潜水地下水动态成因类型的综合判别方法——以三江平原松花江流域为例

冶雪艳,吴亚敏,杜新强,李婉露

(1. 吉林大学地下水资源与环境教育部重点实验室,吉林 长春 130021；2. 吉林大学新能源与环境学院,吉林 长春 130021)

地下水动态可以反映地下水埋藏条件、成因以及地下水资源数量和质量的变化特征[1-2]。对地下水动态成因类型进行划分,是对地下水动态特征形成和变化最主要原因的辨识和提炼。掌握地下水动态成因类型及其时空分布特征,对地下水资源开发利用现状分析以及可持续开发利用管理具有重要的参考意义。

苏联对地下水动态成因类型进行了广泛的研究和应用,提出了系统的地下水动态成因类型分类方法[3]。① 谢苗诺夫分类:恒定型(主要受地质构造和现代地形影响)、可变型(主要受气候和水文因素影响)、人为型(主要受工程建设影响)；② 朗格分类:气候型、水文型和人类活动型；③ 施密特分类:气候型、水文型、水文地质型和综合型；④ 卡明斯基分类:分水岭型、沿岸型、山前型、岩溶型和冻结型；⑤ 阿利托夫斯基分类:带状组(包括冰川型、冻结型、积雪型、雨水型和沙漠型)和非带状组(包括河流型、湖泊型、海洋型、岩溶型、放射型和人为型)。中国水文地质学的研究方法体系,受苏联的影响较大,地下水动态成因类型至今仍是水文地质条件分析中的重要内容。结合气候、地形地貌等特征,中国地下水天然动态类型通常划分为4种:入渗-径流型、径流-蒸发型、入渗-蒸发型、入渗-弱径流型[4]；在考虑人类活动等其他因素条件下,中国地下水动态成因类型常可划分为8种:降水入渗型、蒸发型、人工开采型、径流型、水文型、灌溉入渗型、冻结型和越流型[5]。由于一直没有基于定量化指标的命名规则,在实际应用中存在着更多的地下水动态成因类型划分方案[6-7]。

对于地下水动态成因类型的判断,传统方法主要根据地下水位动态过程曲线的特点进行分析和鉴别[7-8]。该种方法属于定性判断方法,对同一观测点动态曲线的判断可能因人而异,易造成判断结果的多解性。近年来,基于相关分析、聚类分析等统计学方法的地下水动态成因类型定量化判别取得了一定进展[9-11]。但由于地下水动态数据是具体观测点上的,而影响因素(如降水量、开采量等)往往是区域上的,定量分析法往往只能解释地下水动态的部分成因。

综上所述,地下水动态成因类型的划分方案及判别标准,存在规则不统一、定量难、定量化程度较低等问题,其根源在于:① 地下水动态受地质条件(包气带岩性及厚度、含水层渗透性等)、气象条件(降水、蒸发)、水文条件(河水位、河流量等)以及人类活动(人工开采等)多重因素的叠加影响,地下水动态曲线及其变化特征常缺乏典型性；② 地下水动态属于“点”数据,而影响因素多为“面”数据,二者之间缺乏严格的对应关系；③ 水文地质勘探资料以及地下水资源开发利用等资料相对有限,难以提供定量分析所需的全部数据。因此,在地下水动态成因类型研究中,应坚持基于水文地质条件定性分析与基于实测数据定量分析相结合的方法。

本文以三江平原松花江流域为例,利用地下水位、地下水位埋深、河水位、降水量、观测井距河流的距离、包气带岩性及厚度分布等多源数据,基于水文地质条件定性分析与实测数据定量分析相结合的方法,对地下水动态成因类型进行综合判断。

1 研究区概况

研究区位于三江平原西北部(图1),属温带湿润、半湿润大陆性季风气候,多年平均气温约1～4 ℃,年平均降水量500～600 mm,降水主要集中在5—8月份,占全年降水量的70%左右,无霜期146 d左右,每年11月到翌年3月为冰冻期。研究区内主要河流有松花江及其支流安邦河、嘟噜河、梧桐河及鹤立河。地貌以平原为主,包括西部的冲积-洪积平原、河流附近的砂砾石河谷平原、北部及中部的泥砂砾质低平原、东部的冲积湖积低平原、西部及南部近山区边界的剥蚀台地。自古近-新近纪以来,区内沉积了巨厚的第四系砂、砂砾石和砾卵石层,形成了主要的含水系统。大部分区域地表覆盖厚度不等的亚黏土,河流附近砂砾石直接出露,大气降水入渗条件较好。本次研究采用了2011年和2015年57个地下水位人工监测井、5个气象站以及其他水文地质勘察数据。

图1 研究区背景条件Fig.1 Background condition map of the study area

2 地下水动态成因类型的影响因素及关联分析方法

研究区地下水主要补给来源为大气降水入渗以及地表水入渗；排泄方式主要为蒸发、侧向径流以及人工开采。研究区含水层主要为砂及砂砾石层,以潜水为主,没有区域性隔水层。区内地下水埋深相对较浅,地下水开采也以浅层地下水为主,越流因素对地下水动态的影响可忽略。

2.1 大气降水入渗

大气降水作为地下水主要补给来源,对地下水动态有重要影响,可利用Pearson相关系数法(式1)分析地下水位与降水量之间的相关关系。

(1)

2.2 地表水入渗

松花江沿岸地表水与地下水交换关系密切,河水对附近地下水的影响不可忽视。基于同位素方法对松花江流域地表水地下水转换关系的研究结果可确定河流影响带范围[13],若观测井位于河流影响带范围内,且河水位高于地下水位时,可利用Pearson相关系数法分析地下水位与河水位之间的相关性,以确定河水位对地下水位动态的影响程度。若观测井不在河流影响带范围内,或河水位低于地下水位时,河水不再是地下水位动态变化的主控原因,则不必分析二者之间的关联程度。

2.3 蒸发

地下水蒸发主要受地下水位埋深和包气带岩性影响,其中地下水位埋深为控制地下水蒸发强度的主要影响因素[14-16]。当地下水埋深较浅时,整个土壤层均处于毛管水活动区内,毛管水相互联系，能以液态水的形式向土壤表面运移,因此蒸发量较大；当地下水埋深增大时,土壤层下部处于毛管水活动区内,上部则处于含水量不稳定区,毛管水连通性变差，水分以液态形式向上运移的数量减少,蒸发量变小；当地下水位埋深处于极限蒸发深度以下时,蒸发量减少为零。由于潜水蒸发随地下水位埋深的变化曲线可近似看作是位于第一象限的双曲线,当地下水埋深大于极限蒸发深度的50%时,蒸发量已很小,本文假设此时地下水动态不受蒸发影响,反之则应考虑蒸发对地下水动态的贡献。参考水文地质手册[17]及研究区已有的研究成果[18],综合确定本区地下水极限蒸发深度为5.31～7.17 m。

2.4 人工开采

20世纪90年代以来,井灌水稻种植的兴起,使区内地下水资源开采量逐年增加(图2、图3),占总用水量的70%以上,成为地下水位动态的重要影响因子。但由于地下水开采量是区域上的统计数据,不宜直接采用统计方法对其与地下水位数据进行相关分析,可在地下水动态特征分析的基础上,采用排除法进行判断。

图2 2015年土地利用类型分布Fig.2 Distribution of land use typesin 2015

图3 2002—2017年地下水开采量Fig.3 Groundwater extraction volume from 2002 to 2017

2.5 侧向径流

在埋深较大的条件下，地下水蒸发排泄微弱。如果没有人工开采，地下水的动态变化将主要受侧向径流的影响。

3 地下水动态成因类型命名与判别方法

3.1 地下水动态成因类型命名方案

影响地下水位动态特征的因素主要包括补给、排泄及水文地质条件[19],其中补给和排泄及其叠加效应(即均衡状态)影响的是地下水位动态变化的方向,而水文地质条件则影响地下水位的响应速度和响应幅度。在上述3个因素中,水文地质条件相对固定,对补给、排泄以及均衡状态的转换机制相对不变。因此,应采用对地下水位动态影响最大的补给项和排泄项的组合对地下水位动态成因类型进行划分和命名:① 当地下水位动态显著受控于某单一补给或排泄因素时,可直接以该影响因素对地下水动态成因类型进行命名；② 若地下水位动态受补给项及排泄项的共同作用影响(相关系数为0～0.6),则以补给项-排泄项的组合进行命名。

本研究区地下水以潜水为主,大气降水为主要补给来源,在河流附近可能受河流水文特征影响明显；地下水人工开采是主要排泄途径,在地下水位浅埋区,地下水蒸发作用不应忽略。在开采强度低、地下水位埋深较大的地区,地下水的侧向径流可能成为主要排泄途径。因此,本区地下水动态成因类型可划分为降水入渗型、人工开采型、水文型、降水入渗-蒸发型、降水入渗-径流型和降水入渗-开采型等6种类型。

3.2 地下水动态成因类型的判别方法

依据上述命名规则,当采取多源实测数据进行地下水动态成因类型定量分析时,必须在宏观上依托研究区的水文地质条件,以定性判断作为基础,避免陷入单纯的数值规律中。结合本区的水文地质背景条件,采用如下逻辑顺序开展地下水动态类型的综合识别:

(1) 由于降水与河流水文特征有密切关联,首先判断地下水动态与地表水文之间的关系。若满足观测井与河流之间的距离小于河流影响带宽度、河水位大于地下水位且河水位与地下水位之间的相关系数r1≥0.6,此时地下水位受河流影响显著,河水位对地下水位动态起主要控制作用,可判断地下水动态成因类型为水文型。

(2) 若观测井地下水位动态特征不符合上述的水文型条件时:

① 当地下水位与降水量之间的相关系数r2≥0.6,说明地下水位动态变化受降水影响显著,降水对地下水位动态起主要控制作用,可判断地下水动态成因类型为降水入渗型。

② 当0.4≤r2<0.6时,地下水位受降水影响仍较大,但明显受到其他因素(在本区主要是排泄项)的影响。对于排泄项的确定,首先需要分析地下水是否存在蒸发现象,若地下水平均埋深值较浅,小于极限蒸发深度的50%,一方面说明地下水存在较大强度的蒸发排泄,另一方面说明地下水不存在大规模开采现象,可判断地下水动态成因类型为降水入渗-蒸发型。

③ 当0.4≤r2<0.6时,若地下水位埋深大于等于极限蒸发深度的50%,地下水蒸发作用微弱,则考虑地下水以径流排泄为主,可判断地下水动态成因类型为降水入渗-径流型。

④ 当0≤r2<0.4时,则重点考虑人工开采对地下水位动态变化的影响较大,已大部分抵消了降水入渗对地下水位动态变化的影响,即排泄项以人工开采为主,补给项以降水入渗为主,地下水位动态变化受降水入渗与人工开采的共同作用,可判断地下水动态成因类型为降水入渗-开采型。

⑤ 当r2<0时,地下水位与降水量为负相关关系,与天然情况下两者之间的相关系数具有较大的差异,而蒸发和径流对地下水动态变化的影响不足以使得相关系数发生如此大的变化,考虑是地下水位动态变化受人工开采影响显著造成的,可判断地下水动态成因类型为人工开采型。

4 研究区地下水动态成因类型判断

4.1 典型地下水动态成因类型分析

根据以上定性判别逻辑和定量判断规则,首先分析了2015年研究区内57个观测点的地下水动态成因类型(图4),结果表明:水文型占3.5%,主要分布在松花江沿岸；降水入渗型占24.6%,主要分布在西部和南部的剥蚀台地及佳木斯市附近的泥沙砾质低平原；降水入渗-径流型占10.5%,主要分布在河流附近的砂砾石河谷平原、泥沙砾质低平原；降水入渗-蒸发型占5.3%,主要分布在西部和南部的剥蚀台地及佳木斯市附近的砂砾石河谷平原；降水入渗-开采型占19.3%,分布较为广泛,主要分布在南部的泥沙砾质低平原、南部边界的剥蚀台地及西北部冲积-洪积平原；人工开采型占比最大,达36.8%,主要分布在北部和中南部的泥沙砾质低平原、西部的剥蚀台地、东部的冲积湖积低平原。对应上述6种地下水动态成因类型,分别选择典型观测井分析综合判断方法的可靠性(表1、图5)。

图4 2015年地下水动态成因类型分布Fig.4 Distribution of the genetic type of groundwater dynamic in 2015

图5 2015年典型观测井地下水位动态Fig.5 Groundwater level dynamic map of typical observation wells in 2015

6个典型观测井地下水动态成因类型判别结果的合理性分析表明,本文所提出的基于水文地质条件定性分析与基于观测数据定量分析相结合的方法,符合研究区的实际水文地质条件以及地下水动态成因机制。

4.2 相比传统定性分析方法的优势

对于地下水动态特征表现并不典型的地下水动态成因类型,综合判别方法仍表现出较好的判断能力。例如,2015年观测井Ob55年内地下水位变化平缓,年内变幅相对较小(图6),若按照地下水动态曲线特征进行判断,地下水动态成因类型易被判断为径流型。然而,该井点位于研究区西北部的冲积-洪积平原地区,距离河流较远；地下水类型为第四系孔隙潜水,含水层岩性主要为砂及砂砾石,渗透性较好,地下水径流条件好；上部覆盖有厚度1～3 m的亚黏土,大气降雨入渗补给条件相对较好,地下水位埋藏深度大于4 m,蒸发作用可以忽略；定量分析表明,地下水位与降水量的相关系数为0.07,按照判断规则,该观测点地下水动态成因类型为降水入渗-开采型。

图6 Ob55观测井地下水位动态(2015年)Fig.6 Groundwater level dynamic map of Ob55 observation well in 2015

根据观测孔的地下水动态图可知:1—3月为冻结期,含水层无法接受降水入渗补给而导致地下水位缓慢下降；4月地下水位小幅度上升,考虑是受春季融雪入渗影响；5月进入丰水季节,但此时正处于农灌期,大量开采地下水导致地下水位不升反降；6—8月地下水位出现小幅度上升,说明受大气降水入渗补给及地下水开采强度降低的共同影响,地下水位有一定的恢复；8月以后,地下水位随降水量的减少呈缓慢下降趋势。该观测点水位埋深较大,蒸发作用可忽略,所表现出的地下水动态曲线特征是降水入渗与人工开采的共同作用叠加造成,动态成因类型确定为降水入渗-开采型更为合理。进一步证明,基于水文地质条件定性分析与实测数据定量分析结合的综合判别方法,能更加科学地辨识出地下水动态变化的驱动因子。

5 地下水动态成因类型变化趋势分析

地下水动态受各种因素影响而处于不断变化过程中,地下水动态成因类型也可能随之改变。基于同样的57个地下水动态观测点等多源数据,确定2011年地下水动态成因类型,并与2015年相对比(表2),结果表明:自2011年至2015年,地下水动态成因类型中降水入渗-蒸发型与降水入渗-开采型占比不变；降水入渗型占比减少12.2%；降水入渗-径流型占比减少3.5%；水文型增加3.5%；而人工开采型占比增加12.2%,即地下水动态成因类型在整体上呈现从天然成因类型向受人类活动影响成因类型转变的趋势,说明人工开采占地下水排泄的比重显著增加,人类开采活动对地下水动态的影响在逐渐增强。

表2 2011—2015年地下水动态成因类型占比变化 %

对比2015年与2011年地下水动态成因类型,存在如下转化途径(图7):① 2015年相比2011年降水量明显增多,浅埋区地下水与大气降水联系更加密切,地下水位受降水入渗补给影响增强,部分观测点的地下水动态成因类型从降水入渗-径流型、降水入渗-蒸发型转化为降水入渗型；② 受2015年降水量增加的影响,部分河段河水位高于地下水位,出现河水补给地下水的情况,因此个别观测点地下水动态成因类型从降水入渗型转化为水文型；③ 2015年降水量增加,地下水开采需求有所减弱,降水入渗补给对地下水动态的影响显著增强,部分观测点地下水动态成因类型从降水入渗-开采型转化为降水入渗型和降水入渗-径流型；④ 研究区2000年以来加大实施旱田改水田[20],尤其在2011—2015年间,在耕地面积几乎不变的情况下,水旱田面积变化十分显著,旱田面积从85.99万hm2(占比72.91%)减少到74.00万hm2(占比61.90%),水田面积从31.95万hm2(占比27.09%)增加到45.54万hm2(占比38.10%)。种植水稻需要大量开采地下水,使得大量天然地下水动态成因类型向受人类活动影响的地下水动态成因类型转化,这样的变化趋势也表明研究区地下水超采风险正在累积。因此,对人工开采型的地下水动态成因类型集中分布区,应加强对地下水超采的监测与评价,以便及时开展相应的管控。

图7 地下水动态成因类型由2011年向2015年的转变路径与数量Fig.7 Transformation path and well numbers of the genetic type of groundwater regime from 2011 to 2015

6 结 论

(1) 三江平原松花江流域地下水动态成因类型划分为6类:水文型、降水入渗型、降水入渗-蒸发型、降水入渗-径流型、降水入渗-开采型和人工开采型。自2011年至2015年,研究区地下水动态成因类型中,降水入渗型减少12.2%、降水入渗-径流型减少3.5%、水文型增加3.5%、人工开采型增加12.2%,表明人工开采对地下水动态的影响显著增强。

(2) 基于水文地质条件定性分析与实测数据定量分析相结合的思路,本文所提出的地下水动态成因类型综合判别方法,可有效辨识地下水动态与影响因素间的逻辑和数量关系,避免了单纯定性判别方法易受主观因素影响、单纯定量判断方法易受资料限制的缺陷,从而提高判别结果的科学性和准确性。

(3) 本文所提方法适用于平原地区松散岩类孔隙潜水,大气降水入渗和地表水入渗是地下水的主要补给来源,人工开采、蒸发和侧向径流作为主要排泄去路。对于深层地下水或干旱、冰冻区等复杂或特殊条件地区,需要在判断标准方面做进一步探索。