黃河三角洲淺層地下水位年內變化特征及影響因素

常茂祥, 史經昊, 葉思源, 王祥東, 李廣雪

黃河三角洲淺層地下水位年內變化特征及影響因素

常茂祥1, 2, 史經昊3, 葉思源4, 王祥東3, 李廣雪1, 2

(1.海底科學與探測技術教育部重點實驗室(中國海洋大學), 山東 青島 266100; 2.中國海洋大學海洋地球科學學院, 山東 青島 266100; 3.青島藍色地球大數據科技有限公司, 山東 青島 266400; 4.自然資源部青島海洋地質研究所, 山東 青島 266071)

基于黃河三角洲地區3個站位的1小時一次的淺層地下水位連續觀測記錄, 將淺層地下水位與同時期ERA5高分辨率再分析實際蒸發量數據結合, 并聯合潮位、降水量和徑流量等數據, 通過快速傅里葉變換、時序分析等方法, 分析并闡明了黃河三角洲地區淺層地下水位變化的特征及機制。結果表明: (1) 不同的沉積環境導致了淺層地下水位整體變化的差異。表層沉積物滲透性相對較強區域, 淺層地下水位波動劇烈; 而表層沉積物透水性較差地區, 淺層地下水位在6月中上旬存在低谷, 但總體相對穩定; (2) 潮汐對黃河三角洲淺層地下水位在水平方向的影響范圍至少可達7 km, 但不超過15 km。在其影響區域內, 淺層地下水位波動滯后于潮汐的時間存在年內變化, 分為2個時間上持續各6個月的區間, 二者數值相差約12 h; (3) 降水量與實際蒸發量是黃河三角洲淺層地下水位升降最主要的影響因素。此外, 農業活動也對淺層地下水位的變化有一定影響。對黃河三角洲淺層地下水位變化規律研究, 能夠為本地區土地鹽堿化、海水入侵災害防治與生態保護提供科學依據。

黃河三角洲; 淺層地下水位; 潮汐; 滯后性; 降水量; 實際蒸發量

黃河三角洲擁有豐富的石油資源與生態資源[1-2], 對當地社會經濟進步起到了重要推動作用。然而黃河三角洲也是我國水資源最為短缺的地區之一, 該地區90%以上的區域受到不同程度的土壤鹽堿化影響, 淺層地下水僅小部分為全淡水[3-4], 長期以來該區域的發展一直受到水資源短缺的阻礙與制約[4]。對淺層地下水變化規律及其成因的充分認識在黃河三角洲區域尤為重要。黃河三角洲區域僅有少量的淺層地下水長期觀測站, 對于該地區淺層地下水動態及成因的研究還較為欠缺[5]。亟需結合可靠的數據對當地淺層地下水動態和影響淺層地下水位的因素進行全面闡述分析, 為準確評估和利用地下水資源服務。

影響大河三角洲地下水位變化的機制繁多, 主要包括自然因素和人為因素。自然因素主要包括: 降水、蒸發、附近河流徑流量、地質條件等, 濱海濕地地區還受海潮作用; 人為因素則主要為地下水開采、工程建設、農業生產活動等。國內外諸多學者對大河三角洲地下水動態及其影響因素進行了廣泛研究。由于黃河三角洲特殊的濱海地理位置, 潮汐對該地淺層地下水位具有明顯影響。高茂生等[6]發現位于黃河三角洲濱海濕地的DY122井地下水位受潮汐波動影響明顯, 并滯后潮汐波動3 h。在萊州灣南岸, 6個水文觀測井淺層地下水位頻率振幅與潮汐規律表現一致, 每個觀測井淺層地下水位波動滯后潮汐的時間唯一[7-8]。以上研究中水位滯后潮位波動的時間只取決于地理位置, 并不隨時間變化。這些成果所用數據的時間跨度在1 d到3個月之間, 考慮到黃河三角洲復雜的地質和氣象條件, 短時間尺度下得出的結論能否適用于更長時間, 還有待探討。在珠江三角洲, Zhang等[9]發現天文大潮潮位與水位相關性要高于天文小潮, 說明發生天文大潮時潮汐對地下水影響更大。除了潮汐, 降水對淺層地下水位的影響, 也被廣泛研究。袁瑞強等[10]結合黃河農場地區3個淺層地下水觀測孔與降水資料, 研究結果表明降水是引起該地淺層地下水位上升的主要原因。孟加拉國濱海濕地3口監測井的結果顯示, 淺層地下水位對于強降水有非常快的抬升響應[11]。安樂生等[5]研究了黃河三角洲小清河以北多口觀測井水位與降水的關系, 將區域內水位動態分為基本穩定型和震蕩起伏型, 地下水動態成因類型分別為“滲入?徑流或水文”型與“滲入?蒸發”型。在前人有關蒸發對淺層地下水動態影響的研究中, 蒸發量多采用蒸發皿觀測數據或公式計算的潛在蒸發量數據。蒸發皿測得數據是有限水面在充分供水情況下的蒸發量, 不能代表真實的地表蒸發情況; 潛在蒸發量是陸面實際蒸發量的理論上限, 同樣不能體現自然界的實際蒸發情況[12]。因此利用蒸發皿蒸發量和潛在蒸發量分析淺層地下水的研究僅能為了解蒸發對淺層地下水位的影響提供了參考, 想要得到更加可靠的定量結果, 就必須利用更能反映真實情況的蒸發數據。自然過程對大河三角洲淺層地下水動態有重要影響, 但人類活動的作用也不可忽視。劉勇等[4]發現, 黃河三角洲地區地下水超采造成的地下水位劇烈下降會生成地下水降落漏斗并產生咸水入侵。Minderhoud等[13]發現, 湄公河三角洲地下水過量開采致使蓄水層壓實, 地下水位迅速下降導致該區域在1991—2016年期間平均沉降量達約18 cm。在美國的密西西比河三角洲, Killian等[14]發現農業灌溉致使的地下水位下降與地表水流量減少密切相關。對科羅拉多河三角洲地下水位和微重力的研究結果顯示: 上游排水導致的當地地下水位升高現象持續時間較短; 因抽取地下水產生的低地下水位導致大量河道水滲透散失[15]。

本文分析了黃河三角洲淺層地下水位動態特征及潮汐、降水量、實際蒸發量、黃河徑流量以及農業活動與淺層地下水位的關系, 首次將ERA5高分辨率再分析實際蒸發量數據與淺層地下水位結合分析, 揭示了淺層地下水位對于潮汐波動的滯后響應存在變化這一現象。

1 研究區概況

研究區位于黃河三角洲濱海濕地, 緊鄰渤海灣與萊州灣(圖1), 行政區劃上屬于山東省東營市。海拔高程低, 約0至1 m, 東西向自然坡降約為1/10 000[16]。黃河輸沙量大, 歷史上河道變遷頻繁, 因此黃河三角洲沉積環境不穩定, 沉積相復雜。黃河三角洲低潮線以上區域可分為兩部分, 即上三角洲平原和下三角洲平原。上三角洲平原包括泛濫平原、決口扇和天然堤等亞環境。泛濫平原沉積物較薄, 分布面積小, 多是黏土質粉砂夾黃色粉砂紋層, 平均粒徑7.7～8.4 φ, 分選差。決口扇分布廣泛, 其沉積物和天然堤沉積物均以粗粉砂為主[17-19]。下三角洲平原中潮灘發育, 寬度可以超過10 km。潮灘潮上帶沼澤斑狀分布, 沉積物為黃色粉砂和褐色黏土質粉砂互層?，F代河口兩側的潮間帶沉積物粒徑小, 主要是黃褐色黏土質粉砂夾黃色粉砂透鏡體以及黃色粉砂夾黏土質粉砂紋層[17]。在水文地質分布上, 研究區處在全咸水區[4]。地質構造上位于濟陽盆地的湖相斷陷東營坳陷內, 是典型的古近系半斷陷盆地[18]。溫帶季風氣候盛行于研究區, 夏季炎熱多雨, 冬季寒冷干燥, 主要糧食作物為冬小麥。年平均降水量約600 mm, 實際蒸發量大于降水量, 年平均氣溫適宜, 約12 ℃[20]。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

122-3井、123-2井和124井淺層地下水位使用荷蘭生產的Diver自動監測儀進行監測, 年際水位變化大于1 m, 遠大于大氣壓強值的變化。在進行最終水位值的計算和分析過程中, 采用了當地平均大氣壓強值1.04×105Pa來補償校正, 其波動趨勢和范圍能夠近似代表實際水位動態特征。124井記錄時間為2009年5月至12月, 其余2井記錄時間為2009年全年, 水位記錄間隔均為1 h。

2009年潮位數據來自于孤東驗潮站, 數據記錄頻率為1次/h。孤東驗潮站采用XZY3-1型自動水文氣象站連續監測潮位, 所得數據由孤東海堤管理站定期收集校驗, 在海洋領域得到了較多應用[21-24]。

降水量和實際蒸發量數據采用2009年ERA5逐小時數據, 數據范圍為118.5°E～119°E, 37.7°N～37.9°N。文中時間均采用北京時間。ERA5是歐洲中期天氣預報中心最新一代全球氣象再分析數據。相比前一代, ERA5具有更小的延遲性和更高的時空分辨率(1 h, 0.25°×0.25°), 并能夠更加精確的反映裸地蒸發量[25]。自發布以來ERA5數據得到了廣泛應用, 并且許多研究證明ERA5數據實際應用可靠。利用ERA5降水和溫度等數據, Xue等[26]研究了一帶一路區域內的干旱時空分布。黃建平等[27]利用ERA5實際蒸發量數據, 分析了黃河流域近40 a的氣候變化。ERA5數據與其他現代再分析和實測的降水數據[28-29]以及海洋表層及低空風數據[30-32]比對的結果良好。ERA5與中國746個氣象站的相對濕度數據匹配良好[33]。在多種再分析氣象數據中, ERA5能夠最好的反映東亞的云特性[34]。在第三極的西風和季風主導流域源區, ERA5與256個地面觀測站降水數據隨海拔變化總體特征一致[35]。在山東及周邊地區ERA5總體適用性優于ERA-Interim再分析數據[36]。

圖1 研究區衛星光學影像與淺層地下水位觀測井位分布(Landsat衛星, 2018年12月31日)

黃河徑流量與輸沙量數據來源于水利部黃河水利委員會官網, 站點為東營市利津縣的利津站。利津站是黃河干流最下游也是離研究區最近的重要水文控制站, 能有效反映2009年內研究區黃河的徑流量和輸沙量的月變化。

2.2 研究方法

利用Python語言編程過程中為減少計算量, 本文采用DFT的快速算法, 即numpy庫的快速傅里葉變換(FFT)函數: fft.rfft。

時間滯后互相關(time lag cross-correlation)用來揭示兩個序列之間超前滯后關系。潮汐引起的地下水位波動信號受多種長周期因素干擾, 對水位數據進行濾波將有利于更加準確分析二者關系。為了探究水位波動的滯后性, 本文對122-3井、123-2井的2009年水位數據以及潮位數據進行滑動平均, 再用原始數據減去滑動平均, 得到去趨勢以后的數據用于時間滯后互相關分析。本文采取對處理后的水位數據逐時向前平移, 然后計算平移后水位和潮位皮爾森相關系數的時間滯后互相關算法。若水位數據向前平移小時后, 水位與潮位數據具有強相關性, 則可認為水位滯后潮位h。

在研究降水蒸發對水位的影響中, 主要運用相關分析方法, 分析水位累計升幅降幅與累積降水量蒸發量的相關性。相關系數的計算仍采用皮爾森算法。皮爾森相關系數自20世紀由英國學者皮爾森提出以來, 在衡量兩個變量的線性相關程度中得到了廣泛應用, 其公式為:

3 結果與討論

3.1 結果

3.1.1 年內淺層地下水位動態變化

2009年5—12月份, 124井水位明顯高于其他兩井, 平均水位分別高出同時期122-3井和123-2井3.25 m和2.31 m(表1)。雨季中124井水位波動頻繁劇烈, 雨季過后程度減弱。1—2月份122-3井與123-2井水位平穩。3—4月份122-3井水位緩慢上升, 123-2井則呈下降趨勢。5—6月份兩井水位波動明顯, 在6月中上旬兩井均存在顯著的水位低谷。7月中旬后至9月份水位維持在較高水平, 后較平穩下降(圖2)。整體而言, 124井水位較高, 水位不穩定; 122-3井與123-2井水位較低, 除5—6月份外, 水位較為平穩。

表1 2009年內研究區各觀測井水位動態信息統計

圖2 2009年內研究區淺層地下水位與降水蒸發動態

3.1.2 潮汐與淺層地下水位

潮汐效應[37]指出, 海洋的潮汐作用會使濱海含水層中的地下水位隨海平面起落有規律地波動。為研究黃河三角洲地區淺層地下水位與潮汐的關系, 利用快速傅里葉變換將孤東驗潮站潮位數據從時域轉為頻域, 繪制頻率振幅譜?？梢钥闯? 孤東潮汐數據頻譜在0.042 h–1和0.083 h–1處存在兩個主要的波峰, 且前者遠大于后者(圖3a)。

同樣基于快速傅里葉變換, 對研究區三口地下水觀測井水位進行頻譜分析。122-3井與123-2井與潮汐數據頻譜特征一致, 在約0.042 h–1和0.083 h–1頻率處均有較明顯波峰, 且0.042 h–1左右振幅遠大于0.083 h–1。122-3井在兩個頻率的振幅上遠超123-2井(圖3a, b, c)。然而124井表現出了與潮汐、122-3井和123-2井水位明顯不同的頻譜, 124井水位頻譜未顯示明顯的振幅高值(圖3d)。

除了頻域, 時域上的分析也可以揭示潮汐與地下水位的關系。由于124井在頻域分析中并未顯示海潮對其有明顯影響, 所以接下來只分析其余兩井。海潮波動信號傳遞給地下水時, 由于陸地的阻尼作用會產生延遲。潮位與122-3井、123-2井的水位時間滯后互相關分析結果如圖4所示。圖4橫坐標指示向前平移水位數據的時間, 縱坐標代表平移后水位數據與潮位的相關系數?；ハ嚓P分析顯示, 122-3井水位在向前平移0 h時, 與潮汐相關系數最高, 但僅為0.01; 123-2井水位與潮汐相關系數在平移15 h時達到最大, 也僅為0.02(圖4)。

圖3 潮位數據與淺層地下水位數據頻譜分析圖

注: (a) 潮汐, (b) 122-3井, (c) 123-2井, (d) 124井

圖4 淺層地下水位與潮汐時間滯后互相關結果

122-3井與123-2井水位變化具有潮汐規律(圖3), 滯后性應當存在, 但這與潮位和水位時間滯后互相關分析得到的極低的相關系數(圖4)似乎矛盾。天文大潮日時潮汐振幅最大, 對地下水位的影響也最為明顯。所以為進一步研究滯后性, 并考慮潮汐數據是否殘缺和相關時間段前后有無強降水過程等因素, 分別在2009年的每個月選取最接近天文大潮日的兩整日(共24 d)進行分析(圖5)。

圖5的12個子圖中, 潮汐與水位波動均表現了明顯的全日潮特征, 這與頻域分析結果一致。不同地下水觀測井水位對潮汐影響的響應存在差異, 122-3井波動恒早于123-2井, 提前響應時間穩定, 約2 h; 122-3井1日內的水位振幅是123-2井的2到3倍。在12個天文大潮期中, 潮汐波動呈現兩種態勢。3月到8月潮汐曲線呈英文字母“W”形, 其余半年潮位呈現“M”形狀。在“W”形潮汐高潮的時刻, “M”形潮汐處于低潮, 反之亦然。以122-3井水位為例, “W”形潮汐下122-3井水位變化滯后潮汐時間為15～18 h; “M”形潮汐下122-3井水位波動滯后潮汐2到6 h。

3.1.3 降水量、實際蒸發量與淺層地下水位

降水是對地下水水量的直接補給, 對地下水影響最為直接。黃河三角洲地區位于東亞季風區內, 降水呈現明顯的季節性分布。2009年, 研究區年總降水量平均為650 mm, 5到9月份降水量為504 mm, 占全年降水量的78%。相比于122-3井和123-2井, 124井水位對于降水更加敏感。在降水量較多的7—9月份, 124井水位高于其他月份。124井水位在5月9日、6月19日、7月8日、8月22日、9月5日與10月30日左右均有較大幅度的迅速抬升, 這數次突增均精確對應著高強度降水過程(圖2), 上述幾日的日降水量均遠高于黃河三角洲地區日平均1.78 mm的降水量, 分別為40.04 mm、23.90 mm、26.51 mm、14.33 mm、23.50 mm與23.14 mm。這表明, 無論從季節尺度, 還是日際尺度, 124井水位均在很大程度上受降水調控。122-3井與123-2井水位也在降水較多的7～9月份表現出總體較高水位。對于較強降水事件, 兩井也有響應, 但程度較弱。例如4月15日、5月9日、6月19日和10月30日左右的水位抬升(圖2)。

為更直觀地研究黃河三角洲地區降水對淺層地下水位影響, 對3個井位水位數據對應研究時段的累積降水量和累計水位升幅的關系進行分析(圖6)。3個井各自的累積降水量與累計水位升幅的時間序列曲線呈現極高相關性, 具體表現在各自井位的2條曲線拐點幾乎同步, 枯水期各自井位2條曲線基本一致。在2009年122-3井與123-2井累積降水量與累計水位升幅散點圖上(圖6b, d), 可以看到, 除了在累積降水量200～400 mm區間(占總數據量的0.08%)的散點與擬合直線有較明顯偏離外, 絕大部分點與直線擬合較好, 2井累積降水量與累計水位升幅相關系數分別為0.98和0.95(表2)。5—12月124井與同時期其他兩井相比, 累積降水量與累計水位升幅隨時間變化曲線更為一致, 散點圖最接近直線(圖6), 相關系數最高, 達0.99, 比相關系數最低的123-2井高出0.1(表2)。

圖5 12個天文大潮期中潮汐與水位變化曲線

注: 子圖中左上角字母a—i分別對應1月8—9日、2月10—11日、3月28—29日、4月26—27日、5月25—26日、6月24—25日、7月23—24日、8月6—7日、9月22—23日、10月4—5日、11月18—19日與12月17—18日。

圖6 2009年內各觀測井累計水位升幅與累積降水量關系

蒸發是自然環境下大氣回收水分的主要過程, 實際蒸發量與淺層地下水位的降低密不可分。2009年研究區實際蒸發量為687 mm, 略大于總降水量, 且明顯集中于夏季, 5—9月份實際蒸發量為468 mm, 占全年總蒸發量的68%。通過122-3井與123-2井各自累計水位降幅與累積蒸發量隨時間變化圖與相關關系圖(圖7a, b, c, d)可以發現, 在2009年全年, 2條曲線比較貼合, 大部分散點與直線擬合較好, 相關系數均大于等于0.95。與降水對三口觀測井水位的影響規律類似, 在5—12月三井對比中, 124井水位下降與蒸發曲線貼合最緊密, 散點圖最接近擬合直線, 相關系數最高, 為0.99, 123-2井最低, 為0.90 (圖7, 表3)。122-3井與123-2井在5月至6月中旬水位下降速率高于蒸發速率, 之后至8月底低于蒸發速率(圖7a, c)。

表2 2009年內各觀測井累計水位升幅與累積降水量線性擬合結果

圖7 2009年內各觀測井累計水位降幅與累積蒸發量關系

表3 2009年內各觀測井累計水位降幅與累積蒸發量線性擬合結果

3.2 討論

3.2.1 沉積環境對淺層地下水位的影響

124井與122-3井/123-2井水位整體動態不同的主要原因是地理位置與沉積環境的差異。根據成國棟[17]的黃河三角洲現代沉積環境分區圖, 結合3個觀測井位的地理位置, 分析了3個井位所處的沉積環境。124井位于上三角洲平原, 周圍存在泛濫平原、決口扇和天然堤沉積相。122-3井處在上三角洲平原和下三角洲平原交界處, 周圍存在決口扇、河道以及潮灘等沉積相。123-2井則位于下三角洲平原的潮灘中, 離黃河口最近。124井周圍由于有防洪堤的保護, 減弱了黃河泛濫的影響, 泛濫平原沉積物厚度較薄。該地沉積物主要以粗粉砂為主, 平均粒徑較大, 透水性較強, 降水能有效入滲, 所以124井水位顯示出強烈的波動特征(圖2)。下三角洲平原的潮灘表層沉積主要由粉砂與黏土質粉砂組成, 粒徑小, 保水能力強, 其下部沉積物以透水性差的黏土質粉砂組成[6],致使潮灘區水分垂直運動差, 對降水等自然因素的響應弱, 因此123-2井整體水位最為平穩。位于上三角洲平原和下三角洲平原交界的122-3井周圍沉積物粒度總體介于124井和123-2井之間, 因此122-3井整體水位波動程度明顯弱于124井水位, 但比123-2井水位稍明顯(圖2)。

3.2.2 潮汐對淺層地下水位的影響

黃河三角洲濱海濕地淺層地下水含水層之間連通性差, 淺層地下水水平運動能力差, 與潮汐沒有直接水力聯系[6]。但是潮汐作用于海岸時產生的沉積地層應力效應將通過含水層傳遞給淺層地下水, 使得淺層地下水位隨潮汐出現有規律的波動[6, 8, 38-39]。Kim等[40]認為潮汐對濟州島地下水位的水平影響距離可達3 km。利用黃河三角洲濱海濕地24 h的連續淺層地下水位和潮位數據, 高茂生等[6]發現, 距離驗潮站7 km的水井淺層地下水位波動與潮汐存在較強相關關系。楊再興[41]利用實測數據和軟件模擬, 認為在北部灣地區, 距離海岸3.7 km時地下水才不再明顯受潮汐影響。

0.042 h–1和0.083 h–1的頻率分別對應著24 h和12 h的周期。同時0.042 h–1頻率下的明顯高振幅, 表明研究區海潮24 h周期盛行(圖3a), 即研究區潮位具有近似全日潮的規律。122-3井與123-2井與潮汐數據高度相似的頻譜特征, 表明兩井水位均受潮汐波動影響。二者相比, 122-3井頻率振幅更高(圖3b, c), 且12個天文大潮期中, 122-3井相對于123-2井, 對潮汐的響應更早、水位波動更大(圖5), 說明122-3井更容易受到潮汐影響。頻率0.042 h–1和0.083 h–1在圖3d頻譜中未顯示明顯振幅表明124井水位波動不存在某一特定周期, 受潮汐的調控微弱。122-3井、123-2井與124井距離海岸的最近垂直距離分別約為7 km、4 km和15 km。所以海潮對黃河三角洲濱海濕地淺層地下水位的水平調控范圍至少可達7 km。至15 km時, 淺層地下水位幾乎不受潮汐影響。

在前人有關滯后性的研究中, 某一井位淺層地下水位滯后潮汐的時間均為固定數值[6-8]。然而本文研究結果與前人不同。從時間滯后互相關分析結果中(圖4)可以看到, 潮位與平移后的水位相關系數恒小于0.03, 表現為不相關, 這表明在全年時間尺度上, 相對于潮汐變化淺層地下水位波動不存在特定滯后時間。圖5中可以明顯看出12個天文大潮期中潮汐超前水位的時間并不統一, 水位滯后“W”形和“M”形潮汐的時間相差約12 h。這種不統一的滯后響應, 可能受黃河三角洲年內沉積環境、氣象條件、淺層地下水位以及潮汐變化的綜合影響。

3.2.3 降水與蒸發對淺層地下水位的影響

122-3井、123-2井和124井均能反映出水位上升與降水的密切聯系。在三個井位各自觀測時段內, 累計水位升幅與累積降水量相關系數均接近于1(表2),為極強相關, 指征降水是三井水位上升的最重要的因素。但在圖6散點圖中, 122-3井與123-2井均有一部分散點與一元線性擬合直線偏離較大, 這種偏離在時間序列圖(圖6a, c)中也有體現, 具體表現為: 5月9日與6月19日左右水位升幅相比于降水量的突增, 7月上旬平緩的水位增幅與快速累積的降水。這種偏離主要原因在于兩口井所在地沉積物的弱透水性。在粒徑小, 水力聯系弱的沉積環境下, 伴隨著長期較低的降水量, 隨著蒸發量加大, 表層沉積物水分逐漸散失, 并且很難被側向徑流補給, 產生可以蓄水的大量干燥空間。5月9日與6月19日對應著兩個較強的降水過程, 122-3井和123-2井所處的地層在此期間充分吸收水分, 產生水位升幅較大現象(圖2)。而在7月上旬, 雨季后, 沉積物孔隙中水分飽和, 水位也已恢復到正常水平(圖2), 此時降水已經不能再使淺層地下水位產生較大的升幅。總體而言, 降水對研究區三口觀測井水位上升起到了決定性作用。由于三口井所在區域沉積環境不同, 沉積物滲透性更好的124井淺層地下水位升高和降水關系最為密切, 位于潮灘地區的123-2井附近沉積物滲透性最差, 淺層地下水位抬升受降水影響相對最弱, 這也解釋了123-2井比122-3井離海洋更近, 但受潮汐影響卻更弱的現象。

122-3井與123-2井在2009年全年中表現出了累計水位降幅與累積蒸發量之間極強的相關性(圖7a, b, c, d)。在5—12月三井的對比中: 124井相關性最高, 表現為累計水位降幅與累積蒸發量曲線高度擬合, 相關系數為0.99; 123-2井相關性最低, 表現為散點圖與直線偏離程度最大, 累計水位降幅與累積蒸發量偏離最大, 相關系數最低(圖7, 表3)。3井在各自數據時段內, 累積蒸發量與累計水位降幅接近于1的相關系數(表3), 體現了蒸發對水位下降的主導作用。122-3井與123-2井累計水位降幅與累積蒸發量曲線的偏離, 集中在5月至9月(圖7a, c)。這主要是由于5月至6月上旬黃河三角洲地區雨季尚未來臨, 降水仍保持較低水平, 但此期間氣溫快速回升, 蒸發量加大(圖2), 打破了之前降水與蒸發的平衡, 致使水位下降速率較之前增加, 這也是122-3井與123-2井在6月中上旬存在明顯水位低值(圖2)的原因。6月中旬以后, 研究區開始受到東亞夏季風影響, 降水突增, 地下水得到補充, 因此出現水位累計下降速率低于蒸發速率的情況。

3.2.4 其他因素對淺層地下水位的影響

黃河年內徑流量與輸沙量變化明顯, 趨勢相同, 6—7月份最高, 8—12月份徑流輸沙量是1—5月份的數倍(圖8)。與黃河徑流量規律相反, 三口井水位在6—7月份處在最低水平。122-3井和123-2井8—12月份比1—5月份水位高, 但這主要是由7—9月份的高強度集中降水以及后續時間段實際蒸發量減少導致(圖2), 且水位在抬高程度上不及黃河徑流量在兩個時段上的差異顯著。同時研究區沉積物以粉砂和黏土質粉砂為主, 淺層地下水水平運動差, 黃河和研究站位淺層地下水之間難以建立直接水力聯系。以上因素均表明黃河對于研究區淺層地下水位的影響有限。

圖8 2009年內黃河利津水文站月徑流量與輸沙量

除了黃河徑流量, 農業灌溉也是應當考慮的因素。研究區主要糧食作物是冬小麥。冬小麥在3、4月份處于拔節期, 這期間小麥生長迅速, 需進行引黃灌溉, 灌溉水逐漸下滲將會補充地下水位。所以在3—4月份, 盡管研究區蒸發量加大且降水量保持較低水平, 靠近農田的122-3井水位仍呈現緩慢上升態勢。123-2井位于山東黃河三角洲國家級自然保護區內, 附近幾乎無農業活動, 主要受自然因素調控, 因此3—4月保持著波動下降狀態。

4 結論

本文以黃河三角洲2009年3口觀測井水位數據為基礎, 結合該區域同時期潮位、降水量和實際蒸發量數據, 深入研究了黃河三角洲淺層地下水位動態變化特征及影響因素, 得出以下結論:

1) 在黃河三角洲地區, 不同的沉積環境造成了淺層地下水位動態的差異。沉積物松散粒徑較大的區域淺層地下水位對降水響應幅度大, 水位波動明顯頻繁。臨近海洋的潮灘及附近區域, 沉積物透水性差, 淺層地下水位對外界環境改變響應程度較弱, 但由于降水和蒸發的相互作用, 6月中上旬淺層地下水位急劇下降, 其余月份淺層地下水位呈現平穩態勢。

2) 研究區潮汐對淺層地下水位的影響平面上至少可達7 km, 離海岸15 km時潮汐對水位影響十分微弱。影響范圍內, 淺層地下水位與潮汐存在高度一致的頻譜, 均存在24 h與12 h的周期, 且24 h周期更為顯著。在滯后性研究中, 發現淺層地下水位對于潮汐的滯后時間存在變化這一新現象, 即滯后時間存在兩個區間, 每一個區間持續時間約0.5 a, 二者相差約12 h。

3) 通過ERA5高分辨率降水量和實際蒸發量數據, 定量分析了降水和蒸發對黃河三角洲淺層地下水位動態的作用。淺層地下水位的升降分別與降水量、實際蒸發量存在極強相關關系, 降水和蒸發是導致黃河三角洲淺層地下水位升降最根本的因素。此外農業灌溉也有一定影響。

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Dynamic characteristics and causes of shallow groundwater level intra-annual changes in the Yellow River Delta

CHANG Mao-xiang1, 2, SHI Jing-hao3, YE Si-yuan4, WANG Xiang-dong3, LI Guang-xue1, 2

(1.Key Lab of Submarine Geosciences and Prospecting Techniques (Ocean University of China), Ministry of Education, Qingdao 266100, China; 2.College of Marine Geosciences, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 3.Qingdao Blue Earth Big Data Technology Co., Ltd, Qingdao 266400, China; 4.Qingdao Institute of Marine Geology, Ministry of Natural Resources of the People’s Republic of China, Qingdao 266071, China)

the Yellow River Delta; shallow groundwater level; tide; hysteresis; precipitation; actual evaporation

In this work, the characteristics and mechanics of shallow groundwater level fluctuations from continuous monitoring records of three monitoring wells in the Yellow River Delta and the influence of tide, precipitation, and runoff are analyzed using hourly shallow groundwater level data and contemporarily high-resolution ERA5 reanalysis actual evaporation data, adopting methods including fast Fourier transform and time series analysis.Observations showed that (1) the type of sedimentary environment leads to the difference in general conditions of the groundwater level.Surface sediment with relatively good permeability displays shallow groundwater level fluc-tuation that is more violent and frequent; whereas, surface sediment with relatively weak permeability displays a shallow groundwater level that reaches a striking minimum in early June but displays a stable condition in general.(2) Horizontal scope of the tidal influence on the shallow groundwater level in the Yellow River Delta could reach 7 km but not exceed 15 km.Within that scope, the time lag between the shallow groundwater level fluctuation and tide in 2009 is not constant—it can be divided into two 6-month intervals with a 12 h difference in between.(3) Precipitation and actual evaporation are the fundamental factors that affect the rise and fall of shallow groundwater in the Yellow River Delta.Agricultural activities also have a certain effect on the shallow groundwater level.Research on shallow groundwater level dynamics could provide a scientific basis for ecological protection, prevention, and control of local land salinization and seawater intrusion.

Nov.10, 2020

[The National Key Research and Development Program of China, No.2017YFE0133500; The Taishan Scholar Project grant to GX Li]

P736.5

A

1000-3096(2021)10-0020-12

10.11759/hykx20201110007

2020-11-10;

2021-03-02

國家重點研發計劃政府間重點專項項目(2017YFE0133500); 泰山學者建設工程專項

常茂祥(1996—), 山東煙臺人, 碩士研究生, 主要從事海洋地質與遙感研究, E-mail: 915995011@qq.com; 史經昊(1981—), 通信作者, 博士, 主要從事近海綜合環境調查和監測工作, 以及沉積動力學和海洋工程方面的研究, E-mail: 34098302@qq.com

(本文編輯: 趙衛紅)