五大連池二龍眼泉降水補(bǔ)給的時(shí)滯效應(yīng)分析

李月興，宋治杰，方振興，夏海濤

(黑龍江省科學(xué)院火山與礦泉研究所，哈爾濱150090)

二龍眼泉位于黑龍江省五大連池市藥泉山東南側(cè)山腳下，為天然出露的泉群。其地理坐標(biāo)為東經(jīng):126°07′40″，北緯:48°38′50″。該泉年平均流量約為 10000 m3/d，是稀有的偏硅酸礦泉。二龍眼泉是當(dāng)?shù)刂饕墓┧矗诠まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活中起著舉足輕重的作用。隨著城鎮(zhèn)規(guī)模的擴(kuò)大和當(dāng)?shù)氐V泉產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對(duì)此處水資源的開(kāi)采逐年增加，人們也越來(lái)越關(guān)注當(dāng)?shù)氐V泉水資源的管理［1，2］。對(duì)當(dāng)?shù)氐叵滤Y源進(jìn)行系統(tǒng)研究，強(qiáng)化礦泉水資源管理，實(shí)現(xiàn)二龍眼泉可持續(xù)利用，已成為各級(jí)政府管理部門(mén)關(guān)注的熱點(diǎn)。

在泉水地下水管理中，泉域內(nèi)的降水量與泉水流量的關(guān)系是一個(gè)關(guān)鍵性的問(wèn)題。泉域不同區(qū)域的降水量對(duì)泉水流量的補(bǔ)給狀況，不同區(qū)域的降水經(jīng)過(guò)入滲、匯流、形成泉水出露地表的時(shí)間等，都是進(jìn)行泉域開(kāi)發(fā)利用規(guī)劃和保護(hù)的基礎(chǔ)性工作［3，4］，所以進(jìn)行降水量與泉水流量的時(shí)滯研究，對(duì)于利用降水量預(yù)測(cè)泉水流量有著非常重要的意義。

1 五大連池水文地質(zhì)概況

五大連池自然保護(hù)區(qū)位于小興安嶺山地與松嫩平原接壤的崗阜狀高平原地區(qū)，直屬黑龍江省黑河市。區(qū)內(nèi)地形東、北、西地勢(shì)較高，中南部相對(duì)較低，主要地層有第四系玄武巖、亞黏土，白堊系泥巖、砂巖及寒武系板巖、片巖，三者均呈不整合接觸。侵入巖為燕山期二長(zhǎng)花崗巖—鉀長(zhǎng)花崗巖及印支期黑云母花崗巖—黑云母二長(zhǎng)花崗巖［5］。由于長(zhǎng)期遭受地質(zhì)構(gòu)造和風(fēng)化侵蝕作用，這里巖層破碎，節(jié)理、裂隙比較發(fā)育，很少有充填物質(zhì)，非常有利于大氣降水的下滲補(bǔ)給。

藥泉山礦水區(qū)位于五大連池火山活動(dòng)較早的南部地區(qū)，為構(gòu)造隆起區(qū)。區(qū)內(nèi)斷裂發(fā)育，中部有東西向壓扭性斷裂;北東向壓性斷裂和北西向張扭性斷裂兩組大斷裂既切斷了東西向斷裂，又阻擋了礦水區(qū)與外界的水力聯(lián)系;加之白堊系泥巖蓋層的存在，使礦水區(qū)形成獨(dú)立于區(qū)域水文地質(zhì)單元，受斷裂控制的似三角形封閉的地下水循環(huán)區(qū)域。

圖1 藥泉山地區(qū)水文地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.1 Hydrology geological sketch of Yaoquan mountain

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

本試驗(yàn)選擇二龍眼泉水出流較為集中的區(qū)域展開(kāi)研究，選取地質(zhì)條件穩(wěn)定邊界清晰的斷面進(jìn)行定時(shí)定點(diǎn)測(cè)量。本試驗(yàn)選擇旋漿式流速儀在每月中旬進(jìn)行流量測(cè)定。降水?dāng)?shù)據(jù)由五大連池市氣象局提供。

3 結(jié)果分析

3.1 五大連池降水分析

五大連池自然保護(hù)區(qū)屬于溫帶大陸性季風(fēng)季候區(qū)。根據(jù)五大連池市氣象觀測(cè)站1967—1998年資料，多年平均氣溫為0.5℃，多年平均降水量為514.3 mm，雨期一般集中在6—8月份［6］。本試驗(yàn)以2013年降水量為研究數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析，其降水分布趨勢(shì)如圖2所示。

圖2 五大連池2013年降水分布Fig.2 Precipitation distribution of Wudalianchi in 2013

當(dāng)?shù)?013年平均降水為51.09 mm，由上圖可知，降水主要集中在7—8月份，占全年降水量的59.94%，1月份和12月份的降水量最低僅有5 mm左右，由此可見(jiàn)當(dāng)?shù)亟邓烤哂絮r明的季節(jié)變化。

3.2 二龍眼泉流量分析

二龍眼泉群歷史悠久，涓涓流水長(zhǎng)年不息，一直為附近居民的生活水源，經(jīng)過(guò)一個(gè)水文年檢測(cè)，其數(shù)據(jù)如下所示。

圖3 二龍眼泉2013年流量趨勢(shì)Fig.3 Flow distribution of Erlong spring in 2013

從上圖可知，二龍眼流量的年度分布情況與降水量極其相似，均出現(xiàn)了明顯的季節(jié)變化。其流量峰值出現(xiàn)在10月份，與降水峰值相比有一定的滯后性。

3.3 二龍眼泉降水時(shí)滯性分析

3.3.1 峰值時(shí)段法

由以上數(shù)據(jù)可知五大連池降水量年內(nèi)呈明顯的峰值分布，汛期降水量最大，非汛期降水量較少，由于受降水量分布的影響，與之對(duì)應(yīng)的泉流量也存在類(lèi)似于降水量的周期變化規(guī)律。利用2013年的降水、泉流量趨勢(shì)如圖4所示。

圖4 降水與泉流量分布趨勢(shì)圖Fig.4 Distribution of precipitation and Erlong spring flow

從上圖可知，月均降水量峰值出現(xiàn)在7月，月均泉水流量峰值出現(xiàn)在10月，月均泉水流量峰值明顯滯后于月均降水量峰值，時(shí)滯時(shí)間約為3個(gè)月。很顯然根據(jù)上述分析所得到二龍眼泉流量滯遲時(shí)間，并不是真正的時(shí)滯時(shí)間。一次降水過(guò)程對(duì)泉流量的影響異常復(fù)雜，降水后3個(gè)月內(nèi)對(duì)泉流量的影響最大，隨著時(shí)間的推移，其影響愈來(lái)愈小，直至消失，實(shí)際時(shí)滯時(shí)間比3個(gè)月要長(zhǎng)。為進(jìn)一步分析降水量對(duì)泉流量的滯遲效應(yīng)，利用二者的相關(guān)性，分析二龍眼泉流量的時(shí)滯時(shí)間。

3.3.2 相關(guān)分析法

設(shè)某月平均泉流量，受到n月前降水的影響，以此計(jì)算降水量與泉流量的相關(guān)系數(shù)，降水量對(duì)泉流量的影響越大，其相關(guān)系數(shù)越大，反之相關(guān)系數(shù)越小。當(dāng)相關(guān)系數(shù)小于等于零時(shí)，月份的降水量對(duì)泉流量沒(méi)有影響，由此得到的正相關(guān)系數(shù)個(gè)數(shù)即為時(shí)滯時(shí)間。經(jīng)計(jì)算所得的數(shù)據(jù)如表1所示:

表1 泉流量與降水量相關(guān)性分析結(jié)果Tab.1 The relationship between spring flow and precipitation

由表1可知，泉流量與降水量具有4個(gè)正相關(guān)系數(shù)，即時(shí)滯時(shí)間為4個(gè)月，其中前推第3月的相關(guān)系數(shù)最大，表示前推第3個(gè)月的降水量對(duì)泉流量影響最大，然后此次降水對(duì)泉流量的影響逐漸減弱。由于本試驗(yàn)僅為一年的觀測(cè)數(shù)據(jù)，所以時(shí)滯性研究還需進(jìn)一步探討。

4 結(jié)論

第一，五大連池二龍眼泉流量年內(nèi)分布趨勢(shì)具有明顯的季節(jié)性，其峰值出現(xiàn)在10月份，與當(dāng)?shù)亟邓孔兓厔?shì)相近，具有明顯的相關(guān)性。

第二，采用峰值時(shí)段法得到的降水對(duì)泉流量的時(shí)滯時(shí)間為3個(gè)月。采用數(shù)據(jù)的相關(guān)分析法得出，降水對(duì)流量的影響時(shí)滯為4個(gè)月，其中前推3個(gè)月的降水量對(duì)泉流量的影響最大。

第三，由于缺乏二龍眼泉流量的歷史數(shù)據(jù)，所以其降水對(duì)泉流量的時(shí)滯性研究還需進(jìn)一步探討。

［1］ 束龍倉(cāng)，朱元升.地下水允許開(kāi)采量確定的風(fēng)險(xiǎn)分析［J］.水利學(xué)報(bào)，2003，(3):77—80.

［2］ 鄒鴻遠(yuǎn)，孫衛(wèi).地下水資源利用的經(jīng)濟(jì)分析［J］.陜西師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2001，29(5):140—143.

［3］ 郝永紅，黃登宇.娘子關(guān)泉水流量的GM(1，2)時(shí)滯預(yù)測(cè)模型［J］.中國(guó)巖溶，2004，(23):44—47.

［4］ 吳春吉，張政治.山西柳林泉局部區(qū)域溶質(zhì)運(yùn)移二維數(shù)值模擬［J］.水利學(xué)報(bào)，2001，(8):38—43.

［5］ 韓建超，張海燕.五大連池藥泉山地下水循環(huán)特征的水化學(xué)證據(jù)［J］.節(jié)水灌溉，2012，(8):23—30.

［6］ 張海燕，孟立志.黑龍江省五大連池自然保護(hù)區(qū)地質(zhì)資源及地質(zhì)環(huán)境綜合調(diào)查報(bào)告［R］.哈爾濱:黑龍江省水文地質(zhì)工程，2009.