地下水埋深的影响因素分析及模型研究

2014-03-15李世峰马小雷付丹平

地下水 2014年3期

李世峰，马小雷，付丹平，张希

(1.河北工程大学资源学院，河北邯郸056038;2.河北省资源勘查重点实验室，河北邯郸056038;3.河北省环境地质勘查院，河北石家庄050021)

地下水是邯郸市重要的供水水源，是维系区域生态环境的要素，对保障饮水安全、粮食安全和生态安全等具有十分重要的作用。长期以来，邯郸市地下水严重超采，引发了一系列生态环境与环境地质问题。近年来，邯郸市主城区由于关闭自备井，生活水源主要为外来水源，局部地下水位有上升趋势，对建筑物基础和地下室造成威胁。为避免“养水为患”，本文应用灰色关联理［1－2］论对邯郸市主城区地下水位埋深的影响因素进行分析确定，并利用回归模型对主城区的地下水位埋深进行拟合。为地下水的人工调蓄，地下水管理与保护，促进地下水资源的可持续利用，提供重要依据。为华北平原，地势开阔平坦;西部为侵蚀剥蚀地形，山脉、丘陵、盆地相间，河谷辗转穿越，地表形态差异很大。平原区按成因和形态特征可划分为太行山山前冲积洪积倾斜平原和中东部冲积湖积平原。山前平原沿太行山山麓呈条带状分布，高程在100 m～50 m之间。中东部平原地势低洼，一般海拔在 50 m 以下［3］。

1 研究区背景条件

1.1 研究区概况

邯郸市位于河北省最南部。区域东连山东，南接河南，西靠太行山与山西省为邻，北与本省邢台市接壤。地理坐标为东经 113°28'～ 115°28'，北纬 36°04'～ 37°01'，区域面积为12 047 km2，其中主城区面积100 km2，占总面积的0.8%。

邯郸市地势西高东低，大致以京广铁路为界，东部地区

图1 邯郸市区近六年降水量

1.2 气象

本区属温带大陆性半干旱季风气候区。春旱多风，夏热多雨，秋高气爽，冬寒少雪。多年平均气温13.8℃(1956－2010年)，最高气温42.5℃，最低气温－19℃。多年平均降水量548.9 mm(1956－2010年)。全年降水量的70～80%集中在6－9月，其中又主要集中在7月下旬和8月上旬。多年平均蒸发量1 806 mm(1956－2010年)，季节性冻土深度最大37 cm，无霜期190天左右［3］。邯郸市区近五年降雨量及蒸发量统计如1所示。

2 研究区水文地质条件

2.1 研究区含水层组概况

研究区主要分布第四纪地层，其成因类型、沉积厚度均受基底构造、古地理环境和新构造运动控制。自西向东依次为山前冲积洪积物，中部冲积湖积物和东部冲积物。按地下水含水组划分原则，研究区共划分四个含水组，第Ⅰ、Ⅱ含水组为浅层水，第Ⅲ、Ⅳ含水组为深层水。其中浅层含水层组叙述如下:

(1)第一含水组。含水层属于冲积、湖积成因类型，主要岩性为细砂、粉砂，为潜水－承压水型，底板埋深40～60 m，含水层厚度为10～20 m。

(2)第二含水组。含水层属于冲积、湖积成因类型，主要岩性为中细砂、细砂，为承压水型，底板埋深160～240 m，含水层厚度为20～40 m。

2.2 地下水补径排条件

研究区浅层含水层地下水的补给来源主要有:大气降水入渗补给、河流渠系渗漏补给、灌溉入渗及山前侧向径流补给。地下水径流，由于受人为因素的影响而变得比较复杂。总的径流方向是由西向东，在中部平原转向东北，水力坡度逐渐变小，径流越来越缓慢。在区域内部，由于地下水降落漏斗的影响，地下水径流方向由漏斗外围流向漏斗中心。在常年性河流两岸，形成与河流位置相当的地下水分水岭，由分水岭向两侧径流。地下水的排泄主要是人工开采。

2.3 地下水动态特征

研究区浅层地下水类型基本属于入渗——开采型。地下水埋深年内变化大致情况为3－4月春灌开始，地下水位陆续下降，至6月或7月底出现最低水位，7－8月份降水量增加，开采量减少，地下水位开始回升至年底或来年初达到最高水位。某监测井年内水位埋深变化如图2所示。多年来，研究区浅层地下水随着地下水开采量的不断加大，区域内地下水位有持续下降趋势，但是关闭自备井以来，局部水位有所回升。某监测井年际水位埋深变化如图3所示。

图2 某监测井年内水位埋深变化曲线

图3 某监测井年际水位埋深变化曲线

3 水位埋深影响因素分析

灰色关联是一种不确定性关联，具体的就是系统因子与行为因子之间的不确定性关联。所谓的灰色关联分析是基于行为因子序列的微观或宏观接近，以分析确定因子间的影响程度而进行的一种分析方法。关联分析主要是对态势发展变化做分析，也就是对系统动态发展过程的量化分析。它根据因素之间发展态势的相似或相异程度来衡量因素间接近的程度。

3.1 确定比较数列、参考数列和数列无量纲处理

设:参考数列为地下水埋深，记 X0={x0(1)，x0(2)，…x0(n)};比较数列为降雨量、上年度水位埋深、开采量、水面蒸发量等，记 Xi={xi(1)，xi(2)，…xi(n)}(i=1，2，…n)。参考数列与比较数列数据表见表1。

表1 参考数列与比较数列数据

在灰色关联度计算中，为保证不同物理意义、不同量纲、不同数量级的数据列具有可比性，需要对数据进行无量纲处理，以使数据在统一标准下参加计算。本文采用归一化的方法对数据进行无量纲化处理［4］。归一化处理后数据见表2。

表2 归一化处理后数据

3.2 关联系数计算

Xi(k)与X0(k)之间的关联系数为:

式中:Δi(k)称为第k个时刻X0与Xi的绝对差，Δi(k)=|X0(k)－ Xi(k)|;ρ称为分辨系数，本文取ρ=0.5;miniminkΔi(k)称为两级最小差;maximaxkΔi(k)称为两级最大差.

3.3 关联度计算

采用均值法计算关联度γi

得到:γ1=0.674、γ2=0.753、γ3=0.621、γ4=0.712。

3.4 关联度大小排序

比较数列 Xi={xi(1)，xi(2)，…，xi(n)}(i=1，2，…n)对参考数列X0={x0(1)，x0(2)，…x0(n)}的关联度分别为γi(i=1，2，…m)，按照从大到小进行排序，即得灰色关联序。γi值越大，其影响越大，否则反之。

因而r2＞r4＞r1＞r3，即对地下水位埋深影响程度按大到小排序为前年埋深、水面蒸发、降雨量、开采量。说明该研究区地下水埋深在前年基础上，主要受气候影响，加上近年来，主城区关闭自备井，开采量对地下水位的影响程度有下降趋势，与实际相符。

4 预测模型研究

通过上述内容分析，对地下水埋深影响程大小的因素依次为前年埋深、水面蒸发、降雨量、开采量。利用统计软件spss建立本年水位埋深ht(m)与本年降雨量P(mm)、本年地下水开采量Q开(万m3)、前一年的地下水位埋深ht－1(m)以及水面蒸发量E(mm)间的多元线性回归模型［5－7］，非标准化系数模型为:ht=9.452+0.072ht－1+0.002Q 开 +0.007E －0.013P (3)

方程的显著性检验和拟合度检验结果见表3和表4，数据表明方程通过参数检验。