近30年渦河玄武水文站地表水與地下水轉(zhuǎn)換關(guān)系及趨勢分析

郭鵬哲 趙貴章 孔令瑩 劉玉婷

（1.華北水利水電大學(xué),河南 鄭州 450046；2.長江科學(xué)院,湖北 武漢 430010）

隨著我國人口增長和經(jīng)濟的發(fā)展，水資源供需矛盾日益尖銳，過度開采地表水與地下水所引發(fā)的問題日漸凸顯[1-2]。華北平原作為重度缺水地區(qū)，存在水資源短缺、超采地下水以及水污染嚴(yán)重等諸多問題[3-5]，對水文循環(huán)造成了不可忽視的影響[6]。水文循環(huán)過程中的地表水與地下水之間的交互作用是近幾年來研究的熱點與難點，其對于流域水質(zhì)、水量變化以及分析水資源量有著十分重要的意義[7-9]。

渦河是淮河的第二大支流，跨豫、皖兩省，所經(jīng)過地區(qū)是我國重要的糧食產(chǎn)區(qū)，但是該流域旱澇災(zāi)害頻繁且人口較多，人均水資源占有量較低，屬于嚴(yán)重缺水地區(qū)[10]。地下水是渦河流域生產(chǎn)生活用水的重要水源[11-13]，但近年來由于自然因素和人為因素的影響[14-15]，渦河地表水與地下水之間的補給關(guān)系發(fā)生了相應(yīng)的變化。目前已有學(xué)者對渦河流域地表水與地下水轉(zhuǎn)換關(guān)系進行了研究。李揚等（2017）[16]研究發(fā)現(xiàn)渦河河南區(qū)域地表水與地下水補排關(guān)系較為明顯，且轉(zhuǎn)化關(guān)系較為復(fù)雜。李瀟（2020）[17]和葛偉亞等（2013）[18]通過水化學(xué)和同位素方法研究表明，渦河流域地表水對淺層地下水有著較為明顯的影響。本文綜合運用Mann-Kendall趨勢檢驗和小波分析的方法，結(jié)合水文地質(zhì)學(xué)原理，分析1988—2018年渦河代表水文站所測水位及周邊地下水水位數(shù)據(jù)，以探明地表水與地下水之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系、趨勢和周期。

1 研究區(qū)概況

渦河發(fā)源于河南省尉氏縣，流經(jīng)河南、安徽，于安徽省懷遠(yuǎn)縣匯入淮河，全長380 km，流域面積15 935 km2，流域內(nèi)多年年平均降水量748.6 mm，多年年平均蒸發(fā)量1 668.8 mm。渦河來水量豐枯變化較大，其特點為年際變化大、年內(nèi)分配不均，地表徑流補給來源主要為上游來水和大氣降水，而地下水的補給來源主要為大氣降水和側(cè)向徑流補給。

玄武水文站是渦河中上游的主要控制站，該站位于河南省周口市鹿邑縣玄武鎮(zhèn)，該站控制流域面積為4 020 km2。選取玄武水文站周邊地下水監(jiān)測水井，對比地表水與地下水水位的變化關(guān)系。玄武水文站及水井位置圖如圖1所示。

圖1 玄武水文站及監(jiān)測井位置圖

2 數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)資料

本研究選取渦河鹿邑縣玄武水文站及其附近地下水水位監(jiān)測井，基于該水文站及其監(jiān)測井在該流域的代表性、資料完整性及可靠性，選取1988—2018年31年年平均水位及徑流數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

（1）Mann-Kendall（M-K）法[19-20]是一種有效檢驗趨勢變化及突變點分析的方法，由于該方法可以不要求所分析數(shù)據(jù)符合某種概率分布，且操作簡單，不受個別異常值干擾，因而被普遍應(yīng)用于水文序列變化的研究[21-23]。

（2）小波分析是在傅里葉分析的基礎(chǔ)上演變發(fā)展而來，可以對水文時間序列的時域和頻域特性進行同時分析，較好地反映時間序列內(nèi)的周期，所以被廣泛應(yīng)用于水文序列的分析研究中[24-28]。因該方法使用比較成熟，不再做詳細(xì)論述。

3 結(jié)果與討論

3.1 地表水與地下水水位變化趨勢

根據(jù)渦河玄武水文站1988—2018年渦河水位和監(jiān)測井水位數(shù)據(jù)，繪制地表水與地下水水位關(guān)系圖（見圖2），分析地表水與地下水之間關(guān)系的變化情況。

圖2 地表水與地下水水位關(guān)系圖

由圖2可知，地表水與地下水相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系比較復(fù)雜，可以分為4個時期：第Ⅰ時期為1988—1998年，此期間地表水與地下水水位差別較小，相對趨于穩(wěn)定，存在交互補給，以地表水補給地下水為主；第Ⅱ時期為1999—2010年，期間地表水與地下水水位均發(fā)生變化，尤其是地下水水位變化幅度較大，呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，此期間地下水補給地表水；第Ⅲ時期為2011—2015年，地下水水位呈下降趨勢并逐漸平穩(wěn)，地表水水位則為降—升—降的趨勢，此期間主要為地表水補給地下水；第Ⅳ時期為2016—2018年，此時段為地下水補給地表水，其原因為水工建筑物的建立導(dǎo)致河床降低，地下水水位高于地表水，從而使轉(zhuǎn)換關(guān)系變?yōu)榈叵滤a給地表水。

3.2 地表水與地下水水位的突變分析

在分析玄武水文站地表水與地下水水位關(guān)系變化趨勢的基礎(chǔ)上，采用M-K趨勢檢驗分析突變特征（見圖3）。由圖3（a）可以看出，地表水水位總體呈下降趨勢，其中1998—1993年、2015—2018年UF超過顯著性水平線，說明該時間段地表水水位下降趨勢明顯，突變發(fā)生在2013年左右，其原因可能與水工建筑物的建立和不合理采沙有關(guān)。

圖3 地表水與地下水水位M-K趨勢檢驗

從圖3（b）可以看出，地下水水位變化較為復(fù)雜，呈上升—下降—上升—下降的趨勢，其中1988—1993年、2003—2015年UF>0，該時期地下水水位總體呈上升趨勢，且于2006—2011年間超過0.05顯著性水平，該時期地下水水位上升趨勢明顯。1994—2002年、2016—2018年期間UF<0，地下水水位呈下降趨勢，其中1998年超過0.05顯著性水平，此期間地下水在較短時間內(nèi)呈明顯下降趨勢。根據(jù)UB與UF曲線交點發(fā)現(xiàn)突變點較多，根據(jù)變化趨勢可以判斷出突變主要發(fā)生在1998年和2012年，對比圖2發(fā)現(xiàn)，1998年是地表水與地下水交互轉(zhuǎn)變的一個拐點，而2012年是由于渦河地表水受人類活動影響，河床降低，地下水進而也受到了影響。

3.3 地表水與地下水水位周期變化

運用Matlab中小波工具箱對玄武水文站地表水水位及監(jiān)測井地下水水位進行小波分析，得到小波變換系數(shù)等值線圖和方差圖（見圖4）。

圖4 地表水與地下水水位小波分析

根據(jù)圖4的分布圖和方差圖，可得出渦河地表水水位與地下水水位主周期的時間尺度均為27 a左右，地表水水位次周期的時間尺度為15 a，地下水水位次周期的時間尺度為22 a。將上述信息與地表水與地下水水位變化和M-K趨勢分析所得突變點的時間相對比，發(fā)現(xiàn)地表水與地下水水位27 a的主周期出現(xiàn)與水利工程的建設(shè)有較大關(guān)系，而其他的次周期可能與人類活動有關(guān)。

4 結(jié)論

本文以渦河玄武水文站地表水與周邊監(jiān)測井地下水水位關(guān)系為研究對象，基于M-K趨勢檢驗方法和小波分析方法，研究地表水與地下水變化趨勢關(guān)系，主要結(jié)論如下：

（1）渦河地表水與地下水交互關(guān)系較為明顯，可以分為四個時段，在第Ⅰ時期（1988—1998年）、第Ⅲ時期（2011—2015年），地表水與地下水交互補給多變，以地表水補給地下水為主；第Ⅱ時期（1999—2010年）、第Ⅳ時期（2016—2018年），地下水補給地表水。

（2）根據(jù)M-K趨勢檢驗得出，地表水水位總體呈下降趨勢，其中1998—1993年、2015—2018年下降趨勢明顯，突變發(fā)生在2013年左右。地下水水位呈上升—下降—上升—下降的變化趨勢，其中1988—1993年、2003—2015年呈上升趨勢，2006—2011年間超過0.05顯著性水平；1994—2002年、2016—2018年地下水水位呈下降趨勢，1998年超過0.05顯著性水平，突變主要發(fā)生在1998年和2012年。

（3）通過小波分析可知，地表水與地下水水位均存在27 a左右的主周期，分別存在15 a和22 a的次周期。兩者周期關(guān)系存在明顯的一致性，且造成的原因可能是水工建筑物的構(gòu)建以及人類生產(chǎn)活動等。