松辽平原浅层地下水降落漏斗演变及控制因素分析

2019-08-27吴昊晨鲁程鹏

人民珠江 2019年8期

邱磊，孙龙，于钋，吴昊晨，鲁程鹏

(1. 河海大学水文水资源学院，江苏南京 210098；2.水利部信息中心，北京 100053；3. 松辽水利委员会水文局黑龙江中游水文水资源中心，黑龙江佳木斯 156499)

地下水是水资源系统中的重要组成部分，是支撑经济社会发展的重要自然资源，也是维系良好生态环境的要素之一，地下水的开发利用在国民经济建设和社会发展中占有十分重要的地位[1-2]。但是在地下水的使用过程中，由于部分区域地下水集中大量无序开采或者开采布井不合理，在开采过程中形成地下水超采区[3]，地下水超采引发了含水层疏干、泉水断流、地面沉降、熔岩塌陷、海(咸)水入侵、水质恶化等一系列环境地质问题，给人民的生产生活带来了严重危害[4-5]。

2017年6月，农业部、水利部等六部委联合印发的《东北黑土地保护规划纲要(2017—2030年)》指出，近年来东北地区水稻面积逐年扩大，地下水超采严重[6]。辽宁省辽河地下水利用程度达80.2%，是东北地区开发利用程度最高的河流，几乎所有的大中型城市均存在着严重超采现象，形成了大面积的地下水降落漏斗，引发一系列环境地质问题[7]。准确分析近年来东北松辽平原浅层地下水变化及影响因素具有重要意义。

地下水分布的时空变化不仅能够反映含水层功能变化，还可以反映地下水系统的变化趋势及人类活动对其影响程度，随着地理信息系统的发展，基于地质统计的空间统计分析方法已经成为描述地下水分布的有力工具。地下水数值模拟[8]、灰色关联度[9]、主成分分析[9-10]、回归分析[11-12]等方法在分析地下水动态影响方面也都有广泛的应用，其中灰色关联度方法是一种成熟的多因素统计分析方法，研究表明该方法能够很大程度减少由于信息不对称带来的损失。本文收集2005—2015年以来松辽平原浅层地下水监测资料，通过空间分析得到浅层地下水埋深的分布与变化特征，并采用灰色关联度的方法定量评价影响浅层地下水动态变化的控制因素。

1 松辽平原地下水超采现状

松辽平原地区包括辽宁、吉林、黑龙江三省和内蒙古自治区东部的呼伦贝尔市、兴安盟、通辽市和赤峰市，与松辽流域的松花江区和辽河区2个一级水资源分区基本吻合，因此，亦可用松辽流域代表东北地区总面积。该区是中国著名的粮食基地，无论是现在还是将来，在保障国家粮食安全方面，都具有不可替代的地位。中华人民共和国成立以来，东北地区农耕规模飞速发展，特别是20世纪70年代中期以来，东北地区耕地面积持续增加。松辽流域地表水资源的开发利用程度偏低，地下水资源的开采率较高。松嫩平原和辽河平原处于超采状态(表1)，地下水资源的开发潜力已经非常有限，一些用水量较大的城市，由于过量开采地表水，致使地下水水位下降，形成了地下水位降落漏斗，对水资源的正常循环产生了不利影响。

表1 松辽平原2016年浅层地下水超采区分布

水位降落漏斗是地下水开采在地域上、层位上、时间上的集中造成的。按出现的含水层位分为浅层地下水降落漏斗和深层水位降落漏斗。东北地区旱作农业大部分为雨养，正常年份灌溉量较少，干旱年份才需补充灌溉；而水稻每年都需要灌溉，且灌溉定额较高，逐年扩大的水稻种植面积带来灌溉用水需求量不断增加。这一现状导致东北地区水资源供求形势日渐紧张[13]。松花江-辽河流域2016年地下水开采量318.7亿m3，部分地区地下水开采量已经超过补给量。根据辽宁省超采区评价成果，全省浅层地下水超采区面积为3 221.6 km2，深层承压水超采区面积为5 870.1 km2，浅层与深层超采区垂向上重合部分的面积为227.5 km2，扣除重合部分后，全省超采区总面积为8 864.2 km2[14]。2016年松辽平原地下水位超采区总面积达到3 800 km2，部分地区地下水位持续下降。表1所示为松辽平原2016年浅层地下水超采区分布。

2 地下水埋深、降水及开采量变化趋势

本次数据统计来源于2005—2015年全国水资源公报与松辽平原浅层地下水控制站的监测数据。

2.1 地下水埋深分布及动态

基于2005—2015年全国水资源公报统计数据与全国地下水控制站的监测数据，对大量的监测数据进行严格筛选，选取14个典型监测站点，选取原则应满足代表性(监测站点位于超采区)、可靠性(至少具有近15 a监测数据)、一致性的要求，分析这11 a松辽平原地下水埋深动态变化，同时选取2005、2015年为代表年分别绘制地下水埋深分布图。

选取的吉林省典型测站是位于白城市浅层地下水超采区的勿兰花站、长春市的双井和高家店以及松原市的蔡家沟潜水测站，分析潜水位埋深与降水量的变化过程。由图1曲线可以看出，4个测站在2010—2015年数值及趋势上基本是一致的，潜水埋深总体上增加。综合降水量柱状图分析，在降水量上升的同时潜水位埋深下降，而部分年份(如2009年)降水量增加时，潜水位埋深却在增加，表明除降水之外地下水埋深变化还受其他因素的控制。

选取的辽宁省潜水典型测站为阜新市浅层地下水严重超采区的大庙、双庙潜水测站，位于锦州市浅层地下严重水超采区的中安潜水测站以及沈阳市的大科庄潜水测站。由图1可以看出2015年与2005年相比潜水埋深总趋势是增加的；2010—2011年降水量减少的同时，地下水埋深也降低，由此可知影响潜水埋深变化的主要原因也并非降水这一要素。

选取的黑龙江省潜水典型测站为海伦市浅层地下水超采区同江市的乐业、清河、绥滨县的北山村以及抚远县的前锋农场场部潜水测站，可以看出2015年与2005年相比潜水埋深是增加的；同时2011—2012年降水量增加，地下水埋深也增加，同样可以判断潜水埋深变化还受其他因素的影响。

a) 吉林省

b) 辽宁省

c) 黑龙江省

d) 内蒙古自治区图1 松辽平原4省(自治区)典型站点潜水埋深及降水量对比

选取的内蒙古潜水典型测站为通辽市浅层地下水严重超采区的兴安村、丰盛村和水泉村潜水测站。由图可以看出2015年同2005年相比潜水埋深总趋势是增加的；同时2011—2012年降水量增加，地下水埋深也增加，可知潜水埋深变化也同时受到多个要素的影响。

结合14个典型站点的潜水面埋深过程线图，分别绘制2005、2015年松辽平原潜水埋深等值线(图2)，用以分析其潜水埋深的空间分布特征。2005年，潜水埋深大于30 m区域面积164.17 km2，位于吉林省松原市前郭尔罗斯蒙古族自治县；埋深20～30 m区域位于吉林省松原市前郭尔罗斯蒙古族自治县(328.34 km2)和长春市农安县(4.06 km2)；埋深10～20 m区域分布于吉林省白城市(736.81 km2)、四平市(16.06 km2)，黑龙江讷河市(7 095.69 km2)、绥化市(2 551.52 km2)、海伦市(268.00 km2)、五大连池市(232.00 km2)、双鸭山市(28 km2)以及内蒙古的通辽市(203.07 km2)；其余地区埋深均小于10 m。

a)2005年

b)2015年图2 2005、2015年松辽平原潜水埋深等值线

2015年，潜水埋深大于30 m的区域仍位于吉林省松原市前郭尔罗斯蒙古族自治县，面积增加至419.54 km2，增加了150%；埋深20～30 m区域总面积比2005年增加了533.31 km2(其中吉林省松原市前郭尔罗斯蒙古族自治县增加至747.88 km2，新增长春市农安县117.83 km2)；埋深10～20 m区域新增吉林省松原市(3 466.83 km2)，此外农安县(674.49 km2)、前郭尔罗斯蒙古族自治县(725.09 km2)、四平市(176 km2)、海伦市(1 982.39 km2)、绥化市(918.55 km2)和内蒙古通辽市(增加1 7531.67 km2)潜水埋深均较2005年有所增大。

2.2 降水量的变化

潜水面埋深变化取决于地下水补给量和排泄量的变化，如果地下水补给量小于排泄量，降落漏斗区潜水埋深增加。不同地区降落漏斗的变化成因不同，研究松辽平原地区地下水降落漏斗成因机制及各因素贡献率，从补给来源和排泄两方面分析，浅层地下水的主要补给来源于降水[15]。

松辽平原属于温带季风性气候，夏季短促而温暖多雨，冬季漫长而寒冷少雪。根据这11 a年降水量对比，可得枯水年2007年为409.6 mm，2011年为444.8 mm，丰水年2013年为649.7 mm。丰水年降水量可达枯水年降水量的1.59倍。从图3中可以看出，这11 a年降水量均有较大差异，但并无明显增加或者减少的趋势。除2010、2012、2013年外都低于多年平均降水量，这11 a年平均降水量为511.5 mm，略低于多年平均降水量514.5 mm(多年平均值采用1956—2000年系列平均值)，较多年平均低0.58%。

图3 2005—2015年松辽平原降水量

2.3 地下水开采量的变化

地下水开采量增大，并持续维持较大开采程度，是造成地下水位难以恢复的另一原因。2005、2010、2015年4省(自治区)地下水开采量见图4。吉林省2005、2010、2015年的地下水开采量分别为36.8亿、44.2亿、44.0亿m3；辽宁省2005、2010、2015年的地下水开采量分别为64.3亿、67.6亿、58.6亿m3；内蒙古2005、2010、2015年的地下水开采量分别为86.2亿、88.6亿、88.3亿m3。以上3个省(自治区)地下水开采量2005—2010年增加，2010年之后有减少趋势，这可能是由于之前过量开采导致地下水位下降致开采难度增加以及政策对地下水的保护造成了地下水开采量的减少。黑龙江省2005、2010、2015年的地下水开采量分别为113.1亿、146.1亿、157.7亿m3，地下水开采量逐年增加。总体来说，2015年研究区地下水总开采量比2005年增加了48.2亿m3，浅层地下水开采力度略增加，这可能是由于部分地区近些年降水偏少、蒸发强烈、地表水资源相对匮乏不十分发育，同时农业灌溉、工业生产及生活用水增加，打破区内原有的生态环境平衡状态，逐渐形成地下水的超采趋势。

图4 2005—2015年松辽平原4省(自治区)地下水开采量

3 地下水埋深变化控制因素分析

地下水埋深动态变化的影响因素主要有降水量、人工开采量，但对于不同地区，这些因素对其影响程度并不相同。本次研究采用灰色关联度法[9]的相关分析来研究影响松辽平原地区潜水埋深变化的主导因素。灰色关联度是一种确定各自变量指标权重的有效方法，自变量与因变量之间的相关程度通过关联系数r来表示，r的绝对值越接近于1，两变量的关联程度越强，r的绝对值越接近0，两变量的关联程度越弱。松辽平原包括4个省(自治区)，其浅层地下水超采区内水文测站数据结合降水量及地下开采量数据可得分析结果见表2。

通过分析计算可得吉林、辽宁、黑龙江、内蒙古4省(自治区)地下水开采量与潜水埋深关联系数均大于降水量与潜水埋深灰色关联度，所以可得松辽平原降落漏斗潜水位埋深变化受到地下水开采量影响程度大于降水量。