仰明尉 高武振 李華平

(1.桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院 廣西桂林 541004; 2.廣西水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院 廣西柳州 545006)

桂林市西城區(qū)地下水動(dòng)態(tài)影響因素分析

仰明尉1高武振2李華平1

(1.桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院 廣西桂林 541004; 2.廣西水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院 廣西柳州 545006)

采用桂林市西城區(qū)2004～2005年的降雨和地下水觀測資料，對(duì)西城區(qū)地下水水位動(dòng)態(tài)變化影響因素進(jìn)行了因子分析；揭示了西城區(qū)地下水年內(nèi)的變化規(guī)律及動(dòng)態(tài)變化特點(diǎn)；表明采用因子分析法分析地下水水位動(dòng)態(tài)變化影響因素是可行的。

地下水動(dòng)態(tài) 因子分析 桂林西城區(qū)

地下水動(dòng)態(tài)影響因素一般分為天然因素和人為因素。天然因素包括氣象、水文、地質(zhì)、土壤、生物等；人為因素主要包括人工取水和人工補(bǔ)給等。地下水動(dòng)態(tài)分類的研究，是地下水動(dòng)態(tài)研究的一個(gè)重要方面，它對(duì)于研究區(qū)域地下水的補(bǔ)、徑、排條件和地下水資源評(píng)價(jià)以及地下水動(dòng)態(tài)觀測網(wǎng)的優(yōu)化都具有重要意義。本文嘗試采用因子分析模型來研究桂林市西城區(qū)地下水動(dòng)態(tài)的影響及其變化特征，識(shí)別影響地下水資源的關(guān)鍵因子，為地下水資源評(píng)價(jià)和合理開發(fā)提供依據(jù)。

1 地下水動(dòng)態(tài)影響因素

桂林市西城區(qū)，以臨桂縣二塘鎮(zhèn)為中心，距桂林市中心區(qū)7km。西城區(qū)的重點(diǎn)建設(shè)范圍：南起隆家，北至廟嶺鄉(xiāng)，南北跨度10.7km；東起東邊山，西至洋田，東西跨度7.2km，面積約27.8km2。研究區(qū)以規(guī)劃的西城區(qū)為中心，向外擴(kuò)展1～5km，面積為178.91km2。

1.1 氣象

根據(jù)臨桂縣氣象站1961～2005年觀測記錄，年均降雨量1862.7mm。年最大降雨2515.3mm（1968年），年最小降雨量僅1293.0mm（1969年）。一年之中，12月降雨最少，年均50.5mm。5～6月，月均降雨量逾320.0mm。兩月共降651.7mm，占年均雨量的35%?？h境雨季為3～8月，旱季為9月至次年2月。降雨在季節(jié)上的分配不均，形成了春夏雨多而集中，秋冬少雨干旱的特點(diǎn)。

1.2 水文

研究區(qū)屬漓江與柳江區(qū)域分水嶺，分水嶺的北部與東部屬漓江水系，南部與西部屬柳江水系。區(qū)內(nèi)主要河溪有太平河、衡山溪、桃花江和南溪，前兩者屬柳江水系，后兩者屬漓江水系。地表河流總的特征是：沒有大河流，但小河溪發(fā)育；河床不寬，數(shù)米至二十余米；切割淺，一般小于3m；縱向坡度緩，雨季往往因河水排泄不暢，造成大范圍洪淹。

1.3 人工灌溉和開采12

研究區(qū)除上述天然河溪外，還有對(duì)水文地質(zhì)條件影響較大的青獅潭水庫西干渠，區(qū)內(nèi)長20.6km。另外還有秧塘、桂林和馬面三條支渠，區(qū)內(nèi)共計(jì)長度25.40km。西干渠每年3月中旬放水灌溉，10月下旬或11月上旬停水。因渠道多處于地下水位之上，防滲能力又差，沿途滲漏和稻田的灌溉回歸，對(duì)地下水補(bǔ)給起著重要作用。

該地區(qū)的觀測井大部分是利用民井和灌溉井，水位動(dòng)態(tài)受到一定的影響，并且有縣水廠，水泥廠等單位自行開采地下水，日均開采量達(dá)10377m3，開采強(qiáng)度較大，水位動(dòng)態(tài)受開采影響較明顯。

2 因子分析的原理

在實(shí)際問題的分析過程中，人們往往希望盡可能多地收集反映研究對(duì)象的多個(gè)變量，以期能夠?qū)栴}有比較全面、完整的把握與認(rèn)識(shí)。因子分析就是用最少個(gè)數(shù)的不可觀測的互不相關(guān)的公共因子的線性組合，再加上特殊因子來描述原來一組可觀測的有相互關(guān)系的變量。其目的是盡可能合理地解釋存在于原始變量之間的相關(guān)性，并且簡化變量的維數(shù)和結(jié)構(gòu)。因子分析的數(shù)學(xué)模型是假設(shè)原有變量有p個(gè)，分別用表示為1x、2x、3x、…、px，現(xiàn)將每個(gè)原有變量用k（k

用矩陣表示就是：

式中：

其中X為原始變量矩陣，A為因子載荷矩陣，F(xiàn)為公共因子矩陣，Ε為特殊因子矩陣。

3 研究區(qū)應(yīng)用實(shí)例

根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)，選擇20個(gè)不同水位變幅時(shí)段作為變量和取39個(gè)水點(diǎn)作為樣品（見表2）進(jìn)行因子分析。

將該選定的數(shù)據(jù)組成原始資料矩陣X(20× 39)，經(jīng)過計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，求得相關(guān)系數(shù)矩陣特征值，其中前三個(gè)特征值累計(jì)百分比達(dá)85.30%（見表1），故取前三個(gè)特征值已經(jīng)能夠提取原始數(shù)據(jù)變化的85%以上信息。

表 1 相關(guān)系數(shù)矩陣前三項(xiàng)特征值

經(jīng)計(jì)算，得三個(gè)公共主因子，經(jīng)方差極大旋轉(zhuǎn)后的因子載荷矩陣。

從因子載荷矩陣可以看出：主因子Ⅰ中均為正值，最大的前三頂數(shù)值為0.8578、0.8513、0.8113，它們分別是水位變幅時(shí)段18、12、19的因子載荷值。這三個(gè)時(shí)段均為降雨期，水位普遍上升，說明其主要反映降雨對(duì)水位動(dòng)態(tài)的控制作用。另從表2可知，第一個(gè)特征值占20個(gè)特征值的73.98%，表明研究區(qū)地下水水位變幅最主要受降雨的控制。

主因子Ⅱ中，只有第3個(gè)時(shí)段因子載荷矩陣值較大(其它的絕對(duì)值均小于0.5)，為0.9562。該時(shí)段為渠道停水后期，水位普遍大幅度下降，一搬下降0.3～0.8m，大者下降1.38m，由此可以推斷主因子Ⅰ反映渠道停水的影響作用，說明研究區(qū)地下水在一定程度上受灌溉影響。

主因子Ⅲ中，均為正值，其中水位變幅時(shí)段5、17、4對(duì)應(yīng)的因子載荷值最大，分別為0.8694、0.8033、0.7732，這三個(gè)時(shí)段，降雨量均偏小，水位普遍下降，也反映受氣象影響。

渠道放水初期時(shí)段10，水位上升的特征沒有反映，可能是因?yàn)樵摃r(shí)段有52.7mm的降雨，掩蓋了渠道放水初期的影響。

分析結(jié)果看來，地下水動(dòng)態(tài)主要受氣象控制，同時(shí)也受灌溉影響。

為了對(duì)水點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分類和進(jìn)一步解釋，對(duì)R型因子分析的結(jié)果進(jìn)一步計(jì)算前三個(gè)公共主因子的得分(見圖1)。

氣象型動(dòng)態(tài)（Ⅰ）：以F1因子軸上的得分是較大的負(fù)值為特征，均小于-0.5，負(fù)值的絕對(duì)值越大，受氣象影響就越顯著，其主要包括遠(yuǎn)離渠道，受灌溉影響小的水點(diǎn)，例如序號(hào)1至序號(hào)10的水點(diǎn)位置因子最大值為-0.4876。

圖 1 因子得分分類圖

開采灌溉氣象型動(dòng)態(tài)(Ⅲ)：以 因子軸上的得分較高(均大于0.7)為特征，其值越大，受開采影響就越顯著；反之，受開采干擾越明顯。主要是開采井或其附近的水點(diǎn)，如序號(hào)為35、36、37的臨桂水廠CK56-觀2、化工廠巖溶潭和氮肥廠大口井等。

表 2 水位變幅選擇一覽表

4 結(jié)語

（1）根據(jù)分類結(jié)果來看：區(qū)內(nèi)地下水動(dòng)態(tài)主要受大氣降雨和灌溉渠道水的影響，因此，動(dòng)態(tài)主要為氣象型和灌溉氣象型。在縣水廠集中開采地段，除上述兩種因素控制外，還略受開采動(dòng)態(tài)的影響，這于實(shí)際水文地質(zhì)情況相符合，表明采用因子分析法分析地下水水位動(dòng)態(tài)變化影響因素是可行的。

（2）根據(jù)常規(guī)判斷和因子分析判斷的對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)兩者在判別類型上大致相同，但是由于因子分析提取的信息量不能完全代表水點(diǎn)全部信息，因此在某些水點(diǎn)于傳統(tǒng)方法有差別。

（3）不同時(shí)段內(nèi)的自然環(huán)境、人類活動(dòng)對(duì)地下水動(dòng)態(tài)的影響存在差異，而本文只是根據(jù)2004～2005年期間的數(shù)據(jù)利用因子分析法來確定其影響因素，因此還存在不足。地下水動(dòng)態(tài)的變化與影響因素的確定仍是今后研究的內(nèi)容。

1. 高東東, 吳勇, 姜麗麗,古廣華. 德陽市城區(qū)地下水位動(dòng)態(tài)特征及成因分析[J]. 四川地質(zhì)學(xué)報(bào), 2012,32(1):74-79.

2. 仵彥卿, 李俊亭. 地下水動(dòng)態(tài)研究現(xiàn)狀與展望[J]. 西安地質(zhì)學(xué)院學(xué)報(bào), 1992,14(4): 58-64.

3. 陳小兵, 周宏飛, 張群. 地下水資源補(bǔ)給量的因子分析[J]. 干旱區(qū)資源與環(huán)境, 2004,18(5):43-46.

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.11.012

P641

B

1672-2469（2014）11-0033-03

12作者簡介：仰明尉(1989年— )，男，碩士研究生。