【正文】 3 10m 16m 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）本科畢業(yè)論文 17 第四章 地下水動態(tài)變化影響因素分析 動態(tài)變化影響因素的研究思路 地下水位埋深的動態(tài)變化是對外界各影響 因素的綜合響應(yīng)，不同時段內(nèi)主要影響因素、影響的幅度大小都有所不同，且各影響因素具有相對獨立性。地下水作為一個系統(tǒng)時刻與外界發(fā)生物質(zhì)、能量交換，交換的結(jié)果使系統(tǒng)本身狀態(tài)發(fā)生相應(yīng)的改變，這種變化的過程為地下水動態(tài)。動態(tài)是地下水均衡的外部表現(xiàn)，均衡是地下水動態(tài)變化的內(nèi)在因素。因此，以淺水含水層動態(tài)作為研究對象，利用水均衡的思想，從補(bǔ)給、排泄的角度出發(fā)探究淺層地下水動態(tài)變化的影響因素。水均衡模式圖如圖 41所示，其地下水動態(tài)響應(yīng)因素可簡要概化為公式 41： 圖 41 淺層地下水均衡模式圖 H（ ti） = H0（ ti） + H1（ ti） + H2（ ti） + H3（ ti） + H4（ ti） + H5（ ti） + H6（ ti） （ 41） H（ ti） — ti時刻實測地下水位值（ m）； H0（ ti） — ti時刻無任何外界 因素影響 下天然地下水位（ m）； H1（ ti） — ti時刻 降雨 引起的地下水位響應(yīng)值（ m）； H2（ ti） — ti時刻農(nóng) 田 灌溉引起的地下水位響應(yīng)值（ m）； H3（ ti） — ti時刻 深層開采 引起的地下水位響應(yīng)值（ m）； H4（ ti） — ti時刻 越流 引起的地下水位響應(yīng)值（ m）； H5（ ti） — ti時刻 大氣壓變化 引起的地下水位響應(yīng)值（ m）； H6（ ti） — ti時刻其他未知 因素 引起的地下水位響應(yīng)值（ m） 降雨入滲、農(nóng)田灌溉、深層地下水的開采、大氣壓的變化等因素均會對淺層地下水位埋深造成影響。由于淺層地下水位埋深較淺，水位波動平緩，不存在側(cè)向補(bǔ)給來源，故不考慮側(cè)向補(bǔ)給對淺層水均衡的影響。分析水位埋深影響因素的原則是根據(jù)所探討的問題，選取相應(yīng)單一因素影響的時段，排除其他干擾。 劉紹華（ 2021）研究了衡水地區(qū)淺層高頻地下水位動態(tài)的氣壓響應(yīng)及其特征， 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）本科畢業(yè)論文 18 結(jié)果表明淺層高頻地下水位與大氣壓具有同步變化的特征 [17]。雖然不同時段氣壓不是唯一影響因素，但必 要時可以大氣壓作為分析其他動態(tài)因素的衡量標(biāo)準(zhǔn)。 氣壓 通過繪制觀測孔 Gpw06 的 大氣壓與 水位 埋深 動態(tài) 關(guān)系 曲線 （ a）（ 圖 42） 可知 ,淺層地下水位與大氣壓 的變化趨勢 在一個水文年內(nèi) 存在一定的聯(lián)系 。 二者的波動曲線 7~12月呈整體上升趨勢， 3~6 月平穩(wěn)下降， 1~2月大氣壓平穩(wěn)上升，水位則緩慢下降。 8 月初氣壓和水位同時出現(xiàn)大振幅突增現(xiàn)象，此時氣壓對埋深的影響大于降雨。二者的整體波動幅度相同，均為 10~20cm。不同之處主要表現(xiàn)在大氣壓的峰值出現(xiàn)在 1月，谷值出現(xiàn)在 7月，振幅為 （水柱高度）；水位埋深峰值一般出現(xiàn)在 9 月 ~次年 2月不等，谷值出現(xiàn)在 7 月，振幅約 1m。氣壓具有變振幅特性，在 12月達(dá)到最大約 20cm，埋深波動振幅變化較平穩(wěn)。因此 說明一個水文年內(nèi)大氣壓并 非 淺層地下水位動態(tài)的唯一影響因素。 為了準(zhǔn)確分析 高頻水位動態(tài)對大氣壓的響應(yīng)特征，可以選擇 河 北平原枯水期，即 可排除 降雨 、 農(nóng)業(yè)灌溉的 影響 。截取圖 42（ a） 時間序列中的 12 月份數(shù)據(jù) 圖 46（ b），變化趨勢和振幅基本一致。 從短時間尺度（日為單位）曲線圖 42（ c） 看， 二者隨時間變化趨勢是同步的 ，在 9:0010:00 出現(xiàn)一天的峰值 ， 17:0018:00 出現(xiàn)谷值，變化幅度約 2~3cm。這也驗證了劉紹華在探求衡水地區(qū)淺層高頻水位動態(tài)的氣壓響應(yīng)特征。采用的氣壓數(shù)據(jù)源于觀測孔 Gpw04 和 Gpw06 監(jiān)測數(shù)據(jù)。 （ a） 大氣壓與水位埋深關(guān)系對比 （ b） 11 月 12月氣壓與水位動態(tài)變化 （ c）日變化 圖 42 大氣壓與 水位 埋深 動態(tài) 關(guān)系 曲線 根據(jù)圖 41水均衡圖示可知，氣壓并不是影響淺層水均衡動態(tài)的 因素，它對潛水位來說是一個偽動態(tài)影響因素，在探究其他影響水均衡因素的同時，應(yīng)該消除大氣壓的波動影響。通過圖 42氣 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）本科畢業(yè)論文 19 壓與水位動態(tài)關(guān)系也說 明 無論是否受到其他因素影響，水位動態(tài) 變化 均包含了氣壓響應(yīng)信息 ， 而且是持續(xù)存在的 。 大氣壓在埋深動態(tài)響應(yīng)中表現(xiàn)出周期性、變振幅特征。 結(jié)合水位 埋深動態(tài)數(shù)據(jù) 進(jìn)行滑動平均可以消除部分大氣壓 對 地下水位 的響應(yīng) 。 滑動平均法是沿著全長 N 個數(shù)據(jù)，不斷逐個滑動地做 m 個相鄰數(shù)據(jù)的加權(quán)平均來表示滑動數(shù)據(jù) [17]， 可用公式 42 表示。 ki Hhpqi??? ? k=1,2,3...,Nm (42) 式中，這個 ωi為權(quán)系數(shù) 1???pqi i? ， 且 p、 q 為小于 m 的正整數(shù)， p+q+1=m， h 為分離后的水位， H 為原始水位。本次監(jiān)測為等時間間隔監(jiān)測，故各監(jiān)測數(shù)據(jù)之間的權(quán)系數(shù)相等，即 i =1/m。式中 m 取 48（每日監(jiān)測 48 個數(shù)據(jù)）， p=47， q=0。 結(jié)合分離后的水位動態(tài)數(shù)據(jù) 利用公式 43 計算高頻水位動態(tài)中的氣壓響應(yīng)值 。 Δ Pt＝ Ht－ ht （ 43） 式中 △ Pt 為某時刻地下水位對大氣壓變化的響應(yīng)值 ， Ht,ht 為同時刻滑動前和滑動后的地下水位 。 分析其他因素對水位埋深的影響時，利用滑動平均法消除氣壓影響，對水位埋深進(jìn)行修正。 與補(bǔ)給有關(guān)的影響因素 降雨 通過圖 43可知河北平原各地區(qū)降水主要集中在 7~9 月，最大降雨量出現(xiàn)在 7 月下旬， 11 月 次年 3 月基本無降雨。河北平原降雨不僅空間上存在一定差異，時間尺度上降雨量逐漸減少。論文采用的 降雨量數(shù)據(jù)來 源于衡水氣 象站和 “中國氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)” 。 圖 43 河北平原典型區(qū)域降雨量變化趨勢圖 降雨對水位埋深的影響具有季節(jié)性、主導(dǎo)性，可以認(rèn)為雨期降雨量是影響水位埋深的主導(dǎo)因素。但因包氣帶厚度、巖性的差異 導(dǎo)致 降 雨對淺層地下水位影響存在延遲滯后效應(yīng) 。 通過繪制 Gpw05 觀測孔 ~ 降雨過程影響水位埋深動態(tài)曲線（圖 44）可知雨期降雨量大、次數(shù)頻繁、兩次降雨間隔短等特點。根據(jù) Gpw05 鉆孔資料可知包氣帶內(nèi)分布粉土和粘土，水位波動基本在粉土中進(jìn)行，因此，除了一次強(qiáng)降雨會出現(xiàn)小波動上升外，雨期過后（ 9 月 ）水位埋深才明顯回升，最大振幅 。 前 期 降雨是本次降雨的上一次降雨量大小、降雨間隔對 本 次降雨入滲影響 程度。前期降雨量小、 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）本科畢業(yè)論文 20 時間間隔長，若本次降雨未達(dá)到一定程度，埋深基本不變；若本次降雨足夠大，埋深會有較小的回升。這與前期降雨對包氣帶含水量影響程度有關(guān)，當(dāng)前期降雨未能補(bǔ)充包氣帶缺水量時，本次降雨現(xiàn)補(bǔ)充包氣帶再入滲含水層；前期雨量已補(bǔ)充好包氣帶，本次降雨直接補(bǔ)給含水層，造成水位大幅度上升。 對比一次強(qiáng)降雨（ 7 月 1日）與持續(xù)降雨（ 8月）埋深動態(tài)可知 一次強(qiáng)降雨導(dǎo)致 的 水位 抬升（ ）小于持續(xù)性降雨引起的水位 抬 升（ 1m） 。該現(xiàn)象可能是 因為一次強(qiáng)降雨會產(chǎn)生地表徑流，大部分降雨流失； 持續(xù)性 降雨強(qiáng)度小并未產(chǎn)生地表徑流，持續(xù)緩慢 補(bǔ)給含水層 ， 造成一個綜合峰值。 圖 44 Gpw05 觀測孔 ~ 降雨過程影響水位埋深動態(tài)曲線 判斷灌溉對淺層水位埋深的影響主要依靠大氣壓的波動周期規(guī)律和灌溉時段來確定。在灌溉期，回滲水通過包氣帶活塞式運移到含水層中，對比 地下水位與大氣壓波動周期規(guī)律同步 與否可判斷 回滲水 是否 入滲補(bǔ)給淺層地下水。 河北平原灌溉期為每年的 3~4 月、 5~6 月、 9~10月，為了 排除降雨因素的干擾，選取典型的 34月作為分析農(nóng)田灌溉對淺層水位埋深影響識別的時間段。繪制 Gpw04 觀測孔 2 月 ~4 月水位埋深 大氣壓對比曲線（圖 45）可知灌溉前期（ 2 月）水位埋深與大氣壓變化趨勢基本同步，大氣壓作為影響水位波動的主要因素，其振幅 10~20cm。 灌溉 期 水位 埋深 未 出現(xiàn) 立即回升，而是經(jīng)過 延遲滯后 ，在 4 月初 水位 埋深出現(xiàn) 大于大氣壓變化幅度的上升趨勢 ， 振幅達(dá) 1m。 對比灌溉前后發(fā)現(xiàn)，在灌溉引起水位埋深大幅度上升前，水位呈緩慢下降趨勢。灌溉初期（ 3 月中旬） Gpw04 出現(xiàn)了一次 20cm的小回升。隨著時間推移 ， 3 月下旬埋深快速下降了 50cm，最終在 4 月上旬出現(xiàn)大幅度上升。產(chǎn)生該現(xiàn)象與 Gpw04 觀測區(qū)土地利用方式、包氣帶厚度與巖性、灌溉水源有關(guān)。資料顯示 Gpw04 觀測孔 位于農(nóng)業(yè)灌溉田塊 中 ，包氣帶厚 8m左右， 巖性位粉壤土與粉質(zhì)粘土互層， 灌溉水源為第三含水層組 （ 深300m）。 當(dāng)進(jìn)行 農(nóng)田 大面積灌溉時， 深層含水層作為灌溉水源， 區(qū)域面積上的灌溉存在著先后集中最大灌溉時間等，深層地下水位存在現(xiàn)將速度差異導(dǎo)致淺層地下水位 出現(xiàn)波動 [14]。 包氣帶 存留的 空氣由于表層迅速 滲入 的水分被擠壓來不及排出 ， 通過壓力傳導(dǎo)方式導(dǎo)致包氣帶下部水分 運移至含水層， 水位埋深 出現(xiàn)小幅度的迅速上升。 包氣帶厚度偏大且基本為透水性差的粉壤土、粘土，灌溉入滲的水分要達(dá)到含水層存在滯后性。 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）本科畢業(yè)論文 21 圖 45 Gpw04 觀測孔 2~4 月水位埋深 大氣壓對比曲線 與排泄有關(guān)的影響因素 開采 河北平原的中東部平原區(qū)淺層地下水一般不進(jìn)行開采，會根據(jù)工農(nóng)業(yè)和生活需要分時段進(jìn)行深層地下水開采。對比圖 33典型觀測孔山前平原的 Gpw0 Gpw02曲線可知 山前平原淺層地下水位埋深大，一般作為地下水的開采層，每年的 3 月地下水出現(xiàn)明顯下降，直到 7 月由于雨期的影響水位出 現(xiàn)緩慢回升。沖積扇頂?shù)乃宦裆钶^扇邊緣的水位埋深小 3m左右且沖積扇頂?shù)乃徊▌诱穹s7m，扇邊緣的振幅約 。可能原因有：（ 1） Gpw01 位于人口密集的城市，地下水的需求量大，開采造成的降幅也大；（ 2）對比二者的潛水面所處巖性可知， Gpw01 位于中粗砂中，含水層出水能力強(qiáng)。而 Gpw02 處在粉土之中，相應(yīng)出水能力差。 越流 兩個相鄰含水層間存在弱透水層，且當(dāng)兩個含水層的水位具備一定水頭差時，高水位含水層中的地下水可透過弱透水層越流補(bǔ)給低水位的含水層，這種現(xiàn)象成為越流補(bǔ)給 [18]。 在地下水位波動 上的表現(xiàn)是淺層地下水位處于逐漸下降趨勢，深層地下水緩慢上升，二者存在負(fù)相關(guān)性。 選取無降雨、無灌溉的時段 10~11月，且淺層地下水基本不開采的觀測孔 Gpw04 與周邊 300m深井水位進(jìn)行對比分析（圖 46），淺井地下水位波動性下降 ，深井水位穩(wěn)定上升約 4m，并且持續(xù)的時間較長。二者之間存在較好的負(fù)相關(guān)性，得相關(guān)性系數(shù)為 ，說明淺層地下水越流到了深層含水層中。將淺層水位埋深進(jìn)行直線擬合如圖 47 所示，淺層地下水越流排泄補(bǔ)給深層含水層的速度為 。 圖 46 觀測孔 Gpw04 越流情況下深 /淺井埋深動態(tài)曲線 4m 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）本科畢業(yè)論文 22 圖 47 觀測孔 Gpw04 淺井 越流線性擬合結(jié)果 影響淺層地下水位動態(tài)埋深的排泄因素有開采、越流和蒸發(fā)等，山前平原的開采對潛水位的影響一般在 3~5 月明顯下降，非開采期緩慢上升，扇頂與扇邊緣的振幅差異明顯；越流時，淺井與深井水位埋深的變化趨勢具有負(fù)相關(guān)性，持續(xù)時間較長。 鉆孔區(qū)的包氣帶以粉土為主，夾有粉砂和粘土透鏡體，由于潛水蒸發(fā)的大小主要決定于土體本身，相同深度粉土、粘土的蒸發(fā)量很小。潛 水蒸發(fā)量與埋深的關(guān)系與指數(shù)函數(shù)最為擬合。一般砂土、粘土在 ~3m時蒸發(fā)量基本為零 [19]。 據(jù)河北省南宮市地下水庫試驗場資料得 1985年期間潛水蒸發(fā)極限深度為 [20]，隨著水位埋深的下降，鉆孔區(qū)的蒸發(fā)極限深度會變淺。因此蒸發(fā)對鉆孔區(qū)的水位動態(tài)影響可以忽略。 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）本科畢業(yè)論文 23 第五章 結(jié)論及建議 結(jié)論 本文利用河北平原典型觀測孔的高頻次水位監(jiān)測，在了解鉆孔區(qū)水文地質(zhì)、含水層分布及灌溉規(guī)律等背景的基礎(chǔ)上，通過繪制埋深隨時間變化的動態(tài)曲線，分析了空間上、深度上、時間上的水位動態(tài)變化特征。利用水均衡的思想 ，將日周期成分進(jìn)行了氣壓校正，從補(bǔ)給、排泄兩個方面對淺層地下水位動態(tài)的影響因素進(jìn)行識別。研究結(jié)果表明： 在分析了多個水文年數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，地下水動態(tài)變化特征具有規(guī)律性：（ 1）從山前