山东省近20年来地下水资源变化浅析

山东省近20年来地下水资源变化浅析

李󰀁瑜󰀁张󰀁静󰀁吕󰀁红

(山东省水文水资源勘测局,山东济南250014)

摘󰀁要:地下水是山东省重要的水资源,对全省经济社会发展起到举足轻重的作用。由于近年来水资源的外部环境发生了较大变化,导致地下水资源相应发生了很大变化;同时随着对地下水变化规律认识的逐步提高,评价方法的不断完善,也可在一定程度上对地下水资源的变化产生影响。通过对山东省第一、二次地下水资源评价要素及评价成果的对比,对山东省近年来地下水资源的变化进行了浅要分析,旨在为山东省地下水的合理开发利用提供依据。

关键词:地下水资源;评价;变化分析;山东省

󰀁󰀁从20世纪80年代全国第1次水资源评价至今已经20a了。20a来,由于受气候变化、人类活动等因素的影响,区域水循环条件、下垫面条件、水资源补给条件、水环境及生态环境等均发生了较大变化,导致水资源无论在数量、质量和时空分布上都发生了很大变化。第1次评价成果已不能真实反映现状水资源的实际状况。为此,水利部、国家发展计划委员会于2002年统一部署在全国开展水资源综合规划工作。地下水是水资源的重要组成部分,在保障城乡居民生活用水、支持社会经济发展、维持生态平衡等方面具有十分重要的作用。尤其是在地表水资源相对缺乏的山东省,地下水具有不可替代的作用。科学地认识和掌握地下水资源的时空分布及其变化规律,是实施我省水资源可持续利用战略的基础。本文简要介绍了本次地下水资源评价的主要特点及评价成果,并通过与第1次地下水资源评价成果的对比,浅要分析了山东省近20a来地下水资源发生变化的主要原因,为我省地下水合理开发利用、有效保护和科学管理提供依据。

(3)评价类型区划分原则。本次地下水资源量计算,评价类型区划分为3级。首先,根据区域地形地貌特征将全省划分为平原区和山丘区2个∀级类型区。在划分时,被平原围裹、面

积小于1000km2的残丘,一般划归平原区;反之被群山环抱、面积小于1000km2的山间平原,一般划归山丘区。其次,根据次级地形地貌特征和地下水类型,将平原区划分为一般平原区1个#级类型区;将山丘区划分为一般山丘区和岩溶山区2个#级类型区。在#级类型区划分的基础上,平原区根据包气带岩性、1980~2000年年平均地下水埋深、水文地质等;山丘区根据地下水补给、径流、排泄的相对独立性,地层分布、地质构造等,进一步划分为122个均衡计算区(又称∃级类型区)。所有成果均按照水资源分区、行政分区、三级区套地市3种类型进行汇总。全省共划分为13个汇总区、4个水资源二级区、17个行政分区、47个套区。

(4)水文地质参数的确定。本次评价重点对与下垫面条件变化关系密切的有关参数进行分析研究。%给水度:采用地下水位动态资料分析法,结合20世纪80年代以来山东省均衡试验场研究成果及有关单位科研成果,确定了黄泛平原区、山前平原区不同岩性的给水度。&降水入渗补给系数:采用地下水位动态资料分析法,利用1980~2000年地下水位动态及降水观测资料系列,按粘土、亚粘土、亚砂亚粘互层、亚砂土、粉细砂5种不同岩性分别建立了󰀁年~P年~󰀂年关系曲线。∋潜水蒸发系数:采用1980~2000年地下水埋深资料系列,应用阿维里扬诺夫公式,逐月分析潜水蒸发系数,由月值推年值分析不同岩性潜水蒸发系数,建立了C均~Z均关系曲线。(渗透系数:根据抽水试验、野外同心环试验及同位素示踪试验成果进行综合分析,分别确定了不同岩性的渗透系数。

(5)一致性处理。为计算1956~2000年水资源总量系列,对降水入渗补给量(山丘区为地下水总排泄量)、河川基流量进

1󰀁本次地下水资源评价的主要特点

(1)评价对象。本次评价的地下水是指近期下垫面条件下赋存于地表面以下岩土空隙中逐年不断更新的饱和重力水,而且主要是与当地降水及地表水关系密切的浅层地下水。并按照矿化度M!1g󰀁L、15g󰀁L共5个标准分别计算,其中M<2g󰀁L的淡水是本次地下水资源评价的重点。近期下垫面条件的年代为1980~2000年。

(2)采用系列。地下水资源量采用1980~2000年系列。为

计算水资源总量,平原区降水入渗补给量及形成的河道排泄量、山丘区地下水总排泄量(即山丘区降水入渗补给量)、河川基流量采用1956~2000年系列。

收稿日期:2005-10-31

作者简介:李󰀁瑜,女,山东省水文水资源勘测局,高级工程师。

)16)行一致性处理。即利用各计算区1980~2000年逐年降水量P和降水入渗补给量Pr建立的P~Pr关系曲线,修正1956~1979年降水入渗补给量;利用单站1980~2000年还原后的河川径流量R和河川基流量分割成果Rg建立的R~Rg关系曲线,修正1956~1979年河川基流量。得到具有一致性且能反映近期下垫面条件的1956~2000年水资源总量系列。

(6)先进技术手段应用。本次评价充分应用计算机先进技术,在数据处理、水文地质参数分析、河川基流切割、区域水量计算、成果图编制、成果合理性分析等方面发挥巨大作用,大大提高了评价精度和工作效率。

12.2万m3󰀁km2,与第1次评价基本相同。

4󰀁地下水资源发生变化的主要原因

(1)基础不同。第1次评价要求提供的是现状条件下的地下水资源量,即以当时现有的水利工程设施、引水灌溉方式和地下水开发利用水平为评价基础。本次评价要求提供的是近期下垫面条件下的地下水资源量。20世纪80年代以来,由于我省社会经济的快速发展,人类活动影响加剧,土地利用状况和水资源开发利用方式都发生了很大变化。至20世纪末,我省水土流失治理面积超过20000km2,城市用地和道路用地快速增加,社会对水资源的需求急剧增长。另外,降水系列的偏枯、地表水资源的衰减、地下水开采量的逐年上升、地下水位的持续下降、地下水漏斗区面积的不断扩大、引黄水量的增加、平原水库、地下水库的修建及节水灌溉、人工回灌措施的实施等都会对地下水资源的变化产生影响。

(2)系列不同。第1次评价系列1956~1979年属偏丰系列,降水较长系列(1916~2000年)偏大12.3%;本次评价系列1980~2000年属偏枯系列,降水较长系列偏小2.8%。本次评价全省多年平均降水量627.3mm,较第1次评价减少13.5%。区域降水量的减少是造成全省地表水资源量、平原区降水入渗补给量减少的重要原因之一。

(3)计算面积不同。本次评价全省采用面积为156675km2,而第1次评价为153300km2。由于划分原则不同,本次评价全省平原区计算面积为55628km2,较第1次评价增加9.2%;全省山丘区计算面积为79475km2,较第1次评价减少4.8%。

(4)计算项目不同。本次评价计算山丘区地下水资源量排泄项时增加了实际开采净消耗量、潜水蒸发量两项,合计26.37

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亿m。这是造成本次山丘区地下水资源量增加的主要原因之一。计算平原区补给项时增加了平原水库渗漏补给量及人工回灌补给量等项量,使本次评价的地表水体补给量由18.8亿m3增加到22.7亿m3,增幅20.5%。

(5)供水结构不同。20世纪80年代以来,由于降水量和地表水源的不足,使山东省供水结构发生很大变化。1980~2000年全省地表水供水量减少约20%,而地下水供水量增加约39%;地下水供水量占总供水量的比重由1980年的38.6%上升到2000年的53.6%;此外,黄河水量实行统一分配以来,我省引黄水量由1971年引黄复灌以来的年均52亿m3增加到80年代以后的年均72亿m3。由于引黄水量的增加,使本次评价的引黄灌溉入渗补给量由9.2亿m3增加到11.7亿m3,增幅27.2%。

(6)下垫面条件不同。下垫面条件的变化主要是指水利工程的修建,大规模的开发利用地下水等。20世纪80年代以前,山东省虽然修建了大量的蓄水工程,但由于工程配套率低,水资源开发利用程度不高,河道基本上不断流。80年代以后,随着水资源的大量开发利用,河道断流时间不断延长,使河流对地下水的补给相应减少。本次评价全省河川径流量较第1次评价减少42.1%。由于河川径流量的减少,使山丘区河川基流量、平原区河道渗漏补给水量、引河补给水量也大幅度减少。本次评价全省河川基流量较第1次评价减小35.9%,平原区河道渗漏补给量较第1次评价减小33.6%,引河补给水量较第1次评价减少4.8%。80年代以来,山东省地下水开采量逐年增加(从1980年的91亿m3增加到2000年的132亿m3),造成地下水位

(下转第44页)

2󰀁本次地下水资源评价的主要成果

(1)平原区地下水资源量。平原区采用补给量法计算地下水资源量。各项补给量包括:降水入渗补给量、河道渗漏补给量、灌溉入渗补给量、山前侧渗补给量、平原水库渗漏补给量、人工回灌补给量、井灌回归补给量。各项补给量之和为地下水总补给量;地下水总补给量扣除井灌回归补给量为地下水资源量。计算结果:全省平原区多年平均地下水总补给量为95.99亿m3󰀁a,多年平均地下水资源量为90.56亿m3󰀁a,多年平均地下水资源模数为16.3万m3󰀁(km2)a)。

(2)山丘区地下水资源量。山丘区采用排泄量法计算地下水资源量。各项排泄量包括:河川基流量、山前侧向流出量(包括出山口河床潜流量)、浅层地下水开采净消耗量、潜水蒸发量。各项排泄量之和为总排泄量。计算结果:全省山丘区多年平均地下水资源量为80.90亿m3󰀁a,多年平均地下水资源模数为10.2万m3󰀁(km2)a)。其中一般山丘区多年平均地下水资源模数为9.4万m3󰀁(km2)a),岩溶山丘区多年平均地下水资源模数为20.3万m󰀁(km)a)。

(3)分区及全省地下水资源量。分区地下水资源量为山丘

3

2

区和平原区地下水资源量之和扣除重复量,重复量包括山前侧渗补给量和本水资源一级区河川基流量形成的地表水体补给量。计算结果:全省多年平均地下水资源量为165.46亿m3,其中山丘区为80.90亿m3,平原区为90.56亿m3,重复量为6.01亿m3;多年平均地下水资源模数为12.2万m3󰀁km2。

3󰀁与第1次评价成果对比

(1)平原区成果对比。本次评价全省平原区计算面积为55628km2,较第1次评价增加9.2%;地下水资源量为90.55亿m3,较第一次评价增加0.5%;地下水资源量模数为16.3万m3󰀁km2,较第1次评价减少7.9%。本次评价中降水入渗补给量占地下水资源量的67.3%,地表水体补给量占23.6%;第1次评价中降水入渗补给量占地下水资源量的76.3%,地表水体补给量占20.9%。

(2)山丘区成果对比。本次评价全省山丘区计算面积为79475km2,较第1次评价减少4.8%;地下水资源量为80.90亿m,较第1次评价增加5.1%;地下水资源量模数为10.2万m3󰀁km2,较第1次评价增加10.3%。其中山丘区基流量为46.29亿m3,较第1次评价减少35.9%。本次评价山丘区基流量占地下水资源量的57.2%,第1次评价山丘区基流量占地下水资源量的93.7%。

(3)全省成果对比。本次评价全省计算面积为135103km2(M<2g󰀁L面积),较第1次评价增加0.5%;地下水资源量为165.46亿m3,较第1次评价增加1.3%;地下水资源量模数为

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)17)

Cs=0和Cs=2的理论b值比较,结果合理。见表9。

因此,MonteCarlo法用于建立点绘位置公式是合适的。

值。为此必须先估算总体分布的Cs。计算Cs初值有两种方法:%通过分析实测样本初估;&利用地区或流域综合的Cs作为初值[包括Walls等人(1974)的方法]。事实上Cs值少许变化对b值影响并不显著。

当具有可靠的历史洪水(超过实测值)资料时,可参照使用U.S.W.R.C(1977)推荐的方法。当n大于100时,表10中n=100的b值仍可应用。

6.2󰀁几种常用点绘位置公式比较

点绘位置公式是否合理,应该由理论分布的分位数估计值(即设计值)的无偏性和有效性决定。

6.2.1󰀁无偏性

表3至表5的结果表明,对P-∃分布,F[E(xm)]的估计量是无偏的,而其他三个公式的相应值是有偏的。可以认为,本文推荐的P-∃型分布F[E(xm)]公式计算的分位数是无偏的。应该指出,Weibull公式只适用于总体为均匀分布时才能计算出无偏设计值。

6.5󰀁参数(!,Cv,Cs)的最优估计量

至此尚存在总体参数估计量是否最优的问题,即当采用推荐的P-∃型点绘位置公式适线,能否使纵标的方差之和最小。Blom(1958)分析了两参数的几种概率分布模型,包括正态分布和指数分布,得出结论:用E(xm)点绘位置公式可求得总体参数的近似最优估计,而Weibull公式则不然。Kimball(1960)由生成的正态分布和指数分布资料也得出相同的结论。因而当P-∃型分布06.2.2󰀁有效性

表5显示从公式计算的次序统计量的均方根差比较,推荐的公式优于其他三式。当m较小时,Hazen公式优于其余二式。

但当m越大时,这些公式计算值有效性差别越小。正如式(35)所示, (󰀁xm)的计算值依赖于󰀁xm,实际上󰀁xm由点绘公式计算而得。因b值的变化为0.3~0.5,这时,平方根差最小。又如表6所示,本文推荐的公式b值为0.3~0.5,故这些公式中其误差最小,即此公式有效性最佳。

7󰀁结论

(1)MonteCarlo法可适用于建立P-∃型点绘位置公式。从模拟生成的n=30到100(0.42!Cs!1.80)总数为340000样本,下列特征被传承:%基本统计特征;&次序统计量频率的期望值;∋次序统计量的超过频率。此外,生成资料求出的点绘位置公式中的b值与由直接数值解求出的b值相同。

(2)据生成资料建立的P-∃型分布参数Cs=0~2的点绘位置公式,既可用于总体分布对称亦可用于非对称的情况。此公式将提供无偏、有效的分位数(设计值)估计量。

(3)为使用本文推荐的点绘位置公式必须确定式中的参数b值。此值主要与总体分布的偏态系数Cs和样本的序位m有关。

应该说明,本文只研究了P-∃型分布参数0!Cs!2的情况。今后应进一步研究Cs更大时的公式,以及研究总体参数估计量的优选。致谢

本文是中华人民共和国政府选派的访问学者季学武先生和丁晶先生与美国科罗拉多州立大学水文水资源计划的教授们的联合科研成果。此项研究的构思和实施是前二位作者共同进行,并且得到后二位的指导和帮助。中国政府提供了前二位作者研究该课题的时间,科罗拉多州立大学实验站课题No.1∗51141支持了后二位作者的工作时间,赞助了起草原稿的各项准备和全部计算机机时。该项研究对中美文化交流颇有裨益。在此还要对审稿人的宝贵修改意见谨表谢意。

6.2.3󰀁xm的超过机率

表7中Weibull公式计算值超xm的机率(即大于设计标准)最多;Hazen公式计算值小于xm的机率最少;Chegodayev公式较好;本文推荐的公式介于后二者之间。

综合次序统计量(设计值)的无偏、有效和超过机率等因素,本文推荐的P-∃点绘位置公式较其他3个公式好,可计算符合指定频率(即设计标准)的最优分位数(即设计值)。

6.3󰀁平均次序统计量和平均频率

论述样本点绘位置的两类方法:第一类是将实测样本的次序统计量当作大量样本同一次序的统计量的均值,亦即将点绘在机率格纸上的频率曲线纵标当作均值;第二类方法是将实测样本的次序统计量的频率当作大量样本同一次序统计量的频率的均值,亦即将横标当作均值。本文推荐的公式对应于前者,Weibull公式相应于后者。设计中要求的是纵标(设计值)达到设计标准,因此应使第一类方法的公式。

6.4󰀁推荐公式的应用

应用本公式的关键是如何确定与总体分布的Cs有关的b

(上接第17页)

普遍下降(2000年与1980年相比,全省平原区地下水位平均下降了3.29m),漏斗区面积不断扩大(从1980年的不足0.3万km2增至2000年的2.1万km2)。地下水位的下降破坏了天然状态下的三水转换关系,使地下水补给条件发生重大变化。一方面,地下水位下降袭夺了地表径流,使地表水更多地转化为地下水;另一方面,地下水位下降加大包气带厚度,减少了地下水补给量,这也是本次评价降水入渗补给量、河道渗漏补给量、水库湖泊渗漏补给量减少的原因之一。此外,地下水位下降减少了潜水无效蒸发,使本次评价全省平原区潜水蒸发量较第1次评价减少35.9%。

水资源开发利用水平而变化的量。弄清地下水资源的变化规律,对于全面认识地下水,合理开发地下水,有效解决在地下水开发、利用、保护等方面存在的突出问题意义重大。地下水的不合理开发不仅会造成地下水资源量的减少,还会引起一系列生态环境问题,如引起湿地萎缩和干涸、导致天然植被衰败、海咸水入侵、土地盐碱化、加剧地下水污染、造成地质灾害等。通过以上对山东省地下水资源的变化分析可以看出,近20年来,山东省地下水资源的构成及比例已经发生很大变化。今后随着对地下水开发利用保护措施的实施、国家南水北调工程的上马,地下水资源还会发生相应的变化。

5󰀁结语

实践证明,地下水资源是一个随着气象条件、下垫面条件、

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