某區域地下河水文動態變化規律研究

2022-12-26 12:02:26姚薇

水利科技與經濟 2022年12期

姚薇

(烏魯木齊水文勘測局，烏魯木齊 830001)

1 概述

水文地質、降雨、地下水的開采等多種因素都會對巖溶地下河的動態變化產生影響，將地下水的排泄、補給、徑流之間的關系真實準確地反映出來，是巖溶地區水文地質勘察工作的重要一部分[1-3]。然而，由于缺少完善、長期的監測資料，研究人員往往不能準確地掌握地下水系統的水文動態變化。近幾年，隨著監測儀器和技術的不斷更新，為地下水的水文資料獲取及其動態變化研究提供了技術保障。

巖溶地下水觀測方式主要有兩種，分別為短期觀測和長期觀測[4]。短期觀測往往以一次降雨或一個月為一個階段，長期觀測則最少一個水文年。為了更加準確掌握新疆某區域地下河系統的動態變化趨勢，本文借助監測設備，對降雨量、地下河的pH、電導率、水位進行監測，以宏觀的角度對地下河出口位置水位流量的持續變化特征進行分析，為該地區地下河系統內部結構和水文動態變化的研究提供依據。

2 研究區概況和研究方法

2.1 研究區概況

研究區位于新疆北疆某地，氣候類型為溫帶大陸性干旱半干旱，年平均氣溫在9℃附近，全年降水量大于200 mm，水流對該區域長時間侵蝕，使其形成“一山兩嶺一槽”形的巖溶槽谷地貌。槽谷走向表現成自東北至西南，細長略微彎曲的弧形構造，山脈的走向基本和構造線相同，地勢表現為南低北高，谷地和山峰相對高差約200 m，沒有較大起伏。該區域地下河系統始自槽谷中并沿其延伸，上游地表水匯聚于平緩的谷地，再通過標高524 m的巖口落水洞流進地下河，地表水在中下游時借助巖溶裂隙或者小型落水洞流進地下河系統，最后在南部敞開處、高程320 m的地下河出口流出。在上述流線里，地下河出口和巖口落水洞距離為7.4 km。大氣降雨作為該區域地下河的一個重要補給來源，大部分降雨順著坡面流到槽谷底部，之后通過落水洞流入或借助表層裂隙滲入至地下河中。

2.2 研究所用方法

2020年5月，在該區域地下河上游某村建造了一個小型氣象站，對該區域的氣溫變化和降雨量數據進行自動記錄，其中每隔5min對降雨量進行一次記錄，其精度為0.2 mm。在地下河出口部位建造一個水文觀測站，借助光電數字水位計來持續監測出水口的水位，得到其水位動態變化數據，即每隔1h對水位進行一次記錄，但當水位改變大于2 mm時，記錄間隔則為5 min，其監測精度為1 mm。在出水位置建造了矩形水堰，并通過曼寧公式來對出水流量進行計算。同時，借助澳大利亞Greenspan公司生產的在線水質分析儀來實時監測出口位置的水溫、pH值和電導率，記錄間隔為15 min，監測精度依次是0.1℃、0.01和0.01 μs/cm。

3 分析結果

3.1 年內地下河出口水文變化情況

代表地下水動力條件的一個關鍵標志即為巖溶地下水水位[5]。國內學者對各類地區溶洞地下水監測數據進行整理和總結，把復雜的水位歷時曲線分成5個種類，分別為平緩跳躍類、波狀起伏類、不對稱臺面類、不對稱和對稱尖峰類，分類的依據主要是巖體的透水和發育程度、地下水補給條件、降雨情況，該方法也稱作巖溶地下水動態曲線類型分析法。在對地下水進行動態分析時，最根本的依據就是水位動態曲線，研究人員能夠以此為基礎來識別巖溶含水介質的組成、巖溶發育程度和調蓄能力。

圖1為該區域地下河2020年5月至2021年6月出口位置降雨量、水位、流量的對應變化情況。從圖1中能夠看出，該區域地下河的響應曲線表現為以管道流為主，同時降雨對水位流量的影響較大，后者的變化規律基本和降雨量保持一致。11月份至下一年3月份是旱季時期，該階段內水位沒有較大的波動；當雨季到來后，水位流量變化較大，水位最大值增大。特別是在2020年的6、7月份期間，降雨量大大提升，在7月17日時，水位達到峰值(1.175 m)，變化幅度大于1 m，流量峰值分別是1.65 m3/s與2.6 m3/s，但流量最小值只有0.019 m3/s和0.28 m3/s。表明該區域地下河有著發育比較強烈的巖溶環境，巖體有著較大的透水性，疏水能力強，使水位流量無法長時間保持峰值狀態，同時體現了該處地下河有著管道流“過路水“的典型特征，無法進行正常的含水介質蓄水，所以其動態類型為可氣象水文型[6]。并且水位流量變化趨勢增大速率要大于減小的速率，呈現出中間突出、兩側不對稱的形狀，這也表明降雨能夠快速流入至地下水中，而地下水排泄的速度較低。

圖1 年內地下河降雨量、水位及流量變化情況

3.2 強降雨時水文動態變化特征

2020年7月期間，研究區出現了3次強降雨。第一次在7月5日，持續降雨4 h，降雨量達到53.6 mm；第二次在7月9日，持續降雨5 h，降雨量達到85.5 mm，強降雨結束后又出現了短時間的小雨；第三次在7月17日，持續降雨近4 h，累計降雨量為130 mm。降雨對研究區地下河的影響較為明顯，其流量和水位快速增大，而電導率迅速減小，具體情況見圖2。

3.2.1 對pH值的影響

劉再華[7]研究了桂林巖溶后認為，洪水期水化學的變化由兩個比較關鍵的過程進行控制：一個是大氣-水體-巖體之間相互影響作用的過程，另一個是稀釋過程。在本次研究中，降雨后地下水的pH迅速從7.25減小至接近7，之后再慢慢增加至原水平，即7月5日第一次降雨，pH從7.25減小至7.04；7月9日第二次降雨，pH從7.22減小至7.01；7月17日第三次降雨，pH從7.23減小至7.02。對這種現象進行分析認為，主要原因是該區域雨水pH值不高(5.6)，而地下河在強降雨后補充了大量雨水，導致其pH明顯下降；而強降雨結束后，降雨對地下河pH的影響逐漸減弱，其pH值又慢慢回升至原值。

圖2 地下河出口位置水文過程線

3.2.2 對電導率的影響

從圖2中能夠看出，在降雨未開始時，電導率維持在560 μs/cm附近；在降雨出現后，電導率迅速提高至600 μs/cm以上，接著呈現為快速減小后緩慢增加的趨勢。7月6日首次強降雨出現后，電導率在短時間內達到峰值655.04 μs/cm，在下午2點左右回落至低谷497.43 μs/cm；7月9日出現第二次強降雨，電導率同樣快速提高至591.5 μs/cm，在第二天減小至410.95 μs/cm以下；7月17日出現第三次降雨，此次降雨持續時間長，降雨強度大，電導率在上午8點升高至602.9 μs/cm，在次日中午1點減小至405.33 μs/cm。活塞效應和雨水的稀釋分別導致了電導率的增大與降低。經過檢測發現，雨水電導率較低，未超過100 μs/cm，而地下河的電導率在降雨停止后逐漸增大。比較3次降雨能夠發現，第三次降雨過程中電導率減小程度最大，高達200 μs/cm，同時最低值保持的時間也比較長。這種現象有可能是因為持續降雨導致的，此次降雨量較大，較多雨水以較快速度持續流進地下河中，所以地下河的電導率因為雨水稀釋作用而一直處于低值狀態。由此能夠看出，地下河電導率下降幅度會隨著降雨強度和持續時間的增加而增加。

3.2.3 水位流量的變化

從圖2能夠看出，強降雨對地下河流量和水位的影響程度較大且快，水文過程曲線突然增加，而下降則比較緩慢，呈現出中間突出、兩側不對稱的形狀。在3次降雨中都出現了相應的流量和水位最大值，分別是：第一次流量和水位最大值出現在7月6日，前者是1.41 m3/s，后者是0.82 m；第二次流量和水位最大值出現在7月9日，前者是1.86 m3/s，后者是1.003 m；第三次流量和水位最大值出現在17日，前者是2.58 m3/s，后者是1.18 m。這3次的流量和水位最大值都隨著降雨強度的增加而增加，通過SPSS分析軟件能夠得出它們之間的相關系數分別是0.993和0.921，具體見表1。在降雨為分散小雨時，流量和水位的變化幅度并不大。

表1 流量、水位峰值與降雨量之間的相關系數

有學者研究表明，水文尖峰滯后時間在出現集中強降雨時較短，約有3～4 h；在特大暴雨情況下，滯后甚至不足1 h。在7月9日，2 h的降雨量達到77.3 mm，降雨強度最大值達到57 mm/h，流量和水位峰值僅滯后了45 min。在7月5日晚上8點至11點，降雨量達到52 mm，降雨強度最大值達到33.2 mm/h，流量和水位峰值滯后最大降雨強度3 h 55 min。分析表明，降雨強度越大，流量和水位峰值滯后時間就越短，其相關系數為0.963，具體見表2。當降雨強度較小、但降雨累積量較大時，流量和水位的峰值滯后時間要高于集中降雨時間。如7月17日，每日降雨量達到132.5 mm，降雨強度最大值達到28.7 mm/h，流量、水位峰值滯后降雨最大強度6 h 10 min，地下水移動速度比較慢。