基于Mann-Kendall法的地下水位埋深动态与影响因素研究

王琴琴

(甘肃省地矿局第二地质矿产勘查院，甘肃 兰州 730020)

对地下水位埋深的研究，通常是指地下潜水的埋置深度，即潜水层(地下水层中第一个具有稳定性能的地下自由水)到地面表层的直接深度(/距离)。自我国重视起社会生态环境的规划与建设后，有关单位便加大了地下水资源的社会调研[1]。结合相关研究成果可知，地下水是大部分城市的主要供水来源，对地区地下水的连续多年调研中发现，区域水位正逐年呈现下降趋势，此种社会发展趋势，不利于地区生态环境的发展与建设，在一定程度上影响了灌溉区域内水资源的持续供应，同时也对我国节水工程的实施起到了抑制作用[2]。

针对我国地下水位埋深动态与影响因素的研究是十分有必要的，截至目前已有大量研究学者对此方面展开了学术调查，并提出了影响地下水位埋深的主要因素为人为性因素，由于人类对自然资源与土地资源的掠夺，导致地下水的补给与供应失去平衡，便会造成地下水位埋深发生变化[3]。并由相关研究者提出了应用ArcGis软件，对地下水位的时空变化进行差异性分析。综合研究成果可知，我国目前针对此方面的研究大多集中在对地下水位的时空静止描述，缺少对地下水位埋深的动态分析。因此本文将采用收集区域地下水相关资料的方式，对本文课题展开深入的研究。

1 地下水位埋深动态

1.1 基于Mann-Kendall法计算地下水位埋深方差

地下水位深度是感知地区水文地质环境的关键，为了进一步掌握地下水位埋深的动态变化趋势，本章引进Mann-Kendall法(又被称为趋势检测法)，对地下水位埋深方差展开计算研究[4]。目前，此种方法是经过专业认证后，可实现排除外界相关因素对其检验结果干扰的最直接检测方法，相比其他检测方法，Mann-Kendall更加适用于对地下水位埋深的计算[5]。在计算过程中，可将区域地下水统计量表示为Z，也可用Z表示为与时间相关序列水位变化数据的变化趋势[6]。在结果统计过程中，假定Z>0，则表示地下水位埋深呈现上涨趋势；假定Z<0，地下水位埋深呈现下降趋势；假定|Z|>或=2.32、1.64、1.28等数值，则代表对地下水位埋深的置信值为99.0%、95.0%、92.0%，在此种条件下，对数值的最终检测结果可被认定为具有显著的价值性。

综合上述分析，在数据理论分析的过程中，数据方差值是用于表示数据组或集群数据与期望值的偏差，因此对地下水位埋深可直接使用埋深方差表达[7]。当地下水位埋深方差越高，表示控制数据组变量的离散程度越高，证明地下水位埋深动态变化趋势越为显著；当地下水位埋深方差越小，表示控制数据组变量的离散程度越低，证明地下水位埋深动态变化无显著趋势[8]。为了实现对不同区域地下水位埋深动态波动性的有效监测，提出衬度系数表达方式，即将地下水位埋深不同埋深程度的波形数据进行对比，并将不等值的埋深数据，按照一定形式转换成对等形式的埋深数据。结合下述计算公式，对地下水位埋深的衬度系数进行方差求解。公式表示为如下。

(1)

1.2 分析地下水位埋深动态特征

综合上述对地下水位埋深方差的计算，能够看出地下水位埋深的动态变化，基于水系统层面分析，在“量”层面具备明显响应，而这种响应则直接体现在水位的埋深动态特征层面。因此，结合地下水位的埋深动态变化，使用Mann-Kendall法，对地下水位埋深动态特征走向与趋势进行检验。如图1所示。

如上述图1所示的大致趋势，可看出地下水位在走向方面呈现一种基础上升趋势(其中仅C-17与C-16检测点水位的变化不显著)，其他变化呈现显著性趋势[9]。因此，综合上述分析的研究，可知地下水位埋深动态在逐个点呈现显著趋势，但随着时间变化与推移，不同检测点所呈现的变化趋势是不同的，忽略相关因素对地下水位埋深动态特征的影响，此种现象也在一定程度上反映了不同检测点，群体活动行为对于地下水位变化所展现的差异是不同的。

图1 地下水位埋深动态特征走向与趋势

2 地下水位埋深影响因素分析

2.1 基于灰色关联度分析地下水位埋深驱动因素

在完成上述研究成果的基础上，本文引进灰色关联度分析法，结合我国现下发行的非参数检验方法，在降低或减少相关外界因素的基础上，按照正态变化趋势，对各个因子的特征进行序列曲线差异分析。应用此种方法分析地下水位埋深驱动因素的优势为：无须检测大量地下水位埋深数据作为依据与发展依据；不需要线性数值对数据分布规律进行挖掘。并结合因子序列X1与X0在各处关联点的关系，用γ0i表示，γ0i的取值在(0,1〗之间。在研究中，γ0i的数值越高，代表X1对X0的影响越大，反之，γ0i的数值越小，代表X1对X0的影响越小。因此，通常情况下，将γ0i=0.55作为接线，当γ0i>0.55时，认为提出的因素对于地下水位埋深具有显著影响。

在研究过程中，将地下水位埋深潜水水位与水位沉压作为X1与X0因素的母序列，在研究过程中，将区域降雨量、季度平均气温、水汽蒸发量、对区域地下水的开采量、利用率等作为影响判断结果的灰色关联因素，对X1与X0的关系展开关系分析。分析的序列如表1所示。

表1 基于灰色关联度分析X1与X0关系

综合上述表1中内容，可看出，影响判断结果的灰色关联因素包括对地下水的利用量、开采量等。因此可以认为地下水位埋深驱动因素与对地下水的利用量、开采量等因素具有直接关系，而上述提出的两点因素也均属于人类社会行为，为此可表示地下水位埋深与人类社会活动有直接关系。同时，在研究中发现区域地下水蒸发量、区域平均气温、降雨量等也会在一定程度上对地下水位埋深造成一定程度的影响。但产生的影响综合效果较差，即影响因素中占比较低，无显著影响。

综合上述分析可知，地下水的利用量、开采量等因素，对于地下水位埋深造成的影响是较为显著的；地下水蒸发量、区域平均气温、降雨量，对于地下水位埋深造成的影响是可相对忽略不计的。但无论提出的任意一种因素，均会在某种程度上，对地下水位埋深造成影响。

2.2 分析地下水位埋深动态响应因素

除上述提出的内容，在展开对地下水位埋深动态响应因素的分析过程中，可同样结合紧密度指标，对各个影响因素之间的响应程度展开研究。并结合上文提出的计算公式，对衬度系数方差对因素进行计算，此种分析方式的优势为：将数值波动性放大。因此，通过上述分析，进一步得出，当埋深程度出现较大的改变时，则可将其认为越容易受到周围环境的干扰，并且随着波动幅度的增加，影响程度逐渐提升。

除此之外，通过对潜水井和盛水压等区域的数据进行全面分析，并结合衬度系数计算公式完成对埋深方差的计算，从整体上来看更大于潜水区域的埋深方差，通过计算得出承水压时潜水埋深方差的5.368～6.956倍。这一数据结果又能够进一步说明，承压水位的埋深对于当前变化环境的影响程度明显大于潜水埋深，并呈现出更加明显的波动现象。同时，也进一步说明在研究区域当中，人类在进行各项活动的过程中，其周围地下位的埋深也会受到一定程度的影响。再进一步对上述存在现象进行分析，本文研究的区域当中由于具有较大一部分的农田面积，因此人类活动频繁发生，使得地下水位埋深的波动又会进一步受到内在因素的影响。

同时，为了明确埋深的波动与气候环境和人类活动的具体影响关系，再对被研究区域的气候环境变化、人类活动变化等趋势对于地下水位埋深的动态影响以及埋深响应情况进行研究，得出在研究区域当中地下水位埋深对气候变化以及人类活动的响应机制：当气候环境由湿冷向干热趋势转变，地下水体系的天然补给量会随之降低、排泄量会增加。当人类活动多样并且更加剧烈时，地下水体系中降水入渗量会随之减少。

3 结语

本文通过开展地下水位埋深动态与影响因素研究从多个方面综合分析地下水位埋深波动状态及各项因素，在研究过程中发现，气候变化和人类活动是主要影响地下水埋深波动的原因，在其双重作用影响下，地下水体系将会发生巨大的改变，并且也会反作用到气候环境和人类活动当中。同时，通过研究得出，被研究区域应当通过调整用水结构的方式，实现对地下水位波动控制，并实现对潜水利用率的提升。