淮北平原区浅层地下水埋深时空分布特征*

姚蕊，孙鹏，张强，蒋尚明，夏敏，汪军红

(1.南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室，江苏 南京 210023；2.安徽师范大学地理与旅游学院/资源环境与地理信息工程安徽省工程技术研究中心，安徽 芜湖 241002；3.北京师范大学环境演变与自然灾害教育部重点实验室，北京100875；4.北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室，北京100875；5.安徽省水利部淮河水利委员会水利科学研究院水利水资源安徽省重点实验室，安徽 蚌埠 233060;6.霍山县水土保持试验站，安徽 霍山 237266)

地下水是水资源的重要组成部分，也是我国地表水资源匮乏及诸多城市的重要供水水源，地下水资源的合理开发和利用对我国国民经济发展和生态文明建设具有十分重要的作用。随着气候变化和人类活动加剧，导致水循环异常，从而进一步的加剧区域乃至全球范围内水资源时空分布不均，极端气象水文事件发生频繁[1-2]。特别是21世纪以来，大范围长历时干旱的频繁发生使地下水成了主要水源，而地下水资源的大量开发、利用和储量的减小使得该区域抗干旱能力仍在减弱[3]，地下水位逐年降低，因此研究变化环境下的地下水埋深时空变化特征对区域的水资源利用和保障问题有着重要的意义。

淮北平原区地处中国南北气候过渡地带，是我国气候变化“敏感区”，然而该区域所处淮河流域是我国重要的商品粮生产基地，同时其人均的水资源量不足全国人均水资源量的1/4，是水资源供需严重不足的地区。水资源供需矛盾加剧导致了人们大量开采地下水资源，导致地下水埋深呈现不同的变化规律。国内外学者对地下水埋深开展相关研究，如国内对淮北地区地下水埋深的年内、年际动态变化特征的研究[4]，对天津地区、唐山地区和黑河中游地区的地下水埋深变化及影响因素的研究[3,5-6]，构建评价地下水污染风险指标体系开展风险评估[7]，通过实践及未来展望寻求理想的地下水资源评价方法[8]，以及将地下水埋深与干旱建立相关关系的相关研究[9-10]； Enokela等[11]基于5个观测点研究尼日利亚内陆谷的地下水埋深趋势及其与降水的相关关系；Mileham等[12]基于土壤水均衡模型定量分析了有效降水和土壤湿度分布区域直接影响到地下水的补给；Mizyed和Bekele等[13-14]研究降水量与地下水之间的关系，揭示影响地下水变化的主要因素是降水；Yuan等[15]分析了地下水与地表植被覆盖的关系，Maurício 等[16]基于水文数据和水文模型模拟地下水资源的变化；Johannes & Oliver[17]进一步地揭示印度城市化快速发展面临的地下水资源管理。前人对于地下水埋深的降水成因分析中，采用较少站点或面尺度降水量进行分析，难以反映研究区内部降水空间分布与地下水埋深的响应关系，对于淮北地区的成因分析更少，淮北平原区地下水埋深在空间分布上和月尺度上的分析较少，因此本研究基于淮北平原区104个观测井1980～2007年的月地下水埋深数据和97个气象站点月降水数据，精细化尺度下研究地下水埋深和降水的时空演变规律，并探讨降水的时空分布特征对地下水埋深的影响。研究成果对掌握淮北平原区地下水埋深变化规律和区域地下水资源的合理开发提供重要参考。

1 数据和研究方法

1.1 数据

本文数据采用淮北平原区104个观测井1980～2007 年的逐月地下水埋深数据，资料来源于水利部淮河水利委员会水文局，97个地面气象站的1980～2007年逐月降雨量资料，资料来源于国家气象信息中心站点，分布见图1。缺失数据按照下述方法进行插补：1～2 d缺失数据采用相邻数据的平均值进行插补；缺失数据时间较长的则以计算整个数据序列对应时期的平均值进行插补。

图1 淮北平原区示意图

1.2 Mann-Kendall 方法

本文采用非参数Mann-Kendall (以下简称M-K法) 趋势检验法来研究标准降水指数的趋势变化情况[18-19]。M-K方法广泛应用于检验水文气象资料的趋势成分，是世界气象组织推荐的应用于时间序列分析的方法。

2 结果分析

2.1 地下水埋深变化的年代际特性分析

由图2不同年代地下水埋深的空间分布图可知：淮北平原区地下水埋深最大的位于区域的东北部地区，主要集中在宿州北部、亳州北部，多年平均地下水埋深在3 m以下，地下水埋深最小主要分布于淮南的颍上地区，平均埋深1.50～1.86 m。从年代来看，1980年代是整体地下水埋深较浅，1990年代地下水埋深越来越大，2000年后呈地下水埋深逐渐降低，但是并没有恢复到1980年代水平(图2B-D)。尽管2000年以来地下水位埋深有所恢复，但是其最大地下水埋深趋势呈增加趋势，最大埋深达8.30 m。从最大地下水埋深发生的年份来看，主要也是分布在淮河流域的特大干旱、严重干旱和中度干旱的当年或下一年[20]。同样的，地下水埋深最浅的也主要在2000年之后，最浅达0.39～0.55 m。值得注意的，宿州北部地区是整个淮北平原区地下水埋深最大的区域。

图2 地下水埋深不同年代的年均值(A-D)、年极大值(E-H)和年最小值(I-L)

为了进一步地分析地下水埋深的变化程度，由图3不同年代际地下水埋深变异系数空间分布图可知，从1980年代以来，地下水埋深整体的变差系数呈增加趋势，1980年代、1990年代和21世纪以来其变差系数分别是0.18、0.20和0.23。从空间分布来看，不同年代变差系数变化最大的主要分布在以淮北市为中心的区域和淮北平原东南部的阜南地区，进入21世纪以来，淮北平原北部地区的地下水埋深年际变化达到最大值0.58。淮北平原的西北部和东南部地区的变差系数小，说明该区域的地下水埋深年际变化小，但是与1980年代相比，21世纪以来年际变化呈增大趋势。

图3 地下水埋深不同年代的变差系数(Cv)时空分布图

2.2 地下水埋深位变化的年内特征分析

从图4的月平均地下水埋深空间分布图可知，地下水埋深具有一定的干湿规律，淮北平原区的东北部和西南部地区的变化也不同。具体是：淮北平原区东北部的宿州在3～8月份地下水埋深呈增加趋势，最深达到4.6 m；随着农作物对需水量减少，1～2月和9～12月西北部的地下水埋深要低于3～8月份。西南部地区的颍上地区在6～10月份地下水埋深较浅，平均在2 m以内，8月份地下水埋深较浅的区域是最大的，春季是西南部地区地下水埋深较深。粮食作物产量对地下水埋深的影响最大，灌溉粮食作物引起的地下水下降幅度大于蔬菜作物[21-22]，东南部和西南部除了在汛期地下水埋深较低，其他时间变化不大。淮北平原区主要粮食作物是冬小麦，春季(3～5月)是小麦生长的关键期，该时期的小麦需水量较大[23]，而淮北平原区的降水年内分配很不均匀，夏季暴雨集中，6～9月平均降水量占全年的70%左右，7～8月占全年的45%～50%，最大为7月，占全年的25%～30%，降水集中的趋势，越偏北越明显[24]。降水的时空分布不均匀和农作物需水量之间的矛盾，导致了地下水埋深的空间分布不一致。

2.3 地下水埋深的趋势变化

由图5淮北平原区地下水埋深的月尺度变化图可知：地下水埋深在1980～2000年呈增加趋势，2000年之后地下水埋深呈减小趋势，但是具体到每个月的变化是不一致的(图6)。各月份地下水埋深的变异点主要集中在1985～1990年之间，变异后地下水埋深主要以增加趋势为主，即地下水埋深越来越深。1～2月和10～12月变化较为一致，从1980～1985年地下水埋深呈下降趋势，即地下水埋深变浅；在1985～2000年左右，地下水埋深呈增加趋势，1～2月和10～12月增加趋势超过95%的置信度检验，增加显著，这说明在枯水季节地下水埋深越来越深；2000年之后地下水埋深呈微弱减小趋势。3～6月份是淮北平原降水较少且农作物需水量较大的月份，在1980～1985年和1990～2007年地下水埋深呈增加趋势，1985～1990年左右地下水埋深呈减小趋势，这也说明1990年之后地下水埋深越来越深，且没有上升的趋势。

2.4 地下水埋深的空间分布特征

图7是基于MK计算的各月份的地下水埋深趋势变化图，从图中可以看出大部分地区地下水埋深呈减小趋势，即地下水埋深越来越浅，但是不同月份地下水埋深的空间分布是不同的。东北部的宿州地区在4～9月呈显著减小趋势，说明地下水埋深越来越浅，其他月份减小趋势不显著。西南部的亳州和阜阳在9～11月大部分呈显著减小趋势，1～6月部分地区呈减小趋势；东南部除了6月份呈减小趋势，其他月份呈增加趋势。整体上来看， 5月淮北平原区有57个站点(占全部站点的54.8%)地下水埋深趋势变化超过了95%的置信度检验，呈显著的减小趋势。超过30个站点呈显著减小趋势的月份还有1～3月，10月和12月。6～8月显著减小的站点最少，分别为10个、10个和11个。

图4 淮北平原区地下水埋深月平均埋深空间示意图

图5 地下水埋深埋深多年平均线性趋势图

图6 地下水埋深埋深多年平均MK趋势图

图7 淮北平原区地下水埋深趋势图

2.5 降水空间分布特征

淮北平原区土壤的垂直渗透强水平渗透弱的特点，形成了淮北平原浅层地下水形成、分布、埋藏及其运移规律—以垂向补给消耗为主，即“入渗蒸发”特质[25]。因此地下水埋深的时空变化规律主要受到降水、地表径流和开发地下水资源等影响。淮河降水补给地下水入渗速率随时间变化可知[26]，一般当月的降水可以补充当月的地下水位，但是难以表达月末降水对于地下水的补充，因此本文将地下水埋深与上一个月降水也进行对比分析。图8是我们统计97个气象站的月降水数据的趋势图，在4月份全部地区降水呈减小趋势，东北部的宿州地区在1月、6～8月和11月呈减小趋势，西南部的亳州和阜阳在9～10月大部分呈减小趋势，但是整体降水减小趋势不显著。1～2月、10～12月、5月的东部地区和6月的绝大部分地区地下水埋深随着降水的增加而地下水位呈抬升趋势。3～4月、5月和9月的中西部地区降水减小、地下水埋深增加。3～5月是冬小麦的生长发育关键期，也是作物需水量最大的时期，8～9月是大豆、玉米生成关键期，该时期降水呈减小趋势，而我国每年粮食实现增产，地下水位的抬升主要是农作物灌溉水入渗补充地下水。

基于1980～2007 年104个逐月地下水埋深数据和 97个面气象站逐月降雨量数据，运用MK方法分别计算各站点地下水和降水趋势，通过克里金空间插值，栅格化后形成格点数据，通过不同趋势的地下水栅格数据与不同趋势的降水栅格数据进行计算，划分为4类：① 降水趋势增加、地下水埋深减小；② 降水增加，地下水埋深增加；③ 降水减小、地下水埋深增加；④ 降水减小、地下水埋深增加。从图9可知，1～2月、10～12月、5月的东部地区和6月的绝大部分地区的属于第一类情况，即降水趋势增加、地下水埋深减小，地下水埋深随着降水的增加而地下水位呈抬升趋势。该月份在淮北市、亳州市、界首市，萧县附近地下水埋深呈增加趋势，城区及淮北市对于煤炭资源的开发，导致地下水位的下降。这种情况同样发生在7月份的大部分区域。3～4月、5月和9月的中西部地区属于第3类情况，降水减小、地下水埋深增加。3～5月是冬小麦的生长发育关键期，也是作物需水量最大的时期，8～9月是大豆、玉米生成关键期，该时期降水呈减小趋势，而我国每年粮食实现增产，地下水位的抬升应该是农作物灌溉水入渗补充地下水。8月和9月其他地区属于第4类，降水减小、地下水埋深增加，该区域主要是农业区，工业和生产用水量不大，因此除城区外，其他地区地下水位下降主要是因为降水减小引起的。同时，我也做了降水与滞后1个月地下水的趋势对比研究，发现其空间变化规律基本与图9类似，在此不详细阐述。

图8 淮北平原区降水趋势时空分布特征

图9 降水和地下水埋深趋势对比分析图

3 结 论

本研究基于淮北平原区104个观测井1980～2007 年的月地下水埋深数据和97个气象站点月降水数据，研究地下水埋深的时空变化规律，并探讨影响地下水埋深的主要影响因素。主要结论如下：

1)20世纪80年代是整体地下水埋深较浅，20世纪90年代地下水埋深越来越大，进入21世纪后呈地下水埋深逐渐降低。宿州北部地区是整个淮北平原区地下水埋深最大的区域。从最大地下水埋深发生的年份来看，主要也是分布在淮河流域的特大干旱、严重干旱和中度干旱的当年或下一年。

2)整体上南部地区地下水埋深小于北部地区，特别是东北部的；夏季地下水埋深平均最小，春季最大，其次是秋季和冬季。降水的时空分布不均匀和农作物需水量之间的矛盾，导致了地下水埋深的空间分布不一致。

3)在1980～1985年的1～2月、1～12月地下水埋深呈下降趋势，下降趋势不显著；而在1985～2000年的1～2月、1～12月地下水埋深呈显著增加趋势；在1980～1985年和1990～2007的3～9月地下水埋深呈不显著增加趋势，1985～1990年的3～9月地下水埋深却呈不显著减小趋势。

4)1～2月、10～12月、5～6月的绝大部分地区属于第一类情况，即降水趋势增加、地下水埋深减小；3～4月、5月和9月的中西部地区属于第三类情况，降水减小、地下水埋深减小。农作物灌溉水入渗补充地下水是地下水位抬升主要原因。8月和9月中东部地区属于第四类，地下水位下降主要是因为降水减小引起的。