哈建強(qiáng)，朱艷飛

(1.河北省滄州水文水資源勘測(cè)局，河北 滄州 061000；2.滄州市環(huán)境保護(hù)局，河北 滄州 061000)

1 概 述

滄州市東臨渤海，北靠天津，與山東半島及遼東半島隔海相望。京滬高速公路縱貫全市，京杭大運(yùn)河穿境而過(guò)，104國(guó)道、京滬鐵路貫穿全區(qū)，海陸空交通便利。全市多年平均氣溫12.2℃，極端最高氣溫43℃，極端最低氣溫-25℃，降水量年內(nèi)分配不均，80%的降水量集中在6～9月份。本文分析的東南部典型區(qū)為東光縣和吳橋縣。

2 資料的選取及站點(diǎn)信息

本文研究區(qū)東光縣和吳橋縣內(nèi)有7個(gè)地下水位觀測(cè)點(diǎn)，但長(zhǎng)系列觀測(cè)點(diǎn)只有東光站和樓子鋪站兩個(gè)站點(diǎn)。為彌補(bǔ)資料的不足，在研究區(qū)附近的衡水市景縣、阜城縣和滄州市南皮縣搜集了4個(gè)地下水位長(zhǎng)系列站點(diǎn)。因此，共有11個(gè)地下水觀測(cè)站點(diǎn)，其中長(zhǎng)系列觀測(cè)點(diǎn)有6個(gè)。各個(gè)站點(diǎn)地下水位資料見(jiàn)表1。

表1 地下水位觀測(cè)點(diǎn)位置及系列長(zhǎng)度

地下水位統(tǒng)計(jì)分析時(shí)，主要以東光、樓子鋪、前村、王海、潞灌和寨子6個(gè)長(zhǎng)系列資料的站點(diǎn)為主，其它站點(diǎn)作為補(bǔ)充。由于每年1月份地下水位趨于穩(wěn)定，因此選擇每年1月1日的地下水位進(jìn)行年際和年代際的變化分析。

3 特征分析

3.1 統(tǒng)計(jì)特征分析

根據(jù)以上選擇的地下水站點(diǎn)信息，分別計(jì)算11站地下水位資料的統(tǒng)計(jì)參數(shù)，見(jiàn)表2。

表2 各站潛水位序列常規(guī)統(tǒng)計(jì)參數(shù)計(jì)算結(jié)果

從表2計(jì)算結(jié)果可以看出，各站地下水位平均值相差較大，標(biāo)準(zhǔn)差和變差系數(shù)都較小，即地下水位年際變異較為平緩。從各站偏態(tài)系數(shù)計(jì)算結(jié)果可以看出，地下水位序列正偏和負(fù)偏情況都存在，負(fù)偏情況居多。

3.2 年內(nèi)變化特征分析

從11眼觀測(cè)井中選擇的部分代表性井，選擇資料繪制多年平均的逐月地下水位過(guò)程線和多年平均逐月降雨量，見(jiàn)圖1。根據(jù)相關(guān)資料繪制抽水、灌溉量圖，見(jiàn)圖2。從圖1、圖2可以看出，由于1、2月份抽取地下水和灌溉水量都較少，因此地下水位較為穩(wěn)定；3月份開(kāi)始抽水春灌，地下水位迅速降低，4～5月份地下水位達(dá)到最低；6～9月份淺層抽水量大大減少，再加之夏季降雨量增多和春灌的回補(bǔ)滯后作用，地下水位逐漸回升，至9月份水位達(dá)到最高；10～11月份由于抽水秋灌造墑，使得地下水位出現(xiàn)不同幅度的下降；秋灌后各測(cè)站地下水變化也出現(xiàn)兩種變化趨勢(shì)：第一種趨勢(shì)是秋灌抽水結(jié)束后水位上升直至趨于穩(wěn)定，這種測(cè)井多位于地下水位較低的區(qū)域(如于集站、秦村站和馬鐵鍋站)，秋灌后水位上升的原因主要是灌溉回補(bǔ)地下水和側(cè)向流入所致；第二種趨勢(shì)是10月份抽水結(jié)束后水位并未上升，而是趨于穩(wěn)定或繼續(xù)下降。這種測(cè)井多位于地下水位較高的區(qū)域(東光站)，冬灌后水位并未回升甚至出現(xiàn)繼續(xù)下降趨勢(shì)的主要原因可能是側(cè)向流出量抵消或超過(guò)該地區(qū)灌溉回補(bǔ)水量。

從以上初步分析可以看出，該地區(qū)地下水屬于典型的人工-入滲型，人類(lèi)活動(dòng)(抽水、灌溉)和降雨是地下水位年內(nèi)變化的主要影響因素，在灌溉和降雨較少的冬季，側(cè)向流動(dòng)對(duì)地下水位也有一定的影響。

圖1 逐月地下水位和降雨年內(nèi)分布

圖2 逐月淺層抽水量和灌溉水量分布

3.3 趨勢(shì)性特征分析

根據(jù)實(shí)際情況，分別計(jì)算長(zhǎng)系列資料的東光、樓子鋪、前村等6個(gè)站點(diǎn)的地下水位線性?xún)A向估計(jì)、趨勢(shì)系數(shù)和MK統(tǒng)計(jì)量的計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 潛水位趨勢(shì)分析結(jié)果

從表3計(jì)算結(jié)果可以看出，除東光站外，其它各個(gè)站點(diǎn)地下水位都呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)，而東光呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)。除東光外，樓子鋪等5站平均下降速率為2.31 m/10 a，平均趨勢(shì)系數(shù)達(dá)-0.76，MK法得到的平均統(tǒng)計(jì)量達(dá)-5.46。通過(guò)檢驗(yàn)，下降趨勢(shì)均超過(guò)0.01信度水平。下降的5個(gè)站點(diǎn)中，樓子鋪和寨子站下降速率相對(duì)較緩。

從兩年滑動(dòng)平均圖(圖3)也可以直觀地看出，除東光站外，研究區(qū)其它站點(diǎn)近40年來(lái)地下水位呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)。在1990～1995年間，地下水位下降幅度有所減緩，部分站點(diǎn)甚至出現(xiàn)水位回升現(xiàn)象。1995～1997年后，地下水位進(jìn)入劇降階段，寨子站在1997年以前地下水位并沒(méi)有出現(xiàn)顯著的下降趨勢(shì)，在1997年后也開(kāi)始進(jìn)入急劇下降趨勢(shì)。在近幾年，這種劇降趨勢(shì)有所緩減，甚至部分站點(diǎn)還出現(xiàn)水位上升趨勢(shì)。

圖3 地下水位滑動(dòng)平均曲線

東光站整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，主要原因是該站位于東光縣城，主要的用水量是生活用水，灌溉用水和工業(yè)用水都較少，而生活用水主要抽取的是深層地下水。另外，該站位于南運(yùn)河附近，河流的側(cè)向補(bǔ)給可能也是導(dǎo)致該區(qū)域地下水整體呈現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì)的原因。樓子鋪等站位于灌溉農(nóng)地中，由于大量抽取淺層地下水灌溉，使得地下水位整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

寨子站與其它深埋區(qū)站點(diǎn)相比，下降趨勢(shì)相對(duì)緩慢。并且該站1995年以前地下水位下降趨勢(shì)并不明顯，主要原因可能也是因?yàn)樵撜疚挥谡男l(wèi)新河附近，河流的側(cè)向補(bǔ)給抵消了抽水導(dǎo)致的水位下降。在1995～1997年河道流量劇減后，寨子站的地下水位變化特征與其它位于灌溉地的站點(diǎn)的變化特征趨于一致，表現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)。圖4是南運(yùn)河逐年流量變化趨勢(shì)，由于漳衛(wèi)新河和南運(yùn)河從上游德州境內(nèi)的四女寺閘下開(kāi)始分叉，因此其變化趨勢(shì)應(yīng)該和南運(yùn)河相似。

圖4 南運(yùn)河河道流量變化曲線

樓子鋪的下降趨勢(shì)比其它站點(diǎn)要小，一方面是因?yàn)槠渎裆钕鄬?duì)較小，降雨會(huì)對(duì)其有一定的補(bǔ)充；另一方面是因?yàn)樵摰貐^(qū)的淺層抽水量多、地表引水多、灌溉強(qiáng)度大。

3.4 持續(xù)性特征分析

對(duì)東光、樓子鋪等具有長(zhǎng)系列資料的6個(gè)地下水位站點(diǎn)的Hurst指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 潛水位Hurst指數(shù)和容量維

各個(gè)站點(diǎn)Hurst指數(shù)擬合圖見(jiàn)圖5。

圖5 潛水位Hurst指數(shù)擬合圖

從擬合結(jié)果來(lái)看，域重新標(biāo)度分析法(R/S分析法)得到了較為滿(mǎn)意的結(jié)果。說(shuō)明該方法用于地下水位動(dòng)態(tài)變化分析是可行的，同時(shí)也說(shuō)明地下水位具有分形特征，分維數(shù)可以揭示這一特征。

從上述計(jì)算結(jié)果可以看出，各站H>0.5，這說(shuō)明該地區(qū)地下水位具有持續(xù)性或長(zhǎng)程相關(guān)性，過(guò)去的增加趨勢(shì)預(yù)示著未來(lái)的增加趨勢(shì)，過(guò)去的減少趨勢(shì)意味著將來(lái)的減少趨勢(shì)。從分析結(jié)果還可以看出，該地區(qū)平均地下水位的分維數(shù)在1～1.2左右，平均H=0.923 6。Hurst指數(shù)H和分維數(shù)的計(jì)算結(jié)果與黃勇、謝先紅等學(xué)者得到的地下水位分形特征值近似。

3.5 周期性特征分析

用東光等6個(gè)長(zhǎng)系列地下水位系列站點(diǎn)進(jìn)行周期分析。分析之前對(duì)各序列進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，圖6是FFT分析結(jié)果。

圖6 FFT法分析潛水位周期圖

從FFT分析結(jié)果可以看出，該區(qū)域地下水位主要有30年以上、15～17年、8～11年和2～5年4個(gè)周期成分。其中，以長(zhǎng)周期震蕩最為強(qiáng)烈。

通過(guò)對(duì)各地下水位標(biāo)準(zhǔn)化序列進(jìn)行小波變化，得到不同時(shí)間尺度的小波方差圖，見(jiàn)圖7。該圖含義與功率譜圖類(lèi)似，反映的是不同時(shí)間尺度上震蕩的強(qiáng)弱，根據(jù)小波方差圖可以對(duì)序列進(jìn)行周期識(shí)別。表5列出了由小波方差圖得到的各個(gè)站點(diǎn)的周期識(shí)別結(jié)果。為便于比較，將FFT分析結(jié)果也列于表5。

圖7 潛水位小波方差圖

表5 FFT法和小波分析潛水位周期結(jié)果對(duì)比

采用FFT分析的結(jié)果與小波分析結(jié)果略有差異，原因在于FFT分析時(shí)頻率只能取整數(shù)，造成周期分量結(jié)果有一定偏移，但總體來(lái)說(shuō)FFT進(jìn)行功率譜分析得到的周期分量與小波分析結(jié)果相似。

從表5可以看出，該區(qū)域地下水位以超過(guò)30年的長(zhǎng)周期變化為主，其次為14～16年周期，7～9年周期和2～4年周期。其中，地下水位大于30年的周期代表趨勢(shì)性變化特征，對(duì)地下水位大于30年長(zhǎng)周期分量方差貢獻(xiàn)率計(jì)算發(fā)現(xiàn)(計(jì)算某站主周期方差貢獻(xiàn)率時(shí)，取該站主周期中心及其前后各一年的小波方差之和，如計(jì)算15年為中心的主周期段，則該主周期方差貢獻(xiàn)率取14～16年的小波方差之和)，東光為10.66%，寨子為12.97%，樓子鋪為13.33%，王海、前村和潞灌為18.5%～19.5%，后3站趨勢(shì)分量(長(zhǎng)周期)方差貢獻(xiàn)率明顯大于前3站，說(shuō)明后3站趨勢(shì)性更明顯，這與前面趨勢(shì)性分析得到的結(jié)果是一致的。原因是后3站處于深埋區(qū)，人類(lèi)活動(dòng)影響大，而樓子鋪為淺埋深區(qū)，寨子和東光站位于河邊，降雨和河水的補(bǔ)給抵消了人類(lèi)抽水帶來(lái)的一部分影響。

需要說(shuō)明的是，因?yàn)橐陨纤R(shí)別的周期屬于概率周期的范疇，因此某一周期成分并不專(zhuān)指該序列僅僅存在該年份的周期分量。它指的是以該年份為中心的周期范圍，如寨子站有15年的周期分量，代表著該站有以15年為中心的周期范圍，從該站小波方差圖上可以看出，寨子站15年周期成分的特征范圍大概在12～20年。

基于這一考慮，可以認(rèn)為該區(qū)域存在4個(gè)較為強(qiáng)烈的周期范圍，分別是30年以上的長(zhǎng)周期、12～20年左右的年代際周期、5～10年左右的年際周期和2～4年左右的短周期。

假如某一氣候因子對(duì)地下水位有影響，該氣候因子的周期分量應(yīng)該能夠驅(qū)使地下水位產(chǎn)生同樣的周期分量和相位變化，但是由于各種因素的影響，由氣候變化周期分量驅(qū)動(dòng)的地下水位周期分量與該氣候因子周期可能不一定完全同步。因此，采用周期范圍的觀點(diǎn)來(lái)識(shí)別周期，一方面符合概率周期的內(nèi)涵，另一方面也有助于后續(xù)進(jìn)一步識(shí)別對(duì)地下水位產(chǎn)生影響的氣候因子。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)以上分析滄州市東南部典型區(qū)近40年來(lái)統(tǒng)計(jì)特性、年內(nèi)變化特征、趨勢(shì)性特征、持續(xù)性特征和周期性等各種特征，得出以下結(jié)論：

1) 該典型區(qū)存在4個(gè)較為強(qiáng)烈的周期范圍，分別是30年以上的長(zhǎng)周期、12～20年左右的年代際周期、5～10年左右的年際周期和2～4年左右的短周期。

2) 該典型區(qū)地下水位具有持續(xù)性或長(zhǎng)程相關(guān)性，過(guò)去的增加趨勢(shì)預(yù)示著未來(lái)的增加趨勢(shì)，過(guò)去的減少趨勢(shì)意味著將來(lái)的減少趨勢(shì)。

3) 該典型區(qū)除東光站外，其它各個(gè)站點(diǎn)地下水位都表現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)，東光表現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)。

4) 該典型區(qū)地下水屬于典型的人工-入滲型，抽水、灌溉等人類(lèi)活動(dòng)和降雨是地下水位年內(nèi)變化的主要影響因素，在灌溉和降雨較少的冬季，側(cè)向流動(dòng)對(duì)地下水位也有一定的影響。