松辽平原地下水埋深变化及关键影响因子分析

刘静， 宋梦林， 臧超， 殷仁春

(1.华北水利水电大学 水资源学院,河南 郑州 450046; 2.辽宁省沈阳水文局，辽宁 沈阳 110000; 3.筑波大学 生命环境科学研究科，日本 茨城县 筑波市 3058577; 4.长江国际水利水电工程建设有限公司，湖北 武汉 430000; 5.河南省黄河流域水资源节约集约利用重点实验室,河南 郑州 450046)

地下水是水资源的重要组成部分，具有分布广泛、易于开采的特性，是农业活动和居民生活用水的重要来源，能解决大部分城市和农田的水需求问题，也是维系良好生态环境的要素之一[1]。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。然而，地下水的不合理开发不仅会诱发生态地质环境问题，例如土壤盐渍化、土地沙漠化、地下水污染、溶岩塌陷、地面沉降，甚至还会对人类的生产生活造成严重危害。

松辽平原是我国第一大平原，位于东亚季风的最北端，有大陆性和季风型气候特征。夏季短促而温暖多雨，冬季漫长而寒冷少雪，是我国北方水资源紧缺的地区之一，且地下水分布不均匀[2]。松辽平原也是全球仅有的三大黑土区域之一，是中国著名的粮食基地，同时也是重要的老工业基地腹地和人口密集地。由于特殊的地理位置和工农业生产的飞速发展，导致松辽平原对地下水的开发利用越来越严重。据报道，松辽流域地下水资源的开采率较高，位于松辽平原北部的松嫩平原和南部辽河平原处于地下水超采状态[3]。松辽平原地下水资源的开发潜力已经非常有限，而地表水资源的开发利用程度偏低，加之逐年扩大的水稻种植面积带来灌溉用水需求量不断增加，导致水资源供求形势日渐紧张，人水矛盾越来越尖锐[3-4]。因此，研究松辽平原地下水埋深变化，识别关键影响因素对松辽平原地下水保护与管理工作具有重要意义。

为研究地下水埋深状况，探究地下水水位变化动态，许多发达国家已经建立了完善的地下水监测站网，如美国现如今已经在全国范围内形成了涵盖26个洲的地下水监测网络[5]。同时，国外许多学者运用不同的手段开展了地下水动态变化的研究工作。SUPREETHA B S等[6]在考虑历史水位和降雨数据的基础上，开发了一种新型的基于PSO搜索机制的混合ABC算法，利用早期记录的地下水水位和降雨量数据对未来地下水水位进行预测，并在月地下水水位预测方面取得了良好的效果。DURRANI I H 等[7]利用巴基斯坦的俾路支省奎达河谷的降水、气温以及月地下水水位数据，评估了气候对地下水水位的影响，研究分析发现由于降雨量的变化，地下水水位正日益下降。BARAHMAND N 等[8]利用了人工神经网络对雅罗姆平原的地下水水位进行了估计，选用了降水、水分、蒸散量、温度等的4个月平均值，并采用4个统计参数(均方误差、相对标准误差、分散指数和相关系数)对神经网络模型的计算结果进行了评价。KANG R 等[9]分析了1998—2011年印度旁遮普省Bist Doab地区地下水水位的空间变化，发现在研究区的西南部存在地下水水位降落带，而农业用水是造成该地区地下水水位下降的主要原因之一。

随着我国地下水监测网络的不断完善，一大批关于我国地下水动态变化的研究成果如雨后春笋般浮现。姚阿漫[10]对石河子垦区浅层地下水埋深动态变化与生态环境的关系进行了研究。万思成等[11]利用M-K突变分析法针对北京地区的地下水埋深进行了趋势突变分析，并探索了该地区地下水埋深与降雨、人工开采之间的响应关系。郑玉峰等[12]探索了鄂尔多斯地区的地下水动态变化原因，采用了传统的相关关系分析方法进行了降雨、蒸散发以及农业用水3个主要因素与地下水水位的相关性分析。王默涵等[13]基于近10年间邯郸市的地下水水位实际观测数据，呈现了该地区地下水埋深的空间分布特征，运用地理探测器定量分析了自然因素和人类社会经济因素对邯郸市整体、邯郸市平原区和山区的地下水水位变化的影响。岳卫峰等[14]以内蒙古河套灌区为研究区，采用灰色关联分析、地统计学等方法对67眼监测井的地下水埋深进行了时空变异性分析及其主控因素研究。管春兴等[15]通过水均衡评价法分析了玛纳斯河流域山前平原区地下水资源动态变化特征及其驱动力。

由于缺乏长序列完整的数据资料和系统性分析，目前松辽平原地下水埋深变化的相关研究报道不多，且局限于简单的分析地下水埋深的变化，缺乏对自然、人为多重因素的全面分析以及对关键影响因子的识别与讨论。本文以松辽平原为研究区，收集2005—2014年松辽平原地下水监测资料，通过时空分析得到地下水埋深的年内、年际分布与趋势变化特征，并考虑自然、人为双重因素影响，结合相关性分析和贡献率分析来识别影响地下水埋深变化的关键因素，为松辽平原地下水保护与管理工作提供基础支撑和管理依据。

1 研究区概况

松辽平原位于北纬40°25′～48°40′，东经118°40′～128°00′，属于中国东北部，其西、北、东三面分别被大、小兴安岭和长白山脉所包围。松辽平原地跨黑、吉、辽和内蒙古4个省区，地处大、小兴安岭和长白山脉之间，北起嫩江中游，南至辽东湾，南北长约1 000 km，东西宽约400 km，面积达35万km2。根据松辽平原不同的区域特征，可分为3个亚平原区，即东北角的三江平原、北部的松嫩平原和南部的辽河平原。松辽平原的区域位置及行政区划如图1所示。

图1 松辽平原的区域位置及行政区划

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

基于CERN地下水水位数据集[16]，选取了松辽平原3个亚平原区共4个典型地下水观测站点(沈阳站、奈曼站、海伦站、三江站)2005—2014年地下水埋深月尺度数据，其中，海伦站为北部的松嫩平原的典型地下水观测站点，沈阳站、奈曼站为南部的辽河平原的典型地下水观测站点，三江站为东北角的三江平原的典型地下水观测站点，具体观测站分布如图2所示。自然和社会经济是影响松辽平原地下水埋深的两大因素，结合研究区实际情况，本文选取降雨量、地下水开采量、工业用水量、生活用水量、农田灌溉水量、GDP作为影响因子展开分析。降雨量、农田灌溉水量、地下水开采量等水情数据从《松辽流域水资源公报》中获得。社会经济数据通过国家统计局获得。

图2 松辽平原地下水观测站分布图

2.2 研究方法

2.2.1 克里金插值法

克里金插值法(Kriging)又称为空间局部插值法，是以南非工程师D.G.Krige的名字命名的一种以变异函数理论和结构分析为基础，在有限区域内对变量进行无偏估计的一种空间估计方法，是地统计学的重要组成部分[17]。该方法可以细分为普通克里金、泛克里金、协同克里金等诸多算法，被应用于地理科学、环境科学、大气科学等诸多领域，同时在许多应用场景下被证实为优于其他常见的插值方法[18-19]。本文基于ArcGIS 10.2平台，运用普通克里金插值法对地下水埋深数据进行空间插值分析。

2.2.2 Mann-Kendall(M-K)趋势分析法

研究区地下水埋深年际趋势特征采用Mann-Kendall(M-K)趋势分析法进行分析。M-K趋势分析法又称M-K检验法，具有不受样本值、分布类型等影响的优点，被世界气象组织推荐和广泛使用。对于时间序列变量(X1、X2、…、Xn)，n为时间序列长度，M-K检验法定义了统计量Z，若Z>0，则表明数据系列随时间呈增加趋势，否则为减少趋势，且绝对值越大，趋势越明显。Mann-Kendall检验法的具体理论依据、公式以及计算步骤可参考文献[20-21]。

2.2.3 相关性分析法

采用相关性分析法研究地下水埋深与降雨量、地下水开采量、农田灌溉水量等用水指标以及研究区经济发展指标之间的相关关系，分析影响地下水埋深的显著性因素。本文借助SPSS软件进行皮尔逊相关分析。

2.2.4 相对贡献率

相对贡献率可以定量地分析各因子对地下水埋深的贡献大小并确定关键影响因子。本文运用多元线性回归法分析各影响因子对地下水埋深变化的相对贡献率[1]。首先，将各影响因子与地下水埋深数据进行标准化；其次，借助SPSS软件，对各影响因子和地下水埋深进行多元回归分析；最后，根据各影响因子的标准回归系数进行相对贡献率计算。计算公式如下：

式中：i为影响因子个数；Pi为第i个影响因子对地下水埋深变化的相对贡献率，%；bi为第i个影响因子对应的标准回归系数。

3 结果与讨论

3.1 研究区水情特征

3.1.1 降雨量特征

基于《松辽流域水资源公报》2000—2017年降雨数据，分析松辽平原2000—2017年降雨量变化特征，结果如图3所示。由图3可以看出，2000—2017年间，松辽平原降雨量在2001年达到最低，仅为400.1 mm，2013年降雨量最大，达到了649.2 mm，极值比为1.623。从整体上看，2000—2017年松辽平原降雨量整体表现出增加趋势。

图3 松辽平原2000—2017年降雨量变化特征

3.1.2 地下水资源特征

松辽平原2000—2017年地下水资源量、地下水开采量、地下水供水占比特征如图4所示。根据图4可以看出：地下水资源量在2007年达最小值，为536.81亿m3，2013年达最大，为840.71亿m3，极值比为1.566，2000—2017年松辽平原地下水资源量整体表现出上升趋势；地下水开采量在2006年最小，为217.86亿m3，2014年最高，为322.25亿m3，极值比为1.479，2000—2017年松辽平原地下水开采量整体表现出上升趋势；地下水供水占比在2006年最小，为36.3%，其余年份基本保持在43%～46%，2000—2017年松辽平原地下水供水占比整体上表现出上升趋势。由此可以看出，虽然松辽平原降雨量、地下水资源量在研究时段内呈增加趋势，有利于地下水水位的回升，但是由于地表水供水占比下降、地下水开发利用强度增加且地下水供水占比依然很高，导致松辽平原地下水形势仍不乐观。

图4 松辽平原2000—2017年地下水资源特征

3.1.3 用水结构特征

松辽平原各行业年均用水量情况如图5所示。由图5可以看出，2000—2017年间，松辽平原年均用水量约639亿m3，其中农业用水量占总用水量的74%，是其他用水类别之和的2.8倍。主要原因是松辽平原拥有着肥沃的土地资源，是中国的粮仓，农业用水所占比重远大于其他用水类别。

图5 松辽平原2000—2017年各行业年均用水量(单位：亿m3)

对用水总量和行业用水进行归一化处理后，将用水结构年际变化情况呈现于图6中。从图6中可以看出：2000—2017年间，松辽平原用水总量呈显著增长趋势，尤其是2003年之后，用水总量持续增长。分行业来看：农业用水量的变化趋势基本与用水总量变化趋势相一致；工业用水量年际起伏较大，2004年工业用水量出现波谷，随后迅速增加并在2010年出现最大值，2010年之后工业用水量迅速降低，并在2017年跌落至研究时段内的最低值，整体上工业用水量呈现出降低趋势；生活用水量呈现出先降低后增加的趋势；生态用水量实现了从无到有并逐年增多的趋势，体现出当地决策者和利益相关者对生态环境的重视程度在逐步加强。结合松辽平原2000—2017年各行业年均用水量(图5)分析结果可以看出，松辽平原用水总量的增加主要是由于农业用水量的增加造成的。

图6 松辽平原各行业用水年际变化情况

3.2 地下水埋深年内变化

本文对松辽平原沈阳站、奈曼站、海伦站、三江站共4个地下水观测站的2005—2014年地下水埋深月尺度、季尺度数据进行年内特征分析，结果分别如图7、图8所示。

图7 松辽平原地下水埋深年内分布特征

图8 松辽平原年内地下水埋深季度分布特征

从图7可以看出，松辽平原地下水平均埋深的波动幅度为2.5 m，其中平均埋深最大值出现在6月份，最小值出现在1月份。从3个亚平原区来看，各站点埋深变化情况有所不同：以沈阳站为代表站的东辽河平原地区地下水年内变化较为剧烈，最大埋深出现在6月份，最大、最小埋深极值比为2.4；以奈曼站为代表站的西辽河平原地下水埋深年内分布较为稳定；松嫩平原地下水埋深峰值出现在4月份，而入冬后地下水埋深减小；三江平原地区地下水埋深峰值出现在6、7月份，而1—3月份地下水埋深减小且变化稳定。

从图8可以看出，松辽平原在第二季度地下水平均埋深最大，在第四季度最小，季度平均埋深年内分布呈现出先增后减的态势。由此可以看出，松辽平原3个亚平原区各典型站点的地下水埋深峰值均出现在第二季度，与松辽平原地下水平均埋深峰值表现一致。主要原因可能是由于第二季度正值春耕时期，大量地下水开采用于灌溉农田，导致松辽平原地下水埋深加大。

3.3 地下水埋深年际变化

3.3.1 空间分布变化

本文利用地统计方法——Kriging插值法来分析松辽平原地下水埋深的时空变化，结果如图9所示。从图9中可以看出，松辽平原北部的松嫩平原地下水埋深大于东北角的三江平原和南部的辽河平原的地下水埋深。在3个亚平原区中，北部的松嫩平原地下水埋深在研究时段内变化最为显著，其次为东北角的三江平原，南部的辽河平原地下水埋深变化相对较小。

从年际变化来看：北部的松嫩平原地下水埋深呈现出逐年减小趋势，东北角的三江平原地下水埋深呈现出逐年增加趋势，南部的辽河平原地下水埋深呈现出波动增加趋势。从空间变化来看：北部的松嫩平原地下水埋深变化最快，平均以0.67 m/年的速度减小；东北角的三江平原，地下水埋深平均以0.44 m/年的速度增加；南部的辽河平原地下水埋深变化相对较缓，平均以0.29 m/年的速度增加，其下辽河平原地下水埋深相较于西辽河平原的增加速度快，主要是因为下辽河区域内工业集中，水源相对充足，素有“内蒙古粮仓”的西辽河平原，地下水开发利用强度相对较大。

图9 2005—2014年松辽平原地下水埋深时空变化

3.3.2 趋势变化

采用M-K趋势分析法并结合地下水埋深年际变化特征对松辽平原4个观测点的地下水水位数据系列进行趋势分析，结果见表1和如图10所示。

表1 松辽平原各观测站地下水埋深变化M-K统计量特征

图10 松辽平原地下水埋深年际分布特征

由表1可知：①沈阳站Z值为-0.358，地下水埋深有减小趋势，但未通过置信度为95%的显著性检验，表明沈阳站代表的下辽河平原地区地下水埋深减小趋势不显著；结合图10来看，该地区地下水埋深的年际变化在2009年前后呈现出陡增陡降的情况；主要原因可能是，从“十二五”开始，下辽河平原地区对地下水使用与污染防治提出了更明确的要求，恢复地下水水位初具成效[22]，但整体上成效不显著。②奈曼站Z值为5.724，并通过置信度为95%的显著性检验，表明西辽河平原地区的地下水埋深在2005—2014年间呈现出增加趋势；结合图10可以看出，该地区地下水埋深增加幅度较小，呈现出逐年稳定较缓幅度增长。③海伦站Z值为-6.261，并通过置信度为95%的显著性检验，表明松嫩平原地下水埋深在2005—2014年间呈现出显著减小趋势；结合图10可以看出，松嫩平原地下水埋深呈现出逐年减小趋势，且减小幅度较大。④三江站Z值为8.229，并通过置信度为95%的显著性检验，表明三江平原地下水埋深在2005—2014年间呈现出显著增加趋势；结合图10可以看出，三江平原地下水埋深逐年持续大幅增加。

3.4 关键影响因子

3.4.1 相关性分析

应用Pearson相关分析方法，计算了松辽平原3个亚平原区地下水埋深与降雨、地下水开采、农田灌溉用水、工业用水、生活用水、GDP共6个影响因子的相关关系，得出各亚平原区地下水埋深与影响因子的相关系数，结果见表2。

表2 地下水埋深与影响因子的相关系数

由表2可知，各亚平原区地下水埋深与影响因子的相关性各不相同。辽河平原地下水埋深与降雨、工业用水、生活用水、GDP呈显著性相关，表明降雨、工业生产、生活对辽河平原的地下水埋深具有显著的影响；松嫩平原和三江平原地下水埋深与地下水开采、农田灌溉用水、工业用水、生活用水、GDP呈显著性相关，与降雨相关性弱，表明工农业生产、生活对松嫩平原和三江平原的地下水埋深具有显著的影响，而降雨的影响较弱。

3.4.2 相对贡献率分析

应用多元线性回归法计算出降雨、地下水开采、农田灌溉用水、工业用水、生活用水、GDP对地下水埋深影响的相对贡献率，结果见表3。由表3可以看出：工业用水与GDP对辽河平原地下水埋深变化贡献率较大，分别达到40.71%和33.91%；地下水开采、农田灌溉用水对松嫩平原地下水埋深变化的贡献率分别达20.31%、25.75%；农田灌溉用水是三江平原地下水埋深变化贡献率最大的因子，贡献率高达51.06%，其次为地下水开采，贡献率达18.97%。结合相关分析结果可以看出：工业用水与GDP影响辽河平原地下水埋深显著且贡献率大，是辽河平原地下水埋深变化的关键影响因子；地下水开采和农田灌溉用水影响松嫩平原及三江平原地下水埋深显著且贡献率大，是松嫩平原和三江平原地下水埋深变化的关键影响因子。

表3 影响因子对地下水埋深影响的贡献率 %

从空间上对比各影响因素可以看出，GDP、工业用水对辽河平原地下水埋深变化影响最大，对松嫩平原和三江平原的影响较小；而农田灌溉用水、地下水开采对松嫩平原和三江平原地下水埋深变化影响最大，对辽河平原的影响较小。主要原因是：①辽河平原矿产资源丰富且人口密度较大，是中国传统产业集中的老工业基地，该地区工业活动密集且经济基础较好。然而，由于该地区地表水资源紧缺，加之流域水质污染严重[2]，不得不大量开采地下水以保障工业生产的不断发展和城市人口的快速增长对水资源的进一步需求。②松嫩平原和三江平原的工业基础和人口密度较辽河平原而言相对薄弱，主要以农业种植为主，是我国重要的粮食生产优势区。根据第二次全国土地调查数据和县域耕地质量调查评价成果报道，东北典型黑土区耕地面积约18.53万km2。其中，松嫩平原和三江平原所在的黑龙江省和吉林省耕地面积占到80.93%，辽河平原所在的内蒙古自治区和辽宁省耕地面积仅占19.07%。松嫩平原和三江平原耕地面积占比巨大，加之农田灌溉大量开采地下水，导致农田灌溉与地下水开采是决定松嫩平原和三江平原地下水埋深变化的关键因素。

4 结语

本文在全面、深入剖析松辽平原水情特征的基础上，选取了松辽平原3个亚平原区的典型地下水观测站点，收集了2005—2014年地下水埋深月尺度数据资料以及降水量、农田灌溉用水量、地下水开采量等数据，分析了松辽平原地下水埋深的时空变化及年际、年内特征，并探讨了降雨、地下水开采、农田灌溉用水、工业用水、生活用水、GDP共6个影响因子与地下水埋深的相关程度，结合相对贡献率分析，识别出研究区地下水埋深变化的关键影响因子。主要结论包括以下几点：

1)松辽平原降雨量、地下水资源量在研究时段内虽然呈增加趋势，但是由于地表水供水占比下降、地下水开发利用强度增强且地下水供水占比依然很高，导致松辽平原地下水形势仍不乐观。

2)松辽平原年均用水量约639亿m3，其中农业用水量占总用水量的74%，是其他用水类别之和的2.8倍。在研究时段内，松辽平原用水总量呈显著增长趋势，主要原因是农业用水量的增加。

3)松辽平原地下水埋深年内分布不均，地下水埋深最大值出现在春耕时段，表明大量开采地下水用于农田灌溉是导致松辽平原地下水埋深加深的主要原因。

4)松辽平原北部的松嫩平原的地下水埋深大于东北角的三江平原和南部的辽河平原的。然而，从年际变化来看，北部的松嫩平原地下水埋深平均以0.67 m/年的速度减小，呈现出显著的逐年减小趋势；东北角的三江平原地下水埋深平均以0.44 m/年的速度增加，呈现出显著的逐年持续增加态势；南部的辽河平原地下水埋深平均以0.29 m/年的速度增加，呈现出逐年稳定、较缓幅度增加的趋势，其中，下辽河平原地下水埋深相较于西辽河平原地下水埋深的增加速度要快。

5)GDP、工业用水是导致辽河平原地下水埋深变化的关键影响因子，而影响松嫩平原和三江平原地下水埋深变化的关键因子为农田灌溉用水、地下水开采。