左秦朝，李　雷，劉咸斌、周曉燕

(陜西工程勘察研究院，陜西 西安 701168)

降水與淺層地下水補(bǔ)給滯后性研究

左秦朝，李雷，劉咸斌、周曉燕

(陜西工程勘察研究院，陜西 西安 701168)

[摘要]研究降水與地下水補(bǔ)給滯后的關(guān)系，建立影響地下水位變化機(jī)理概化圖，分析主要影響地下水位的因素。通過收集大氣降水資料及地下水長期觀測資料，對降水采用頻率分析法、坎德爾(Kendall)秩次檢驗法，分析降水的年際、年內(nèi)變化規(guī)律及趨勢。以西安皂河二級階地為例,對地層采用現(xiàn)場鉆探法，分析地層的特征規(guī)律及巖土參數(shù)，研究認(rèn)為降水對地下水補(bǔ)給滯后的原因主要是：降水歷時、相對透水層和隔水層。

[關(guān)鍵詞]降水歷時；地層結(jié)構(gòu)；地下水位；滯后期

淺層地下水的影響因素主要是大氣降水、河流補(bǔ)給、人工開發(fā)等，大氣降水是其主要來源之一。但潛水的補(bǔ)給存在滯后性[1-2]，這是潛水區(qū)別于地表水體的一大特點。

降水與淺層地下水補(bǔ)給滯后的原因，可從地表植被層類型、厚度，地質(zhì)地層結(jié)構(gòu)，降水歷時等方面考慮。本文就西安皂河二級階地區(qū)含水系統(tǒng)中大氣降水與地下水位變幅兩個隨機(jī)時間序列進(jìn)行分析,通過對多年降水與地下水位關(guān)系及單次降水與地下水位變幅效應(yīng)的分析,揭示了大氣降水對地下水補(bǔ)給的機(jī)理及其影響滯后的因素,其分析結(jié)果對工程建設(shè)具有重要的工程意義。

圖1　西安市多年降水量

1研究區(qū)氣候與降水量分布

1.1多年降水量分析

西安地區(qū)屬于半干旱半濕潤的溫帶季風(fēng)氣候。降水：西安地區(qū)降水量在區(qū)域上的分布相差不大，多年降水量一般在344.6～906 mm之間，從有記錄以來的34年的降水資料[3-4]，最大年降水量908.0 mm (1983年)，最小降水量344.6 mm (1977年)，多年平均降水量583.6 mm。降水量年內(nèi)分配極不均勻，主要集中在7、8、9三個月，三個月的多年平均降水量占全年的46.3%，冬春兩季降水僅占全年降水量的13.1%。

對西安地區(qū)1957-1990年34年的降水資料進(jìn)行分析，多年平均降水量為538.6 mm，見圖1。

1.2降水年際變化

降水年際變化通常采用變差系數(shù)Cv、偏態(tài)系數(shù)CS或年極大值比來表示。Cv反應(yīng)隨機(jī)序列的頻率密度分配曲線的平均情況和離散程度，亦為偏離均值大小程度，Cv值大則表示降水的年際豐枯變化劇烈。CS反應(yīng)隨機(jī)系列分配不對稱程度的統(tǒng)計參數(shù)，CS值大則表示降水的年際分配不對稱成都越高[5]。計算公式為：

(1)

(2)

(1) Xi=(X1+X2+X3+……+Xn) 代表隨機(jī)序列；

(2)n=1. 2. 3…n；δ表示隨機(jī)序列的平均值。

由西安1957-1990年天然資料分析計算得出Cv值和CS，并對降水曲線的頻率進(jìn)行擬合。見圖2。

根據(jù)調(diào)整Cv值和CS的比值關(guān)系可見。CS=1.5Cv的擬合曲線較為接近實際頻率。降水多年變化特征值見表1所示。

圖2　降水頻率圖

多年平均降水量(mm)變差最大年降水量最小年降水量系數(shù)Cv降水量(mm)與多年平均比降水量(mm)與多年平均比最大與最小年降水比538.60.2209081.69344.60.642.63

從表1中可知：

(1)西安地區(qū)降水Cv值為0.220，年極值比為2.63；

(2)多年平均降水值為538.6 mm。

1.3年水位序列趨勢分析

本文采用坎德爾(Kendall)秩次檢驗法分析[6],西安地區(qū)的年降水序列的變化趨勢。對年徑流序列X1，X2，…，Xn，先確定所有對偶值(Xi，Xj；i>j)中的Xi

(3)

根據(jù)年降水序列統(tǒng)計次數(shù)，并計算出檢驗統(tǒng)計量U；給定顯著性水平a，查正態(tài)分布表中對應(yīng)臨界值Ua/2，當(dāng)U的絕對值大于其臨界值，則趨勢顯著；反之，則不顯著。如檢驗統(tǒng)計量U大于零，說明序列存在遞增趨勢；反之，則為遞減趨勢。經(jīng)計算，西安地區(qū)降水序列趨勢分析結(jié)果如圖3表2所示。

表2　年降水序列趨勢分析

2研究區(qū)的地下水變化機(jī)理及概況

2.1研究區(qū)的地下水變化機(jī)理

通過對西安皂河二級階地區(qū)進(jìn)行詳細(xì)的水文地質(zhì)勘探和試驗,已經(jīng)查明研究區(qū)含水系統(tǒng)為砂土互層，大氣降水通過地表裸露區(qū)入滲補(bǔ)給成為地下水的主要補(bǔ)給來源。降水通過下滲補(bǔ)給地下水，影響諸多因素包括雨強(qiáng)、雨量、地形、水位埋深、地層巖性、地表附著物及蒸發(fā)等，降水之前，土壤多處于虧水狀態(tài)，須經(jīng)歷深潤、滲漏階段使土體達(dá)到飽和狀態(tài)后，降水才能轉(zhuǎn)化為重力水補(bǔ)給地下水。人工抽水則是地下水排泄的主要途徑[7-9]。見圖4。

圖3　年降水序列趨勢圖

圖4　地下水位變化機(jī)理概化圖

2.2研究區(qū)概況

根據(jù)工程經(jīng)驗，2000年之后，西安城區(qū)地下水年變幅從1.0～2.0 m變?yōu)?.5～1.0 m，引起該現(xiàn)象的其中一個原因是城市基礎(chǔ)設(shè)施愈發(fā)密集和完善導(dǎo)致降水無法下滲補(bǔ)給地下水。

本次研究選取城市未擴(kuò)張前，降水與地下水補(bǔ)給較為原始狀態(tài)的西安市西南邊家村一帶，代表性觀測點315、K35兩處；地貌單元屬皂河二級階地，高程425.0 m左右，地形平坦，水位埋深8～25 m，屬潛水類型(見圖5)。

圖5　皂河二級階地地質(zhì)剖面圖

3降水與地下水關(guān)系

3.1年際降水與地下水關(guān)系

以K35觀測井為準(zhǔn)，自1957-2002年有地下水及氣象觀測記錄以來[10-11]，潛水及降水關(guān)系見圖6。

地下水：1957～1971年地下水位基本平穩(wěn)，處于觀測期高水位期，高程388.808～391.058 m；1972年之后，由于工業(yè)發(fā)展，取水量急劇增長，以灃河水源地為例，1970～1973年取水1億 t，1974～1978年取水2.25億 t，超負(fù)荷取水導(dǎo)致地下水位急劇下降；1978年之后，城市工業(yè)用水開始大面積開采承壓水，潛水水位抬高；90年代之后，大面積開采地下水導(dǎo)致地面沉降，政府控制地下水開采關(guān)停機(jī)民井，加之城市集中供水和黑河工程初步投入使用，西安水荒得以初步緩解；2000年之后，黑河工程建成，地下水位開始平穩(wěn)并抬升。

從圖6可見，地下潛水位無論其開采程度大或小，在大降水年份(降水曲線波峰)地下水位均因降水在年內(nèi)在之前年份基礎(chǔ)之上抬高(地下水折線拐點或上升過渡點)，由于地下水開采影響，抬升幅度有所不同。

圖6　K35觀測井年際降水與地下水關(guān)系圖

3.2年內(nèi)降水與地下水關(guān)系

以315觀測井為準(zhǔn)，選取降水量較大的1964年和1983年兩個年份，地下水位相對穩(wěn)定的分析年內(nèi)降水與地下水關(guān)系，其關(guān)系圖見圖7、8。

圖7　1964年年內(nèi)降水分布

圖8　1982～1990年年內(nèi)降水分布

3.2.1年內(nèi)降水分析

降水量年內(nèi)分配極不均勻[12]，主要集中在7、8、9、10四個月，7、8、9三個月的多年平均降水量占全年的46.3%，降水量的變化趨勢與氣溫變化基本一致；冬春和初夏干旱少雨，冬春兩季降水僅占全年降水量的13.1%；月平均降水量以7月的96.8 mm最多，9月的93.4 mm次之；月最大降水量為344.4 mm，出現(xiàn)在1957年7月，最小為無降水。

3.2.2地下水位分析

根據(jù)降水年內(nèi)分配情況分析，7、8、9三個月的多年平均降水量占全年的46.3%。所以地下水與地表水的關(guān)系是：地表水補(bǔ)給地下水。但根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)地層情況分析，地層在15 m以上主要是黃土狀土、黃土、古土壤，粉質(zhì)粘土層。黃土具有較多孔隙，所以地表水易于入滲。但古土壤和粉質(zhì)粘土層較為密實，孔隙較少，粘粒含量較多。視為相對隔水層，只有經(jīng)過長時間的入滲才能補(bǔ)給地下水。所以就造成了地表水補(bǔ)給地下水的滯后性[13-14]。

1964年前后，315觀測井地下水位埋深4.5 m左右，1983年前后，315觀測井地下水位埋深7.0～10.7 m。由于蒸發(fā)和開采的影響，地下水位一般7～9月份埋深最大，為低水位期。12月到次年的2月份為高水位期，水位埋深最小，水位年變幅0.5～2.8 m左右。

從圖7可見，1963～1965三年間，地下水位逐年抬升，而1964年9、10兩月的降水是導(dǎo)致水位整體抬升的主要部分；1964年年內(nèi)，較大降雨月份分別為5、9、10月，在5月降雨之后，地下水位于7月達(dá)到峰值，9、10月降雨之后，水位于11月達(dá)到峰值。由圖8可見，1982～1984三年間，自1983年7月大降雨量開始，地下水位開始緩慢抬升，自9月之后，地下水位顯著抬升并維持在相對較高的水平；1983年年內(nèi)，較大降雨月份分別為7、9、10月，在7月降雨之后，地下水位平穩(wěn)波動，9、10月降雨之后，水位直線抬升，至次年1月基本達(dá)到峰值。

4結(jié)語

通過對多年降水資料與實測地下水位長期觀測資料的分析，采用Cv、Cs的統(tǒng)計法得出降水的頻率曲線；采用坎德爾趨勢分析法得出多年降水量的發(fā)展趨勢；采用工程地質(zhì)鉆探的方法畫出地質(zhì)地層圖，分析出降水與淺層地下水補(bǔ)給關(guān)系及滯后性的原因：

1)大氣降水是研究區(qū)地下水的主要來源，也是影響地下水位的主要因素。

2)由于人工開采、河流、水庫補(bǔ)給是地下水位變化的次要因素。

3)降水與淺層地下水補(bǔ)給滯后性的原因有地表截流、植被蒸發(fā)，但最主要的是地質(zhì)地層作用。當(dāng)?shù)貙涌紫遁^大時，補(bǔ)給迅速；當(dāng)?shù)貙涌紫遁^小時，補(bǔ)給滯后。

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Study on hysteresis of precipitation and shallow groundwater recharge

ZUO Qin-chao，LILei，LIU Xian-bin，ZHOU Xiao-yan

(Shaanxi institution of engineering prospecting Xi’an 710068, Shaanxi)

Abstract:Study the relationship between precipitation and groundwater recharge lag.the establishment of the mechanism of the impact of the change of groundwater level, analysis of the main factors that affect the water level of the water table. Through the collection of atmospheric precipitation data and long-term observation data, Precipitation frequency analysis method, Kendall rank test method, to study of the annual and annual variation law and trend of precipitation. Take Xi'an Zaohe two terrace landform as an example, by field drilling method, to study the characteristics and parameters of rock and soil.The main reasons of the lagging of the precipitation to groundwater recharge are: rainfall duration, relative permeability and water separation.

Key words:Precipitation duration；stratigraphic configuration；Groundwater level；lag phase

[收稿日期]2016-03-14

[作者簡介]左秦朝(1985-)，男，陜西渭南人，工程師，主要從事水文地質(zhì)及工程地質(zhì)勘察工作。 [通訊作者]李雷(1987-)，男，陜西乾縣人，工程師，主要從事水文地質(zhì)工作。

[中圖分類號]TV121+.1

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1004-1184(2016)03-0007-03