济南引黄灌区近20年地下水位动态变化及趋势分析

徐淑波，徐立荣，梅泽本

(1.济南大学资源与环境学院，济南 250022；2. 山东省水利勘测设计院，济南 250013)

引黄灌区地下水补给除降水外，引黄灌溉水入渗也是一种非常重要的补给来源。济南引黄灌区位于黄河下游北岸，鲁北黄泛平原南部，引黄控制面积约26万hm2，包括邢家渡、田山、陈孟圈、胡家岸等大中型引黄灌区10余处[1]。在灌区的发展过程中，由于外部环境因素和人工开采的影响，灌区地下水系统循环条件发生了很大变化。而地下水又与生态环境相连，地下水位的变化可引起诸如土壤水盐运动状态、地下水质、植被群落以及生态需水量等生态环境效应[2]。因此，对灌区地下水位动态及趋势进行研究，对于区域生态环境、地下水、地表水合理利用以及农业社会的可持续发展有着极为重要的意义[3,4]。本文以邢家渡灌区为例，利用灌区1986-2013年地下水埋深、降水量和引黄灌溉资料，分析灌区内地下水位动态变化和趋势，为水渠系工程建设、生态环境保护和防治灌区区域性地下水位下降提供科学依据。

1 数据资料与研究方法

1.1 数据资料

地下水动态观测井网是地下水动态研究的基础。选择济南引黄灌区邢家渡典型灌区，综合考虑观测井在该流域的代表性以及资料的完整性与可靠性，结合灌区的水文地质条件及实际情况，选取18眼监测井1986-2013年28年的5日地下水位资料，观测井的位置按网格法布置，以及同时段内相邻气象站点的降水资料和各分灌区管理处提供的灌溉资料。

1.2 研究方法

数据分析主要用SPSS软件，绘图主要用origin和matlab软件。

地下水位趋势检验采用Mann-Kendall检验法 (以下简称M-K方法)。M-K方法通常用来检验趋势的显著性，在水文气象趋势检验分析中得到广泛的应用[5-7]。M-K统计检验如下：

设样本序列为H0为X1，X2，…，Xn，n为时间序列的长度，定义统计量：

(1)

其中：

式中：Xj、Xk分别为j、k年的相应测量值，且k>j；S为正太分布，均值为0；Var(S)为S的为方差，t为任意给定结点的范围。

当n>10时，Zc收敛于标准正态分布，S标准化公式为

(3)

双边检验趋势中，在给定的在双边的趋势检验中，在给定的α置信水平上，若Zc≥Z1-α/2， 原假设H0不成立，即在α置信水平上，时间序列数据存在明显的上升或下降趋势，Zc为正上升趋势，为负下降趋势，|Zc|≥1.28，1.64，2.32时，分别是信度为90%，95%，99%的显著检验。

样本序列为H0为X1，X2，…，Xn，n为时间序列的长度，Sk表示第i个样本Xi≥Xj(1≤j≤i)的累计数，定义统计量：

(4)

在时间序列随机独立的假设下，Sk的均值和方差分别为：

E[Sk]=k(k-1)/4,Var[Sk]=k(k-1)(2k+5)/72 1≤k≤n

将Sk标准化：

(5)

给定显著性水平α=0.05，如果|UF|>α，表示序列有明显变化趋势。曲线中UF或UB的值大于0，则表示地下水位序列呈下降(加深)趋势，小于0则上升(变浅)趋势。当它们值超过临界线时，表明上升或下降趋势显著。如果UF和UB两条曲线出现交点，且交点在临界值之间，那么交点对应的值便是突变的开始。

2 地下水位变化特征

2.1 地下水位年际变化特征

邢家渡引黄灌区1986-2013年地下水年均埋深与年际降水总量、年际引黄总量年序列变化特征如图1所示。

图1 灌区地下水年均埋深、降水总量及引黄灌溉总量变化曲线Fig.1 Curves of annual Groundwater depth,precipitation and Yellow River irrigation

由图1和表1可见，济南邢家渡引黄灌区多年平均地下水埋深范围为1.4～2.6 m，1986-2013年28年来地下水位波动变化，其变化曲线走势主要受年际降水总量和引黄灌溉总量影响，降水量和引黄灌溉水量较高的年份，地下水位较高，反之亦然。1986-1995年地下水位整体波动上升，年际降水量波动较大，水面蒸发量由1 187 mm波动增加为1 351mm，说明1986-1995年引黄量不仅弥补某些年份降水的不足且盈余补充地下水。1996-2013年地下水位整体波动下降，1996-2013年相比1986-1995年平均降水量由547.6 mm增加为586.5 mm，水面蒸发量由1 283.2 mm减少为1 100.7 mm，同时邢家渡灌区，引黄取水许可量由1995年的2.90亿m3依次减少为2000年1.81亿m3、2005年的1.65亿m3和2010年的1.29亿m3，相应的灌溉应水量比例减少，说明虽然降水量增加和蒸发量的减少，引黄灌溉总量的减少是导致地下水位持续减少的主要原因，此外，引水渠系的完善和节水灌溉的实施，使灌溉水利用系数由原来的0.45提高到目前0.58，在减少了引水利用浪费的同时，导致灌区地下水补给量下降。

表1 1986-2013年年均水面蒸发量(蒸发皿直径601 mm)Tab.1 Average annual water surface evaporation of 1986-2013(Evaporating dish diameter is 601 mm)

2.2 地下水位年内变化特征

邢家渡引黄灌区对多年月均地下水埋深、降水量、引黄量年内变化情况如图2所示。

图2 灌区地下水埋深、降水量及引黄量年内月均变化Fig.2 Monthly changes of groundwater depth, precipitation and Yellow River irrigation

由图2可以看出，灌区年内地下水位变化出现两个峰值，主峰值出现在8月份，说明地下水位主要受降水量的影响，6-8月份是灌区主要降水期，占全年降水量的70%，降水下渗补给地下水，使地下水位达到全年最高；次峰值出现在5月份，主要是受引黄量的影响，由于春季小麦返青、拔节、灌浆期需水量较大，而在此期间降水量较小，因此灌区引黄灌溉主要集中在3-5月份，占全年引黄水量的61%。由于灌区土壤质地以壤土、沙壤土为主，透水性较好，春灌剩余水量能快速补给地下水，致使地下水位明显升高。在11月份到次年2月份期间，灌区降水量和引黄量均较低，地下水缺乏足够的补给来源，地下水位达到全年最低。

3 地下水位年际变化和季节变化趋势分析和参数统计特征

为了进一步了解地下水位年序列和季节序列变化趋势，采用M-K趋势分析和参数统计方法进行分析，结果如图3和表2所示。

图3(a)中地下水位M-K趋势分析表明：从多年平均序列来看，地下水位存在较明显上升和下降趋势，如1990-1996年地下水位波动上升明显，显著水平均超过0.05临界线(U0.05=1.96)；2000-2013年地下水位波动下降，尤其是2011年以来地下水位下降明显，显著水平超过0.05临界线。自2000年以来，济南引黄灌区引黄量明显较少，加上受黄河上游小浪底水库调水调沙的影响，黄河河床遭受严重冲刷，使引黄闸前水位多年来无法满足正常引水条件，致使灌区引水困难， 地下水补给量减少导致地下水位明显下降。

综合图3(b)～3(e)和表2可以看出：灌区平均地下水位冬季最低，夏季最高。春季(3、4、5月)地下水埋深变化范围1.53～2.10 m，地下水位有上升趋势但不明显(显著水平小于0.05)；夏季(6、7、8月)地下水埋深变化范围0.51～2.45 m，受降雨量变化的影响，地下水位变化波动大，有升有降。秋季(9、10、11月)地下水埋深变化范围1.75～2.74 m，近十年来年地下水位下降趋势明显，显著水平超过0.05；冬季(1、2、12月)地下水埋深变化范围2.02～2.93 m，2006年以来地下水位下降趋势明显，显著水平超过0.05。

表2 灌区地下水位季节参数统计特征Tab.2 The parameter statistics of seasonal groundwater depth

济南引黄灌区农业种植作物主要是小麦、玉米、棉花等。根据作物生长特点，灌区灌溉需水主要集中在每年3-5月和8-10月份，需水量分别占全年总需水量的61.0%和24.8%。据资料，济南引黄灌区2002-2013年3-5月和8-10月份引黄量分别占全年总引黄量的69.0%和12.6%。春季加之地下水位略有上升，说明地面有盈余水补给地下水，可见引黄量能够满足全灌区农业用水需求，而8-10月份灌区为缓解玉米成熟前旱情或冬小麦播种造墒用水量较大，引黄供水远远不能满足实际需水量，需要大量开采地下水进行灌溉，使得秋季地下水位明显下降，近8～10年春、夏季地表来水对地下水的补给、储备不足，秋、冬季需开采地下水灌溉，导致近些年年均地下水位持续下，今后应适当增加秋季引黄量，缓解水资源供需矛盾。

4 结 语

本文利用济南引黄灌区1986-2013年28年的观测资料，采用M-K趋势检验的方法，对灌区地下水位动态变化特征及趋势分析进行了分析，主要结论有。

图3 灌区地下水位M-K趋势检验Fig.3 The annual and seasonal M-K trend test of groundwater depth

(1)近二十年济南引黄灌区地下水位年际变化趋势主要受年际引黄总量的影响，2002-2013年地下水位波动下降且达到年序列最低；多年月均地下水位变化出现两个峰值，主峰值主要受汛期降水的影响，次峰值主要受春季引黄灌溉的影响。

(2)对地下水位多年序列和季节序列进行M-K趋势和参数特征分析，1988-1999年地下水位呈上升趋势，1990-1996年上升趋势显著，显著性水平超过0.05临界线，2000-2013年地下水位呈下降趋势，主要原因是2000年以来，济南引黄灌区引黄量明显较少，加上受黄河上游小浪底水库调水调沙的影响，灌区引水困难， 地下水补给量减少导致地下水位明显下降。

(3)1986-2013年春季和夏季地下水水位变化趋势不明显，波动不大，而秋季在2003-2013和冬季在2006-2013年近8～10年内地下水位出现较明显下降趋势，秋季、冬季和年均水位持续下降，这是因为近些年秋季灌区引黄供水长期满足不了实际需水量，且雨量减少，需要大量开采地 下水进行灌溉，而春、夏季地表来水对地下水的补给不足，加之秋、冬季需开采地下水灌溉，导致年均地下水位持续下降，今后应适当增加秋季引黄量，缓解水资源供需矛盾。

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