松遼平原地下水埋深變化及關鍵影響因子分析

劉靜， 宋夢林， 臧超， 殷仁春

(1.華北水利水電大學 水資源學院,河南 鄭州 450046; 2.遼寧省沈陽水文局，遼寧 沈陽 110000; 3.筑波大學 生命環境科學研究科，日本 茨城縣 筑波市 3058577; 4.長江國際水利水電工程建設有限公司，湖北 武漢 430000; 5.河南省黃河流域水資源節約集約利用重點實驗室,河南 鄭州 450046)

地下水是水資源的重要組成部分，具有分布廣泛、易于開采的特性，是農業活動和居民生活用水的重要來源，能解決大部分城市和農田的水需求問題，也是維系良好生態環境的要素之一[1]。地下水的開發利用在國民經濟建設和社會發展中占有十分重要的地位。然而，地下水的不合理開發不僅會誘發生態地質環境問題，例如土壤鹽漬化、土地沙漠化、地下水污染、溶巖塌陷、地面沉降，甚至還會對人類的生產生活造成嚴重危害。

松遼平原是我國第一大平原，位于東亞季風的最北端，有大陸性和季風型氣候特征。夏季短促而溫暖多雨，冬季漫長而寒冷少雪，是我國北方水資源緊缺的地區之一，且地下水分布不均勻[2]。松遼平原也是全球僅有的三大黑土區域之一，是中國著名的糧食基地，同時也是重要的老工業基地腹地和人口密集地。由于特殊的地理位置和工農業生產的飛速發展，導致松遼平原對地下水的開發利用越來越嚴重。據報道，松遼流域地下水資源的開采率較高，位于松遼平原北部的松嫩平原和南部遼河平原處于地下水超采狀態[3]。松遼平原地下水資源的開發潛力已經非常有限，而地表水資源的開發利用程度偏低，加之逐年擴大的水稻種植面積帶來灌溉用水需求量不斷增加，導致水資源供求形勢日漸緊張，人水矛盾越來越尖銳[3-4]。因此，研究松遼平原地下水埋深變化，識別關鍵影響因素對松遼平原地下水保護與管理工作具有重要意義。

為研究地下水埋深狀況，探究地下水水位變化動態，許多發達國家已經建立了完善的地下水監測站網，如美國現如今已經在全國范圍內形成了涵蓋26個洲的地下水監測網絡[5]。同時，國外許多學者運用不同的手段開展了地下水動態變化的研究工作。SUPREETHA B S等[6]在考慮歷史水位和降雨數據的基礎上，開發了一種新型的基于PSO搜索機制的混合ABC算法，利用早期記錄的地下水水位和降雨量數據對未來地下水水位進行預測，并在月地下水水位預測方面取得了良好的效果。DURRANI I H 等[7]利用巴基斯坦的俾路支省奎達河谷的降水、氣溫以及月地下水水位數據，評估了氣候對地下水水位的影響，研究分析發現由于降雨量的變化，地下水水位正日益下降。BARAHMAND N 等[8]利用了人工神經網絡對雅羅姆平原的地下水水位進行了估計，選用了降水、水分、蒸散量、溫度等的4個月平均值，并采用4個統計參數(均方誤差、相對標準誤差、分散指數和相關系數)對神經網絡模型的計算結果進行了評價。KANG R 等[9]分析了1998—2011年印度旁遮普省Bist Doab地區地下水水位的空間變化，發現在研究區的西南部存在地下水水位降落帶，而農業用水是造成該地區地下水水位下降的主要原因之一。

隨著我國地下水監測網絡的不斷完善，一大批關于我國地下水動態變化的研究成果如雨后春筍般浮現。姚阿漫[10]對石河子墾區淺層地下水埋深動態變化與生態環境的關系進行了研究。萬思成等[11]利用M-K突變分析法針對北京地區的地下水埋深進行了趨勢突變分析，并探索了該地區地下水埋深與降雨、人工開采之間的響應關系。鄭玉峰等[12]探索了鄂爾多斯地區的地下水動態變化原因，采用了傳統的相關關系分析方法進行了降雨、蒸散發以及農業用水3個主要因素與地下水水位的相關性分析。王默涵等[13]基于近10年間邯鄲市的地下水水位實際觀測數據，呈現了該地區地下水埋深的空間分布特征，運用地理探測器定量分析了自然因素和人類社會經濟因素對邯鄲市整體、邯鄲市平原區和山區的地下水水位變化的影響。岳衛峰等[14]以內蒙古河套灌區為研究區，采用灰色關聯分析、地統計學等方法對67眼監測井的地下水埋深進行了時空變異性分析及其主控因素研究。管春興等[15]通過水均衡評價法分析了瑪納斯河流域山前平原區地下水資源動態變化特征及其驅動力。

由于缺乏長序列完整的數據資料和系統性分析，目前松遼平原地下水埋深變化的相關研究報道不多，且局限于簡單的分析地下水埋深的變化，缺乏對自然、人為多重因素的全面分析以及對關鍵影響因子的識別與討論。本文以松遼平原為研究區，收集2005—2014年松遼平原地下水監測資料，通過時空分析得到地下水埋深的年內、年際分布與趨勢變化特征，并考慮自然、人為雙重因素影響，結合相關性分析和貢獻率分析來識別影響地下水埋深變化的關鍵因素，為松遼平原地下水保護與管理工作提供基礎支撐和管理依據。

1 研究區概況

松遼平原位于北緯40°25′～48°40′，東經118°40′～128°00′，屬于中國東北部，其西、北、東三面分別被大、小興安嶺和長白山脈所包圍。松遼平原地跨黑、吉、遼和內蒙古4個省區，地處大、小興安嶺和長白山脈之間，北起嫩江中游，南至遼東灣，南北長約1 000 km，東西寬約400 km，面積達35萬km2。根據松遼平原不同的區域特征，可分為3個亞平原區，即東北角的三江平原、北部的松嫩平原和南部的遼河平原。松遼平原的區域位置及行政區劃如圖1所示。

圖1 松遼平原的區域位置及行政區劃

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

基于CERN地下水水位數據集[16]，選取了松遼平原3個亞平原區共4個典型地下水觀測站點(沈陽站、奈曼站、海倫站、三江站)2005—2014年地下水埋深月尺度數據，其中，海倫站為北部的松嫩平原的典型地下水觀測站點，沈陽站、奈曼站為南部的遼河平原的典型地下水觀測站點，三江站為東北角的三江平原的典型地下水觀測站點，具體觀測站分布如圖2所示。自然和社會經濟是影響松遼平原地下水埋深的兩大因素，結合研究區實際情況，本文選取降雨量、地下水開采量、工業用水量、生活用水量、農田灌溉水量、GDP作為影響因子展開分析。降雨量、農田灌溉水量、地下水開采量等水情數據從《松遼流域水資源公報》中獲得。社會經濟數據通過國家統計局獲得。

圖2 松遼平原地下水觀測站分布圖

2.2 研究方法

2.2.1 克里金插值法

克里金插值法(Kriging)又稱為空間局部插值法，是以南非工程師D.G.Krige的名字命名的一種以變異函數理論和結構分析為基礎，在有限區域內對變量進行無偏估計的一種空間估計方法，是地統計學的重要組成部分[17]。該方法可以細分為普通克里金、泛克里金、協同克里金等諸多算法，被應用于地理科學、環境科學、大氣科學等諸多領域，同時在許多應用場景下被證實為優于其他常見的插值方法[18-19]。本文基于ArcGIS 10.2平臺，運用普通克里金插值法對地下水埋深數據進行空間插值分析。

2.2.2 Mann-Kendall(M-K)趨勢分析法

研究區地下水埋深年際趨勢特征采用Mann-Kendall(M-K)趨勢分析法進行分析。M-K趨勢分析法又稱M-K檢驗法，具有不受樣本值、分布類型等影響的優點，被世界氣象組織推薦和廣泛使用。對于時間序列變量(X1、X2、…、Xn)，n為時間序列長度，M-K檢驗法定義了統計量Z，若Z>0，則表明數據系列隨時間呈增加趨勢，否則為減少趨勢，且絕對值越大，趨勢越明顯。Mann-Kendall檢驗法的具體理論依據、公式以及計算步驟可參考文獻[20-21]。

2.2.3 相關性分析法

采用相關性分析法研究地下水埋深與降雨量、地下水開采量、農田灌溉水量等用水指標以及研究區經濟發展指標之間的相關關系，分析影響地下水埋深的顯著性因素。本文借助SPSS軟件進行皮爾遜相關分析。

2.2.4 相對貢獻率

相對貢獻率可以定量地分析各因子對地下水埋深的貢獻大小并確定關鍵影響因子。本文運用多元線性回歸法分析各影響因子對地下水埋深變化的相對貢獻率[1]。首先，將各影響因子與地下水埋深數據進行標準化；其次，借助SPSS軟件，對各影響因子和地下水埋深進行多元回歸分析；最后，根據各影響因子的標準回歸系數進行相對貢獻率計算。計算公式如下：

式中：i為影響因子個數；Pi為第i個影響因子對地下水埋深變化的相對貢獻率，%；bi為第i個影響因子對應的標準回歸系數。

3 結果與討論

3.1 研究區水情特征

3.1.1 降雨量特征

基于《松遼流域水資源公報》2000—2017年降雨數據，分析松遼平原2000—2017年降雨量變化特征，結果如圖3所示。由圖3可以看出，2000—2017年間，松遼平原降雨量在2001年達到最低，僅為400.1 mm，2013年降雨量最大，達到了649.2 mm，極值比為1.623。從整體上看，2000—2017年松遼平原降雨量整體表現出增加趨勢。

圖3 松遼平原2000—2017年降雨量變化特征

3.1.2 地下水資源特征

松遼平原2000—2017年地下水資源量、地下水開采量、地下水供水占比特征如圖4所示。根據圖4可以看出：地下水資源量在2007年達最小值，為536.81億m3，2013年達最大，為840.71億m3，極值比為1.566，2000—2017年松遼平原地下水資源量整體表現出上升趨勢；地下水開采量在2006年最小，為217.86億m3，2014年最高，為322.25億m3，極值比為1.479，2000—2017年松遼平原地下水開采量整體表現出上升趨勢；地下水供水占比在2006年最小，為36.3%，其余年份基本保持在43%～46%，2000—2017年松遼平原地下水供水占比整體上表現出上升趨勢。由此可以看出，雖然松遼平原降雨量、地下水資源量在研究時段內呈增加趨勢，有利于地下水水位的回升，但是由于地表水供水占比下降、地下水開發利用強度增加且地下水供水占比依然很高，導致松遼平原地下水形勢仍不樂觀。

圖4 松遼平原2000—2017年地下水資源特征

3.1.3 用水結構特征

松遼平原各行業年均用水量情況如圖5所示。由圖5可以看出，2000—2017年間，松遼平原年均用水量約639億m3，其中農業用水量占總用水量的74%，是其他用水類別之和的2.8倍。主要原因是松遼平原擁有著肥沃的土地資源，是中國的糧倉，農業用水所占比重遠大于其他用水類別。

圖5 松遼平原2000—2017年各行業年均用水量(單位：億m3)

對用水總量和行業用水進行歸一化處理后，將用水結構年際變化情況呈現于圖6中。從圖6中可以看出：2000—2017年間，松遼平原用水總量呈顯著增長趨勢，尤其是2003年之后，用水總量持續增長。分行業來看：農業用水量的變化趨勢基本與用水總量變化趨勢相一致；工業用水量年際起伏較大，2004年工業用水量出現波谷，隨后迅速增加并在2010年出現最大值，2010年之后工業用水量迅速降低，并在2017年跌落至研究時段內的最低值，整體上工業用水量呈現出降低趨勢；生活用水量呈現出先降低后增加的趨勢；生態用水量實現了從無到有并逐年增多的趨勢，體現出當地決策者和利益相關者對生態環境的重視程度在逐步加強。結合松遼平原2000—2017年各行業年均用水量(圖5)分析結果可以看出，松遼平原用水總量的增加主要是由于農業用水量的增加造成的。

圖6 松遼平原各行業用水年際變化情況

3.2 地下水埋深年內變化

本文對松遼平原沈陽站、奈曼站、海倫站、三江站共4個地下水觀測站的2005—2014年地下水埋深月尺度、季尺度數據進行年內特征分析，結果分別如圖7、圖8所示。

圖7 松遼平原地下水埋深年內分布特征

圖8 松遼平原年內地下水埋深季度分布特征

從圖7可以看出，松遼平原地下水平均埋深的波動幅度為2.5 m，其中平均埋深最大值出現在6月份，最小值出現在1月份。從3個亞平原區來看，各站點埋深變化情況有所不同：以沈陽站為代表站的東遼河平原地區地下水年內變化較為劇烈，最大埋深出現在6月份，最大、最小埋深極值比為2.4；以奈曼站為代表站的西遼河平原地下水埋深年內分布較為穩定；松嫩平原地下水埋深峰值出現在4月份，而入冬后地下水埋深減??；三江平原地區地下水埋深峰值出現在6、7月份，而1—3月份地下水埋深減小且變化穩定。

從圖8可以看出，松遼平原在第二季度地下水平均埋深最大，在第四季度最小，季度平均埋深年內分布呈現出先增后減的態勢。由此可以看出，松遼平原3個亞平原區各典型站點的地下水埋深峰值均出現在第二季度，與松遼平原地下水平均埋深峰值表現一致。主要原因可能是由于第二季度正值春耕時期，大量地下水開采用于灌溉農田，導致松遼平原地下水埋深加大。

3.3 地下水埋深年際變化

3.3.1 空間分布變化

本文利用地統計方法——Kriging插值法來分析松遼平原地下水埋深的時空變化，結果如圖9所示。從圖9中可以看出，松遼平原北部的松嫩平原地下水埋深大于東北角的三江平原和南部的遼河平原的地下水埋深。在3個亞平原區中，北部的松嫩平原地下水埋深在研究時段內變化最為顯著，其次為東北角的三江平原，南部的遼河平原地下水埋深變化相對較小。

從年際變化來看：北部的松嫩平原地下水埋深呈現出逐年減小趨勢，東北角的三江平原地下水埋深呈現出逐年增加趨勢，南部的遼河平原地下水埋深呈現出波動增加趨勢。從空間變化來看：北部的松嫩平原地下水埋深變化最快，平均以0.67 m/年的速度減??；東北角的三江平原，地下水埋深平均以0.44 m/年的速度增加；南部的遼河平原地下水埋深變化相對較緩，平均以0.29 m/年的速度增加，其下遼河平原地下水埋深相較于西遼河平原的增加速度快，主要是因為下遼河區域內工業集中，水源相對充足，素有“內蒙古糧倉”的西遼河平原，地下水開發利用強度相對較大。

圖9 2005—2014年松遼平原地下水埋深時空變化

3.3.2 趨勢變化

采用M-K趨勢分析法并結合地下水埋深年際變化特征對松遼平原4個觀測點的地下水水位數據系列進行趨勢分析，結果見表1和如圖10所示。

表1 松遼平原各觀測站地下水埋深變化M-K統計量特征

圖10 松遼平原地下水埋深年際分布特征

由表1可知：①沈陽站Z值為-0.358，地下水埋深有減小趨勢，但未通過置信度為95%的顯著性檢驗，表明沈陽站代表的下遼河平原地區地下水埋深減小趨勢不顯著；結合圖10來看，該地區地下水埋深的年際變化在2009年前后呈現出陡增陡降的情況；主要原因可能是，從“十二五”開始，下遼河平原地區對地下水使用與污染防治提出了更明確的要求，恢復地下水水位初具成效[22]，但整體上成效不顯著。②奈曼站Z值為5.724，并通過置信度為95%的顯著性檢驗，表明西遼河平原地區的地下水埋深在2005—2014年間呈現出增加趨勢；結合圖10可以看出，該地區地下水埋深增加幅度較小，呈現出逐年穩定較緩幅度增長。③海倫站Z值為-6.261，并通過置信度為95%的顯著性檢驗，表明松嫩平原地下水埋深在2005—2014年間呈現出顯著減小趨勢；結合圖10可以看出，松嫩平原地下水埋深呈現出逐年減小趨勢，且減小幅度較大。④三江站Z值為8.229，并通過置信度為95%的顯著性檢驗，表明三江平原地下水埋深在2005—2014年間呈現出顯著增加趨勢；結合圖10可以看出，三江平原地下水埋深逐年持續大幅增加。

3.4 關鍵影響因子

3.4.1 相關性分析

應用Pearson相關分析方法，計算了松遼平原3個亞平原區地下水埋深與降雨、地下水開采、農田灌溉用水、工業用水、生活用水、GDP共6個影響因子的相關關系，得出各亞平原區地下水埋深與影響因子的相關系數，結果見表2。

表2 地下水埋深與影響因子的相關系數

由表2可知，各亞平原區地下水埋深與影響因子的相關性各不相同。遼河平原地下水埋深與降雨、工業用水、生活用水、GDP呈顯著性相關，表明降雨、工業生產、生活對遼河平原的地下水埋深具有顯著的影響；松嫩平原和三江平原地下水埋深與地下水開采、農田灌溉用水、工業用水、生活用水、GDP呈顯著性相關，與降雨相關性弱，表明工農業生產、生活對松嫩平原和三江平原的地下水埋深具有顯著的影響，而降雨的影響較弱。

3.4.2 相對貢獻率分析

應用多元線性回歸法計算出降雨、地下水開采、農田灌溉用水、工業用水、生活用水、GDP對地下水埋深影響的相對貢獻率，結果見表3。由表3可以看出：工業用水與GDP對遼河平原地下水埋深變化貢獻率較大，分別達到40.71%和33.91%；地下水開采、農田灌溉用水對松嫩平原地下水埋深變化的貢獻率分別達20.31%、25.75%；農田灌溉用水是三江平原地下水埋深變化貢獻率最大的因子，貢獻率高達51.06%，其次為地下水開采，貢獻率達18.97%。結合相關分析結果可以看出：工業用水與GDP影響遼河平原地下水埋深顯著且貢獻率大，是遼河平原地下水埋深變化的關鍵影響因子；地下水開采和農田灌溉用水影響松嫩平原及三江平原地下水埋深顯著且貢獻率大，是松嫩平原和三江平原地下水埋深變化的關鍵影響因子。

表3 影響因子對地下水埋深影響的貢獻率 %

從空間上對比各影響因素可以看出，GDP、工業用水對遼河平原地下水埋深變化影響最大，對松嫩平原和三江平原的影響較??；而農田灌溉用水、地下水開采對松嫩平原和三江平原地下水埋深變化影響最大，對遼河平原的影響較小。主要原因是：①遼河平原礦產資源豐富且人口密度較大，是中國傳統產業集中的老工業基地，該地區工業活動密集且經濟基礎較好。然而，由于該地區地表水資源緊缺，加之流域水質污染嚴重[2]，不得不大量開采地下水以保障工業生產的不斷發展和城市人口的快速增長對水資源的進一步需求。②松嫩平原和三江平原的工業基礎和人口密度較遼河平原而言相對薄弱，主要以農業種植為主，是我國重要的糧食生產優勢區。根據第二次全國土地調查數據和縣域耕地質量調查評價成果報道，東北典型黑土區耕地面積約18.53萬km2。其中，松嫩平原和三江平原所在的黑龍江省和吉林省耕地面積占到80.93%，遼河平原所在的內蒙古自治區和遼寧省耕地面積僅占19.07%。松嫩平原和三江平原耕地面積占比巨大，加之農田灌溉大量開采地下水，導致農田灌溉與地下水開采是決定松嫩平原和三江平原地下水埋深變化的關鍵因素。

4 結語

本文在全面、深入剖析松遼平原水情特征的基礎上，選取了松遼平原3個亞平原區的典型地下水觀測站點，收集了2005—2014年地下水埋深月尺度數據資料以及降水量、農田灌溉用水量、地下水開采量等數據，分析了松遼平原地下水埋深的時空變化及年際、年內特征，并探討了降雨、地下水開采、農田灌溉用水、工業用水、生活用水、GDP共6個影響因子與地下水埋深的相關程度，結合相對貢獻率分析，識別出研究區地下水埋深變化的關鍵影響因子。主要結論包括以下幾點：

1)松遼平原降雨量、地下水資源量在研究時段內雖然呈增加趨勢，但是由于地表水供水占比下降、地下水開發利用強度增強且地下水供水占比依然很高，導致松遼平原地下水形勢仍不樂觀。

2)松遼平原年均用水量約639億m3，其中農業用水量占總用水量的74%，是其他用水類別之和的2.8倍。在研究時段內，松遼平原用水總量呈顯著增長趨勢，主要原因是農業用水量的增加。

3)松遼平原地下水埋深年內分布不均，地下水埋深最大值出現在春耕時段，表明大量開采地下水用于農田灌溉是導致松遼平原地下水埋深加深的主要原因。

4)松遼平原北部的松嫩平原的地下水埋深大于東北角的三江平原和南部的遼河平原的。然而，從年際變化來看，北部的松嫩平原地下水埋深平均以0.67 m/年的速度減小，呈現出顯著的逐年減小趨勢；東北角的三江平原地下水埋深平均以0.44 m/年的速度增加，呈現出顯著的逐年持續增加態勢；南部的遼河平原地下水埋深平均以0.29 m/年的速度增加，呈現出逐年穩定、較緩幅度增加的趨勢，其中，下遼河平原地下水埋深相較于西遼河平原地下水埋深的增加速度要快。

5)GDP、工業用水是導致遼河平原地下水埋深變化的關鍵影響因子，而影響松嫩平原和三江平原地下水埋深變化的關鍵因子為農田灌溉用水、地下水開采。