近30年涡河玄武水文站地表水与地下水转换关系及趋势分析

郭鹏哲 赵贵章 孔令莹 刘玉婷

（1.华北水利水电大学,河南 郑州 450046；2.长江科学院,湖北 武汉 430010）

随着我国人口增长和经济的发展，水资源供需矛盾日益尖锐，过度开采地表水与地下水所引发的问题日渐凸显[1-2]。华北平原作为重度缺水地区，存在水资源短缺、超采地下水以及水污染严重等诸多问题[3-5]，对水文循环造成了不可忽视的影响[6]。水文循环过程中的地表水与地下水之间的交互作用是近几年来研究的热点与难点，其对于流域水质、水量变化以及分析水资源量有着十分重要的意义[7-9]。

涡河是淮河的第二大支流，跨豫、皖两省，所经过地区是我国重要的粮食产区，但是该流域旱涝灾害频繁且人口较多，人均水资源占有量较低，属于严重缺水地区[10]。地下水是涡河流域生产生活用水的重要水源[11-13]，但近年来由于自然因素和人为因素的影响[14-15]，涡河地表水与地下水之间的补给关系发生了相应的变化。目前已有学者对涡河流域地表水与地下水转换关系进行了研究。李扬等（2017）[16]研究发现涡河河南区域地表水与地下水补排关系较为明显，且转化关系较为复杂。李潇（2020）[17]和葛伟亚等（2013）[18]通过水化学和同位素方法研究表明，涡河流域地表水对浅层地下水有着较为明显的影响。本文综合运用Mann-Kendall趋势检验和小波分析的方法，结合水文地质学原理，分析1988—2018年涡河代表水文站所测水位及周边地下水水位数据，以探明地表水与地下水之间的转换关系、趋势和周期。

1 研究区概况

涡河发源于河南省尉氏县，流经河南、安徽，于安徽省怀远县汇入淮河，全长380 km，流域面积15 935 km2，流域内多年年平均降水量748.6 mm，多年年平均蒸发量1 668.8 mm。涡河来水量丰枯变化较大，其特点为年际变化大、年内分配不均，地表径流补给来源主要为上游来水和大气降水，而地下水的补给来源主要为大气降水和侧向径流补给。

玄武水文站是涡河中上游的主要控制站，该站位于河南省周口市鹿邑县玄武镇，该站控制流域面积为4 020 km2。选取玄武水文站周边地下水监测水井，对比地表水与地下水水位的变化关系。玄武水文站及水井位置图如图1所示。

图1 玄武水文站及监测井位置图

2 数据与研究方法

2.1 数据资料

本研究选取涡河鹿邑县玄武水文站及其附近地下水水位监测井，基于该水文站及其监测井在该流域的代表性、资料完整性及可靠性，选取1988—2018年31年年平均水位及径流数据。

2.2 研究方法

（1）Mann-Kendall（M-K）法[19-20]是一种有效检验趋势变化及突变点分析的方法，由于该方法可以不要求所分析数据符合某种概率分布，且操作简单，不受个别异常值干扰，因而被普遍应用于水文序列变化的研究[21-23]。

（2）小波分析是在傅里叶分析的基础上演变发展而来，可以对水文时间序列的时域和频域特性进行同时分析，较好地反映时间序列内的周期，所以被广泛应用于水文序列的分析研究中[24-28]。因该方法使用比较成熟，不再做详细论述。

3 结果与讨论

3.1 地表水与地下水水位变化趋势

根据涡河玄武水文站1988—2018年涡河水位和监测井水位数据，绘制地表水与地下水水位关系图（见图2），分析地表水与地下水之间关系的变化情况。

图2 地表水与地下水水位关系图

由图2可知，地表水与地下水相互转化的关系比较复杂，可以分为4个时期：第Ⅰ时期为1988—1998年，此期间地表水与地下水水位差别较小，相对趋于稳定，存在交互补给，以地表水补给地下水为主；第Ⅱ时期为1999—2010年，期间地表水与地下水水位均发生变化，尤其是地下水水位变化幅度较大，呈现先上升后下降的趋势，此期间地下水补给地表水；第Ⅲ时期为2011—2015年，地下水水位呈下降趋势并逐渐平稳，地表水水位则为降—升—降的趋势，此期间主要为地表水补给地下水；第Ⅳ时期为2016—2018年，此时段为地下水补给地表水，其原因为水工建筑物的建立导致河床降低，地下水水位高于地表水，从而使转换关系变为地下水补给地表水。

3.2 地表水与地下水水位的突变分析

在分析玄武水文站地表水与地下水水位关系变化趋势的基础上，采用M-K趋势检验分析突变特征（见图3）。由图3（a）可以看出，地表水水位总体呈下降趋势，其中1998—1993年、2015—2018年UF超过显著性水平线，说明该时间段地表水水位下降趋势明显，突变发生在2013年左右，其原因可能与水工建筑物的建立和不合理采沙有关。

图3 地表水与地下水水位M-K趋势检验

从图3（b）可以看出，地下水水位变化较为复杂，呈上升—下降—上升—下降的趋势，其中1988—1993年、2003—2015年UF>0，该时期地下水水位总体呈上升趋势，且于2006—2011年间超过0.05显著性水平，该时期地下水水位上升趋势明显。1994—2002年、2016—2018年期间UF<0，地下水水位呈下降趋势，其中1998年超过0.05显著性水平，此期间地下水在较短时间内呈明显下降趋势。根据UB与UF曲线交点发现突变点较多，根据变化趋势可以判断出突变主要发生在1998年和2012年，对比图2发现，1998年是地表水与地下水交互转变的一个拐点，而2012年是由于涡河地表水受人类活动影响，河床降低，地下水进而也受到了影响。

3.3 地表水与地下水水位周期变化

运用Matlab中小波工具箱对玄武水文站地表水水位及监测井地下水水位进行小波分析，得到小波变换系数等值线图和方差图（见图4）。

图4 地表水与地下水水位小波分析

根据图4的分布图和方差图，可得出涡河地表水水位与地下水水位主周期的时间尺度均为27 a左右，地表水水位次周期的时间尺度为15 a，地下水水位次周期的时间尺度为22 a。将上述信息与地表水与地下水水位变化和M-K趋势分析所得突变点的时间相对比，发现地表水与地下水水位27 a的主周期出现与水利工程的建设有较大关系，而其他的次周期可能与人类活动有关。

4 结论

本文以涡河玄武水文站地表水与周边监测井地下水水位关系为研究对象，基于M-K趋势检验方法和小波分析方法，研究地表水与地下水变化趋势关系，主要结论如下：

（1）涡河地表水与地下水交互关系较为明显，可以分为四个时段，在第Ⅰ时期（1988—1998年）、第Ⅲ时期（2011—2015年），地表水与地下水交互补给多变，以地表水补给地下水为主；第Ⅱ时期（1999—2010年）、第Ⅳ时期（2016—2018年），地下水补给地表水。

（2）根据M-K趋势检验得出，地表水水位总体呈下降趋势，其中1998—1993年、2015—2018年下降趋势明显，突变发生在2013年左右。地下水水位呈上升—下降—上升—下降的变化趋势，其中1988—1993年、2003—2015年呈上升趋势，2006—2011年间超过0.05显著性水平；1994—2002年、2016—2018年地下水水位呈下降趋势，1998年超过0.05显著性水平，突变主要发生在1998年和2012年。

（3）通过小波分析可知，地表水与地下水水位均存在27 a左右的主周期，分别存在15 a和22 a的次周期。两者周期关系存在明显的一致性，且造成的原因可能是水工建筑物的构建以及人类生产活动等。