姚蕊，孫鵬，張強(qiáng)，蔣尚明，夏敏，汪軍紅

(1.南京師范大學(xué)虛擬地理環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210023；2.安徽師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院/資源環(huán)境與地理信息工程安徽省工程技術(shù)研究中心，安徽 蕪湖 241002；3.北京師范大學(xué)環(huán)境演變與自然災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100875；4.北京師范大學(xué)地表過(guò)程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100875；5.安徽省水利部淮河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究院水利水資源安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 蚌埠 233060;6.霍山縣水土保持試驗(yàn)站，安徽 霍山 237266)

地下水是水資源的重要組成部分，也是我國(guó)地表水資源匱乏及諸多城市的重要供水水源，地下水資源的合理開(kāi)發(fā)和利用對(duì)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)具有十分重要的作用。隨著氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)加劇，導(dǎo)致水循環(huán)異常，從而進(jìn)一步的加劇區(qū)域乃至全球范圍內(nèi)水資源時(shí)空分布不均，極端氣象水文事件發(fā)生頻繁[1-2]。特別是21世紀(jì)以來(lái)，大范圍長(zhǎng)歷時(shí)干旱的頻繁發(fā)生使地下水成了主要水源，而地下水資源的大量開(kāi)發(fā)、利用和儲(chǔ)量的減小使得該區(qū)域抗干旱能力仍在減弱[3]，地下水位逐年降低，因此研究變化環(huán)境下的地下水埋深時(shí)空變化特征對(duì)區(qū)域的水資源利用和保障問(wèn)題有著重要的意義。

淮北平原區(qū)地處中國(guó)南北氣候過(guò)渡地帶，是我國(guó)氣候變化“敏感區(qū)”，然而該區(qū)域所處淮河流域是我國(guó)重要的商品糧生產(chǎn)基地，同時(shí)其人均的水資源量不足全國(guó)人均水資源量的1/4，是水資源供需嚴(yán)重不足的地區(qū)。水資源供需矛盾加劇導(dǎo)致了人們大量開(kāi)采地下水資源，導(dǎo)致地下水埋深呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)地下水埋深開(kāi)展相關(guān)研究，如國(guó)內(nèi)對(duì)淮北地區(qū)地下水埋深的年內(nèi)、年際動(dòng)態(tài)變化特征的研究[4]，對(duì)天津地區(qū)、唐山地區(qū)和黑河中游地區(qū)的地下水埋深變化及影響因素的研究[3,5-6]，構(gòu)建評(píng)價(jià)地下水污染風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系開(kāi)展風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[7]，通過(guò)實(shí)踐及未來(lái)展望尋求理想的地下水資源評(píng)價(jià)方法[8]，以及將地下水埋深與干旱建立相關(guān)關(guān)系的相關(guān)研究[9-10]； Enokela等[11]基于5個(gè)觀(guān)測(cè)點(diǎn)研究尼日利亞內(nèi)陸谷的地下水埋深趨勢(shì)及其與降水的相關(guān)關(guān)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濕度分布區(qū)域直接影響到地下水的補(bǔ)給；Mizyed和Bekele等[13-14]研究降水量與地下水之間的關(guān)系，揭示影響地下水變化的主要因素是降水；Yuan等[15]分析了地下水與地表植被覆蓋的關(guān)系，Maurício 等[16]基于水文數(shù)據(jù)和水文模型模擬地下水資源的變化；Johannes & Oliver[17]進(jìn)一步地揭示印度城市化快速發(fā)展面臨的地下水資源管理。前人對(duì)于地下水埋深的降水成因分析中，采用較少站點(diǎn)或面尺度降水量進(jìn)行分析，難以反映研究區(qū)內(nèi)部降水空間分布與地下水埋深的響應(yīng)關(guān)系，對(duì)于淮北地區(qū)的成因分析更少，淮北平原區(qū)地下水埋深在空間分布上和月尺度上的分析較少，因此本研究基于淮北平原區(qū)104個(gè)觀(guān)測(cè)井1980～2007年的月地下水埋深數(shù)據(jù)和97個(gè)氣象站點(diǎn)月降水?dāng)?shù)據(jù)，精細(xì)化尺度下研究地下水埋深和降水的時(shí)空演變規(guī)律，并探討降水的時(shí)空分布特征對(duì)地下水埋深的影響。研究成果對(duì)掌握淮北平原區(qū)地下水埋深變化規(guī)律和區(qū)域地下水資源的合理開(kāi)發(fā)提供重要參考。

1 數(shù)據(jù)和研究方法

1.1 數(shù)據(jù)

本文數(shù)據(jù)采用淮北平原區(qū)104個(gè)觀(guān)測(cè)井1980～2007 年的逐月地下水埋深數(shù)據(jù)，資料來(lái)源于水利部淮河水利委員會(huì)水文局，97個(gè)地面氣象站的1980～2007年逐月降雨量資料，資料來(lái)源于國(guó)家氣象信息中心站點(diǎn)，分布見(jiàn)圖1。缺失數(shù)據(jù)按照下述方法進(jìn)行插補(bǔ)：1～2 d缺失數(shù)據(jù)采用相鄰數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行插補(bǔ)；缺失數(shù)據(jù)時(shí)間較長(zhǎng)的則以計(jì)算整個(gè)數(shù)據(jù)序列對(duì)應(yīng)時(shí)期的平均值進(jìn)行插補(bǔ)。

圖1 淮北平原區(qū)示意圖

1.2 Mann-Kendall 方法

本文采用非參數(shù)Mann-Kendall (以下簡(jiǎn)稱(chēng)M-K法) 趨勢(shì)檢驗(yàn)法來(lái)研究標(biāo)準(zhǔn)降水指數(shù)的趨勢(shì)變化情況[18-19]。M-K方法廣泛應(yīng)用于檢驗(yàn)水文氣象資料的趨勢(shì)成分，是世界氣象組織推薦的應(yīng)用于時(shí)間序列分析的方法。

2 結(jié)果分析

2.1 地下水埋深變化的年代際特性分析

由圖2不同年代地下水埋深的空間分布圖可知：淮北平原區(qū)地下水埋深最大的位于區(qū)域的東北部地區(qū)，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潁上地區(qū)，平均埋深1.50～1.86 m。從年代來(lái)看，1980年代是整體地下水埋深較淺，1990年代地下水埋深越來(lái)越大，2000年后呈地下水埋深逐漸降低，但是并沒(méi)有恢復(fù)到1980年代水平(圖2B-D)。盡管2000年以來(lái)地下水位埋深有所恢復(fù)，但是其最大地下水埋深趨勢(shì)呈增加趨勢(shì)，最大埋深達(dá)8.30 m。從最大地下水埋深發(fā)生的年份來(lái)看，主要也是分布在淮河流域的特大干旱、嚴(yán)重干旱和中度干旱的當(dāng)年或下一年[20]。同樣的，地下水埋深最淺的也主要在2000年之后，最淺達(dá)0.39～0.55 m。值得注意的，宿州北部地區(qū)是整個(gè)淮北平原區(qū)地下水埋深最大的區(qū)域。

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

為了進(jìn)一步地分析地下水埋深的變化程度，由圖3不同年代際地下水埋深變異系數(shù)空間分布圖可知，從1980年代以來(lái)，地下水埋深整體的變差系數(shù)呈增加趨勢(shì)，1980年代、1990年代和21世紀(jì)以來(lái)其變差系數(shù)分別是0.18、0.20和0.23。從空間分布來(lái)看，不同年代變差系數(shù)變化最大的主要分布在以淮北市為中心的區(qū)域和淮北平原東南部的阜南地區(qū)，進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，淮北平原北部地區(qū)的地下水埋深年際變化達(dá)到最大值0.58?；幢逼皆奈鞅辈亢蜄|南部地區(qū)的變差系數(shù)小，說(shuō)明該區(qū)域的地下水埋深年際變化小，但是與1980年代相比，21世紀(jì)以來(lái)年際變化呈增大趨勢(shì)。

圖3 地下水埋深不同年代的變差系數(shù)(Cv)時(shí)空分布圖

2.2 地下水埋深位變化的年內(nèi)特征分析

從圖4的月平均地下水埋深空間分布圖可知，地下水埋深具有一定的干濕規(guī)律，淮北平原區(qū)的東北部和西南部地區(qū)的變化也不同。具體是：淮北平原區(qū)東北部的宿州在3～8月份地下水埋深呈增加趨勢(shì)，最深達(dá)到4.6 m；隨著農(nóng)作物對(duì)需水量減少，1～2月和9～12月西北部的地下水埋深要低于3～8月份。西南部地區(qū)的潁上地區(qū)在6～10月份地下水埋深較淺，平均在2 m以?xún)?nèi)，8月份地下水埋深較淺的區(qū)域是最大的，春季是西南部地區(qū)地下水埋深較深。糧食作物產(chǎn)量對(duì)地下水埋深的影響最大，灌溉糧食作物引起的地下水下降幅度大于蔬菜作物[21-22]，東南部和西南部除了在汛期地下水埋深較低，其他時(shí)間變化不大?；幢逼皆瓍^(qū)主要糧食作物是冬小麥，春季(3～5月)是小麥生長(zhǎng)的關(guān)鍵期，該時(shí)期的小麥需水量較大[23]，而淮北平原區(qū)的降水年內(nèi)分配很不均勻，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%，最大為7月，占全年的25%～30%，降水集中的趨勢(shì)，越偏北越明顯[24]。降水的時(shí)空分布不均勻和農(nóng)作物需水量之間的矛盾，導(dǎo)致了地下水埋深的空間分布不一致。

2.3 地下水埋深的趨勢(shì)變化

由圖5淮北平原區(qū)地下水埋深的月尺度變化圖可知：地下水埋深在1980～2000年呈增加趨勢(shì)，2000年之后地下水埋深呈減小趨勢(shì)，但是具體到每個(gè)月的變化是不一致的(圖6)。各月份地下水埋深的變異點(diǎn)主要集中在1985～1990年之間，變異后地下水埋深主要以增加趨勢(shì)為主，即地下水埋深越來(lái)越深。1～2月和10～12月變化較為一致，從1980～1985年地下水埋深呈下降趨勢(shì)，即地下水埋深變淺；在1985～2000年左右，地下水埋深呈增加趨勢(shì)，1～2月和10～12月增加趨勢(shì)超過(guò)95%的置信度檢驗(yàn)，增加顯著，這說(shuō)明在枯水季節(jié)地下水埋深越來(lái)越深；2000年之后地下水埋深呈微弱減小趨勢(shì)。3～6月份是淮北平原降水較少且農(nóng)作物需水量較大的月份，在1980～1985年和1990～2007年地下水埋深呈增加趨勢(shì)，1985～1990年左右地下水埋深呈減小趨勢(shì)，這也說(shuō)明1990年之后地下水埋深越來(lái)越深，且沒(méi)有上升的趨勢(shì)。

2.4 地下水埋深的空間分布特征

圖7是基于MK計(jì)算的各月份的地下水埋深趨勢(shì)變化圖，從圖中可以看出大部分地區(qū)地下水埋深呈減小趨勢(shì)，即地下水埋深越來(lái)越淺，但是不同月份地下水埋深的空間分布是不同的。東北部的宿州地區(qū)在4～9月呈顯著減小趨勢(shì)，說(shuō)明地下水埋深越來(lái)越淺，其他月份減小趨勢(shì)不顯著。西南部的亳州和阜陽(yáng)在9～11月大部分呈顯著減小趨勢(shì)，1～6月部分地區(qū)呈減小趨勢(shì)；東南部除了6月份呈減小趨勢(shì)，其他月份呈增加趨勢(shì)。整體上來(lái)看， 5月淮北平原區(qū)有57個(gè)站點(diǎn)(占全部站點(diǎn)的54.8%)地下水埋深趨勢(shì)變化超過(guò)了95%的置信度檢驗(yàn)，呈顯著的減小趨勢(shì)。超過(guò)30個(gè)站點(diǎn)呈顯著減小趨勢(shì)的月份還有1～3月，10月和12月。6～8月顯著減小的站點(diǎn)最少，分別為10個(gè)、10個(gè)和11個(gè)。

圖4 淮北平原區(qū)地下水埋深月平均埋深空間示意圖

圖5 地下水埋深埋深多年平均線(xiàn)性趨勢(shì)圖

圖6 地下水埋深埋深多年平均MK趨勢(shì)圖

圖7 淮北平原區(qū)地下水埋深趨勢(shì)圖

2.5 降水空間分布特征

淮北平原區(qū)土壤的垂直滲透強(qiáng)水平滲透弱的特點(diǎn)，形成了淮北平原淺層地下水形成、分布、埋藏及其運(yùn)移規(guī)律—以垂向補(bǔ)給消耗為主，即“入滲蒸發(fā)”特質(zhì)[25]。因此地下水埋深的時(shí)空變化規(guī)律主要受到降水、地表徑流和開(kāi)發(fā)地下水資源等影響?；春咏邓a(bǔ)給地下水入滲速率隨時(shí)間變化可知[26]，一般當(dāng)月的降水可以補(bǔ)充當(dāng)月的地下水位，但是難以表達(dá)月末降水對(duì)于地下水的補(bǔ)充，因此本文將地下水埋深與上一個(gè)月降水也進(jìn)行對(duì)比分析。圖8是我們統(tǒng)計(jì)97個(gè)氣象站的月降水?dāng)?shù)據(jù)的趨勢(shì)圖，在4月份全部地區(qū)降水呈減小趨勢(shì)，東北部的宿州地區(qū)在1月、6～8月和11月呈減小趨勢(shì)，西南部的亳州和阜陽(yáng)在9～10月大部分呈減小趨勢(shì)，但是整體降水減小趨勢(shì)不顯著。1～2月、10～12月、5月的東部地區(qū)和6月的絕大部分地區(qū)地下水埋深隨著降水的增加而地下水位呈抬升趨勢(shì)。3～4月、5月和9月的中西部地區(qū)降水減小、地下水埋深增加。3～5月是冬小麥的生長(zhǎng)發(fā)育關(guān)鍵期，也是作物需水量最大的時(shí)期，8～9月是大豆、玉米生成關(guān)鍵期，該時(shí)期降水呈減小趨勢(shì)，而我國(guó)每年糧食實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)，地下水位的抬升主要是農(nóng)作物灌溉水入滲補(bǔ)充地下水。

基于1980～2007 年104個(gè)逐月地下水埋深數(shù)據(jù)和 97個(gè)面氣象站逐月降雨量數(shù)據(jù)，運(yùn)用MK方法分別計(jì)算各站點(diǎn)地下水和降水趨勢(shì)，通過(guò)克里金空間插值，柵格化后形成格點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過(guò)不同趨勢(shì)的地下水柵格數(shù)據(jù)與不同趨勢(shì)的降水柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，劃分為4類(lèi)：① 降水趨勢(shì)增加、地下水埋深減?。虎?降水增加，地下水埋深增加；③ 降水減小、地下水埋深增加；④ 降水減小、地下水埋深增加。從圖9可知，1～2月、10～12月、5月的東部地區(qū)和6月的絕大部分地區(qū)的屬于第一類(lèi)情況，即降水趨勢(shì)增加、地下水埋深減小，地下水埋深隨著降水的增加而地下水位呈抬升趨勢(shì)。該月份在淮北市、亳州市、界首市，蕭縣附近地下水埋深呈增加趨勢(shì)，城區(qū)及淮北市對(duì)于煤炭資源的開(kāi)發(fā)，導(dǎo)致地下水位的下降。這種情況同樣發(fā)生在7月份的大部分區(qū)域。3～4月、5月和9月的中西部地區(qū)屬于第3類(lèi)情況，降水減小、地下水埋深增加。3～5月是冬小麥的生長(zhǎng)發(fā)育關(guān)鍵期，也是作物需水量最大的時(shí)期，8～9月是大豆、玉米生成關(guān)鍵期，該時(shí)期降水呈減小趨勢(shì)，而我國(guó)每年糧食實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)，地下水位的抬升應(yīng)該是農(nóng)作物灌溉水入滲補(bǔ)充地下水。8月和9月其他地區(qū)屬于第4類(lèi)，降水減小、地下水埋深增加，該區(qū)域主要是農(nóng)業(yè)區(qū)，工業(yè)和生產(chǎn)用水量不大，因此除城區(qū)外，其他地區(qū)地下水位下降主要是因?yàn)榻邓疁p小引起的。同時(shí)，我也做了降水與滯后1個(gè)月地下水的趨勢(shì)對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)其空間變化規(guī)律基本與圖9類(lèi)似，在此不詳細(xì)闡述。

圖8 淮北平原區(qū)降水趨勢(shì)時(shí)空分布特征

圖9 降水和地下水埋深趨勢(shì)對(duì)比分析圖

3 結(jié) 論

本研究基于淮北平原區(qū)104個(gè)觀(guān)測(cè)井1980～2007 年的月地下水埋深數(shù)據(jù)和97個(gè)氣象站點(diǎn)月降水?dāng)?shù)據(jù)，研究地下水埋深的時(shí)空變化規(guī)律，并探討影響地下水埋深的主要影響因素。主要結(jié)論如下：

1)20世紀(jì)80年代是整體地下水埋深較淺，20世紀(jì)90年代地下水埋深越來(lái)越大，進(jìn)入21世紀(jì)后呈地下水埋深逐漸降低。宿州北部地區(qū)是整個(gè)淮北平原區(qū)地下水埋深最大的區(qū)域。從最大地下水埋深發(fā)生的年份來(lái)看，主要也是分布在淮河流域的特大干旱、嚴(yán)重干旱和中度干旱的當(dāng)年或下一年。

2)整體上南部地區(qū)地下水埋深小于北部地區(qū)，特別是東北部的；夏季地下水埋深平均最小，春季最大，其次是秋季和冬季。降水的時(shí)空分布不均勻和農(nóng)作物需水量之間的矛盾，導(dǎo)致了地下水埋深的空間分布不一致。

3)在1980～1985年的1～2月、1～12月地下水埋深呈下降趨勢(shì)，下降趨勢(shì)不顯著；而在1985～2000年的1～2月、1～12月地下水埋深呈顯著增加趨勢(shì)；在1980～1985年和1990～2007的3～9月地下水埋深呈不顯著增加趨勢(shì)，1985～1990年的3～9月地下水埋深卻呈不顯著減小趨勢(shì)。

4)1～2月、10～12月、5～6月的絕大部分地區(qū)屬于第一類(lèi)情況，即降水趨勢(shì)增加、地下水埋深減小；3～4月、5月和9月的中西部地區(qū)屬于第三類(lèi)情況，降水減小、地下水埋深減小。農(nóng)作物灌溉水入滲補(bǔ)充地下水是地下水位抬升主要原因。8月和9月中東部地區(qū)屬于第四類(lèi)，地下水位下降主要是因?yàn)榻邓疁p小引起的。