美国西南干旱地区可持续地下水管理

[美国] B.F.托马斯 等

美国西南干旱地区可持续地下水管理

[美国] B.F.托马斯 等

可持续地下水管理需要评估气候和管理活动对地下水系统演变的影响。 利用传统的连续性方法评估地下水可持续性，无法掌握含水层响应空间变化。 为弥补这一不足，研究了加州柯契拉谷的地下水位资料，考虑到该河谷实施了综合管理策略，研究在地下水可持续框架下进行。 详细介绍了所采用的创新方法，即利用传统统计方法深化对含水层响应的理解。评估了单个地下水观测井的变化趋势，利用区域显著性分析了区域地下水特性。检验表明，在1973年开始的大强度地下水补给时段内，尽管单个观测井空间变化趋势明显，但区域地下水位变化趋势并不明显。 说明了长期地下水消耗背景下补给效果存在空间局限性，提出应关注利用综合管理策略进行可持续地下水管理。

干旱地区；地下水；可持续管理；地下水趋势；统计分析；美国

1 概述与背景

地下水约占不冻淡水的90%，为超过20亿人口提供重要的淡水资源。 资料表明，全球范围内，包括美国，不可持续地下水的利用减少了地下水储量，对地下水资源满足未来水需求的关注度不断增加。

为评估地下水可供水量，使用了安全开采量这一概念，其定义是维持含水层储量条件下含水层可开采的最大水量。 2004年，有学者提出了含水层可持续概念，将其核心由年补给和年取水量转移到取水时间模式和地下水特性。 他们认为，地下水监测为测量自然及人类活动对地下水资源影响的一种手段。 加州柯契拉谷(Coachella Valley)覆盖广泛的测井站网，这为评价复杂且严格管理的地下水系统、评估地下水系统对自然和人类活动的响应提供了可能。

资料表明，加州部分地区大量使用地下水，使得地下水储量减少，由此产生了诸如地面下沉、含水层压密等后果。 观测资料表明，在柯契拉谷，1936～1967年地下水抽取量增加10倍，含水层水位下降30 m或者更多，棕榈泉附近地下水位平均每年下降1.5 m，地面每年沉降速度高达6 mm。 目前柯契拉谷地区水务部门正在对地下水资源进行有效管理，对地表水配置、地下水抽取、水再利用和地下水储库进行综合安排。

研究分析了地下水位历史资料，总结了影响含水层系统特性的地下水管理特点和气候特征。 之前的研究利用遥测资料评估了区域含水层特性，但是没有考虑局部地下水特性。 考虑到水文时间序列常常为非正态分布，使用非参数分析方法比较理想，本文利用非参数趋势分析评估了单个测井以及区域地下水特性。 潘达等人于2007年首先使用该方法分析了地下水特性。 此次研究扩展了之前的区域地下水位趋势评估研究，并考虑了地下水位互相关。 评测含水层管理成效的目标是：①研究地下水位趋势，评估地下水管理和气候的影响；②评价区域地下水特性，并考虑空间相关和序列相关；③检验研究成果在地下水可持续框架下的意义。

2 研究区域

柯契拉谷位于加利福尼亚州南部，西北走向，北邻圣贝纳迪诺(San Bernardino)山脉，南接索尔顿(Salton)海。 索尔顿海槽是一种脊转换断层系统，来自科罗拉多河的三角洲沉积物填充于其中，据报道，其深度高达3 700 m。 主要含水层系统分为上半区(基准标高以下45～90 m)和下半区(基准标高以下90～180 m)，半承压层贯穿整个含水层。

由于地质控制和多个水务机构管理含水层的综合作用，谷区含水层响应是不同的。 包括圣安德烈亚斯(San Andreas)断层带在内的结构性地质特征因其阻碍水流而影响地下水响应。 尽管柯契拉谷水区、柯契拉水务局、沙漠水务局、印第欧(Indio)水务局和米申(Mission)泉水区等多家水务机构之间存在密切联系，但是每个机构对于取水的管理是不同的。 之前的地下水评价将该区域分为上白水流域和下白水流域，描述了柯契拉运河1949年竣工后流域地下水位上升和下降的情况。 区域水规划(MWH 2012)继续通过将白水流域分为上白水流域和下白水流域来评价地下水管理。基于研究目的，评价了白水流域地下水特征，同时，为适应现有的管理结构，评价了上白水流域和下白水流域地下水特征。

就流域水文气候特征而言，该区域属于典型的美国南部干旱区域。 谷底区域年均降水量为80～100 mm，而山区年均降水量高达800 mm。 在典型的干旱地下水系统中，天然地下水补给仅限于亏水河诱导补给和河谷边缘补给。 研究表明，谷区含水层地下水补给源为降水及来自于周边山区的径流，据估算，白水流域年净天然补给量为4 440万m3。 截止到1999年，每年的地下水总抽取量为46 380万m3，大约为估算天然补给量的10倍。 人口中心集中在上白水流域，如棕榈泉地区，其总需水量的92%依赖地下水。 下白水流域主要是农业，其总需水量的36%依赖地下水。 从1973年开始，为了弥补天然补给的不足，利用地表水对上白水流域和下白水流域进行人工补给，补给水来源于《加州水计划》的调水量以及《定量调节协议》中规定的科罗拉多河分配水量。

3 方 法

3.1 数 据

各水务机构设立了观测井测量并记录地下水位的变化。 地下水位观测次数每年大约为4次，然而，由于没有正式生效的观测计划，观测次数并不是固定的。 本文选取了1960～2013年的资料，并将数据分组，从1960年开始，每10 a一组。 进行了单个地下水观测井趋势分析，观测井选取要求为5 a期间内观测数据超过10个(用于10 a期分析)、且1960～2013年时间段内至少25 a内超过30个观测数据。

分析了独立斜率参数-高程回归模型项目(PRISM)中的降雨数据，评价了研究区域4 km分辨率网格年降水数据。

针对此次研究，分析了1910～2010年的数据，分析结果表明，实测地下水位趋势主要受10 a期平均降水量特征的影响。

3.2 假设检验

理解地下水动态是实现可持续地下水管理的关键环节，这一环节包括对响应天然和人类活动影响的地下水特性的时空变化进行评估，利用多种方法评价了地下水动态，包括时间序列分析、地下水径流模拟模型和遥测遥感等。 但这些方法也存在局限，即不能评价局部地下水特性。 本文利用MK趋势检验评价局部地下水特性，扩展后利用区域显著性评价区域地下水趋势。

3.2.1 MK趋势检验

之前的地下水研究，主要讨论地下水/地表水相互作用变化的特点，或者探讨气候变化对地下水系统的影响。 MK趋势检验分析地下水趋势这一方法一直都用于水质数据，直到最近才应用于地下水位的分析。 非参数方法更适用于非正态分布数据，避免了线性回归中相关残差的复杂性，可以利用类似于预白噪声化的各种转换进行校正，如Cochrane-Orcutt 转换或者Hildreth-Lu转换等。

MK趋势检验是一种非参数、基于秩次的方法，用于评价时间序列中存在的趋势。 检验根据按时间进行排序的数据进行，并评价每一个连续数据点。 检验的统计量S计算如下式：

(1)

式中，x为时间i和j的数据点，如果xj>xi，sgn(xj-xi)为1，如果xj

E(S)=0

(2)

如果考虑秩相等的情况(xi=xj)，统计量S的方差计算如下式：

(3)

式中，ti表示序列长度i中秩相等的数量。

用Sen斜率估计量(b)估算趋势度如下式：

∀j>i

(4)

式中，Y为时间X的实测地下水位。

3.2.2 区域显著性

区域显著性，表示区域特性显著性的术语，用来评价整个柯契拉谷的10 a期趋势。 之前评估区域地下水特性使用的方法是齐性检验，这种分析为汇集单站趋势提供空间资料，但是不能评价整个含水层系统的统计特性。 区域显著性检验利用单井特性确定区域趋势，检验结果与用拔靴(bootstrap)法获得的可能是偶然的趋势进行了比较。 检验过程受序列相关影响，包括单站地下水观测时间序列的时间相关和空间相关，即地下水测井位置之间直接水力联系导致的空间关系。

针对空间相关，学者们解释说明了空间相关在解读趋势中的重要性。 他们举例说明了位置相关违反评价区域趋势显著性时的独立性假设。 此次研究评价了位置之间存在直接水力联系的地下水观测数据的趋势，假定位置相关需要使用其他方法评价区域显著性。

使用靴化法评价区域显著性。 该法包括重新抽样以获得样本，根据所获取的样本估计统计特性。 这里使用的拔靴法包括对地下水观测数据进行N次重新抽样，利用肯德尔统计量S的平均值 估计统计性质，其计算公式如下：

(5)

式中，Sk为m个测井中第k个井的肯德尔统计量S。 零假设为：空间不相关且独立的估计值Sk无趋势，因此，E(Sm) = 0。 对于N个拔靴样本，建立Sm经验分布函数，确定区域显著性。 利用威布尔经验频率绘制共10 000个样本(N=10 000)，则

(6)

式中，r为拔靴结果的秩。

针对空间相关，水文数据常常呈现序列相关，违背序列独立性假定，可能在无趋势存在的情况下拒绝无趋势假设。 有学者建议对数据进行预白噪声化处理，消除时间序列的序列相关。 最简单的方法是通过消除一阶自相关进行预白噪声化处理，其假定数据由一阶自回归模型生成，计算公式如下：

(7)

式中，Yt为时间t时的原始地下水观测值，r1为一阶自回归。 有学者举例说明了“TFPW”预白噪声化处理方法在评价趋势显著性时效果较好。 按照该方法，需要估计并消除Sen斜率趋势、消除一阶自相关关系、重新估计时间序列的斜率趋势。 其他研究包括利用类似方法估计径流量趋势、降水量趋势或者蒸散发趋势。研究的目的并非评价各种预白噪声化处理的特性，相反，在之前趋势评价研究成果的基础上评价了TFPW方法。

4 结 果

4.1 10 a期趋势

对10 a期的分析结果(20世纪60～21世纪初)进行了统计，趋势度用Sen斜率估计量(见公式4)估算。 利用普通克里格法对单个井趋势度进行插值，评价趋势空间特性，这一空间估算方法可以最大限度地减少误差方差。 在该研究成果中，利用地表水补给、地下水利用以及降水量等历史资料分析了10 a期地下水特性。

4.1.1 20世纪60年代

上白水流域呈现明显的反向趋势，原因是农业增产以及20世纪60年代棕榈泉地区人口增长55%，而上白水流域依赖地下水满足用水需求，导致地下水抽取量增加。

索尔顿海附近的下白水流域，其地下水位略呈正向趋势。 柯契拉运河1949年竣工，柯契拉河经该运河向下白水流域输送灌溉水，减少地下水抽取量，满足用水需求，可能导致了地下水的正向响应。

4.1.2 20世纪70年代

20世纪70年代人口增长以及农业快速增产导致地下水超采。 柯契拉谷大部分观测井(85%)呈现反向趋势。 然而，趋势度空间插值图显示，下白水流域部分观测井呈现中性趋势或者略呈正向趋势(23 %)。 随着白水河流域恢复雨水径流配置和地表水配置，上白水流域1973年开始实施地下水补给，直到1979年，系统补给率达到最低，这一措施可能对这10 a期内的地下水位产生局部影响。

4.1.3 20世纪80年代

随着上白水流域补给配置增加，局部地下水位呈现抬升趋势。 整个柯契拉谷区域大约有40%测井的地下水位呈正向趋势，而上白水流域大部分测井地下水位呈正向趋势(62%)。 上白水流域补给地下水的地表水配置增加，可能是由于科罗拉多河水量配置增加以及这一10 a期降水量高于多年平均值引起的。 下白水流域，尽管利用柯契拉运河进行灌溉，地下水位依然呈现反向趋势。

4.1.4 20世纪90年代

空间趋势表明，柯契拉谷区域地下水补给情况是不一致的且效果也有限。 上白水流域补给地下水的地表水配置增加，使得大约28%的观测井地下水位抬升。 另外，下白水流域试点补给研究表明，谷区东部区域产生了正向含水层响应，大约16%的观测井呈现正向趋势。 谷区大部分区域地下水位明显下降，表明地下水超采空间变化大。

4.1.5 21世纪初

21世纪初，美国东南地区遭受长时间干旱，影响了含水层天然补给能力。 干旱还影响了补给地下水的地表水引水，为满足灌溉需求和城市水需求，可能导致地下水开采增加。 气候条件和地下水持续开采的共同影响导致了这一10 a期的地下水超采。

4.1.6 1960～2013年

为解决地下水超采问题，水务部门开始实施地下水补给，同时实施水再利用和地表水引水。 从2009年开始，柯契拉谷水分区基于《定量调节协议》订立的各种协议，增加了用于上白水流域地下水补给系统的地表水配置量。 1960～2013年地下水位特性说明了人工补给地下水抬高地下水位的效果。分析表明，在谷区中部区域地下水位每年急剧下降高达2 m的情况下，地下水补给的空间影响是有限的。

4.2 区域显著性

根据区域趋势评估，可以进行基于含水层的可持续地下水管理评价。 在4.1节中，讨论了10 a趋势，为说明地下水特性提供了令人信服的可视证据，但不能用这样的方法检验区域地下水趋势的显著性。 为解决这一问题，评价了单站假设检验的区域显著性，以确定区域趋势的显著性。 在该分析中，零假设为：在0.05显著性水平下，不存在区域趋势。

分析TFPW数据的区域显著性表明，20世纪60年代、90年代和1960～2013年整个研究周期存在不显著趋势。 整个白水流域20世纪70年代和21世纪初存在明显趋势，下白水流域20世纪80年代和21世纪初存在明显趋势，上白水流域21世纪初存在明显趋势。

补水设施附近正向地下水位趋势以及谷区中心部分反向地下水位趋势相互交织，使得整个研究周期内地下水位无明显趋势，凸显了可持续地下水管理评价过程的复杂性。

地下水空间分布特性以及研究成果所展示的趋势度对区域趋势都具有影响。 例如，20世纪80年代这一10 a期。 在上白水流域，地下水补给活动有效地抬升了地下水位，含水层西北部分呈现正向地下水位趋势，而上白水流域西南部分地下水位呈现下降趋势。 交织出现的上升趋势和下降趋势，导致上白水流域无明显区域趋势。 下白水流域整个区域呈现明显的反向趋势，且具有明显的区域趋势。 分析表明，研究周期内情况类似，说明了地下水补给活动对于实测地下水特性的影响。

5 讨 论

为满足区域用水需求，柯契拉谷地下水长期超采，超采历史可追溯到20世纪初。 目前，该区域依赖地下水、科罗拉多河配置的地表水和再利用水支撑包括农业生产、高尔夫球场和旅游业在内的经济活动以及包括印第欧和棕榈泉地区等人口中心地区的用水。

研究结果表明，地下水补给措施对于谷区地下水超采的缓解程度不一，补水设施附近的观测显示，地下水位由反向趋势向正向趋势转变；而其他区域，特别是河谷区中心区域，地下水依然处于超采状态。 21世纪初的干旱以及地表水配置量减少，对地下水位影响很明显，出现了大范围的地下水位反向趋势。 本文的区域显著性分析表明，21世纪初存在显著趋势，这一趋势凸显了区域地下水管理对利用地表水配置补给地下水的依赖。 在长期地下水趋势统计评价中，该研究成果未发现显著趋势，这一结果表明，地下水补给有效抬升了局部地下水位。

为了说明整个柯契拉谷的地下水位特性，计算了每一年的平均地下水位。 对于每一个区域，根据每个测井的观测次数以及研究期内观测到的变化的地下水观测井数量计算年均地下水位。 作为参照，将该平均地下水位与1960年的平均地下水位进行了对比。 在分析中，提供了单站平均地下水位，分析认为，单站水位不能代表地下水位的空间和时间特性。 然而，该分析对年均地下水位特性所做的比较是有价值的，有助于理解气候及区域水管理影响引起的含水层系统演变。

上白水流域平均地下水位特性表明，20世纪60～80年代期间地下水储量快速消耗，相反，下白水流域之前地下水位呈下降趋势，大约从2010年开始，储量呈正向趋势。 在上白水流域，1980年的地下水特性变化，可能是降水量超过平均值和上白水流域地下水补给量稳定增加共同造成的。 相反，由于美国整个西南地区出现长期干旱，下白水流域地下水储量呈现下降趋势，且2000年储量出现急剧下降。 大约2007年出现的平均地下水位特性变化，与该区域实施的试点地下水补给相吻合，根据试点方案，2009年下白水流域安装了补水设施。

包括与河谷区外水务机构订立的协议在内的多项水管理决策，使得该区域可以利用科罗拉多河配置地表水进行地下水补给和灌溉，减少了抽取地下水的需求。 另外，教育和折扣方案等保护工作缓解了需求。 尽管做了上述种种努力，平均地下水位大约为19 m，低于1960年的水平。

地下水可持续性需要的远不止有些学者提出的“含水层零净抽取”状态。 有研究表明，地下水超采，依然可伴随由于地下水补给导致的局部地下水位正向响应。 区域显著性结果证实了地下水补给活动的积极影响，但是，在进行大量补给的几十年内，未见明显的区域趋势。 相反，统计评价结果表明，21世纪初呈现显著区域特性，这一结果与美国西南地区干旱以及补给量减少相吻合。研究显示地下水补给取得了一定效果，平均地下水位下降得到遏制。

21世纪初的10 a中，该地区并未得到大量的地表水补给，而20世纪80年代的10 a中，该地区获得大量地表水补给，比较两个10 a期可以看出，在长期地下水消耗的背景下，地下水补给空间效果是有限的。 研究显示，该地区不可持续的地下水措施，导致地下水位随着地表水配置量减少而下降。 在地表水可以自动流入该区域的时段内，地下水位抬升，但未发现显著的区域地下水趋势。 实测地下水动态没有显现具有活力的管理策略的特征。 该地区长期的不可持续地下水利用，严重依赖地下水资源满足用水需求，对该地区造成了严重影响，特别是在未来气候变化存在不确定性、干旱可能加重以及科罗拉多河未来配置量不确定性的情况下，这种影响显得尤为严重。

6 结 论

柯契拉谷水资源综合管理的目标目前已经达成，综合水管理远不止解释地下水预算的来龙去脉那么简单。该研究分析成果可以用来评估地下水可持续性框架中的监测部分。 利用单站以及区域MK检验进行了时空分析，尽管这些方法在检测地下水时间序列趋势方面可能存在一些限制，但是分析确定了外部因素，如气候和水管理决策等，就柯契拉谷而言，这些决策包括利用科罗拉多河配置量进行灌溉和地下水补给。 本文研究方法简便，方便讨论地下水特性和地下水管理影响，有助于实现柯契拉谷地下水可持续过程中的评价以及利益相关者的参与。 另外，利用常规水文学方法进行的时空分析，考虑了管理措施、气候以及地下水利用等因素，对确定未来地下水可持续性行动及制定长期可持续目标进行了剖析。 尽管法律关系复杂的各种协议保证了地下水补给和灌溉所需的地表水配置量，但地下水超采的空间格局依然明显。

朱庆云 译

(编辑：朱晓红)

1006-0081(2017)01-0029-05

2016-10-17

S273.4

A

朱庆云，男，江苏省水文水资源勘测局南京分局，高级工程师，主要从事站网及水文分析计算工作。)