黄河水利委员会山东水文水资源局 山东济南 250100
摘要：地下水是大气降水以及地表水渗入地下，赋存于地下含水层中的水体，是水资源的重要组成部分，受气象、地形及人类活动等因素的影响，地下水变化呈现出一定的空间分布规律。地下水空间分布及影响因素研究是水资源时空演变规律分析的重要研究内容之一，描述其空间变化及成因是水资源合理开发利用和科学管理的前提，采用一定的空间插值方法由地下水站点观测信息得到其空间变化，是认识地下水资源量空间分布规律的重要途径。
关键词：地下水；空间分布；影响因素；插值方法
1.引言
自然地理、水热条件的差异以及人类活动影响了区域水资源分布，使得地下水位呈现出显著的空间变化。根据地下水站点观测信息得到其空间变化特征及其成因，是认识地下水资源量空间分布规律的重要途径。地下水位空间分布图在水文、环境、地质领域都具有重要意义，可通过基于空间统计学的空间插值方法或地下水数值模型模拟得到，这两种方法分别属于随机方法和确定性模型/方法。本文概述了地下水在空间上的分布特征及其影响因素，同时阐述了空间插值方法的在地下水动态估计中的研究进展。
2 地下水空间变化及其影响因子
地下水是大气降水以及地表水渗入地下，赋存于地下含水层中的水体，是水资源的重要组成部分。地下水资源的分布受主要补给来源降水、地形、地质条件、人类取水（农田灌溉）、修建水库等影响。
我国地下水资源占全国水资源总量的1/3，分布由东南向西北减少，这主要由降水的空间分布决定，占全国面积60%的北方地区地下水资源量仅占全国地下水总量的30%，地下水资源量南北方分布差异明显，但地下水开采量北方约140km3/a，占全国地下水开采总量的49%。
地下水位动态在降水、蒸发、径流、地形、地质条件、人类取水等因素综合作用下不断变化，上述因素通过影响地下水补排方式和更新速度对地下水产生影响。浅层地下水主要受降水、地形和开采的影响，深层地下水由于埋藏较大，较难接受降水补给，主要接受地质条件、侧向径流补给及取水的影响。
（1）降水因子
降水的空间分配很大程度上决定了区域地下水的多寡，是由于降水是地下水最重要、最稳定的补给来源。大区域尺度上，地下水的空间分布与降水的空间分布一致。降水对地下水埋深的影响比较明显，埋深越浅，地下水对降水的敏感度越高，降水是浅层地下水水位上升的主要原因，特别是在平原区，降水对地下水的补给大于其他水体的补给[1]。
（2）地形因子
地形因素使地下水在重力作用下由水位较高的区域向水位较低的区域运动。平原区地下水的区域分布，随海拔高度的降低，从山前平原往下，浅层地下水位逐渐降低且降低幅度逐渐减少。山区地形起伏较高，地下水位变幅更大，地下水循环更快，许多研究表明地下水位与地面高程具有很好的相关关系[2]。
（3）地下水开采
地下水开采可能导致地下水位下降，形成地下水降落漏斗，地下水水位下降可能改变原有补排关系，使河流补给地下水，一定程度上促进地下水循环，从而改变区域地下水空间分布。地下水开采用于农业灌溉会对地下水位造成影响，另外流域上游修建水库会袭夺中下游平原区来水，地表径流减少，从而加大对下游地下水的开采，影响区域地下水位[3]。
（4）地质构造
地质条件包括岩性、地层、沉积物，影响地下水的赋存、运移及空间分布。由于地层和沉积物差异，不同含水层地下水成因不同，其埋藏深度和空隙度有很大差异，进而影响含水层富水性。如黄土高原区沟谷深切，地形破碎，具有大孔隙和垂直节理，气候干旱少雨，该区地下水呈间断分布的特点；岩溶地区地下河流发育，水量丰富且分布极不均匀，裂隙水由于裂隙通道具有方向性且水力联系差，裂隙水具有强烈的空间分布不均匀性特点。特殊地质构造如断层往往是大的含水系统的边界，为地下水形成创造了有利条件，具有特殊的水文地质意义[4]。
3.地下水位空间插值研究进展
地下水位空间分布图在水文、环境、地质领域都具有重要意义，可通过基于空间统计学的空间插值方法或地下水数值模型模拟得到[5]，确定性模型具有很强的物理基础，对水文地质条件和含水层均一的地区地下水模拟效果好，但现实地下水位变化复杂，模型在模拟其空间分布时也存在较大的误差[6]。随机插值方法计算简单但不能反映地下水位变化的动力学机制。
近年来，上述两种方法被广泛应用于模拟/估计地下水动态及空间变化，宋冬梅等[7]利用地统计学的半变异函数、结合GIS定量研究了民勤绿洲地下水埋深和矿化度的空间变异特征及其与土地利用变化的关系；陈家军等[8]运用泛克里金方法中分析焦作市修武段的地下水分布特征，并使用线性漂移获得了较好的估计效果。
泛克里金或回归克里金方法通过增加空间确定性趋势/漂移处理地下水位非平稳空间变化，利用反映区域下垫面或水文物理特征的辅助变量（如空间坐标、降水量、地表高程等）与地下水位的空间相关关系作为空间漂移，进一步提高地下水位的估计精度。这些方法耦合了确定性理论和随机方法进行地下水位的空间估值。如Hoeksema等[9]利用地形作为辅助变量预测地下水水位，Desbarats[10]采用外部漂移克里金插值地下水位高程时采用两种确定性趋势模型，（包括地形高程和地形指数），Gambolati和Vapoli[11]将地下水位视作随机平稳偏差和确定性趋势的叠加，以此来消除空间趋势和外部漂移，Rivest等[5]基于水文地质参数、地质和边界等条件构建的概念性模型的有限元结果来估算外部漂移水头，并利用带有外部漂移函数的克里金方法估算了测压管水头场。另外，Knotters和Bierkens[12]将外部漂移克里金方法和区域自回归外生变量模型（Regionalised autoregressive exogenous variable model），采用降水和DEM作为辅助变量预测了地下水位时空分布。
4.小结
地下水位从离散点的角度表征某地区的水资源状况，地下水位的空间分布及其变化规律研究是地下水资源科学管理与利用的基础，对于保障经济社会发展和生态环境保护有着十分重要的意义，为解决区域水资源缺乏对经济社会发展和水生态的不利影响，有效开展区域地下水空间估计以及分布规律研究能够为合理利用地下水资源提供科学基础。论文分析了地下水的空间变化规律和影响因子，阐述了地下水空间插值方法的研究进展和方向，为地下水资源合理开发、利用、管理提供科学依据。
参考文献：
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[6].Rivest M，Marcotte D，Pasquier P.Hydraulic head field estimation using kriging with an external drift：A way to consider conceptual model information[J].Journal of Hydrology.2008，361（3-4）：349-361.
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