章古台地下水位与降水量变化动态相关性分析

于致龙,韩辉,宋鸽

(1.辽宁省青山保护局,辽宁 沈阳 110036;2.辽宁章古台科尔沁沙地生态系统国家定位观测站,辽宁省固沙造林研究所,辽宁 阜新 123000)

水资源是基础性自然资源。近50年，东北、华北和河套地区干旱明显加重[1]，20世纪90年代以后，华北、东北大部地区夏季降水显著减少[2]，持续的干旱可使地下水位下降，地下可用水逐渐减少[3]，章古台地下水位也在下降[4]。关于地下水位与降水量的关系有许多人员在研究[5-10]，本文从近20年章古台地下水位和降水量的数据入手，分析地下水位与降水量的动态变化，对于该地区地下水资源的持续利用和社会持续发展有着极其重要的作用。

1　研究区概况

辽宁章古台科尔沁沙地生态系统国家定位观测站位于彰武县北部，地处科尔沁沙地南缘,属科尔沁沙地的一部分，西辽河横贯这块沙地的中部。就其起源属于古代冲积沙地，是第四纪冰后期西辽河及其支流泛滥沉积的沙层,后被西辽河下切及泛滥面缩小而形成的砂质阶地。新中国成立前，这里已由原来的“灌丛成林、草层茂密的肥美草原”变成了“一望无际的白花花的沙坨子”。在20世纪50年代初期,当地进行了防护林工程和固沙造林试验，成功营造了以樟子松和杨树为主要树种的固沙林和防护林。土壤以风沙土为主，沙土颗粒均匀，沙层厚度126～128 m，沙层的颜色和机械粒径成层更迭分布，变化比较明显，沙土瘠薄。当地年均气温6.3 ℃，全年无霜期150～160 d，年均降水量450～500 mm，降水变率大，60%～70%集中在6—8月，年蒸发量1 553.2 mm，约为降水量的3.27倍。该区主要代表性植物有五角枫(Acermono)、山里红(Crataeguspinnatifida)、榆(Ulmuspumila)、大果榆(Ulmusmacrocarpa)、山杏(Armeniacasibirica)、胡枝子(Lespedezabicolor)、差巴嘎蒿(Artemisiahalodendron)、中华隐子草(Cleistogeneschinensis)等。

试验地基本情况见表1。试验地T1为靠近村庄的丘间低地，在2000年以前为樟子松30年生林分，2000年皆伐后自然生草，2006年栽植彰武小钻杨，地下水位观测井位于试验地中心位置；试验地T2远离村庄，林分为41 a樟子松，经过间伐修枝等经营措施，现保存密度为290株hm-2，地下水位观测井位于试验地的东北角；试验地T3靠近村庄，为50 a樟子松种子林，密度一直没有变动，地下水位观测井位于试验地的东部。

表1　2017年地下水位测量点基本情况

2　测量方法

地下水位观测利用各实验地现有的水井，一般水井深度20 m。地下水位和降水量数据来自辽宁章古台科尔沁沙地生态系统国家定位观测站。

2.1降水量的测量方法

2.1.1人工测量方法采用雨量器和专用量杯测量。

2.1.2自动记录方法用中国华云CAWS600B自动气象站sl3型雨量传感器自动记录。

2.2地下水位的测量方法

2.2.1人工测量方法地下水位用地下水埋深表示。地下水埋深为地下含水层中水面到地表的距离，方法是在测绳的一端系上铅坠，从井口下放到触及水面以下，记下测绳位于井口的刻度，则该刻度到测绳水浸湿处的长度即为地下水埋深。每月末测量一次，每年的12月末的数据为该年地下水埋深数值。

2.2.2自动记录方法采用CTD地下水位仪自动记录。方法为将CTD地下水位传感器下放到井的水面以下1～10 m为宜，保证测量数值在可记录范围之内。CTD记录的数值为地下水面距CTD传感器的距离，每1 h记录一次数据。地下水位最终的记录值=人工最初测的地下水位深度+(CTD日值- CTD开始浸入水中记录的数值)，CTD日值为1天中24次记录数值的平均值。

2.3数据处理

采用 Excel 2003 进行数据处理。

图1　章古台大一间地下水与降水量

3　结果与分析

3.1年际间地下水位与降水量

试验地T1年际间地下水位与降水量见图1。可以看出，年降水量和年地下水位变幅之间存在较好的相关性，在降水量偏少的年份，地下水位下降很明显。1999—2003年降水量连续5年小于均值，2006、2007、2009、2011、2014、2017年降水量也小于均值，同时期地下水位年际间变化为1999—2003年、2006—2009年、2013—2017年下降。在降水量偏多的年份，地下水位下降趋缓或者上升，如2004、2005、2010、2012、2013、2016年降水量明显大于均值，同时期地下水位年际间变化为2003—2006年上升，2009—2013年上升，2016地下水位下降趋缓或持平。地下水位呈现出每3～5年上升或者下降交替进行的现象。可以说降水入渗是地下水的主要来源。

降水量特别大的年份入渗补水能改变地下水位持续下降的趋势或者起到减缓作用，如2008、2016年。同样，降水量特别小的年份会加速地下水位的下降趋势或者起到减缓上升作用，如2007、2011年。

从长周期来看，1999—2017年年均降水量为448.9 mm，小于1983—2017年平均降水量475.6 mm，小于1954—1999年平均降水量491.4 mm[4]，降水有减少趋势，地下水位呈现出下降的趋势。年际间降水量差异越来越大，干旱发生越来越严重。

3.2年内地下水位与降水量变化特征及分析

图2　1999—2007年章古台地下水位和降水量月动态变化

统计1999—2017年各月降水量均值和地下水埋深均值，见图2。可以看到，年内地下水位有一定的波动幅度。地下水位3—7月在下降，12月也有下降，各月下降幅度由大到小为6月(-0.066 3 m)>3月(-0.055 1 m)>5月(-0.036 7 m)>7月(-0.015 0 m)>12月(-0.009 7 m)>4月(-0.005 1 m)。8—11月和翌年的1—2月在上升。各月上升幅度由大到小为8月(0.073 0 m)>1月(0.059 2 m)>10月(0.024 3 m)>2月(0.015 2 m)>9月(0.012 7 m)>11月(0.003 5 m)。全年中2月地下水位最高，7月地下水位最低。

3.3典型年年内降水对地下水动态影响

降水量累计值与地下水水位变幅之间存在着相关关系，并且相关关系在不同的连续时段内持续存在高度相关性[11]。为了了解地下水位变化特征，对平水年2004年(正常)、丰水年2010年(轻涝)、欠水年2009年(轻旱)地下水位月变幅和年变幅分别进行统计，结果见表2。这里把平水年定义为正常，丰水年定义为轻涝，欠水年定义为轻旱[12]。

表2　典型年月平均地下水位变幅统计　m

平水年2004年降水量474.4 mm，地下水位下降，这可能与前几年连续干旱有关，地下水水位年变幅-0.13 m。受降水入渗补给影响，3、7、8和9月地下水位上升，上升月变幅在0.02～0.23 m，其中7月上升幅度最大0.23 m；10、11、12月没有变化；受树木蒸腾、土面蒸发及人为利用影响，1、2、4、5和6月地下水位下降，下降月变幅在-0.01～-0.28 m，其中6月下降幅度最大-0.28 m，见图3。

图3　平水年(2004年)地下水水位变幅与降水量过程

丰水年2010年降水量689.2 mm，地下水位上升，地下水位年变輻0.34 m。受降水入渗补给影响，1、2、5、8和9月地下水水位上升，上升月变幅在0.01～0.43 m，其中8月上升幅度最大0.43 m；3、4、6、7、10、11和12月地下水水位下降，下降月变幅在-0.01～-0.12 m，其中10月下降幅度最大-0.12 m，总体来说，下降各月数值幅度并不大，见图4。

图4　丰水年(2004年)地下水水位变幅与降水量过程

图5　欠水年(2009年)地下水水位变幅与降水量过程

欠水年2009年降水量285.9 mm，地下水位下降，地下水水位年变幅-0.43 m。只有10月地下水水位上升0.28 m，这可能与8—9月大量抽取地下水浇灌农田而10月秋收之后停止抽取地下水有关；4月没有变化；1、2、3、5、6、7、8、9、11和12月地下水水位下降，下降月变幅在-0.01～-0.28 m，其中9月下降幅度最大-0.28 m，见图5。

3.4不同埋深生长季地下水位变化及对降水的反应

2017年降水量346 mm，为欠水年。2017年4—6月降水量总和占同时段降水均值(1983—2017年)的23.0%，为历年该时段所占比例最低值(比例范围为23%～156%)，5、6月百姓大量抽取地下水浇灌育苗地和农田。

图6　2017年地下水埋深位与降水量

3.4.1试验地T2月际间地下水位与降水量2017年4月末人工测定地下水埋深为8.5 m。图6中纵坐标-8 500 mm处为地下水位深度，从5月1日开始，到10月30日，该处地下水位下降了156 mm。可以看出，从5月初开始到10月末，地下水位一直在下降，从5月中旬到6月中旬，呈现直线下降，从6月中下旬到10月末呈缓慢下降走势，10月末地下水位为5—10月最低值。其间每次降水，地下水位都有所上升，只是上升的幅度越来越小，在8月3日，降水70.4 mm情况下，只是稍有变动，随后又下降，地下水位波动幅度为6～-163 mm，但在图6中看到的是2条线中下面的一条，略有些向下倾斜的线。说明全年基本上没有降水补充到地下8 m。

3.4.2试验地T3月际间地下水埋深与降水量T3 4月末人工测定地下水埋深为3.98 m，图6中纵坐标-3 980 mm处为地下水位深度。从5月1日开始到10月30日，该处地下水位下降了114 mm。T3从5月初开始到6月末，地下水埋深呈锯齿状下降，每次锯齿状上升，都是伴随着一次降水，但地下水位一次比一次降得多，一直到7月1日一次降水30.7 mm后，地下水位明显上升，这应该与该次降水明显缓解农田旱情，农民不再抽取地下水浇地有直接关系。6月末的地下水位在5—10月是最低值。7月上旬降水少，地下水位又下降，地下水位的升降与降水量有个滞后过程。8月上中旬达到5月初的水平。地下水位波动幅度为115～-565 mm。

不同埋深地下水位的变化对降水的反应不同，埋藏浅的地下水位变化对降水的反应更敏感，具体表现为地下水位波动幅度更大、滞后效应降低。

4　结论与讨论

章古台地下水位变动受同期降水量影响很大，年际间地下水位变动滞后于降水量1～2 a。地下水位上升或下降有3～5 a一个周期并呈现出下降的趋势。1999—2017年降水量没有出现下降趋势而地下水位呈下降趋势，这种情况是地下水过度利用造成的。近些年春旱和伏旱经常发生，人们大量抽取地下水浇灌育苗地、稻田地、传统农田地。

平水年2004年、丰水年2010年和欠水年2009年地下水水位年变幅分别为-0.13、0.34和-0.43 m。

应用CTD水位传感器监测章古台地下水位变动情况，由于其精度为mm，地下水位呈现出每一天都有微小变化。试验地T2地下水位5—10月变动比较缓慢并呈现缓慢下降趋势，试验地T3地下水位5—10月变动比较剧烈，连续降水后地下水位有稳定倾向。试验地T2地下水位变动较T3地下水位变动受降水量影响要小得多。降水对地下水位下降或者上升的影响表现在时间上存在累积滞后现象。

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