标准化地下水指数的构建与应用

【摘要】：干旱是发生频率高、影响面积广、灾害损失大的自然灾害之一。传统的干旱研究多着眼于气象、农业和水文领域,较少考虑地下水因素。随着地下水利用量的增加和地下水储量的减少所引发的问题逐渐增多,针对地下水干旱的研究,特别是干旱半干旱区域的地下水干旱问题研究的重要性也愈发突出。因此,构建一个地下水干旱指数对地下水干旱的监测、预测和治理等问题具有非常重要的指导意义。本文以我国西北干旱半干旱区的黑河流域中游地区、石羊河流域以及陕西省宝鸡峡灌区为研究区,依据1980-2018年(各流域不同)共92眼井的地下水月水位序列,基于参数化和非参数化两类方法分别构建了标准化地下水指数。对不同方法计算得到的指数进行了对比、优选和分析。使用K均值聚类对地下水干旱的类型进行了区分;利用经验正交分解对干旱的空间分布和时间变化过程进行了研究;基于经验模态分解对不同类型地下水干旱的周期和趋势进行了识别;并且分析了驱动地下水干旱的自然因素和人类活动因素。主要结论如下:(1)基于地下水月水位序列构造了参数化标准地下水指数(SGI),选用Beta分布、Gamma分布、对数正态分布(Log N)、极值分布(EV)、广义极值分布(GEV)、韦伯分布(Weibull)和瑞利分布(Rayleigh)等7种分布,通过K-S检验和AIC准则进行拟合分布优选,发现三个研究区最优拟合函数均为Beta分布。基于地下水月水位序列采用经验公式法和核密度估计法分别构造了非参数化标准地下水指数,发现相较于经验公式法,核密度估计法能更好的反映地下水水位的变化情况。(2)同一眼井的参数化指数和非参数化指数的趋势变化中,只在局部区域的变化上有差异,总体趋势一致,且基于二者的地下水干旱分析也得到了基本一致的结论,均可用于地下水干旱的相关分析。参数化方法的优势在于有明确表达式,进行干旱频率分析时可以适当外推,非参数化方法则不行;但对于频率分布难以用分布函数表达的“多峰”形式,非参数化方法则更具优势,总的来说两类方法各有优势,可根据具体情况择一使用。(3)基于K均值聚类的地下水干旱类型可以分为地下水干旱持续加重型;地下水未出现干旱或干旱持续减轻型;地下水干旱加重-减轻型;地下水干旱多次加重/减轻转折的复杂型等4种类型,其中石羊河流域以持续加重型为主,地下水干旱最为严重;黑河流域中游兼有地下水干旱持续加重型和地下水干旱先加重-减轻型,整体的地下水干旱情况略好于石羊河流域;宝鸡峡灌区具有所有的地下水干旱类型,整体地下水干旱情况最轻。并且基于经验正交分解的地下水干旱的空间分布结果与聚类结果一致,地下水干旱持续加重的地区往往是地下水干旱持续加重型井的聚集区,其余区域的干旱时空演变规律也能找到对应的干旱类型。石羊河流域整体呈现地下水干旱持续加重;黑河流域中游张掖南部和临泽南部区域地下水干旱趋势为加重到减轻的转变,其余地区干旱持续加重;而宝鸡峡灌区的干旱空间分布较为复杂,礼泉县明显为地下水干旱持续加重,扶风县南部区域和乾县西南区域由地下水干旱转向无旱,其余地区干旱的产生与消退交替出现,总体而言地下水干旱状况较轻。通过经验模态分解对标准化地下水指数的分解发现,地下水干旱以趋势项为主,受周期项影响较小,主要存在周期为一个1年的小周期和一个3-7年的大周期。(4)通过不同因素和地下水干旱的相关性分析发现,对地下水干旱起主要影响的是人类活动因素,其中经济产值、地下水用水量以及总用水中地下水占比是相关性最强的3个因素。地下水干旱受自然环境因素影响较弱,降水量几乎不与地下水干旱指数存在相关性,而径流则是自然因素中和地下水干旱相关性最强的因素。