松散含水層水文地質(zhì)問題初探

李英英

（河北省煤田地質(zhì)局第二地質(zhì)隊，河北 邢臺 054000）

最近幾年，越來越多的國內(nèi)外學(xué)者對于水文地質(zhì)進(jìn)行了研究，尤其是在地下水的動態(tài)平衡和動態(tài)特征方面，投入了大量的精力，希望能夠?qū)λ牡刭|(zhì)有一個更加深入的分析和了解。

1 區(qū)域概況

1.1 地理位置

本次選擇的抽水試驗區(qū)域在黑河流域中下端的侵蝕堆積平原，其動態(tài)研究主要是針對張掖盆地、山丹盆地等[1]。

1.2 水文地質(zhì)條件

河流之中攜帶山區(qū)的粗顆粒物質(zhì)，在盆地之中堆積，這樣就會形成儲存地下水的空間。勘查資料顯示，黑河流域中游的張掖盆地，其松散物質(zhì)含水層的賦存厚度在盆地中部地區(qū)最大，保持在300～500 m，延伸至南北兩側(cè)逐漸變薄，變化范圍在100～200 m。

2 地下水動態(tài)平衡與動態(tài)特征分析

由于地理位置的優(yōu)勢，本流域的水資源相對充沛，經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，人類活動不可避免地會對地下水動態(tài)產(chǎn)生干擾。因此，針對地下水動態(tài)特征進(jìn)行研究，其本身有利于區(qū)域之中的水資源評價，并且對于區(qū)域性的用水規(guī)劃也可以進(jìn)行合理的指導(dǎo)[2]。

2.1 地下水動態(tài)數(shù)據(jù)

2.1.1 動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)

基于單點(diǎn)形式，針對松散地層所有井的自動監(jiān)測數(shù)據(jù)，完成月均值的時間序列整理，并且針對CNT 的不同需做好對應(yīng)的整理，要求每小時進(jìn)行一次CMT 井的監(jiān)測。考慮到河道徑流量數(shù)據(jù)按照月均值數(shù)據(jù)采集，所以，對于后續(xù)的交叉小波分析，都是利用月均值來加以處理[3]。地下水監(jiān)測點(diǎn)分布情況如圖1所示。

圖1 地下水監(jiān)測點(diǎn)分布

2.1.2 河道徑流量數(shù)據(jù)

針對河道徑流量，其計算是根據(jù)鶯落峽來水量進(jìn)行分析，按照月均值進(jìn)行整理的結(jié)果如圖2所示。

圖2 月均徑流量值

2.2 地下水動態(tài)平衡研究

2.2.1 連續(xù)小波驗證

首先，通過連續(xù)小波的變換來分析其顯著性周期。按照周期實際的計算結(jié)果，基于不同平衡分區(qū)來展示部分分析結(jié)果。從圖3中的黑色實線圈定范圍就可以看出其地下水位變動的主周期值。對于各個時間序列數(shù)據(jù)，按照95%的置信水平標(biāo)準(zhǔn)紅噪聲檢驗，其顯著時段是不一致的，并且水位的動態(tài)連續(xù)性和顯著時段都存在不一致的特點(diǎn)[4]。

通過對于徑流量連續(xù)小波分析之后，就可以看出其本身呈現(xiàn)出規(guī)律性較強(qiáng)的波動變化，如圖3所示。

圖3 徑流量連續(xù)小波變換結(jié)果

2.2.2 地下水不平衡區(qū)

這一類型的區(qū)域主要包含三個地方，針對其各自的H11-0、H65、H61 監(jiān)測井的長序列地下水位檢測數(shù)據(jù)開展連續(xù)小波的分析處理，具體結(jié)果如圖4所示。

考慮到區(qū)域之中的地下水位呈現(xiàn)出持續(xù)降低的趨勢，所以，分析結(jié)果沒有任何波動的周期。其出現(xiàn)可能是因為區(qū)域之中地下水位趨勢性變化較強(qiáng)，實際的數(shù)據(jù)序列沒有周期性正弦余弦波有關(guān)聯(lián)。所以，其地下水變化特征是滿足要求的[5]。

圖4 監(jiān)測數(shù)據(jù)連續(xù)小波分析結(jié)果

2.2.3 地下水自平衡區(qū)

這一類型的區(qū)域主要包含兩個方面，針對本區(qū)域的地下水水位，基于1水文年作為基本單位的周期性波動，其年均的水文波動變化度較少，具體情況如圖5所示。

圖5 H1、86、H20-0 分析結(jié)果

從圖5可以看出，地下水位的監(jiān)測數(shù)據(jù)呈現(xiàn)顯著的周期性結(jié)果，其本身的水位波動規(guī)律較強(qiáng)。地下水位長序列數(shù)據(jù)顯著性波動為1年，和黑河的實際徑流量水文波動周期基本是一樣的，其本身的地下水位波動具有較強(qiáng)的規(guī)律性，但是隨著枯水年和豐水年，其實際的水位變化情況存在一定的差異，呈現(xiàn)出明顯的變化情況。20世紀(jì)80年代，開采導(dǎo)致其地下水的水位年變幅為0.5 m，從90年代開始，地下水位的年變幅逐漸增加，2008年達(dá)到最大的6.66 m，之后又逐漸變小，2014年穩(wěn)定在1 m 左右。不難看出，對于穩(wěn)定性波動規(guī)律的波形，利用小波分析具有良好的適用性，但是考慮到出現(xiàn)周期性波動的振幅變化，就需要結(jié)合其他因素來判斷小波分析的實際結(jié)果。

在遠(yuǎn)離河道的地區(qū)，由于其本身的地下水補(bǔ)給條件有所欠缺，2001年之前呈持續(xù)降低的趨勢，2001年之后有所上升。

從圖6可以看出，其周期性規(guī)律不強(qiáng)。這與波形振幅、地下水變化趨勢有著直接的關(guān)系，通過圖形基本可以判斷出來，這一個區(qū)域的水波動周期為1年，和水文周期基本上一樣，其本身的特征也和豐水期、平水期、枯水期的變化基本一致[6]。

圖6 H13-0 和H54-0 分析結(jié)果

由于農(nóng)業(yè)灌溉、沙漠綠化等因素影響，大量地下水的開采使得地下水位逐漸降低，直至2001年才趨于穩(wěn)定，其分析結(jié)果如圖7所示。

圖7 H7-0 和71 分析結(jié)果

地下水動態(tài)平衡區(qū)域還存在異常點(diǎn)，其前期能夠保持水位的穩(wěn)定性，但是林場的建設(shè)與發(fā)展導(dǎo)致其地下水位降低，補(bǔ)給不足造成其水位持續(xù)降低。從圖8可以看出，其呈現(xiàn)出階段性的變化。

上述分析結(jié)果能夠滿足水動態(tài)平衡分區(qū)的要求，不難看出，在地下水動態(tài)研究中，連續(xù)小波法具有輔助作用。這一方式能夠抓住地下水任何的異常波動，但是對于相對復(fù)雜的區(qū)域，其使用還存在局限，還無法對于其周期性、趨勢性做出合理的判斷。

通過其對應(yīng)的地下水位監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化趨勢和特征的分析，人們就可以將其進(jìn)行具體的劃分，并且按照連續(xù)小波分析結(jié)果和數(shù)據(jù)特征，就能夠基于小區(qū)域的水文地質(zhì)條件，將其劃分為兩個自平衡區(qū)和三個不平衡區(qū)。

圖8 H5-1、H5-2、H5-3 連續(xù)小波分析結(jié)果

3 結(jié)語

在未來很長一段時間內(nèi)，本區(qū)域的地下水平衡狀態(tài)還會延續(xù)。不平衡區(qū)域的制約因素幾乎是不可逆轉(zhuǎn)的，還需要加以控制，避免環(huán)境出現(xiàn)過度的惡化。自平衡區(qū)則需要做好補(bǔ)給環(huán)境的保護(hù)，遏制可能打破自平衡的因素，這是今后研究中需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。