1. 引言
黄河被称为中国的“母亲河”，从古至今在中国都具有重要地位。其河流总长度达5000多公里，流域面积约79.5万平方公里。我国主要的粮食产区和人口密集区都分布在黄河流域，黄河流域气候变化不仅对我国的水资源存储及安全有着重要影响，还影响其整个流域的经济社会发展和生态环境，因此越来越多的学者将研究重点转移到黄河流域的气候变化上来。
地下水是我国的城乡生活用水和农业灌溉用水的主要来源。气候变化对地地下水位变化的影响也越来越大。许多学者已经开始研究气候变化对地下水的影响 [1] [2] [3] [4]。因此进行黄河流域气候变化对地下水影响的研究具有重要的意义。国内外针对黄河流域气候变化的研究已有一定成果：李国英 [5] 指出，从20世纪50年代到90年代，黄河流域的气温呈波动时变化。秦大河 [6] 等研究发现，在过去100年内，中国内地的年平均气温升高了0.6℃~0.8℃。
新乡市地下水补给来源主要是降雨以及各地表水体的补给。新乡市地下水动态区域划分由地下水埋深稳定区、上升区、下降区三个部分组成。地下水埋深稳定区是指地下水埋深本年末较上年末变幅在−0.5米到0.5米之间的区域，这个区域地下水埋深变化相对不大，趋于稳定；上升区是指本年末较上年末地下水埋深上升超过0.5米的区域，该区域地下水埋深整体有较明显的回升；下降区是指本年末较上年末地下水埋深下降超过0.5米的区域，该区域地下水埋深整体有较明显的下降。
2. 气候变化分析
2.1. 温度变化趋势
如图1所示，1986~2019年间原阳县、封丘县和长垣市年均气温分别为14.5℃、14.2℃和14.6℃。三地区气温总体上呈明显上升趋势，线性相关系数均通过0.01的信度检验。
Figure 1. Variation trend of annual mean temperature in Xinxiang area of the Yellow River Basin from 1986 to 2019
图1. 1986~2019年黄河流域新乡地区年平均气温变化趋势
2.2. 降水变化趋势
如图2所示，1986~2019年间原阳县、封丘县和长垣市年均降水量分别为555.3 mm，574.4 mm，591.8 mm。的年降水量均上呈下降趋势，但趋势不明显。原阳县和封丘县年最高降水量均出现在2000年，分别为1027.3 mm和826.8 mm。长垣市则出现在2010年，年降水量达973.6 mm。
Figure 2. Variation trend of annual precipitation in Xinxiang area of the Yellow River Basin from 1986 to 2019
图2. 1986~2019年黄河流域新乡地区年降水变化趋势
2.3. 蒸发量变化趋势
如图3所示，1986~2019年间原阳县、封丘县和长垣市年蒸发量分别1523.4 mm、1549.3 mm和1454.9 mm。为原阳县和封丘县蒸发量总体上呈下降趋势。长垣市呈上升趋势。
Figure 3. Variation trend of annual evaporation in Xinxiang area of the Yellow River Basin from 1986 to 2014
图3. 1986~2014年黄河流域新乡地区年蒸发量变化趋势
3. 地下水位变化分析
地下水位变化情况分析
采用Morlet复数小波分析2000年到2020年所有站点的月均值，对原阳、封丘和长垣各县地下水位的年均值和汛期(5~9月)年均值进行突变和周期特征分析。结果表明原阳、封丘和长垣各县地下水位的年均值和汛期(5~9月)年均值均不存在周期性。
通过M-K突变检验方法对地下水位进行突变分析，研究在不同时间序列中的变化特点，图4为地下水位年均值、长垣均值和长垣汛期均值M-K突变图(未产生突变的图略)。从图4(a)中可知，年均突变的UF与UB曲线在置信区间内交于2014年，之后UF曲线继续上行并在2016年接近显著性水平的临界线，表明此后上升趋势显著。从图4(b)中可知，长垣年均突变的UF与UB曲线在置信区间内也是交于2014年，之后UF曲线继续上行并在2016年接近显著性水平的临界线，表明此后上升趋势显著。从图4(c)中可知，长垣汛期突变的UF与UB曲线在置信区间内交于2015年，之后UF曲线继续上行并在2016年接近显著性水平的临界线，表明此后上升趋势显著。
从图5中可知，年平均气温在2016年产生突变，突变后呈显著的上升趋势。年平均降水在2010年产生突变，突变后未产生明显的变化趋势。长垣年平均气温UF和UB曲线在置信区间内无交点，故长垣年平均气温未产生突变。长垣年平均降水在2009年和2011年产生突变，突变后未产生明显的变化趋势。通过分析地下水位和平均气温和降水的相关性可知，年均地下水位和年均气温的相关系数为0.687，在0.01上呈显著性相关；年均地下水位和年均降水量的相关系数为−0.231，未通过显著性检验。
(a) 年均突变 
(b) 长垣年均突变 
(c) 长垣汛期突变
Figure 4. M-K test diagram of groundwater level in Changyuan from 2000 to 2020
图4. 2000~2020年长垣地下水位M-K检验图
(a) 年平均气温突变 
(b) 年平均降水突变 
(c) 长垣年平均气温突变 
(d) 长垣年平均降水突变
Figure 5. M-K test diagram of mean air temperature in Changyuan from 2000 to 2020
图5. 2000~2020年长垣平均气温M-K检验图
4. 气候变化对地下水资源的影响
4.1. 气温对地下水的影响
对于地下水的存储来说，通常是通过降水进行补给，蒸发进行流失。气温通过对研究区域的降水量和蒸发量的影响，从而间接的对地下水的存储的进行影响。图6为原阳县1号井和12号井，封丘县8号井和27号井，长垣市14号井和22号井的地下水位变化和气温变化的关系图。从图中可以看出，气温的高低与地下水位的变化基本上是呈反比关系，气温升高是导致日常用水和农业、工业用水用增加，同时导致蒸发的增加，进而导致地下水的减少。三地区的地下水整体表现位下降的趋势。
4.2. 降水对地下水的影响
通过研究发现新乡地区地下水的总补给以降水补给为主，日常降水量的多少直接影响地下水存储量的多少。因此，分析降水对地下水的影响显得尤为重要。
选取黄河流域新乡地区原阳县、封丘县、长垣市三地的特定地下水观测井和附近的气象观测站点所观测的地下水位值和年降水量进行研究分析，确定降水对地下水位变化的影响。
1) 原阳地区。图7是原阳17号井和22号井观测水位与降水量关系图。从图7中我们可以看出，17号井和22号井的地下水位观测值均随着降水量的降低而增高，由于观测的地下水数据是水面到地面的值，也就是观测值越大地下水位越低。因此地下水位实际是随着降水量的减少而减少。在2008年以前，地下水位基本持平，变化不大。2008年以后地下水位整体呈下降趋势。2016年降水量增多，导致地下水位逐步升高，但回升不明显。
Figure 6. Dynamic curves of air temperature and groundwater level
图6. 气温和地下水位动态曲线
Figure 7. Variation of groundwater level in Yuanyang with precipitation
图7. 原阳地下水位随降水变化
2) 封丘地区。封丘地区选择8号井和27号井进行降水对地下水位变化的影响分析。从图8中可以看出，两个观测井的地下水位是随着年降水量的变化而变化。2000~2012年之间，随着降水的增多和减少地下水位升高和下降。2012年以后地下水位整体持续下降。
Figure 8. Variation of groundwater level in Fengqiu with precipitation
图8. 封丘地下水位随降水变化
3) 长垣地区。长垣地区选择14号井和22号井来分析降水对地下水变化的影响，见图9。地下水位整体呈波动变化。从图9中可以看出，2002~2014年地下水位的升高和降低跟年降水量的增多和减少基本上保持一致。2014年以后年降水量变化不大，地下水位整体保持不变。
4.3. 蒸发对地下水的影响
地球水资源是一个不断循环的过程。其中包含水分的蒸发。多年来蒸发量不断呈减少的趋势，造成空气中水分含量减少，间接也影响了当地的降水量，同时导致地下水的补给量也不断减少。蒸发量减小，降水量减少，导致地下水资源减少。
综合来看，气候变化对地下水的影响主要在降水量方面，降水量减少导致地下水补给减少，使得地下水位不断下降。气温升高导致各方面用水增加，间接导致地下水位下降，蒸发对地下水也有影响，但与气温和降水相比影响相对较小。
Figure 9. Variation of groundwater level in Changyuan with precipitation
图9. 长垣地下水位随降水变化
5. 结论
1) 黄河流域新乡地区三县多年来气候变化特征是：年平均气温整体呈上升趋势，年降水量呈下降趋势，年总蒸发量呈下降趋势。
2) 气温的变暖对地下水位的变化有一定的影响，温度升高的同时伴随蒸发量的增多和生活用水以及工业用水的增多从而导致地下水的减少。
3) 研究区域地下水主要以日常降水为补给，降水在补给地下水的同时也在补给地表水资源，地表水的多少间接也影响着地下水的存储。