辽河流域深层地下水漏斗形成主导因素识别与可恢复性研究

李 爽

(辽宁省辽阳水文局，辽宁 辽阳 111000)

一般情况下，深层承压水系统在天然状态下相对稳定，并且在多年范围内地下水位处于周期性的平衡状态。目前，辽河流域地下水位降落漏斗的范围主要包括沈阳、铁岭、盘锦、康平、库法、新民县以及盘山等市县区域，并与太子河、浑河流域水位降落漏斗相连，与华北地区深层地下水漏斗融为一体，漏斗中心水位最大埋深约135.78m，整个流域水位等高线为70m。陆铮、张人权等认为地下水的超采是引起水位漏斗持续扩展和延展的主要因素，并指出了因地下水位降落漏斗所产生的水体污染、地面裂缝和沉降等问题。据此，本文采用多元相关分析理论，对引起漏斗形成与变化的主要影响因素进行识别和确定，对辽河流域地下水漏斗的可调控性进行了探讨，以期为该区域制定科学合理的调控政策和制度提供参考。

1 研究区域概况

辽河流域分布在我国东北部区域，降雨量和流经量在时空分布上极不均衡，降雨量由东南向西北方向整体呈降低趋势，多年平均降雨量为320～860mm，其中62%以上集中在7—8月份且多以暴雨或强降雨的形式出现；在平原地区气温较高，多年平均气温为6～9℃，由南向北方向年蒸发量依次递减并处于982～1650mm范围。流域内各支流纵横交错、蜿蜒曲折，主要支流有老哈河、浑河、太子河、柴河等。研究区域地下水自上而下可分为4个孔隙含水岩层即Ⅰ～Ⅳ含水岩组，对应的含水层分别为潜水、咸水、承压和承压含水层，底板埋深和水位埋深分别位于30～60m、240～320m、480～510m、820～960m和2～7m、25～58m、80～110m和85～120m。第Ⅲ、Ⅳ含水岩组水质较好，为辽河流域工业用水和城镇居民用水的主要来源，是辽河流域地下水位漏斗形成区域。

2 深层地下水水动力场特征

辽河流域地下水运动变化与我国东北地区整个区域的地下水循环密切相关，且受其运动影响较为显著。辽河流域在20世纪80年代以来随着多年连续干旱和用水量的增大，对深层地下水的开采利用不断加大，引起该区域水位的快速下降，陆续形成了以沈阳、铁岭等区域为中心的水位降落漏斗。该区域水流被漏斗截断并表现出明显的球型地下水流特征。

3 地下水漏斗形成及演变影响因素研究

在地下水开采过程中降落漏斗的出现为必然和正常的现象。漏斗水位降深和范围可在地下水平衡开采的状态下达到平衡状态；地下水开采量大于补给量，特别是在群井集中开采且开采量较大的情况下，地下水位可持续明显下降，其漏斗面积也会快速扩展向外延伸，最终形成较大面积的区域性漏斗。地下水位漏斗的形成不仅受自然因素作用影响，而且与人为因素密切相关，据此本文分别对自然和人为影响因素展开深入的分析和研究。

3.1 自然因素

地下水位降落漏斗的形成与演变受自然因素的作用影响主要体现在对地下水补给条件的作用。大气降水作为深层地下水的主要来源可直接通过河道渗漏和入渗等方式补给，气候条件的变化不仅是影响地下水径流补给的关键性因素，而且可对山前岩溶水的顶托补给作用产生显著影响，其中大气降水量和干旱指数因子为地下水补给和排泄的主要因素。气候干旱程度指标可通过干旱指标进行反映和表征，干旱指数即为年蒸发能力与降水量的比值，表达式如下：

r=E0/P

(1)

式中，P、E0—年降水量和年蒸发能力，mm。

干旱指数的大小反映了区域的干旱程度，其值越大则代表越干旱。辽河流域属于我国北方典型的半干旱区域，其干旱指数多年均值为3.65，辽河流域自1980年以来的干旱指数变化情况如图1所示。由图1可以看出，该流域干旱指数在波动中整体呈上升趋势。

图1 1981—2010年辽河流域干旱指数变化趋势

地下水补给主要来源于大气降水，辽河流域近50年的大气降水状况如图2所示。由图2可知，该流域降雨量在波折中整体为减少趋势。在50年系列中该流域降水量平均值为584mm，而且前20年和后30年平均降水量分别为614.7mm和502.6mm，后期相对于前期降水量降低约18.5%。辽河流域在近年来降雨量总体降低约120mm左右，此结果与我国降雨量降低和全球变暖的变化趋势保持良好一致性。

图2 辽河流域1965—2015年大气降水量变化趋势

3.2 人为因素

深层地下水运动的全过程均受到人为因素的作用影响，人为干扰不仅可改变或部分改变深层水的径流强度和方向，而且可改变水的排泄和补给方式。辽河流域深层地下水开采起始于1950年，当时开采量和开采井眼均有限，深层水埋深约为2m左右。深层水资源开采量在1960—1965年间增长缓慢，并以辽河流域西北部区域为主，根据当时的机井施工原始数据资料深层水埋深为4～6m。此后在1980年，深层水埋深达到35m左右，机井开挖深度达到400～500m。随后经过工业经济的迅猛发展和人口的快速增加，20世纪末机井深度和数量迅速增大，地下水开采量急剧增大，深层水埋深和机井深度明显增大。根据2010年辽河流域地下水开采量数据资料，深层地下水开采层为第Ⅲ、Ⅳ含水组，主要用于生活和工业生产用水。

4 地下水漏斗形成及演变主导因素识别

4.1 基本方法

本文对辽河流域深层地下水降落漏斗形成的主要影响因素采用相关分析法进行定量分析，并利用该方法对不同开采条件下水位的变化进行预测和分析。假定深层地下水影响变量服从正态分布，利用SPSS软件对等时间步长分析数据进行分析，然后选择皮尔逊相关分析法对各要素进行分析，并利用双尾检验法对正、负相关性显著类型进行检验，其中“*”和“**”分别代表5%和1%的显著性水平。

4.2 数据来源

辽宁省气象局以及各水文站点为气象数据的主要来源。考虑到数据资料的可获取性和准确性，选取该流域1980年以后的大气降水和蒸发量数据资料进行研究。地下水位动态变化选取该区域地下水位动态监测孔1980年的监测数据。本文相关分析选取6个观测数据资料完整、系列较长的观测孔进行数据提取，其数据来源为辽宁省各区域地矿局监测站。参加相关分析的干旱指数r和降水量P为多年累积平均值；参与相关分析的水位降深s可通过水位地面埋深实测值进行获取；形成漏斗的各区域地下水位均为该范围内的算术平均值，开采量Q为多年累积开采量。

表1 辽河流域1981—2010年r、Q、P与s的多元相关分析结果

4.3 影响因素的多元相关性

本文对引起漏斗形成和演变的主导因素利用多元相关分析法进行识别和分析。利用SPSS软件的Graphs绘图板块和Analyze分析板块对辽河流域1981—2010年近30年的累积平均干旱指数r、降水量P、开采量Q与辽河流域深层地下水漏斗中心水位降深s之间进行多元相关分析，并输出相应的图件和分析结果，对因变量s与自变量Q、P、r的相关度进行计算和分析，各变量之间的相关系数计算结果见表1。

由表1可知，漏斗中心水位降深s分别与累积开采量Q、平均降水量P和累积干旱指数r之间相关性分别为0.998、-0.902和0.765，不同要素对水位降深s的作用影响依次降低。深入分析发现，水位降深与累积开采量在r和P相同时其相关系数略有所降低，但幅度并不明显。由此表明，深层地下水开采量与干旱指数、降水量之间不存在密切的关系，降水量和干旱指数在开采量与水位下降影响分析时的正效应并不明显；当r和Q变量保持不变时，则s与P之间的关系发生改变并由之前的负相关朝着正相关转变，相关系数快速降低；当P和Q保持不变时，则s与r的相关系数发生改变并明显降低。由此表明，r、Q与深层地下水位之间的相关性并不显著。漏斗中心水位降深与累积开采总量的多元相关分析进一步验证了开采量为引起地下水位下降和漏斗形成与演变的主导因素。

4.4 地下水降深、开采量回归分析与模型建立

利用表1中数据可建立辽河流域近30年深层地下水降落漏斗中心水位、累积开采量与平均水位的数据文件，然后利用SPSS中Analyze模块对数据文件分别进行幂次拟合、对数、指数、二次项、三次项和线性求解和计算，进而构建漏斗中心水位、开采量以及平均水位变化最为密切的拟合模型，见表2。

软件拟合方差、曲线形态和判别系数结果显示：漏斗平均原始水位曲线、漏斗中心与二次项和三次项曲线的拟合程度较好，见表3，相关性分析可作为研究流域各影响因子关系表达式进行预测分析。

表2 辽河流域深层地下水多元相关分析结果

表3 辽河流域深层地下水开采量与水位降深回归分析结果

利用表3相关数据可建立辽河流域漏斗中心水位降深回归方差：

s=55.2011-4.480×10-4Q+6.6625
×10-8Q2-3.6101×10-13Q3

(2)

s=15.0148-1.168×10-4Q-3.0182×10-8Q2

(3)

式中，s、Q—水位降深和累积开采量。

5 地下水降落漏斗预测及可恢复性分析

利用上述构建的地下水位相关模型，对不同开采条件下不同年限辽河流域深层地下水位降落漏斗水位进行预测，在此基础上对该区域的地下水可调控性进行预测研究。本文分别按照每年递减40×109m3水资源和辽河流域地下水管理规划两个方案进行预测。结合辽河流域不同年限和水资源开发利用现状，对不同开采量进行设计并预测水位。为抑制并降低地下水漏斗的发展趋势，自2006年开始在该区域关闭部分深机井，降低对深层地下水的开采和利用。

5.1 中心水位预测

利用回归方程和相关模型，对辽河流域地下水水位标高和埋深进行预测。漏斗中心水位预测结果见表4。

由表4可以看出，辽河流域深层地下水开采量整体表现出逐年降低的趋势，漏斗中心水位在开采量为(70～100)×108m3的条件下逐渐缓慢上升。在预测期间前期水位回升幅度约为0.8m，中期回升为2m左右。考虑到辽河流域漏斗位置属于东北地区整个区间的一部分，因此区域地下水开采的作用将随着水位的上升而表现出增大的趋势。当前辽河流域漏斗水位埋深约为70～120m，因此当水位回升至90m时即可认为填平了该漏斗。依据上述预测结果可知，在2030年前后该流域漏斗中心基本处于平衡状态。

5.2 平均水位预测

利用漏斗水位降深与累计总开采量之间的相关模型和回归方程，对不同开采条件下的水位降深进行设计和规划，并对平均水位标高和埋深进行预测，结果见表5。

由表5可知，当辽河流域深层地下水开采量每年降低约为(60～110)×108m3时，漏斗平均水位逐年下降并且降低幅度逐渐减弱。在第一方案和第二方案地下水减采条件下，漏斗中心水位和平均水位预测值分别在2030年和2031年达到基本平衡状态，水位埋深分别为101.65m和101.86m，所对应的中心水位预测值分别为-83.51m和-83.36m。在本文减采方案下回归方程和模型预测结果显示，该流域深层地下水降落漏斗在2030年前后逐渐被填平，漏斗中心线在此期间逐渐消失。

6 结论

(1)辽河流域深层地下水自20世纪80年代以来随着人口增长以及经济的快速发展而被大量开采和利用，逐渐形成了以沈阳、铁岭等区域为中心的大范围深层地下水降落漏斗，其形成和扩展随着地下水开采深度的不断增大而迅速发展。

(2)深层地下水运动的全过程均受到人为因素的作用影响，不仅可部分改变或改变深层水的径流强度和方向，而且可改变排泄和补给方式。不同要素对水位降深的作用影响存在一定差异。

表4 辽河流域深层地下水漏斗中心水位预测结果

表5 辽河流域地下水位降落漏斗平均水位预测表

(3)辽河流域深层地下水开采量整体表现出逐年降低的趋势，漏斗中心水位在每年减采(70～100)×108m3的条件下开始逐渐缓慢上升。该区域地下水开采的作用将随着水位的上升而表现出增大的趋势。

(4)在第一方案和第二方案地下水减采条件下，漏斗中心水位和平均水位预测值分别在2030年和2031年达到基本平衡状态。