河北平原浅层地下水位动态变化分析

刘美英，闵雷雷，沈彦俊

(1.中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心/中国科学院农业水资源重点实验室，河北 石家庄 050021；2.中国科学院大学，北京 100049)

河北平原地处华北平原北部，多年平均降水量为529.1 mm，人均水资源量和亩均水资源量仅占到全国平均水平的11.18%和9.13%[1]，是海河流域典型的灌溉粮食产区[2-5]。由于地区地表水资源较少，灌溉主要靠抽取地下水，农用地下水占总地下水开采量的74.5%～76.6%，河北平原是我国当前水资源供需矛盾最为严重的地区之一[2, 6,7, 9]。近年来，一些学者在该地区开展了地下水位动态变化分析的研究，张永强等以栾城县为例，分析了华北平原地下水位动态变化，栾城县地下水位多年平均下降速率为0.7m/a[8]；许月卿等利用GIS技术，分析了1975-2000年河北平原(北京、天津以南)浅层、深层地下水位波动状况[9]；刘志国等在地理信息系统的支持下，运用地统计学方法研究了1986年到2000年地下水位时空变化规律[10]；王仕琴等分析华北平原39处浅层地下水监测结果，将地下水动态分为六大类型[11]。此外，张光辉等人针对冀中山前平原的农业区浅层地下水位不断下降问题，研究了地下水强降弱升机制[12]。受人口、地下水开采量、降水和径流等诸多因素的影响，河北平原地下水水位不断变化，并由此衍生了一系列的生态环境问题，例如地面沉降、塌陷、土壤次生盐渍化等[13-17]。以往的研究受到数据资料的限制，通常是基于月尺度或年尺度水位的数据，因而对水位动态变化的分析不够深入。本文基于日尺度的自动观测数据分析河北平原区域内的浅层地下水位动态变化，研究结果有助于深入了解区域地下水循环规律，可为区域地下水资源的可持续利用和区域经济社会协同发展提供科学依据。

1 研究区概况和监测点分布

1.1 研究区概况

本文所指的河北平原是石家庄、保定、衡水、沧州以及廊坊的部分区域(图1)，从南北方向上，位于河北省中部。地势较低平，主要由黄河和海河等不断冲击而成，海拔由西部山前平原100 m左右降低到东部滨海平原的3 m左右，属于温带季风性气候，四季变化明显，冬季干燥寒冷，夏季高温多雨，春季干旱少雨，蒸发强烈，年均气温和年降水量由南向北随纬度增加而递减。春季小麦需水量大，降水量较小，旱情较重，夏季降水量大，常有洪涝。河北平原是中国严重缺水的地区之一，人均水资源量仅为335 m3/a，地下水是该地区的主要用水来源[18]。

图1 研究区地形及地下水监测点分布图Fig. 1 Location of groundwater monitoring sites in the research area

河北平原是个大型的沉降盆地，在其地质演化过程中，沉积了较厚层的松散物质，形成了河北平原主要的地下水流动体系。河北平原自太行山区向中部平原呈现出水文地质条件的水平方向分带性。自西向东在含水层的岩性、分布、厚度和地下水的化学成分与运动特征等方面均有显著变化，南北方向变化较小。含水层的岩性成分具有以粗颗粒为主变为以细颗粒为主的区域性变化规律[19]。区域内，浅层地下水补给的来源主要是降水入渗补给和灌溉回水补给，此外还有山前侧向径流补给、河道及渠系渗漏补给等[20]。

1.2 地下水位监测

我国地下水水位的监测从20世纪50年代就已经开始[21]，但是大多数监测系统由于时间较长，数据质量不高。为深入研究河北平原地下水变化，本文共在河北平原设置11个监测点(图1和表1)，这11个监测点是从2008年开始，依次在河北平原(石家庄、保定、衡水、廊坊)选取了11眼灌溉或生产生活观测孔(有些监测点的数据存在不同程度缺失)。机井位置的选择考虑了数据的代表性，监测点远离工厂等地下水严重开采区，此外还考虑到仪器管理的安全性和数据收集的便利性等，部分监测点在监测过程中存在数据缺失现象。

本研究采用的水位自动记录仪是ONSET公司生产的HOBO Water Level Logger水位计。地下水位监测频率为1 h。水位计可以对地下水埋深的变化进行连续自动监测，进而反映地下水位的动态变化。每次采集数据时，均采用加拿大Solinst公司102型地下水位计对地下水埋深进行校准验证。

2 数据处理

对于上述11个HOBO测得的1 h一次的观测数据进行处理。由于观测井多用于生活和农业灌溉，地下水抽取多发生在白天，观测井的水位受人为开采地下水的影响存在明显的日变化，本文选择凌晨4时相对静态稳定时间段的水位作为当天的水位观测值进行分析。

3 地下水位动态变化分析

3.1 不同地区地下水埋深动态变化

河北平原地下水埋深动态变化过程受到多重因素的影响，例如地形地貌、降水量、土地利用类型、湖泊水库等自然因素，人类治水工程、开采地下水等人为因素[22]。且这些因素本身也存在时空变异，变化速率也有差异，导致地下水位呈现出不同的动态变化特征。

3.1.1 山前平原区地下水埋深动态变化

山前平原区的监测点主要分布在石家庄和保定。区域监测点呈现出的整体趋势：年内存在较大水位波动，除7号监测点(图2和图3)外年平均地下水位不断下降。但由于不同监测点的地貌地形、周围土地利用现状以及地下水位埋深等存在空间差异，该区域各监测点地下水位变化过程又呈现出不同动态特征。

图2 山前平原区1、2号监测点地下水埋深动态变化曲线Fig.2 The curves of dynamic variation of groundwater depth of No.1, 2 in the region of the piedmont plain.

图3 山前平原3、4、5号监测点地下水埋深动态变化曲线Fig.3 The curves of dynamic variation of groundwater depth of No.3, 4, 5 in the region of the piedmont plain

其中石家庄的1、2号监测点(图2)，位于河北山前平原最西部。1号监测点位于山前平原最西部海拔较高的地区，含水层的渗透性较好，以及地下水位埋深较浅，地下水位受到山区侧向补给和降雨补给的作用明显，地下水位下降幅度较小，在降水量较小的2014年(降水量为294.8 mm)地下水位明显下降。该点的年内最低水位出现7月底、8月初，在雨季来临之后1个月，9月份地下水位达到年内最高值，年内最高水位与最低水位差在2～3 m之间，9月份达到最高水位之后又不断下降，直到翌年7月底8月初。2号监测点位于石家庄市区，地下水位埋深较深，但由于靠近山区，同样受到山前侧向补给作用明显，且在雨季来临后，接受到山区侧向补给的时间较快，年内最低水位出现在4-5月份，最高水位出现的时间与年内最大降水量出现的时间相对应。由于该点周围生活用水主要靠抽取地下水，开采程度较高，地下水位下降的平均速率为1.2 m/a。

3、4、5号监测点(图3)分布在山前开采程度高的地区，属于农业用水集中区，水位埋深较大，特别是5号监测点水位埋深大于 45 m。该区域地下水变化的特点是水位在年际尺度上不断下降。据调查，3号监测点在2013年之前农业灌溉采用的是污水灌溉，减少了农业灌溉地下水的开采，因此在2013年之前年际地下水位无明显波动，2014年起农业灌溉不再使用污水灌溉，转而依靠抽取地下水，在降水量与前一年基本相同的情况下(2013年降水量596 mm，2014年降水量609 mm)，相比2013年，2014年该监测点水位出现下降趋势，下降3 m左右。这3个监测点所在区域年内地下水位存在较大波动，年内最高水位和最低水位差值为3～5 m，地下水位变化对降水量的响应比较缓慢，在雨季来临之后，水位没有立即回升至年内最大值，年内最高水位出现在2-3月份，最低水位出现在7-8 月份。这主要是由农业灌溉用水引起的，3-7月份是小麦灌溉用水的集中时间段，小麦生长季的需水量远大于降水量，过量抽取地下水使得2月份到7月份地下水位持续下降，7月份之后由于降水量的增加以及灌溉用水的减少，地下水位不断回升，直到翌年2-3月份。

图4 山前平原7号监测点地下水埋深动态变化曲线Fig.4 The curves of dynamic variation of groundwater depth of No.7 in the region of the piedmont plain

7号监测点位于保定西大洋水库附近，且距离山区较近，海拔相对较高，地下水位呈现出明显区别于其他观测点的特征。观测年份内，7号监测点(图4)年际地下水位不断上升，2011-2013年的年平均地下水埋深分别为8.37、6.28和5.85 m，2011-2012年地下水位大幅度回升。此外由于地下水埋深浅，受到降雨入渗补给和蒸发排泄作用明显，同时受到山区和水库侧向补给作用的影响，年内地下水埋深在雨季来临之前达到年内最低值，在雨季来临之后不断回升，1～2个月后达到年内最大值，之后不断下降。

分析7号监测点地下水位回升的原因。西大洋水库作为保定饮用水水源地，年均供水量为5 000 万m3，但由于水库蓄水量严重不足，自2007年底保定市王快水库至西大洋水库联通工程建成通水，正常年份王快水库每年可向西大洋水库输水两亿方[23,24]，西大洋水库供水不足问题得到缓解，这是7号监测点地下水位在监测年份内不断回升的主要原因。与此同时，农业用水也是引起河北平原地下水位下降的主要因素，河北平原农作物的主要类型是冬小麦和夏玉米，小麦是引起地下水位下降幅度最大的作物种类[25]，当降水量并不能满足作物生长需水时，必须依靠抽取地下水进行灌溉。据河北农村统计年鉴数据，7号监测点所在县(曲阳县)的小麦播种面积在不断减少[图5(a)]。2000-2006年的年平均降水量为439.17 mm，2007-2013年的年平均降水量为566.05mm，降水量增加了28.9%[图5(b)]。小麦种植面积减少，农业灌溉用水相对减少，地下水的开采量减少；年平均降水量增加，降水对地下水的补给量增加，也可能是7号监测点地下水埋深不断减小的另一原因[26]。

图5 曲阳县2000-2013年小麦播种面积和降水量变化图Fig.5 The variation diagram of wheat planted area and precipitation in Qu yang county in 2000-2013

3.1.2 中部平原区地下水埋深动态变化

中部平原区的监测点主要分布在衡水北部、保定西部、沧州和廊坊的东部。地下水的整体特征为地下水埋深较浅，从西到东地下水埋深越来越小，平均地下水埋深从西边的9号监测点24 m到东部11号监测点8 m。

年际地下水位无明显升高降低趋势，观测年份内各水文年水位波动小于3 m(表2)，处于动态稳定状态。年内地下水位存在较大波动，随着地下水开采量和降水量的变化而不断变化。由于中部平原地区地下水埋深较浅，地下水开发利用程度较低，地下水位动态变化主要受到降雨入渗、蒸发排泄和人为开采的影响。最低水位出现在5-6月份，此时间段降水量较少。进入雨季之后，受到降雨入渗的影响，地下水位不断回升。例如6号和9号监测点，地下水位平均埋深分别为15.02、23.14 m，每年最低水位出现在6月底，之后随着雨季的到来，降水量不断增加，地下水位开始不断回升，在10-11月份由于降水量减少，地下水位出现轻微下降，之后不断回升达到年内最高值。而8号、10号和11号监测点，地下水位平均埋深分别为10.17、6.66和7.69 m，相对7、10号监测点，地下水位埋深更浅，地下水位对降水量的响应更快，每年的最低水位出现在5月底、6月初，随着雨季的到来，降水量增加，地下水位开始快速回升，9月份以后基本达到年内最高值，之后地下水位无明显下降，保持着水位高值，直到翌年的3月底、4月初，由于灌溉开采量增大和降水量较小，地下水位开始持续下降。在过去的1980年到2003年，该区域地下水位也在不断波动，分别经历了稳定下降、上升、相对稳定、逐渐下降等阶段[20](图6)。

表2 研究区各监测点地下水埋深 m

注：监测数据在不同年份内有数据缺失现象。

图6 中部平原区6、8、9、10、11号监测点地下水埋深动态变化曲线Fig.6 The curves of dynamic variation of groundwater depth of No.6, 8, 9, 10, 11 in the region of the central plain

3.2 典型观测点年内地下水埋深波动对比

不同地区年内地下水位的波动变化方式有很大的区别，选取不同地区的3个典型监测点同一时间段(2010/1/1-2011/7/1)，分析年内地下水位变化机制(图7)。位于山前平原最西部海拔较高地区的1号监测点，水位埋深较浅，年际地下水位下降程度较小(图2)；位于山前平原的5号监测点，水位埋深较大，在观测年份内地下水位不断下降(图3)；位于中部平原的6号监测点，地下水埋深相对山前平原较浅，在观测年份内，年际地下水位基本不变(图6)。地下水位的年际动态变化是由地下水位的年内水位升高降低机制反映出来的[12]。

在山前平原西部海拔较高的地区(以1号监测点为例)，年内地下水位变化比较平稳，年初地下水位先降低后回升，回升3个月很快达到年内最高值，之后又不断下降，水位下降期日变化速率小于水位回升期日变化速率，但是年内下降期的时间远大于回升期的时间，水位在年际上缓慢下降。

在山前低平原区(以5号监测点为例)，年内地下水位的波动相对于中部平原区比较平稳，年初水位先回升，之后不断下降，8月左右水位开始再次回升。年内水位变化趋势与山前丘陵区存在较大的差距，水位下降期日变化速率大于水位回升期日变化速率。在小麦农灌时期，地下水开采量较大，补给量较小，日下降速率大于1 cm/d，在雨季来临后，降水量增加，并且农业灌溉开采用水减少，水位开始回升，但是回升速率远小于1 cm/d。虽然年内回升期的时间略大于下降期的时间，但是由于回升期日变化速率远小于下降期的日变化速率，下降速度为上升速度的2.1～3.6倍，年际地下水位呈不断下降的趋势。

在中部平原区(以6号监测点为例)，年内水位波动趋势与山前平原大致相同，但存在较多的小波动，由于水位埋深较浅，水位对降水量的反应较快，春灌期后水位回升的时间比山前平原早一些，水位下降期日变化速率大于水位回升期日变化速率，下降速度为上升速度的1.7～6.7倍，但是上升时间约为下降时间的4倍，年际地下水位基本稳定。

4 结 语

(1)河北平原地下水动态变化呈现出空间分布的整体规律，平均地下水埋深由山前平原区到中部平原区不断减小。山前平原区地下水开发利用程度较高，地下水埋深较深，中部平原区地下水开发利用程度较低，地下水埋深较浅。地下水年际变化分布规律为：中部平原区地下水埋深基本不变，观测年份内各水文年水位波动小于3 m，山前平原区地下水埋深不断下降，不同监测点下降幅度差异较大。局部地区，由于靠近水库，水库蓄水量增加，且小麦种植面积减少和降水量增加，地下水位呈回升趋势。地下水年内变化规律为：山前平原最西部海拔较高地区，受到地貌地形、地下水渗透系数的影响，年内最低水位出现在7-8月份，最高水位出现在9月份；山前平原农业用水集中区，地下水开发利用程度较高，受到降雨入渗、农业灌溉用水和侧向补给作用的影响，年内最高水位出现在2-3月份，最低水位出现在7月份；中部平原，地下水埋深较浅，地下水变化受到蒸发排泄和降雨入渗的双重影响，年内最低水位出现在4-6月份，最高水位出现在9月份左右。

2)不同地区年内水位波动存在较大差异。从山前平原区到中部平原区，海拔相对较高的地区与低平原区的年内水位下降期和水位上升期分布差异较大，低平原区年内水位下降时间小于水位回升时间，而海拔相对较高的地区则相反，且两个区域水位下降期和水位上升期日变化速率也不相同。山前低平原区和中部平原区，年内水位下降期和水位上升期分布大致相同，但是中部平原区年内回升期开始的比山前低平原区早，可能是由于水位埋深较浅，对降雨的响应更及时，且中部平原区的年内回升期的时间较长。

本研究分析了河北平原地下水位动态变化规律，同时对比了区域内的典型观测点的同时间年内水位波动状况，是该地区水位动态变化研究的基础，下一步将结合土地利用类型和所处区位在地下水流场上的不同位置深入分析水位变动的规律和原因。

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