李 爽

(遼寧省遼陽水文局，遼寧 遼陽 111000)

一般情況下，深層承壓水系統(tǒng)在天然狀態(tài)下相對穩(wěn)定，并且在多年范圍內(nèi)地下水位處于周期性的平衡狀態(tài)。目前，遼河流域地下水位降落漏斗的范圍主要包括沈陽、鐵嶺、盤錦、康平、庫法、新民縣以及盤山等市縣區(qū)域，并與太子河、渾河流域水位降落漏斗相連，與華北地區(qū)深層地下水漏斗融為一體，漏斗中心水位最大埋深約135.78m，整個流域水位等高線為70m。陸錚、張人權(quán)等認為地下水的超采是引起水位漏斗持續(xù)擴展和延展的主要因素，并指出了因地下水位降落漏斗所產(chǎn)生的水體污染、地面裂縫和沉降等問題。據(jù)此，本文采用多元相關(guān)分析理論，對引起漏斗形成與變化的主要影響因素進行識別和確定，對遼河流域地下水漏斗的可調(diào)控性進行了探討，以期為該區(qū)域制定科學(xué)合理的調(diào)控政策和制度提供參考。

1 研究區(qū)域概況

遼河流域分布在我國東北部區(qū)域，降雨量和流經(jīng)量在時空分布上極不均衡，降雨量由東南向西北方向整體呈降低趨勢，多年平均降雨量為320～860mm，其中62%以上集中在7—8月份且多以暴雨或強降雨的形式出現(xiàn)；在平原地區(qū)氣溫較高，多年平均氣溫為6～9℃，由南向北方向年蒸發(fā)量依次遞減并處于982～1650mm范圍。流域內(nèi)各支流縱橫交錯、蜿蜒曲折，主要支流有老哈河、渾河、太子河、柴河等。研究區(qū)域地下水自上而下可分為4個孔隙含水巖層即Ⅰ～Ⅳ含水巖組，對應(yīng)的含水層分別為潛水、咸水、承壓和承壓含水層，底板埋深和水位埋深分別位于30～60m、240～320m、480～510m、820～960m和2～7m、25～58m、80～110m和85～120m。第Ⅲ、Ⅳ含水巖組水質(zhì)較好，為遼河流域工業(yè)用水和城鎮(zhèn)居民用水的主要來源，是遼河流域地下水位漏斗形成區(qū)域。

2 深層地下水水動力場特征

遼河流域地下水運動變化與我國東北地區(qū)整個區(qū)域的地下水循環(huán)密切相關(guān)，且受其運動影響較為顯著。遼河流域在20世紀80年代以來隨著多年連續(xù)干旱和用水量的增大，對深層地下水的開采利用不斷加大，引起該區(qū)域水位的快速下降，陸續(xù)形成了以沈陽、鐵嶺等區(qū)域為中心的水位降落漏斗。該區(qū)域水流被漏斗截斷并表現(xiàn)出明顯的球型地下水流特征。

3 地下水漏斗形成及演變影響因素研究

在地下水開采過程中降落漏斗的出現(xiàn)為必然和正常的現(xiàn)象。漏斗水位降深和范圍可在地下水平衡開采的狀態(tài)下達到平衡狀態(tài)；地下水開采量大于補給量，特別是在群井集中開采且開采量較大的情況下，地下水位可持續(xù)明顯下降，其漏斗面積也會快速擴展向外延伸，最終形成較大面積的區(qū)域性漏斗。地下水位漏斗的形成不僅受自然因素作用影響，而且與人為因素密切相關(guān)，據(jù)此本文分別對自然和人為影響因素展開深入的分析和研究。

3.1 自然因素

地下水位降落漏斗的形成與演變受自然因素的作用影響主要體現(xiàn)在對地下水補給條件的作用。大氣降水作為深層地下水的主要來源可直接通過河道滲漏和入滲等方式補給，氣候條件的變化不僅是影響地下水徑流補給的關(guān)鍵性因素，而且可對山前巖溶水的頂托補給作用產(chǎn)生顯著影響，其中大氣降水量和干旱指數(shù)因子為地下水補給和排泄的主要因素。氣候干旱程度指標可通過干旱指標進行反映和表征，干旱指數(shù)即為年蒸發(fā)能力與降水量的比值，表達式如下：

r=E0/P

(1)

式中，P、E0—年降水量和年蒸發(fā)能力，mm。

干旱指數(shù)的大小反映了區(qū)域的干旱程度，其值越大則代表越干旱。遼河流域?qū)儆谖覈狈降湫偷陌敫珊祬^(qū)域，其干旱指數(shù)多年均值為3.65，遼河流域自1980年以來的干旱指數(shù)變化情況如圖1所示。由圖1可以看出，該流域干旱指數(shù)在波動中整體呈上升趨勢。

圖1 1981—2010年遼河流域干旱指數(shù)變化趨勢

地下水補給主要來源于大氣降水，遼河流域近50年的大氣降水狀況如圖2所示。由圖2可知，該流域降雨量在波折中整體為減少趨勢。在50年系列中該流域降水量平均值為584mm，而且前20年和后30年平均降水量分別為614.7mm和502.6mm，后期相對于前期降水量降低約18.5%。遼河流域在近年來降雨量總體降低約120mm左右，此結(jié)果與我國降雨量降低和全球變暖的變化趨勢保持良好一致性。

圖2 遼河流域1965—2015年大氣降水量變化趨勢

3.2 人為因素

深層地下水運動的全過程均受到人為因素的作用影響，人為干擾不僅可改變或部分改變深層水的徑流強度和方向，而且可改變水的排泄和補給方式。遼河流域深層地下水開采起始于1950年，當時開采量和開采井眼均有限，深層水埋深約為2m左右。深層水資源開采量在1960—1965年間增長緩慢，并以遼河流域西北部區(qū)域為主，根據(jù)當時的機井施工原始數(shù)據(jù)資料深層水埋深為4～6m。此后在1980年，深層水埋深達到35m左右，機井開挖深度達到400～500m。隨后經(jīng)過工業(yè)經(jīng)濟的迅猛發(fā)展和人口的快速增加，20世紀末機井深度和數(shù)量迅速增大，地下水開采量急劇增大，深層水埋深和機井深度明顯增大。根據(jù)2010年遼河流域地下水開采量數(shù)據(jù)資料，深層地下水開采層為第Ⅲ、Ⅳ含水組，主要用于生活和工業(yè)生產(chǎn)用水。

4 地下水漏斗形成及演變主導(dǎo)因素識別

4.1 基本方法

本文對遼河流域深層地下水降落漏斗形成的主要影響因素采用相關(guān)分析法進行定量分析，并利用該方法對不同開采條件下水位的變化進行預(yù)測和分析。假定深層地下水影響變量服從正態(tài)分布，利用SPSS軟件對等時間步長分析數(shù)據(jù)進行分析，然后選擇皮爾遜相關(guān)分析法對各要素進行分析，并利用雙尾檢驗法對正、負相關(guān)性顯著類型進行檢驗，其中“*”和“**”分別代表5%和1%的顯著性水平。

4.2 數(shù)據(jù)來源

遼寧省氣象局以及各水文站點為氣象數(shù)據(jù)的主要來源?？紤]到數(shù)據(jù)資料的可獲取性和準確性，選取該流域1980年以后的大氣降水和蒸發(fā)量數(shù)據(jù)資料進行研究。地下水位動態(tài)變化選取該區(qū)域地下水位動態(tài)監(jiān)測孔1980年的監(jiān)測數(shù)據(jù)。本文相關(guān)分析選取6個觀測數(shù)據(jù)資料完整、系列較長的觀測孔進行數(shù)據(jù)提取，其數(shù)據(jù)來源為遼寧省各區(qū)域地礦局監(jiān)測站。參加相關(guān)分析的干旱指數(shù)r和降水量P為多年累積平均值；參與相關(guān)分析的水位降深s可通過水位地面埋深實測值進行獲?。恍纬陕┒返母鲄^(qū)域地下水位均為該范圍內(nèi)的算術(shù)平均值，開采量Q為多年累積開采量。

表1 遼河流域1981—2010年r、Q、P與s的多元相關(guān)分析結(jié)果

4.3 影響因素的多元相關(guān)性

本文對引起漏斗形成和演變的主導(dǎo)因素利用多元相關(guān)分析法進行識別和分析。利用SPSS軟件的Graphs繪圖板塊和Analyze分析板塊對遼河流域1981—2010年近30年的累積平均干旱指數(shù)r、降水量P、開采量Q與遼河流域深層地下水漏斗中心水位降深s之間進行多元相關(guān)分析，并輸出相應(yīng)的圖件和分析結(jié)果，對因變量s與自變量Q、P、r的相關(guān)度進行計算和分析，各變量之間的相關(guān)系數(shù)計算結(jié)果見表1。

由表1可知，漏斗中心水位降深s分別與累積開采量Q、平均降水量P和累積干旱指數(shù)r之間相關(guān)性分別為0.998、-0.902和0.765，不同要素對水位降深s的作用影響依次降低。深入分析發(fā)現(xiàn)，水位降深與累積開采量在r和P相同時其相關(guān)系數(shù)略有所降低，但幅度并不明顯。由此表明，深層地下水開采量與干旱指數(shù)、降水量之間不存在密切的關(guān)系，降水量和干旱指數(shù)在開采量與水位下降影響分析時的正效應(yīng)并不明顯；當r和Q變量保持不變時，則s與P之間的關(guān)系發(fā)生改變并由之前的負相關(guān)朝著正相關(guān)轉(zhuǎn)變，相關(guān)系數(shù)快速降低；當P和Q保持不變時，則s與r的相關(guān)系數(shù)發(fā)生改變并明顯降低。由此表明，r、Q與深層地下水位之間的相關(guān)性并不顯著。漏斗中心水位降深與累積開采總量的多元相關(guān)分析進一步驗證了開采量為引起地下水位下降和漏斗形成與演變的主導(dǎo)因素。

4.4 地下水降深、開采量回歸分析與模型建立

利用表1中數(shù)據(jù)可建立遼河流域近30年深層地下水降落漏斗中心水位、累積開采量與平均水位的數(shù)據(jù)文件，然后利用SPSS中Analyze模塊對數(shù)據(jù)文件分別進行冪次擬合、對數(shù)、指數(shù)、二次項、三次項和線性求解和計算，進而構(gòu)建漏斗中心水位、開采量以及平均水位變化最為密切的擬合模型，見表2。

軟件擬合方差、曲線形態(tài)和判別系數(shù)結(jié)果顯示：漏斗平均原始水位曲線、漏斗中心與二次項和三次項曲線的擬合程度較好，見表3，相關(guān)性分析可作為研究流域各影響因子關(guān)系表達式進行預(yù)測分析。

表2 遼河流域深層地下水多元相關(guān)分析結(jié)果

表3 遼河流域深層地下水開采量與水位降深回歸分析結(jié)果

利用表3相關(guān)數(shù)據(jù)可建立遼河流域漏斗中心水位降深回歸方差：

s=55.2011-4.480×10-4Q+6.6625
×10-8Q2-3.6101×10-13Q3

(2)

s=15.0148-1.168×10-4Q-3.0182×10-8Q2

(3)

式中，s、Q—水位降深和累積開采量。

5 地下水降落漏斗預(yù)測及可恢復(fù)性分析

利用上述構(gòu)建的地下水位相關(guān)模型，對不同開采條件下不同年限遼河流域深層地下水位降落漏斗水位進行預(yù)測，在此基礎(chǔ)上對該區(qū)域的地下水可調(diào)控性進行預(yù)測研究。本文分別按照每年遞減40×109m3水資源和遼河流域地下水管理規(guī)劃兩個方案進行預(yù)測。結(jié)合遼河流域不同年限和水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀，對不同開采量進行設(shè)計并預(yù)測水位。為抑制并降低地下水漏斗的發(fā)展趨勢，自2006年開始在該區(qū)域關(guān)閉部分深機井，降低對深層地下水的開采和利用。

5.1 中心水位預(yù)測

利用回歸方程和相關(guān)模型，對遼河流域地下水水位標高和埋深進行預(yù)測。漏斗中心水位預(yù)測結(jié)果見表4。

由表4可以看出，遼河流域深層地下水開采量整體表現(xiàn)出逐年降低的趨勢，漏斗中心水位在開采量為(70～100)×108m3的條件下逐漸緩慢上升。在預(yù)測期間前期水位回升幅度約為0.8m，中期回升為2m左右?？紤]到遼河流域漏斗位置屬于東北地區(qū)整個區(qū)間的一部分，因此區(qū)域地下水開采的作用將隨著水位的上升而表現(xiàn)出增大的趨勢。當前遼河流域漏斗水位埋深約為70～120m，因此當水位回升至90m時即可認為填平了該漏斗。依據(jù)上述預(yù)測結(jié)果可知，在2030年前后該流域漏斗中心基本處于平衡狀態(tài)。

5.2 平均水位預(yù)測

利用漏斗水位降深與累計總開采量之間的相關(guān)模型和回歸方程，對不同開采條件下的水位降深進行設(shè)計和規(guī)劃，并對平均水位標高和埋深進行預(yù)測，結(jié)果見表5。

由表5可知，當遼河流域深層地下水開采量每年降低約為(60～110)×108m3時，漏斗平均水位逐年下降并且降低幅度逐漸減弱。在第一方案和第二方案地下水減采條件下，漏斗中心水位和平均水位預(yù)測值分別在2030年和2031年達到基本平衡狀態(tài)，水位埋深分別為101.65m和101.86m，所對應(yīng)的中心水位預(yù)測值分別為-83.51m和-83.36m。在本文減采方案下回歸方程和模型預(yù)測結(jié)果顯示，該流域深層地下水降落漏斗在2030年前后逐漸被填平，漏斗中心線在此期間逐漸消失。

6 結(jié)論

(1)遼河流域深層地下水自20世紀80年代以來隨著人口增長以及經(jīng)濟的快速發(fā)展而被大量開采和利用，逐漸形成了以沈陽、鐵嶺等區(qū)域為中心的大范圍深層地下水降落漏斗，其形成和擴展隨著地下水開采深度的不斷增大而迅速發(fā)展。

(2)深層地下水運動的全過程均受到人為因素的作用影響，不僅可部分改變或改變深層水的徑流強度和方向，而且可改變排泄和補給方式。不同要素對水位降深的作用影響存在一定差異。

表4 遼河流域深層地下水漏斗中心水位預(yù)測結(jié)果

表5 遼河流域地下水位降落漏斗平均水位預(yù)測表

(3)遼河流域深層地下水開采量整體表現(xiàn)出逐年降低的趨勢，漏斗中心水位在每年減采(70～100)×108m3的條件下開始逐漸緩慢上升。該區(qū)域地下水開采的作用將隨著水位的上升而表現(xiàn)出增大的趨勢。

(4)在第一方案和第二方案地下水減采條件下，漏斗中心水位和平均水位預(yù)測值分別在2030年和2031年達到基本平衡狀態(tài)。