，而地下水埋深的空间相关距离则集中在11 km左右，说明在研究区内地下水矿化度主要受自然因素影响较大，而埋深除受自然因素影响外还受到部分人为因素（灌溉和种植制度等）的影响。由于分维数D表示变异函数r（h）曲线的曲率大小，因此，D值越大，由空间自相关部分引起的空间变异性越高。D值是一个无量纲，因此可以对不同变量的D值进行比较，以确定空间变异性程度。地下水矿化度和埋深的分维数D值都较高，均超过1.8，说明空间自相关部分引起的空间变异性高，这点也从块基比的值得到验证。

表2 地下水矿化度和埋深的半方差模型及参数

图4 地下水矿化度和埋深均值的半方差函数图

2.4 地下水特征的空间分布

基于经过对数转化的地下水矿化度数据及原始埋深数据，结合普通克里格插值分析方法，选取二阶趋势参数并考虑各向异性，绘制了莱州湾南岸地区浅层地下水矿化度和埋深的空间分布图（图5、图 6）。

从图5中可以看出地下水矿化度在空间分布上具有相似性，基本为北高南低趋势，矿化度含量从海边逐渐往内陆地区降低，东南部和西南部含量最低。出现这种现象主要是因为沿海一线受海咸水入侵影响，特别是中间的寒亭区与昌邑市交界的区域，矿化度值有向内陆延伸趋势，这主要是该区域分布众多盐场，过度抽取地下卤水导致海水沿河道入侵造成。东部地区受胶莱河和潍河两大淡水河流的影响，沿着河流延伸方向地下水不断得到补充，弱化了地下水矿化度浓度，因此含量较低，达到淡水水平。

图6 地下水埋深的空间分布图

从图6中可以看出，2007-2009年地下水埋深同样具有空间分布的相似性，莱州湾南岸沿海一线、东南部和西北部地下水埋深较浅，昌邑市区和西南部埋深较大，这主要是由于东南部地区靠近胶莱河潍河两大河流，经常对地下水进行补给，从而抬高了地下水位；沿海一线则主要受地势影响，地下水埋深较浅；西南部地区靠近南部的山区，地势较高，因此地下水埋深较大，最高达到39.79 m。

3 结论

（1）研究区地下水矿化度和埋深的均值较高，地下水矿化度均值属于微咸水；地下水埋深服从正态分布，地下水矿化度符合对数正态分布；二者变异系数较大，其中矿化度达到强的变异强度，而埋深则属于中等变异强度。

（2）地下水矿化度和埋深在东西和南北两个方向都呈二阶趋势效应，地下水埋深二阶趋势较明显；二者均符合球状模式分布，具有强的空间自相关性，受自然因素影响加大，人为影响较小。

（3）受地形地势影响，2007-2009年地下水矿化度表现出离海岸线距离越近而越大的规律，地下水埋深表现为西南部较深，而东南部和西北部较浅；地下水埋深和矿化度空间分布具有一定的相关性，表现为埋深越大矿化度越小的规律；地质构造、河流及海水入侵等自然因素作用是形成该空间格局的重要因素。

Morio M，Finkel M，Martac E，2010.Flow guided interpolation GIS-based method to represent contaminant concentration distributions in groundwater.Environmental Modelling&Software，25：1769-1780.

陈小兵，杨劲松，杨朝晖，等，2008.渭干河灌区灌排管理与水盐平衡研究.农业工程学报，24（4）：59-65.

国家环境保护总局标准，2000.水质-全盐量的测定-重量法（HJ T51-1999）.

郭全恩，马忠明，王益权，等，2010.地下水埋深对土壤剖面盐分离子分异的影响.灌溉排水学报，29（6）：64-67.

侯景儒，黄竟先，1998.实用地质统计学.北京：地质出版社.

李哈滨，王政权，王庆成，1998.空间异质性定量研究理论与方法.应用生态学报，9（6）：651-657.

刘广明，杨劲松，2003.地下水作用条件下土壤积盐规律研究.土壤学报，40（1）：65-69.

米日姑·买买提，海米提·依米提，古丽娜尔·托合提，等，2010.伊犁河流域地下水埋深与TDS时空变异及水化学特征分析.水土保持学报，24（2）：174-178.

王水献，王云智，董新光，2006.焉耆盆地浅层地下水埋深与TDS时空变异及水化学的演化特征.灌溉排水学报，26（5）：90-93.

王政权，1999.地统计学及其在生态学中的应用.北京：科学出版社.

姚荣江，杨劲松，2007.黄河三角洲地区浅层地下水与耕层土壤积盐空间分异规律定量分析.农业工程学报，23（8）：45-51.

阮本清，许凤冉，蒋任飞，2008.基于球状模型参数的地下水水位空间变异特性及其演化规律分析.水利学报，39（5）：573-579.

张祖陆，王琳，2007.莱州湾南岸咸水入侵区土地利用/覆被变化驱动机理研究.地理科学，27（1）：40-44.