水面率变化对地下水水位变化的影响

2004 566. 0 796. 1
19. 01
15. 498
37. 38
2005 628. 2 716. 6
19. 3
21. 306
38. 02
2006 400. 8 815. 5 平均 525. 84 1 041. 52
20. 3 20. 092
25. 806 17. 297 8
35. 37 36. 625 8
《水资源研究》第 28 卷 第 4 期 (总第 105 期) 2007 年 12 月
水面率变化对地下水水位变化的影响
何 俊 仕 王 贺
(沈阳农业大学 水资源研究所 ,辽宁 沈阳 110161)
摘 要 :以沈阳市水系及地下水资源现状为基础 ,分析了地下水位与各种补给因素之间的关系 ,结果表明水面 率变化对地下水位有重要影响 。并以降雨量和水面面积作为输入因子运用回归分析对地下水位进行预测 。其 结果与灰色系统计算结果相接近 。 关键词 :水面率 ; 地下水补给 ; 回归分析 ; 灰色系统 ; 沈阳
表 3 模型计算结果
项目
百度文库
x ( t + 1) = 0. 009155 e0. 093263 t + - 0. 008156
观察值 拟合值 误差
%
X (2)
36. 90 36. 9009 - 0. 0009 - 0. 0024
X (3)
37. 38 37. 3786 0. 0014 0. 0036
X (4)
经过几年的建设 ,沈阳三环以内从 2002 年水面面积 11. 477 km2 、面积率 2. 52 % ,增加到 2005 年水面面积 21. 306 km2 、面积 率 4. 68 %(表 1) 。水系建设主要有拓宽整治浑河 ;改造新建环 城水系节点 ;拓宽整治卫工明渠 、细河 、满堂河等河道 ;扩建丁香 湖 ;新建龙潭等工程 。
需要说明的是近几年沈阳市地下水开采量相差不大 ,主要 是由于沈阳市近些年来采取了一些有效的水资源保护措施 ,控 制地下水的开采 。无论是相关分析还是关联度分析研究中得到
的数字并不能完全反映地下水开采量与地下水位之间的关系 。
沈阳地区的水面发展主要经历了 3 个阶段 ,第 1 阶段是自然 状态 ,时间是 20 世纪 70 年代以前 ;第 2 阶段是大幅减少 ,急速衰 减阶段 ,时间是 20 世纪 70 年代到 90 年代 ;其后是水面减少速度 相对稳定的持续减少阶段 。这与沈阳市地下水位变化大致同步 , 因而可以认为水面变化对地下水位变化影响显著 。
图 2 2003～2006 年地下水位线
2 沈阳市水域对地下水的补给分析
2. 1 各补给因素与地下水位之间关系
(1) 相关分析 。选取 2003～2006 年的平均地下水位 、平均 降雨量 、平均蒸发量 、水面面积 、地下水开采量这几个因素进行 相关分析 。
2006 年沈阳市的地铁建设 ,使局部地区地下水位急骤变 化 ,甚至有时一个月内某些观测点水位变化超过 3 m。与地下 水位自然变化规律相差甚远 ,而相关分系是基于概率论的随机 过程 ,是研究静态过程的 ,所以 2006 年数值不计入计算范围之 内。
2. 2 模型建立
运用回归分析对地下水位进行预测 ,选取降雨量 x1 ; 水面 面积 x2 ; 这两项作为输入因子 ,蒸发量与地下水位之间的关系 属负相关 ,暂不进行计算 。地下水开采量主要受人为控制 ,所以 也不作为影响因子代入计算 ;地下水位做为输出因子 y 。
得出预测模型 :
y = 29. 57940448 + 0. 012115738 x1 + 0. 039060228 x2 按第 1 自由度 2 ,第 2 自由度 2 ,显著性水平 0. 05 查 F 分布 表 ,得 F 临界值 19 ,而给出的 F 统计量为 24. 9852 , F 统计量远大 于临界值 。这说明自变量与输出值之间的线性关系是显著的 ,模 型精度较高 ,预测结果是可靠的 。
地表水面通常指由河 (渠) 道 、湖泊 (天然或人工湖泊) 、湿地 (天然或人工湿地) 及坑塘等形成的水体表面 [2] 。水面处在水域 生态系统和陆地生态系统的交接处 ,具有两栖性的特点 ,并受到 两种生态系统的共同影响 ,呈现出生态的多样性 ,与城市整体生 态系统息息相关 。水面能够起到补给地下水 、防止地下漏斗的 产生 、改善地下水环境质量 、防洪 、调节区域小气候 、休闲娱乐 、 美化环境的作用 。但是肆意改变水面面积会对生态环境造成影 响 ,加紧城市水资源的短缺 。如大面积开发城市水景景观 ,会使 地下水补给量增大 ,地下水位短时间内大幅度抬升 ,影响建筑安 全 。因此 ,协调城市发展 ,正确处理城市水面变化对地下水补给 的影响具有十分重要的意义 。
水面率Π %
4. 68 5. 67 10. 06
注 :摘自沈阳市 2007 年《水系规划附表》。
1. 2 沈阳市地下水现状
沈阳市多年平均地下水综合补给量为 23. 68 亿 m3 ,可开采 量为 19. 31 亿 m3 。沈阳市地下水位的变化除受自然界的水文地 质条件制约外 ,还受气象因素 、水文因素和人为因素等多方面因 素的影响 。在最初天然状态下 ,沈阳市中心城区地下水是由东 北向西南流动的 。由于历史原因 ,沈阳市部分地区地下水开采 布局不尽合理 ,特别是中心城区及近郊 ,集中布设了大量工业自
图 1 沈阳市水系分布
表 1 2002～2010 年水面面积变化
年份
2002 2003 2004
水面面积Π km2
11. 477 12. 402 15. 498
水面率Π %
2. 52 2. 73 3. 41
年份
2005 2006 2010 (目标)
水面面积Π km2
21. 306 25. 806 47. 304
3 结 语
沈阳市属于北方严重缺水城市 。加大城市水面面积建设和
维护城市水景观 ,需要大量水源 。这无疑会加重沈阳市的水资 源短缺现象 。因此要根据沈阳市的实际情况 ,可以利用经过处 理的中水代替景观水 ,也可以利用地铁建设排水补给水景观水 源 。这样既可以降低成本 ,也可以美化环境 。
传统的计算方法大都只是在定性方面对水面补给地下水进 行了研究 ,涉及定量方面很少 。从水资源可持续利用角度而言 , 应考虑地下水资源条件和承载能力 。应充分考虑南北方的差 异 ,不能盲目扩大水面率 ,必须在对城市水资源进行优化配置的 基础上 ,充分考虑水资源的承载能力 ,同时不对地下水位变化造 成不利影响 ,制定合理城市水面面积 。人们正逐渐把对合理水 面率的研究纳入水资源系统中来 。对于北方城市来说 ,冬季水 面与夏季水面天然条件相差很多 ,今后在这个方面可以进一步 探讨 。
根据沈阳市近期规划 ,2010 年水面面积可达 47. 304 km2 ;降 雨量预测值为 543. 8 mm ,分别代入预测模型中 ,可得地下水水 位 Y = 38. 0156 m。
为进行对比分析 ,采用灰色系统进行校核 ,根据 2002～2006 年平均地下水位 ,建立 GM(1 ,1) 预测模型 ,计算结果如表 3 。
38. 02 38. 0203 - 0. 0003 - 0. 0008
X (5)
35. 37 35. 3702 - 0. 0002 - 0. 0005
对当前模型的评价
C = 0. 0008 很好
p = 1. 0000 很好
未来 4 个时刻预测值 X ( t + 1) = 36. 64577 X ( t + 3) = 37. 61744
表 2 2003 ～ 2006 各影响因子及地下水位值
年份 降雨量 Π 蒸发量 Π 地下水开采量 Π 水面面积 Π 地下水位 Π
mm
mm
亿 m3
km2
m
2002 445. 0 1 517. 7
20. 50
11. 477
35. 46
2003 589. 2 1 361. 7
21. 35
12. 402
36. 90
参考文献 :
[1 ] 王超 , 王沛芳. 城市水生态系统建设与管理. 北京 : 科学出版社 ,
2004. [2 ] 吴迪. 沈阳市城市适宜水面率研究 ,见 :沈阳农业大学年硕士论文.
2007 ,10. [3 ] 王云琦. 地下水系的出流与贮存. 水土保持科技情报 ,2003 , (1) :34
(2) 关联度分析 。关联度分析是研究动态过程的 ,因而可以 将 2006 年值代入进行计算 。对 2002 ～ 2006 年数据资料进行关联
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度分析 ,在进行关联度分系时降雨量 、蒸发量 、地下水开采量 、水 面面积这几项因素作为子因素 ,地下水位作为母因素 。其分析结 果为 : 与地下水位数值关联度第一位的是降雨量 , 关 联 系 数 0. 532 7 ;其次是水面面积 , 关联系数 0. 333 5 ; 再次分别是蒸发 量 ,关联系数 0. 198 4 和地下水开采量 ,关联系数 0. 144 2 。
收稿日期 :2007 - 08 - 31 作者简介 :何俊仕 ,男 ,沈阳农业大学水资源研究所 ,教授 。
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备井和生活供水井 ,经过多年过量集中开采 ,造成中心城区及近 郊地下水位持续下降 ,地下水水质也逐年恶化 ,形成了较大规模 的地下水超采漏斗区 。地下水则转向汇聚于逐步形成的开采漏 斗区内 。沈阳市早在 20 世纪 80 年代初就开始着手布设地下水 监测井 ,这些长时间的地下水监测资料为研究沈阳地下水资源 变化规律提供了祥实充分的基础资料 。
对 2002～2005 年数据进行相关分析 ,由计算得 : 水面面积 与地下水位之间的相关系数 r1 = 0. 852 5 ;降雨量与地下水位之 间的相关系数 r2 = 0. 951 1 ;蒸发量与地下水位之间的相关系数 r3 = - 0. 898 8 ;地下水开采量与地下水位之间的相关系数 r4 = - 0. 56 。由计算结果可知 ,水面面积与地下水位之间的关系是 属高度相关的 ,水面面积可以作为评价城市水资源总量多少的 指标之一 。水面变化可以影响地下水位 ,水面在对地下水补给的 过程中起到了重要作用 。城市水资源总量的增大 ,会带动城市地 下水位的上升 。由表 2 也可以看出 ,随着水面面积的增大 ,地下 水位总体趋势也是上升的 。因此 ,利用水面面积求解地下水位是 有现实意义的 ,水面面积可以作为重要影响因子 ,对地下水位的 变化进行预测 。
38. 0156 m 相接近 。2010 年地下水位应在 38. 0～38. 6 m 之间 。
相对近年来地下水位 ,应属较高水位 ,这与预测降雨量 ,及水面
面积较大有直接原因 。
另外 ,从历史记录来看 1985 年和 1995 年沈阳市二次遭受洪 水袭击 ,使沈阳市城区地下水超采区地下水资源得到回补 ,地下 水位迅速回升 ,超采区分布面积明显减小 。这也说明水面面积 增大对地下水补给作用是十分明显的 。
环城水系主要由南运河 、新开河 (北运河) 、卫工明渠及沿途 5 个公园湖组成 ,全长 49. 7 km(其中南运河 14. 5 km ,新开河27. 7 km ,卫工明渠 7. 5 km) ,水面面积 1. 041 km2 。环城水系景观用水 引自浑河 ,在沈阳市大东区东塔桥经闸门进行分流 ,分别进入 南 、北两条运河 ;卫工河水由卫工明渠引水闸引入北运河水 ,另 外接纳北部污水处理厂后排放的中水 。
X ( t + 2) = 36. 99730 X ( t + 4) = 38. 59636
Qmin = - 0. 2522
注 :模型参数 : a = - 0. 093263 , b = 0. 000761 。
通过对地下水位的预测分析来看 , GM(1 ,1) 模型精度为好 ,
预测结果 2010 年地下水位为 38. 59636 m ,与回归分析预测结果
1 沈阳市城市水系构成及地下水概况
1. 1 沈阳市城市水系构成
沈阳市城市水系主要由浑河沈阳城区段及其支流 (细河 、蒲 河 、白塔堡河 、张官河 、杨官河等浑河的支流) 、环城水系 (南运 河 、新开河 、卫工明渠) 构成 (见图 1) 。
浑河流经沈阳城市中心 ,规划中浑河将成为沈阳未来城市 内河 。浑河流经沈阳规划区段为 57 km ,其中三环以内为 29 km , 规划水面宽 400 m。