基于信息熵原理的辽东超采区地下水水位时空变化演变特征

2021-06-01刘丹

水利规划与设计 2021年5期

刘丹

(辽宁省河库管理服务中心(辽宁省水文局)，辽宁沈阳 110003)

地下水是区域水资源的重要组成部分，是经济社会发展的重要水源之一，对保障城镇生活、工业用水和城镇经济社会发展具有重要作用，也是保障生态与环境健康发展的重要要素[1]。地下水赋存于地质介质中，具有运动缓慢、补给周期长、循环更新慢、自我修复能力差、地下水系统遭到破坏后难以治理和修复等特点[2]。近年来，部分城镇地下水源地由于集中、过量的开采，引起水源区地下水位持续下降，含水层出水能力降低，许多机电井报废，致使地下水源地不断地改建和扩建，部分地区引发了海(咸)水入侵，出现了地下水水质恶化现象[3]。地下水源地开发利用中存在的上述诸多问题，不仅严重影响了工业生产和人民生活的正常用水需求，对经济社会发展和生态环境构成极大的危害，而且已严重危及地下水资源的可持续利用[4]。鞍山西郊区主要包括西郊水源地和铁西水源地两处地下水集中开采区，地下水开采量占区域地下水可开采量的90%以上，属于地下水超采区[5]。根据《辽宁省地下水保护条例》《辽宁省禁止提取地下水规定》《辽宁省人民政府办公厅关于印发辽宁省实行最严格水资源管理制度“十三五”工作方案和辽宁省“十三五”封闭地下水取水工程总体工作方案的通知》等，亟需对其地下水时空变化的研究。近些年来，信息熵在区域地下水时空演变分析中得到较为成熟的应用[6-15]，但在辽宁地区还未得到具体应用，为此本文基于信息熵原理，以鞍山西郊为研究区域，对区域地下水超采区时空演变特征进行分析，为鞍山市西郊地下水保护区地下水资源合理开发、高效利用、有效保护和科学管理提供依据。

1 地下水超采区现状位置

西郊区域地下水超采区主要由西郊水源地超采区和铁西水源地超采区组成，目前两个水源地超采区已形成一个统一的超采区。西郊地下水超采区位于运粮河以西，红旗堡—韭菜台以南，小郑家台—孙青堆子以东，鞍山—腾鳌公路以北。超采区涉及达道湾、宁远两个镇的12个自然村。目前，鞍山市自来水公司在西郊水源地少量集中开采地下水，取水井分布在双楼台村、孙周新村、岳家村、孙青村，水源地面积约15km2。

2 超采区水位动态评价

2.1 超采区地下水位时间动态特征

根据西郊地下水超采区形成过程及2005—2018年期间漏斗区平均最大地下水埋深统计情况可知，超采区地下水位降落漏斗最大水位埋深出现在2008年，2008—2012年漏斗区最大水位埋深小幅下降并表现出总体平稳的趋势，2012—2018年漏斗区最大水位埋深逐年减小，表明地下水位存在明显上升趋势，如图1所示。

图1 西郊地下水超采区漏斗中心逐年地下水埋深过程线

据统计，研究区2012—2018年漏斗区最大水位埋深变化率为1.30m/a。根据超采区地下水位观测井的分布特征及数据有效性，选取了2012、2015、2016、2018年作为典型年对地下水水位变化特征进行时空分布分析，以评价超采区在2012—2018年期间水位的总体变化特征。

2.2 丰、枯水期超采区地下水位变化趋势

采用线性回归分析法对各典型年1月和8月平均地下水位进行计算，得到各年度枯水期和丰水期地下水位总体变化趋势，如图2所示。

由图2可知，从2012年到2018年，枯水期地下水位整体呈上升趋势，水位上升率为1.20m/a；丰水期地下水位有所波动，但整体仍呈上升趋势，水位上升率为0.53m/a；枯水期水位上升率高于丰水期水位上升率，至2018年丰水期水位和枯水期水位相差不大，但枯水期水位稍高于丰水期水位，主要受区域地下水开采情况影响。

2.3 超采区地下水位时间信息墒变化特征

为更直观地定量分析西郊超采区地下水位的时空变化规律，本次研究引入时间信息熵和时间序列信息熵理论对超采区地下水位动态特征进行分析，结果如图3所示。时间信息熵可以体现出研究时段内地下水位的变化强度，熵值越大表示地下水位波动的强度越大，熵值越小表示地下水位波动的强度越小；时间序列信息熵可以体现出地下水位的变化趋势，熵值为正表示地下水位呈上升趋势，熵值为负表示地下水位呈下降趋势，熵值绝对值的大小表示地下水位上升或下降的程度，绝对值越大表示地下水位上升或下降的越明显，绝对值越小表示地下水位上升或下降的程度越小。

由图3的时间信息熵分布图可以看出，枯水期研究区西部地下水位波动较小，东部地下水位波动较大，变化强度最大的区域集中在2#、4#、5#、6#、18#、19#、20#、21#井附近，最大熵值为8.69。由时间序列信息熵分布图可以看出，整个研究区地下水位多以上升为主，上升区域占总区域的99.996%，上升趋势较大的区域集中在2#、4#、5#、6#、18#、19#、20#、21#井附近，只有0.004%的区域地下水位下降，位于3#井附近，可忽略不计。另外，丰水期地下水位波动大的区域集中在观测井附近，2#、3#、5#、19#、21#井周围水位波动较大，最大熵值为9.65，而枯水期最大熵值为8.69，表明丰水期地下水位波动强度大于枯水期；研究区地下水位上升区域主要分布在研究区中部16#井和东北部5#、18#、20#、21#井附近，占整个研究区域的34.516%，下降区域主要分布在西部和东南部，占整个研究区域的65.484%，其中下降最明显的区域位于13#、14#井附近。

2.4 超采区地下水位空间信息墒变化特征

采用各观测井2018年与2012年地下水位的差值，可以得出地下水位变化情况，如图4所示。

图2 各年度枯水期和丰水期地下水位总体变化趋势

图3 2012—2018年1月和8月地下水位时间熵及时间序列信息熵分布图

图4 2012—2018年1月和8月地下水位变化分布图

由图4可以得到，枯水期地下水位上升区域占整个研究区域的99.996%，下降区域可忽略不计，这与从时间序列信息熵得出的结果一致，枯水期地下水位上升均值为3.250m，最大值为7.190m，出现在5#井附近。丰水期地下水位上升区域占45.345%，下降区域占54.655%，与从时间序列信息熵得出的结果略有不同，这是因为地下水位变化图只考虑了2012、2018年两个初末时刻的地下水位，忽略了中间年份地下水位变化导致的水位波动。丰水期地下水位变化均值为0.698m，上升最大值为9.130m，出现在21#井附近，下降最大值为3.293m，出现在3#、13#、14#井附近。总的来看，丰水期地下水位波动大于枯水期。

2.5 超采区地下水位变化等级信息墒变化特征

利用自然间断点分级法将枯水期地下水位变化分为5个等级，并求出每个等级对应的时间序列信息熵的熵值，得到A1=4.2298、B1=7.1298、C1=8.3597三个阈值，将2012—2018年研究区域枯水期地下水位变化情况分为轻微上升、上升、明显上升、剧烈上升4个等级，如图5所示。

由图5左图可以看出，枯水期研究区地下水位变化程度由西向东逐渐增大，水位上升最大区域分布在5#、18#、20#、21#井周围。利用由枯水期确定的地下水位变化范围对应的丰水期时间序列信息熵熵值A2=0.3245、B2=4.588、C2=6.1798，以及由自然间断点分级法确定D=-2.9105，将2012—2018年研究区域丰水期地下水位变化情况分为明显下降、轻微下降、轻微上升、上升、明显上升、剧烈上升6个等级。由图5的右图可以看出，丰水期研究区13#—15#井周围地下水位下降最明显，18#、20#、21#井周围水位上升最为明显。在丰水期以地下水位下降为主的范围内，16#井地下水位上升，可能是因为16#井周围开采井关停，导致其所在位置处地下水位明显抬升。

3 地下水超采区治理措施

对于地下水超采区，建议采取以下措施进行治理：

(1)地下水人工回灌，建立地下水水库。为了解决鞍山西郊地下水超采问题，在运粮河及杨柳河冲洪积扇建设地下水回灌场，引太子河流域汛期洪水或大伙房输水工程的水对地下水进行回灌补给，增加地下水补给量，形成地下水库，从而达到洪水资源化和实现超采区地下水资源新的采补平衡，以修复西郊超采区，防止生态环境地质问题发生，并保证地下水资源的可持续利用。

(2)大力推进工农业节水建设，减少现有工农业用水的地下水开采需求。对于不具备替代水源的地下水用水户，如超采区周边工业企业用水及干旱期农业灌溉用水等，需大力推广节水型企业建设，加强农业节水建设，减少不必要的地下水开采，以促进地下水超采区恢复。

(3)建立水权市场，引导水资源商品化。积极发展水权分配制度，实行总量控制与定额管理，将水权分配到镇、村、农户，分配到每个用水企业。外来企业用水要在原用水户手中购买用水权，原用水户卖掉部分水权得到的资金，用来建节水工程。用经济杠杆调节生活、生产和生态等各方面的水量，促进节水型社会建设，以减少超采区地下水分散性开采行为，促进超采区快速恢复。