河北省沿海地區典型降水對地下水位的影響

趙悅華

（河北省衡水水文勘測研究中心，河北 衡水 053000）

在自然條件下， 地下水作為因變量受降水自變量的影響。沿海地區在降水發生后，會增加補充地下水，一大部分直接排泄進入大海，另一部分在排泄匯集到河道后，再匯入大海。本文通過分析河北省沿海地區典型降水對地下水位影響， 闡述降水對地下水變化的響應過程， 對沿海地區的生態環境保護和水利工程建設具有借鑒意義。

1 概況

以秦皇島市昌黎縣為研究對象， 該縣位于河北省東北部、秦皇島市西南部，東臨渤海，南挾灤河與樂亭縣接壤，西隔灤河與灤南縣、灤州市相望，北以武山為界與盧龍縣為鄰，東北與撫寧區毗連。全縣總面積為1212.4 km2， 海岸線長64.9 km， 陸域界線長162.6 km。昌黎縣地處半濕潤區，屬于溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫為11.8 ℃，年降水量527.0 mm［1］。此次以該縣2020 年典型降水過程為分析對象， 收集當年連續地下水位及降水量數據。 其中按照地下水流向，收集徐新莊、小心莊和趙家港的當年逐日地下水埋深數據，因為區域較小，降水量數據則選用3 站中間的小心莊監測數據，如圖1。

圖1 研究區位置

2 區域水文地質條件

昌黎縣地勢北高南低， 屬于燕山褶斷帶東南邊緣，區內構造以斷裂為主，褶皺次之，主要有緯向構造體系、經向構造體系、新華夏構造體系、華夏構造體系及北西向構造體系，區域地質條件復雜［2］。主要研究區位于平原地帶， 地面高程一般為2～30 m，呈西北至東南向傾斜，坡度2%～3%，構成廣闊的山麓平原和濱海平原，地形較為平緩［3］。本文主要分析潛水含水層，該含水層屬于松散巖類孔隙水，賦存在第四系含水層中，其中第四系沉積厚度相差懸殊，巖性以砂卵石、砂、黏質砂土及黏土為主，為山前沖洪積水文地質區［4］。

3 分析與討論

3.1 地下水位分析

徐新莊、 小心莊和趙家港的月平均地下水埋深如圖2。

圖2 月平均地下水位埋深

由圖2 可看出， 靠近大海的小心莊和趙家港的月平均地下水埋深較淺， 年均埋深分別為1.4 m 和1.1 m，而處于大陸內部的徐新莊地下水埋深較大，年均埋深為5.8 m，說明相同地質條件下，沿海平緩坡地的地下水埋深存在較大差異，具體來看，地下水埋深由內陸向沿海逐漸減小， 內陸與沿海存在明顯的地下水分水嶺，且海水對地下水的排泄具有阻緩性。盡管相近區域的地下水埋深存在差異， 但年內變化趨勢基本類似。 為量化3 個地下水監測站點的水位變化相關程度，本文采用Pearson 相關系數法，對兩兩站點間的水位變化進行分析計算，該方法是一種準確度量兩個變量間關系密切程度的統計學方法［5］。對于兩個變量（Xi，Yi）（i=1,2,3,…,n）間相關系數的數學表達式為：

式中n 為樣本容量；X、Y 分別為變量值；r 為相關系數，范圍為（-1，1）。

本文在計算兩兩站點間的地下水埋深相關系數后得到， 地下水監測點徐新莊和小心莊的地下水埋深間相關系數為0.815、徐新莊和趙家港為0.740、小心莊和趙家港為0.950，兩兩站點間的相關系數都大于0.7，相關程度較好。處于內陸的徐新莊和距離最近的小心莊地下水埋深變化相關性更好， 其相關程度大于距離較遠的趙家港， 說明沿海地下水位的變化程度從內陸到沿海具有距離傳遞性。 而更靠近大海的小心莊和趙家港的地下水埋深相關性大于內陸的徐新莊和小心莊， 表明徐新莊和小心莊之間的地下水聯通間存在水力梯度界面， 使得埋深在同一范圍內的地下水相關性更強。

具體的3 個地下水監測點的數據顯示， 在6 月雨季之前，地下水埋深有逐漸增大的趨勢，處于內陸的徐新莊更為顯著，主要是因為隨著氣溫升高，蒸發強度增大，降水補給來源少，地下水量損耗增大，同時該地農業灌溉用水多抽取地下水， 在自然和人為的雙重作用下， 雨季之前的地下水位普遍呈下降趨勢；在進入雨季之后，3 個站點的地下水埋深開始逐漸減低，地下水位明顯抬升，徐新莊的地下水位上升尤為顯著， 主要是因為埋深較大地下水位相對于埋深小于4 m 的地下水變化存在明顯的滯后性， 降水補給地下水時間較長，水位變化趨勢的延續性較高。同時，對比小心莊和趙家港的地下水數據可發現，在地下水埋深相同情況下， 靠近大海站點的地下水變化更為劇烈， 這與沿海地區地下水和海水的動力作用密切相關。

3.2 降水對地下水位的影響

為詳細論證典型降水對沿海地區的地下水位影響，闡述降水對地下水變化的響應過程，本文選取了小心莊5—10 月的逐日降水數據及3 個站點的逐日地下水數據進行分析。 通常降水的發生是導致地下水位上升的主要因素， 因此地下水作為因變量受降水自變量的影響， 但降水自變量是獨立于地下水因變量的，不受地下水的變化影響，所以采用偏相關分析進行降水與地下水變化的變量過程擬合。 偏相關分析也稱凈相關分析， 主要是考慮2 個變量以外的其他影響參量，該參量被稱為控制變量，引入它的主要目的是消除其他變量關聯性的傳遞效應， 更好地關聯研究變量的因果關系。 本文主要采用一階偏相關系數的計算方法， 首先是分別計算3 個變量之間的兩兩相關系數， 再利用得到的這3 個相關系數來計算偏相關系數，具體計算公式如下：

式中r12(3)為控制變量3 的作用下所計算的變量1 和2 之間的偏相關系數。

通過前文地下水埋深間的相關系數分析， 本文以相關系數最好的兩兩間地下水數據作為控制變量， 來計算降水對各個站點地下水埋深變化的影響程度。 利用公式計算得到3 個站點降水和地下水埋深的偏相關系數， 其中徐新莊為0.183、 小心莊為0.206、趙家港為0.238。由于一般降水對地下水的影響較小，偏相關系數普遍偏小，但基本可反映典型降水對地下水變化的影響程度， 降水與地下水的響應程度越高，則偏相關系數也越好。具體的偏相關系數顯示，越靠近大海的趙家港偏相關大于其他站點，而靠近內陸的徐新莊降水與地下水埋深間的偏相關系數最小， 表明沿海地區降水對地下水的影響程度與離海距離有關。

從圖3 的具體過程可看出， 在前期降水不充足的情況下， 低于50 mm 的降水量對地下水的影響極其微弱，當7 月中旬雨季來臨，降水量達100 mm 后，地下水位出現明顯波動，隨著連續降水的發生，包氣帶得到充足補給，到8 月3 日大暴雨過境后，加速降水通過包氣帶補給飽和含水層， 使地下水位得到迅速提升。此次暴雨對地下水存在后續影響，在9 月7日超100 mm 的降水發生后，地下水位又出現明顯升高。值得注意的是，在8 月3 日的大暴雨結束后，地下水埋深最大的徐新莊地下水位持續走高至雨季結束，這是因為當包氣帶含水率達最大值后，會持續向深層地下水補給，當超過4 m 埋深后，蒸發對地下水位的影響減弱， 此時的包氣帶水直接補給深層地下水；距離大海最近的趙家港站因地下水埋深較淺，受降水和蒸發的主導，地下水位波動明顯。

圖3 5—10 月降水量及地下水埋深值變化

在8 月3 日大暴雨之前的2 周已陸續存在小幅度降水， 從圖4 得到， 在累計降水出現大范圍上升時，地下水位相應提高，其中距離海岸線最近的趙家港最為顯著。最大暴雨過程和地下水位過程顯示，隨著累計降水量的增加，3 站的地下水位也在持續走高，最大降水量結束后，走勢更加明顯。綜合來看，當累計降水至一場大型降水過境后， 沿海地區的地下水位將顯著提高；同時，降水會持續補給內陸埋深較大的地下水含水層， 而對于靠近大海埋深較淺的潛水含水層來說， 補充的地下水位會受到蒸發作用的影響而降低，部分地下水則因降水導致的水力梯度，向臨近的大海排泄，導致水位迅速下降。

圖4 最大典型降水過程及地下水位變化

4 結語

本文以河北省沿海地區某年典型降水影響下地下水位變化為分析對象， 利用地下水位的月變化相關系數，確認沿海地下水位變化存在空間差異性；并基于此分析沿海地區降水對地下水的偏相關性影響， 得到在靠近內陸地下水埋深較大的區域受累計降水影響，當達到日最大降水量后，地下水位將持續走高， 而靠近大海地下水埋深較淺的區域在達到包氣帶飽和累計降水后，受單次降水影響較大，地下水位呈波動態勢。