冶雪艷,吳亞敏,杜新強,李婉露

(1. 吉林大學(xué)地下水資源與環(huán)境教育部重點實驗室,吉林 長春 130021；2. 吉林大學(xué)新能源與環(huán)境學(xué)院,吉林 長春 130021)

地下水動態(tài)可以反映地下水埋藏條件、成因以及地下水資源數(shù)量和質(zhì)量的變化特征[1-2]。對地下水動態(tài)成因類型進(jìn)行劃分,是對地下水動態(tài)特征形成和變化最主要原因的辨識和提煉。掌握地下水動態(tài)成因類型及其時空分布特征,對地下水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀分析以及可持續(xù)開發(fā)利用管理具有重要的參考意義。

蘇聯(lián)對地下水動態(tài)成因類型進(jìn)行了廣泛的研究和應(yīng)用,提出了系統(tǒng)的地下水動態(tài)成因類型分類方法[3]。① 謝苗諾夫分類:恒定型(主要受地質(zhì)構(gòu)造和現(xiàn)代地形影響)、可變型(主要受氣候和水文因素影響)、人為型(主要受工程建設(shè)影響)；② 朗格分類:氣候型、水文型和人類活動型；③ 施密特分類:氣候型、水文型、水文地質(zhì)型和綜合型；④ 卡明斯基分類:分水嶺型、沿岸型、山前型、巖溶型和凍結(jié)型；⑤ 阿利托夫斯基分類:帶狀組(包括冰川型、凍結(jié)型、積雪型、雨水型和沙漠型)和非帶狀組(包括河流型、湖泊型、海洋型、巖溶型、放射型和人為型)。中國水文地質(zhì)學(xué)的研究方法體系,受蘇聯(lián)的影響較大,地下水動態(tài)成因類型至今仍是水文地質(zhì)條件分析中的重要內(nèi)容。結(jié)合氣候、地形地貌等特征,中國地下水天然動態(tài)類型通常劃分為4種:入滲-徑流型、徑流-蒸發(fā)型、入滲-蒸發(fā)型、入滲-弱徑流型[4]；在考慮人類活動等其他因素條件下,中國地下水動態(tài)成因類型常可劃分為8種:降水入滲型、蒸發(fā)型、人工開采型、徑流型、水文型、灌溉入滲型、凍結(jié)型和越流型[5]。由于一直沒有基于定量化指標(biāo)的命名規(guī)則,在實際應(yīng)用中存在著更多的地下水動態(tài)成因類型劃分方案[6-7]。

對于地下水動態(tài)成因類型的判斷,傳統(tǒng)方法主要根據(jù)地下水位動態(tài)過程曲線的特點進(jìn)行分析和鑒別[7-8]。該種方法屬于定性判斷方法,對同一觀測點動態(tài)曲線的判斷可能因人而異,易造成判斷結(jié)果的多解性。近年來,基于相關(guān)分析、聚類分析等統(tǒng)計學(xué)方法的地下水動態(tài)成因類型定量化判別取得了一定進(jìn)展[9-11]。但由于地下水動態(tài)數(shù)據(jù)是具體觀測點上的,而影響因素(如降水量、開采量等)往往是區(qū)域上的,定量分析法往往只能解釋地下水動態(tài)的部分成因。

綜上所述,地下水動態(tài)成因類型的劃分方案及判別標(biāo)準(zhǔn),存在規(guī)則不統(tǒng)一、定量難、定量化程度較低等問題,其根源在于:① 地下水動態(tài)受地質(zhì)條件(包氣帶巖性及厚度、含水層滲透性等)、氣象條件(降水、蒸發(fā))、水文條件(河水位、河流量等)以及人類活動(人工開采等)多重因素的疊加影響,地下水動態(tài)曲線及其變化特征常缺乏典型性；② 地下水動態(tài)屬于“點”數(shù)據(jù),而影響因素多為“面”數(shù)據(jù),二者之間缺乏嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系；③ 水文地質(zhì)勘探資料以及地下水資源開發(fā)利用等資料相對有限,難以提供定量分析所需的全部數(shù)據(jù)。因此,在地下水動態(tài)成因類型研究中,應(yīng)堅持基于水文地質(zhì)條件定性分析與基于實測數(shù)據(jù)定量分析相結(jié)合的方法。

本文以三江平原松花江流域為例,利用地下水位、地下水位埋深、河水位、降水量、觀測井距河流的距離、包氣帶巖性及厚度分布等多源數(shù)據(jù),基于水文地質(zhì)條件定性分析與實測數(shù)據(jù)定量分析相結(jié)合的方法,對地下水動態(tài)成因類型進(jìn)行綜合判斷。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于三江平原西北部(圖1),屬溫帶濕潤、半濕潤大陸性季風(fēng)氣候,多年平均氣溫約1～4 ℃,年平均降水量500～600 mm,降水主要集中在5—8月份,占全年降水量的70%左右,無霜期146 d左右,每年11月到翌年3月為冰凍期。研究區(qū)內(nèi)主要河流有松花江及其支流安邦河、嘟嚕河、梧桐河及鶴立河。地貌以平原為主,包括西部的沖積-洪積平原、河流附近的砂礫石河谷平原、北部及中部的泥砂礫質(zhì)低平原、東部的沖積湖積低平原、西部及南部近山區(qū)邊界的剝蝕臺地。自古近-新近紀(jì)以來,區(qū)內(nèi)沉積了巨厚的第四系砂、砂礫石和礫卵石層,形成了主要的含水系統(tǒng)。大部分區(qū)域地表覆蓋厚度不等的亞黏土,河流附近砂礫石直接出露,大氣降水入滲條件較好。本次研究采用了2011年和2015年57個地下水位人工監(jiān)測井、5個氣象站以及其他水文地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)。

圖1 研究區(qū)背景條件Fig.1 Background condition map of the study area

2 地下水動態(tài)成因類型的影響因素及關(guān)聯(lián)分析方法

研究區(qū)地下水主要補給來源為大氣降水入滲以及地表水入滲；排泄方式主要為蒸發(fā)、側(cè)向徑流以及人工開采。研究區(qū)含水層主要為砂及砂礫石層,以潛水為主,沒有區(qū)域性隔水層。區(qū)內(nèi)地下水埋深相對較淺,地下水開采也以淺層地下水為主,越流因素對地下水動態(tài)的影響可忽略。

2.1 大氣降水入滲

大氣降水作為地下水主要補給來源,對地下水動態(tài)有重要影響,可利用Pearson相關(guān)系數(shù)法(式1)分析地下水位與降水量之間的相關(guān)關(guān)系。

(1)

2.2 地表水入滲

松花江沿岸地表水與地下水交換關(guān)系密切,河水對附近地下水的影響不可忽視。基于同位素方法對松花江流域地表水地下水轉(zhuǎn)換關(guān)系的研究結(jié)果可確定河流影響帶范圍[13],若觀測井位于河流影響帶范圍內(nèi),且河水位高于地下水位時,可利用Pearson相關(guān)系數(shù)法分析地下水位與河水位之間的相關(guān)性,以確定河水位對地下水位動態(tài)的影響程度。若觀測井不在河流影響帶范圍內(nèi),或河水位低于地下水位時,河水不再是地下水位動態(tài)變化的主控原因,則不必分析二者之間的關(guān)聯(lián)程度。

2.3 蒸發(fā)

地下水蒸發(fā)主要受地下水位埋深和包氣帶巖性影響,其中地下水位埋深為控制地下水蒸發(fā)強度的主要影響因素[14-16]。當(dāng)?shù)叵滤裆钶^淺時,整個土壤層均處于毛管水活動區(qū)內(nèi),毛管水相互聯(lián)系，能以液態(tài)水的形式向土壤表面運移,因此蒸發(fā)量較大；當(dāng)?shù)叵滤裆钤龃髸r,土壤層下部處于毛管水活動區(qū)內(nèi),上部則處于含水量不穩(wěn)定區(qū),毛管水連通性變差，水分以液態(tài)形式向上運移的數(shù)量減少,蒸發(fā)量變?。划?dāng)?shù)叵滤宦裆钐幱跇O限蒸發(fā)深度以下時,蒸發(fā)量減少為零。由于潛水蒸發(fā)隨地下水位埋深的變化曲線可近似看作是位于第一象限的雙曲線,當(dāng)?shù)叵滤裆畲笥跇O限蒸發(fā)深度的50%時,蒸發(fā)量已很小,本文假設(shè)此時地下水動態(tài)不受蒸發(fā)影響,反之則應(yīng)考慮蒸發(fā)對地下水動態(tài)的貢獻(xiàn)。參考水文地質(zhì)手冊[17]及研究區(qū)已有的研究成果[18],綜合確定本區(qū)地下水極限蒸發(fā)深度為5.31～7.17 m。

2.4 人工開采

20世紀(jì)90年代以來,井灌水稻種植的興起,使區(qū)內(nèi)地下水資源開采量逐年增加(圖2、圖3),占總用水量的70%以上,成為地下水位動態(tài)的重要影響因子。但由于地下水開采量是區(qū)域上的統(tǒng)計數(shù)據(jù),不宜直接采用統(tǒng)計方法對其與地下水位數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析,可在地下水動態(tài)特征分析的基礎(chǔ)上,采用排除法進(jìn)行判斷。

圖2 2015年土地利用類型分布Fig.2 Distribution of land use typesin 2015

圖3 2002—2017年地下水開采量Fig.3 Groundwater extraction volume from 2002 to 2017

2.5 側(cè)向徑流

在埋深較大的條件下，地下水蒸發(fā)排泄微弱。如果沒有人工開采，地下水的動態(tài)變化將主要受側(cè)向徑流的影響。

3 地下水動態(tài)成因類型命名與判別方法

3.1 地下水動態(tài)成因類型命名方案

影響地下水位動態(tài)特征的因素主要包括補給、排泄及水文地質(zhì)條件[19],其中補給和排泄及其疊加效應(yīng)(即均衡狀態(tài))影響的是地下水位動態(tài)變化的方向,而水文地質(zhì)條件則影響地下水位的響應(yīng)速度和響應(yīng)幅度。在上述3個因素中,水文地質(zhì)條件相對固定,對補給、排泄以及均衡狀態(tài)的轉(zhuǎn)換機制相對不變。因此,應(yīng)采用對地下水位動態(tài)影響最大的補給項和排泄項的組合對地下水位動態(tài)成因類型進(jìn)行劃分和命名:① 當(dāng)?shù)叵滤粍討B(tài)顯著受控于某單一補給或排泄因素時,可直接以該影響因素對地下水動態(tài)成因類型進(jìn)行命名；② 若地下水位動態(tài)受補給項及排泄項的共同作用影響(相關(guān)系數(shù)為0～0.6),則以補給項-排泄項的組合進(jìn)行命名。

本研究區(qū)地下水以潛水為主,大氣降水為主要補給來源,在河流附近可能受河流水文特征影響明顯；地下水人工開采是主要排泄途徑,在地下水位淺埋區(qū),地下水蒸發(fā)作用不應(yīng)忽略。在開采強度低、地下水位埋深較大的地區(qū),地下水的側(cè)向徑流可能成為主要排泄途徑。因此,本區(qū)地下水動態(tài)成因類型可劃分為降水入滲型、人工開采型、水文型、降水入滲-蒸發(fā)型、降水入滲-徑流型和降水入滲-開采型等6種類型。

3.2 地下水動態(tài)成因類型的判別方法

依據(jù)上述命名規(guī)則,當(dāng)采取多源實測數(shù)據(jù)進(jìn)行地下水動態(tài)成因類型定量分析時,必須在宏觀上依托研究區(qū)的水文地質(zhì)條件,以定性判斷作為基礎(chǔ),避免陷入單純的數(shù)值規(guī)律中。結(jié)合本區(qū)的水文地質(zhì)背景條件,采用如下邏輯順序開展地下水動態(tài)類型的綜合識別:

(1) 由于降水與河流水文特征有密切關(guān)聯(lián),首先判斷地下水動態(tài)與地表水文之間的關(guān)系。若滿足觀測井與河流之間的距離小于河流影響帶寬度、河水位大于地下水位且河水位與地下水位之間的相關(guān)系數(shù)r1≥0.6,此時地下水位受河流影響顯著,河水位對地下水位動態(tài)起主要控制作用,可判斷地下水動態(tài)成因類型為水文型。

(2) 若觀測井地下水位動態(tài)特征不符合上述的水文型條件時:

① 當(dāng)?shù)叵滤慌c降水量之間的相關(guān)系數(shù)r2≥0.6,說明地下水位動態(tài)變化受降水影響顯著,降水對地下水位動態(tài)起主要控制作用,可判斷地下水動態(tài)成因類型為降水入滲型。

② 當(dāng)0.4≤r2<0.6時,地下水位受降水影響仍較大,但明顯受到其他因素(在本區(qū)主要是排泄項)的影響。對于排泄項的確定,首先需要分析地下水是否存在蒸發(fā)現(xiàn)象,若地下水平均埋深值較淺,小于極限蒸發(fā)深度的50%,一方面說明地下水存在較大強度的蒸發(fā)排泄,另一方面說明地下水不存在大規(guī)模開采現(xiàn)象,可判斷地下水動態(tài)成因類型為降水入滲-蒸發(fā)型。

③ 當(dāng)0.4≤r2<0.6時,若地下水位埋深大于等于極限蒸發(fā)深度的50%,地下水蒸發(fā)作用微弱,則考慮地下水以徑流排泄為主,可判斷地下水動態(tài)成因類型為降水入滲-徑流型。

④ 當(dāng)0≤r2<0.4時,則重點考慮人工開采對地下水位動態(tài)變化的影響較大,已大部分抵消了降水入滲對地下水位動態(tài)變化的影響,即排泄項以人工開采為主,補給項以降水入滲為主,地下水位動態(tài)變化受降水入滲與人工開采的共同作用,可判斷地下水動態(tài)成因類型為降水入滲-開采型。

⑤ 當(dāng)r2<0時,地下水位與降水量為負(fù)相關(guān)關(guān)系,與天然情況下兩者之間的相關(guān)系數(shù)具有較大的差異,而蒸發(fā)和徑流對地下水動態(tài)變化的影響不足以使得相關(guān)系數(shù)發(fā)生如此大的變化,考慮是地下水位動態(tài)變化受人工開采影響顯著造成的,可判斷地下水動態(tài)成因類型為人工開采型。

4 研究區(qū)地下水動態(tài)成因類型判斷

4.1 典型地下水動態(tài)成因類型分析

根據(jù)以上定性判別邏輯和定量判斷規(guī)則,首先分析了2015年研究區(qū)內(nèi)57個觀測點的地下水動態(tài)成因類型(圖4),結(jié)果表明:水文型占3.5%,主要分布在松花江沿岸；降水入滲型占24.6%,主要分布在西部和南部的剝蝕臺地及佳木斯市附近的泥沙礫質(zhì)低平原；降水入滲-徑流型占10.5%,主要分布在河流附近的砂礫石河谷平原、泥沙礫質(zhì)低平原；降水入滲-蒸發(fā)型占5.3%,主要分布在西部和南部的剝蝕臺地及佳木斯市附近的砂礫石河谷平原；降水入滲-開采型占19.3%,分布較為廣泛,主要分布在南部的泥沙礫質(zhì)低平原、南部邊界的剝蝕臺地及西北部沖積-洪積平原；人工開采型占比最大,達(dá)36.8%,主要分布在北部和中南部的泥沙礫質(zhì)低平原、西部的剝蝕臺地、東部的沖積湖積低平原。對應(yīng)上述6種地下水動態(tài)成因類型,分別選擇典型觀測井分析綜合判斷方法的可靠性(表1、圖5)。

圖4 2015年地下水動態(tài)成因類型分布Fig.4 Distribution of the genetic type of groundwater dynamic in 2015

圖5 2015年典型觀測井地下水位動態(tài)Fig.5 Groundwater level dynamic map of typical observation wells in 2015

6個典型觀測井地下水動態(tài)成因類型判別結(jié)果的合理性分析表明,本文所提出的基于水文地質(zhì)條件定性分析與基于觀測數(shù)據(jù)定量分析相結(jié)合的方法,符合研究區(qū)的實際水文地質(zhì)條件以及地下水動態(tài)成因機制。

4.2 相比傳統(tǒng)定性分析方法的優(yōu)勢

對于地下水動態(tài)特征表現(xiàn)并不典型的地下水動態(tài)成因類型,綜合判別方法仍表現(xiàn)出較好的判斷能力。例如,2015年觀測井Ob55年內(nèi)地下水位變化平緩,年內(nèi)變幅相對較小(圖6),若按照地下水動態(tài)曲線特征進(jìn)行判斷,地下水動態(tài)成因類型易被判斷為徑流型。然而,該井點位于研究區(qū)西北部的沖積-洪積平原地區(qū),距離河流較遠(yuǎn)；地下水類型為第四系孔隙潛水,含水層巖性主要為砂及砂礫石,滲透性較好,地下水徑流條件好；上部覆蓋有厚度1～3 m的亞黏土,大氣降雨入滲補給條件相對較好,地下水位埋藏深度大于4 m,蒸發(fā)作用可以忽略；定量分析表明,地下水位與降水量的相關(guān)系數(shù)為0.07,按照判斷規(guī)則,該觀測點地下水動態(tài)成因類型為降水入滲-開采型。

圖6 Ob55觀測井地下水位動態(tài)(2015年)Fig.6 Groundwater level dynamic map of Ob55 observation well in 2015

根據(jù)觀測孔的地下水動態(tài)圖可知:1—3月為凍結(jié)期,含水層無法接受降水入滲補給而導(dǎo)致地下水位緩慢下降；4月地下水位小幅度上升,考慮是受春季融雪入滲影響；5月進(jìn)入豐水季節(jié),但此時正處于農(nóng)灌期,大量開采地下水導(dǎo)致地下水位不升反降；6—8月地下水位出現(xiàn)小幅度上升,說明受大氣降水入滲補給及地下水開采強度降低的共同影響,地下水位有一定的恢復(fù)；8月以后,地下水位隨降水量的減少呈緩慢下降趨勢。該觀測點水位埋深較大,蒸發(fā)作用可忽略,所表現(xiàn)出的地下水動態(tài)曲線特征是降水入滲與人工開采的共同作用疊加造成,動態(tài)成因類型確定為降水入滲-開采型更為合理。進(jìn)一步證明,基于水文地質(zhì)條件定性分析與實測數(shù)據(jù)定量分析結(jié)合的綜合判別方法,能更加科學(xué)地辨識出地下水動態(tài)變化的驅(qū)動因子。

5 地下水動態(tài)成因類型變化趨勢分析

地下水動態(tài)受各種因素影響而處于不斷變化過程中,地下水動態(tài)成因類型也可能隨之改變?；谕瑯拥?7個地下水動態(tài)觀測點等多源數(shù)據(jù),確定2011年地下水動態(tài)成因類型,并與2015年相對比(表2),結(jié)果表明:自2011年至2015年,地下水動態(tài)成因類型中降水入滲-蒸發(fā)型與降水入滲-開采型占比不變；降水入滲型占比減少12.2%；降水入滲-徑流型占比減少3.5%；水文型增加3.5%；而人工開采型占比增加12.2%,即地下水動態(tài)成因類型在整體上呈現(xiàn)從天然成因類型向受人類活動影響成因類型轉(zhuǎn)變的趨勢,說明人工開采占地下水排泄的比重顯著增加,人類開采活動對地下水動態(tài)的影響在逐漸增強。

表2 2011—2015年地下水動態(tài)成因類型占比變化 %

對比2015年與2011年地下水動態(tài)成因類型,存在如下轉(zhuǎn)化途徑(圖7):① 2015年相比2011年降水量明顯增多,淺埋區(qū)地下水與大氣降水聯(lián)系更加密切,地下水位受降水入滲補給影響增強,部分觀測點的地下水動態(tài)成因類型從降水入滲-徑流型、降水入滲-蒸發(fā)型轉(zhuǎn)化為降水入滲型；② 受2015年降水量增加的影響,部分河段河水位高于地下水位,出現(xiàn)河水補給地下水的情況,因此個別觀測點地下水動態(tài)成因類型從降水入滲型轉(zhuǎn)化為水文型；③ 2015年降水量增加,地下水開采需求有所減弱,降水入滲補給對地下水動態(tài)的影響顯著增強,部分觀測點地下水動態(tài)成因類型從降水入滲-開采型轉(zhuǎn)化為降水入滲型和降水入滲-徑流型；④ 研究區(qū)2000年以來加大實施旱田改水田[20],尤其在2011—2015年間,在耕地面積幾乎不變的情況下,水旱田面積變化十分顯著,旱田面積從85.99萬hm2(占比72.91%)減少到74.00萬hm2(占比61.90%),水田面積從31.95萬hm2(占比27.09%)增加到45.54萬hm2(占比38.10%)。種植水稻需要大量開采地下水,使得大量天然地下水動態(tài)成因類型向受人類活動影響的地下水動態(tài)成因類型轉(zhuǎn)化,這樣的變化趨勢也表明研究區(qū)地下水超采風(fēng)險正在累積。因此,對人工開采型的地下水動態(tài)成因類型集中分布區(qū),應(yīng)加強對地下水超采的監(jiān)測與評價,以便及時開展相應(yīng)的管控。

圖7 地下水動態(tài)成因類型由2011年向2015年的轉(zhuǎn)變路徑與數(shù)量Fig.7 Transformation path and well numbers of the genetic type of groundwater regime from 2011 to 2015

6 結(jié) 論

(1) 三江平原松花江流域地下水動態(tài)成因類型劃分為6類:水文型、降水入滲型、降水入滲-蒸發(fā)型、降水入滲-徑流型、降水入滲-開采型和人工開采型。自2011年至2015年,研究區(qū)地下水動態(tài)成因類型中,降水入滲型減少12.2%、降水入滲-徑流型減少3.5%、水文型增加3.5%、人工開采型增加12.2%,表明人工開采對地下水動態(tài)的影響顯著增強。

(2) 基于水文地質(zhì)條件定性分析與實測數(shù)據(jù)定量分析相結(jié)合的思路,本文所提出的地下水動態(tài)成因類型綜合判別方法,可有效辨識地下水動態(tài)與影響因素間的邏輯和數(shù)量關(guān)系,避免了單純定性判別方法易受主觀因素影響、單純定量判斷方法易受資料限制的缺陷,從而提高判別結(jié)果的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。

(3) 本文所提方法適用于平原地區(qū)松散巖類孔隙潛水,大氣降水入滲和地表水入滲是地下水的主要補給來源,人工開采、蒸發(fā)和側(cè)向徑流作為主要排泄去路。對于深層地下水或干旱、冰凍區(qū)等復(fù)雜或特殊條件地區(qū),需要在判斷標(biāo)準(zhǔn)方面做進(jìn)一步探索。