蘇 喬,徐興永,陳廣泉,付騰飛,劉文全

(1.海洋沉積與環(huán)境地質(zhì)國(guó)家海洋局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島266061;2.國(guó)家海洋局第一海洋研究所,山東青島266061;3.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室海洋地質(zhì)過程與環(huán)境功能實(shí)驗(yàn)室,山東青島266061)

潮汐作用對(duì)萊州灣南岸冬季地下水位的影響研究

蘇 喬1,2,3,徐興永1,2,3,陳廣泉1,2,3,付騰飛1,2,3,劉文全1,2,3

(1.海洋沉積與環(huán)境地質(zhì)國(guó)家海洋局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島266061;2.國(guó)家海洋局第一海洋研究所,山東青島266061;3.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室海洋地質(zhì)過程與環(huán)境功能實(shí)驗(yàn)室,山東青島266061)

潮汐波動(dòng)具有穩(wěn)定的周期性,當(dāng)?shù)叵滤芷溆绊憰r(shí),這種周期性在地下水位變化中必會(huì)有所反映,但同時(shí)也會(huì)受到人為開采地下水、降雨等因素的影響而很難被識(shí)別出來(lái)。通過譜分析認(rèn)為萊州灣南岸地下水位同潮位共同存在12和24 h兩個(gè)主要周期,采用傅立葉變化與去趨勢(shì)分析結(jié)合的方法提取出了地下水位中受潮汐影響的頻率成分,并利用自相關(guān)分析的方法對(duì)處理后的地下水位數(shù)據(jù)與潮位數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果顯示,雖然萊州灣南岸地下水受人為開采地下水影響顯著,但通過去除長(zhǎng)期趨勢(shì)和提取頻率的方法可以有效提取冬季地下水位中受潮汐作用影響的因素,從而為其他研究提供了一種有效的原始數(shù)據(jù)處理方法。

海水入侵;潮汐波動(dòng);地下水位;交叉譜;自相關(guān)

在世界范圍內(nèi),海水入侵已經(jīng)成為海岸帶地區(qū)主要自然災(zāi)害之一,迄今為止,全世界已有幾十個(gè)國(guó)家和地區(qū)發(fā)現(xiàn)了海水入侵問題,如美國(guó)、澳大利亞、黎巴嫩、以色列、日本和埃及等[1]。海水入侵的研究開始于19世紀(jì)末,但是早期大多數(shù)研究成果都是在假定海平面靜止,即不考慮潮汐波動(dòng)影響的基礎(chǔ)上得出的[2-6]。

實(shí)際上,潮汐波動(dòng)是海岸帶水文地質(zhì)的一個(gè)基本組成部分,同時(shí)也是海岸帶含水層中地下水流動(dòng)的一個(gè)重要驅(qū)動(dòng)力[7-8]。由于潮汐波動(dòng)具有穩(wěn)定的周期性,因此其對(duì)近岸地下水的影響是可以預(yù)測(cè)的,許多學(xué)者在數(shù)值模擬中也逐漸開始考慮潮汐作用的影響,Acworth等[9]與Morrow等[10]研究認(rèn)為咸淡水界面受潮汐作用移動(dòng)范圍較小,但對(duì)咸淡水混合區(qū)的結(jié)構(gòu)和厚度影響顯著。海灘的地貌和地層特征也是影響潮汐對(duì)濱海地下水作用的重要因素[11-13]。但這些研究往往設(shè)置嚴(yán)格的限制條件,或?qū)Τ毕▌?dòng)和地層條件進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。

時(shí)間序列分析能有效地分析水文進(jìn)程的時(shí)間變化模式和含水層系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)特征[14]。Lanyon等[15]用來(lái)分析了澳大利亞臥龍崗南沙灘剖面處潛水位隨海潮水位的變化過程。Kim等[16]分析了濱海地區(qū)地下水水位、電導(dǎo)率等隨海潮潮水位的變化特征,得出了濱海地區(qū)地下水水質(zhì)主要受潮汐控制的結(jié)論。Kim等[17]在韓國(guó)濟(jì)州島東部根據(jù)時(shí)間序列分析,認(rèn)為潮汐對(duì)地下水位的影響可達(dá)到距離海岸線3 km的內(nèi)陸。Park等[18]利用時(shí)間序列分析方法、并結(jié)合水位與電導(dǎo)率數(shù)據(jù),強(qiáng)調(diào)了持續(xù)開采地下水會(huì)加劇朝鮮半島西部沿海破碎基巖含水層的海水入侵。在中國(guó),也有多位學(xué)者在不同地區(qū)進(jìn)行了潮汐對(duì)地下水的影響研究,如周訓(xùn)等通過譜分析認(rèn)為濱海含水層地下水位滯后于海潮的時(shí)間,并隨海岸距離的增加近似呈線性增加[19];阮傳俠等對(duì)北海地區(qū)海潮引起的濱海含水層地下水位變化動(dòng)態(tài)特征進(jìn)行了研究,認(rèn)為地下水位波動(dòng)幅度小于海潮,并且隨距海岸距離的增加呈負(fù)指數(shù)衰減[20];付叢生等采用互相關(guān)分析、譜分析、Mallat分解重構(gòu)等方法分析了潮汐對(duì)地下水位波動(dòng)振幅的影響,認(rèn)為微承壓水水位相對(duì)海潮延遲時(shí)間為7.0 h,波動(dòng)振幅為海潮的1/100[21];高茂生等對(duì)潮汐作用下的濱海濕地淺層地下水動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了研究,認(rèn)為受潮汐影響,海岸帶濕地淺層地下水具有復(fù)雜的周期性和趨勢(shì)性變化[22]。雖然這些研究通過時(shí)間序列分析取得了一系列成果,但是他們大多對(duì)自然狀態(tài)下潮汐與地下水位的關(guān)系進(jìn)行了分析,對(duì)于人為干擾較為強(qiáng)烈的情況下的案例并沒有做更進(jìn)一步研究。本論文選取了一個(gè)受人為活動(dòng)影響強(qiáng)烈的濱海含水層案例,對(duì)地下水位與潮汐之間的關(guān)系進(jìn)行了分析。

1 研究區(qū)概況

萊州灣位于中國(guó)山東省沿海的西北部,冬季受寒潮影響較大,氣候寒冷,夏季比較炎熱,大陸性氣候特征顯著。萊州灣海區(qū)波浪主要受季風(fēng)控制,全海區(qū)的波浪以風(fēng)浪為主,出現(xiàn)頻率在80%以上。萊州灣海區(qū)的潮汐為不正規(guī)混合半日潮,漲潮流向西南,退潮流向東北,潮汐日不等為高潮不等。

萊州灣南岸地區(qū)具有豐富的地下鹵水資源,雖然對(duì)于當(dāng)?shù)氐叵蔓u水的成因還存在爭(zhēng)議,但研究人員一致認(rèn)為海水為其主要礦物質(zhì)來(lái)源[23]。晚更新世以來(lái)本地區(qū)長(zhǎng)期處于沉降活動(dòng)過程中,張祖陸等對(duì)晚更新世和全新世海相、陸相地層進(jìn)行了系統(tǒng)研究,認(rèn)為該地區(qū)存在3次大規(guī)模海侵,并確定了入侵的范圍,3次海侵海退過程對(duì)應(yīng)形成了多層地下鹵水[24]。研究區(qū)內(nèi)地下鹵水主要賦存于第四系海相地層的松散沉積物中,含水層巖性主要由粉砂、細(xì)砂、泥質(zhì)粉細(xì)砂組成,地下鹵水分布面積約1 500 km2,礦化度為50～150 g/L,最高達(dá)到217 g/L。鹵水層自上而下分為潛水鹵水層組、上承壓鹵水層組和下承壓鹵水層組,埋藏深度分別為0～20 m,30～45 m和40～60 m,部分地段還存在一個(gè)薄層承壓鹵水層,深度在60 m以下[24]。其中,潛水鹵水層賦存于全新世海相層的砂質(zhì)粉砂層中,且與海水相通連,礦化度相對(duì)較低。由于地下鹵水濃度遠(yuǎn)超海水濃度,因此當(dāng)?shù)卮罅块_采地下鹵水進(jìn)行鹽化工生產(chǎn)和原鹽生產(chǎn),目前開采層主要集中于上承壓鹵水層,由于該層鹵水資源逐漸枯竭,部分新井已開采至下承壓鹵水層。鹽業(yè)生產(chǎn)受氣溫影響非常顯著,冬季為生產(chǎn)的低潮期,因此在研究時(shí)間段內(nèi)地下鹵水的開采量基本處于全年的最低值。

為保證獲取潮汐作用對(duì)濱海地區(qū)地下水影響的更為準(zhǔn)確的資料,盡可能的排除人為干擾,我們選擇將研究剖面設(shè)置在萊州灣南岸的昌邑市海洋生態(tài)特別保護(hù)區(qū)(圖1)。昌邑海洋生態(tài)特別保護(hù)區(qū)位于山東省濰坊市北部,主要由堤河以東、海岸線以下的灘涂組成,區(qū)內(nèi)保持了較為完整的海岸帶原始風(fēng)貌,并且人為作用對(duì)地下水的干擾相對(duì)穩(wěn)定。

2 材料與方法

在萊州灣南岸利用Cera-Diver探頭共采集6口觀測(cè)井的地下水位數(shù)據(jù)(圖1),其中W1井位于平均高潮線上,W2～W6距W1直線距離分別為335,1 015,1 550,2 010和2 370 m,各觀測(cè)井深度在12～13 m,均在潛水層。在研究區(qū)東南分布有大量鹽田,W6井距離鹽田最近,僅有約1.5～1.8 km。2013-12-14T 17:00—2014-01-31T23:00,對(duì)W1～W6井地下水位進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)1 159 h,每小時(shí)獲取次地下水位;相應(yīng)的潮位數(shù)據(jù)來(lái)源于濰坊市海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)站濰坊港潮位站,該潮位站位于觀測(cè)井西北方向約20 km,為距離觀測(cè)井周圍最近的潮位站,潮位的觀測(cè)時(shí)間同地下水位測(cè)量時(shí)間一致。在觀測(cè)時(shí)間段內(nèi),研究區(qū)沒有有效降雨。

潮汐波動(dòng)是有規(guī)律的周期性波動(dòng),萊州灣海區(qū)的潮汐為不正規(guī)混合半日潮,在頻譜上應(yīng)該有兩個(gè)主要頻率成分,當(dāng)?shù)叵滤艹毕▌?dòng)的影響,則在這兩個(gè)頻率上將有所反映。譜分析就是一個(gè)序列分解成一系列代表固定長(zhǎng)度周期的頻率,交叉譜分析則是分析兩個(gè)時(shí)間序列之間頻率相關(guān)性程度的譜分析方法。利用軟件Arand for Windows計(jì)算潮位與地下水位之間的交叉譜函數(shù)來(lái)證明地下水同潮汐波動(dòng)之間的頻率相關(guān)性。

圖1 研究區(qū)域與觀測(cè)井分布Fig.1 Study area and locations of monitoring wells

研究區(qū)地下水位受當(dāng)?shù)亻_采地下鹵水影響顯著,由于地下鹵水開采的季節(jié)性變化,在地下水位上反映出較強(qiáng)的線性趨勢(shì),這種由于人為干擾形成的線性趨勢(shì)的存在嚴(yán)重干擾我們對(duì)地下水位和潮汐波動(dòng)之間關(guān)系的分析,因此有必要在數(shù)據(jù)分析前消除掉這種干擾因素。軟件Matlab集成了眾多可用于數(shù)學(xué)計(jì)算及信號(hào)處理的函數(shù),我們直接采用Matlab中Detrend函數(shù)來(lái)去除地下水位中的線性趨勢(shì)。

潮汐波動(dòng)是有規(guī)律的周期性數(shù)據(jù),在自然狀態(tài)下,濱海地區(qū)一定范圍內(nèi)的地下水位也應(yīng)存在這種規(guī)律,對(duì)此Kim等[16]等通過時(shí)間序列分析已經(jīng)驗(yàn)證。但是在人為干擾情況下,這種周期性規(guī)律受到干擾,因此需要將地下水位中受潮汐影響的因素提取出來(lái)。我們采用傅立葉變換的方法將地下水位的時(shí)間序列數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為頻率譜,并從中提取出地下水位中同潮汐波動(dòng)一致的頻率信息,然后再通過傅立葉逆變換轉(zhuǎn)換為時(shí)間序列數(shù)據(jù)。地下水位頻率的提取與變換通過Matlab編程實(shí)現(xiàn)。

自相關(guān)分析可以部分地反映一個(gè)隨機(jī)過程的性質(zhì),表達(dá)在一個(gè)序列中鄰近數(shù)據(jù)之間存在的相關(guān)性。如果這個(gè)時(shí)間序列是不相關(guān)的,自相關(guān)函數(shù)將會(huì)快速減少,并且在一個(gè)較短時(shí)間滯后后達(dá)到零值,如果這個(gè)時(shí)間序列具有很強(qiáng)的相關(guān)性和長(zhǎng)記憶效應(yīng),時(shí)間序列函數(shù)將是一個(gè)緩慢降低的斜率,并且在一個(gè)長(zhǎng)滯后時(shí)間后仍是一個(gè)非零值[25]。本文通過自相關(guān)分析來(lái)驗(yàn)證地下水位周期性提取的有效性。由Kim等[17]和Tularam和Keeler[26]可知自相關(guān)函數(shù)的公式:

3 結(jié)果與討論

3.1 地下水位和潮位的時(shí)間變化

在頻率分析中,當(dāng)平均值分量幅度很大而想重點(diǎn)分析的頻段幅值又較小時(shí),為了提高對(duì)有用信號(hào)分析的準(zhǔn)確度,就需要預(yù)先減去信號(hào)平均值。由于潮汐對(duì)地下水位影響比較微弱,因此在分析前,我們首先對(duì)各監(jiān)測(cè)井地下水進(jìn)行減掉平均值處理,利用分別減掉平均值的地下水位值作為各觀測(cè)井的相對(duì)水位,同時(shí)利用潮位觀測(cè)數(shù)據(jù)減掉平均值作為相對(duì)潮位數(shù)據(jù),將處理后的相對(duì)水位和相對(duì)潮位作為本論文分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(為方便描述,以下將“相對(duì)”二字省略)。

研究區(qū)海域潮位隨時(shí)間變化曲線見圖2,潮位隨時(shí)間變化結(jié)果顯示該地潮汐為顯著的不規(guī)則半日潮,潮汐日不等主要表現(xiàn)為高潮不等,即每隔約12 h存在一個(gè)潮汐周期,而相鄰兩個(gè)潮汐周期的潮位振幅并不相等,即存在一個(gè)相對(duì)高潮期,一個(gè)相對(duì)低潮期;相隔潮位周期的振幅基本相等,說明除存在一個(gè)約12 h周期外,還有一個(gè)約24 h的周期。在觀測(cè)時(shí)間范圍內(nèi),潮位波動(dòng)較為規(guī)律,振幅沒有發(fā)生劇烈變化,最大潮差為319 cm。

從各監(jiān)測(cè)井地下水位隨時(shí)間變化特征(圖2)可知,W1～W3井的地下水位在觀測(cè)期內(nèi)整體趨勢(shì)基本一致,即地下水位具有波動(dòng)性上升的趨勢(shì),并且W1～W3井地下水位的波動(dòng)范圍比較接近,觀測(cè)期內(nèi)W1～W3井最大水位差分別為115.7,77.7和92.7 cm。同W1～W3井水位變化不同的是,W4～W6井地下水位在觀測(cè)期內(nèi)整體上升趨勢(shì)不明顯,甚至有小幅下降的趨勢(shì),水位變化范圍也較小,W4～W6井觀測(cè)期內(nèi)最大水位差分別為44.8,31.8和26.1cm。W4～W6井最大水位差不到W1～W3井的1/2。

圖2 監(jiān)測(cè)井水位和潮位數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化曲線Fig.2 The Variations of the tide level and groundwater level with time in monitoring wells

從總體上看,W1～W6井地下水位的變化趨勢(shì)有所差異,但共同特點(diǎn)是在觀測(cè)300 h開始逐漸下降,到400 h時(shí)均出現(xiàn)相對(duì)低值,400～700 h是地下水位快速上升期,700 h后水位變化又出現(xiàn)較大差異。我們知道,鹽業(yè)生產(chǎn)受氣候和氣溫的影響非常顯著,冬季為萊州灣南岸地區(qū)鹽業(yè)生產(chǎn)的低潮期,因此在研究時(shí)間段內(nèi)當(dāng)?shù)氐叵蔓u水的開采量基本處于全年的最低值,與此同時(shí)海平面則保持基本平穩(wěn)的狀態(tài),也沒有風(fēng)暴潮等異常現(xiàn)象的干擾,地下鹵水開采量的減少導(dǎo)致地下水位逐漸回升。開始觀測(cè)至300 h,以及400～700 h觀測(cè)范圍內(nèi)的水位的上升主要反映了鹵水開采量的減少導(dǎo)致的潛水位回升,而300～400 h地下水位的下降以及700 h以后的水位較大波動(dòng),我們認(rèn)為應(yīng)與當(dāng)?shù)氐叵蔓u水開采量變化有關(guān),在當(dāng)?shù)佧u水開采量可能存在某種原因的突然增加過程。

3.2 交叉譜分析

圖3分別展示了W1～W6井水位同潮位數(shù)據(jù)之間的交叉譜分析結(jié)果,從潮位數(shù)據(jù)的譜密度分析結(jié)果來(lái)看,潮位數(shù)據(jù)存在兩個(gè)主要的波峰,頻率分別大約為0.083和0.042,分別對(duì)應(yīng)約12和24 h的周期,同圖2潮位數(shù)據(jù)振幅譜圖中顯示的周期相一致。

圖3 W1～W6井水位與潮位的譜密度與交叉譜分析結(jié)果圖Fig.3 The cross spectral analysis of water level and tidal level in monitoring wells

W1～W6地下水位的譜密度分析結(jié)果顯示,在頻率為大約0.083和0.042時(shí)也存在較為明顯的波峰,同潮位譜密度相同,同時(shí)也與圖2中各監(jiān)測(cè)井地下水位頻率振幅圖具有相同規(guī)律。同潮位譜密度的區(qū)別在于地下水位在小于0.042頻率上也存在較大的譜密度,我們認(rèn)為這主要與人為因素的干擾有關(guān),人為因素的干擾造成了長(zhǎng)期趨勢(shì)的存在,在低頻率譜上顯示高密度特征。

從交叉譜分析結(jié)果(圖3)還可以看出,在約0.042和0.083頻率上,即約24和12 h周期,W1～W6井地下水位同潮位數(shù)據(jù)的交叉譜分析均通過了80%置信度檢驗(yàn),說明W1～W6均受到潮汐12和24 h周期的顯著影響。同0.042的頻率相比,0.083頻率上相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)值普遍偏低,說明在12 h的周期上,W1～W6井地下水位受潮汐影響不如24 h周期明顯。

3.3 數(shù)據(jù)處理與自相關(guān)分析

潮位資料自相關(guān)分析結(jié)果見圖4,分析結(jié)果進(jìn)一步加強(qiáng)了我們對(duì)12和24 h潮汐周期的認(rèn)識(shí),潮位數(shù)據(jù)相鄰兩個(gè)正峰值或負(fù)峰值相差大約12,但相鄰峰值并不相等,而與相隔一個(gè)峰值數(shù)據(jù)基本一致,負(fù)峰值與正峰值具有相似特征。隨滯后時(shí)間增加,自相關(guān)系數(shù)具有波動(dòng)性逐漸減小的總體趨勢(shì),這與Kim[17]和Tularam等[26]研究相一致。

從圖4可以看出,W1井地下水位自相關(guān)曲線沒有明顯趨勢(shì),周期性也不明顯,從圖2我們知道W1井水位具有顯著的長(zhǎng)期趨勢(shì),長(zhǎng)期趨勢(shì)的存在使其受潮汐作用的周期性不明顯。因此我們首先需要對(duì)W1曲線進(jìn)行去長(zhǎng)期趨勢(shì)處理,處理后的水位和自相關(guān)曲線見圖4c和4d,顯然,去掉長(zhǎng)期趨勢(shì)后,水位曲線上升趨勢(shì)消失,但自相關(guān)曲線變化并不明顯。

從交叉譜分析結(jié)果可知,W1井水位具有同潮位數(shù)據(jù)具有相同的12和24 h周期,即頻率約0.042和0.083,我們認(rèn)為0.035～0.085的頻率基本能覆蓋水位中受潮汐波動(dòng)影響的頻率成分,采用傅里葉變換和逆變換的方法從W1井水位中提取0.035～0.085頻率,變換后的原始曲線和自相關(guān)曲線見圖4e和圖4f,變換后的水位曲線周期明顯,但序列兩端水位出現(xiàn)異常,說明受長(zhǎng)期趨勢(shì)的影響顯著,自相關(guān)系數(shù)也呈明顯周期性,但隨滯后時(shí)間衰減迅速,并且峰值沒有明顯規(guī)律。

單純?nèi)ラL(zhǎng)期趨勢(shì)和濾波都不能有效提取出水位中受潮汐影響的因素,因此我們考慮結(jié)合以上兩種方法,采用先去除長(zhǎng)期趨勢(shì),后提取0.035～0.085頻率的方法,對(duì)W1水位數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,處理后水位曲線和自相關(guān)曲線見圖4g和圖4h,處理后的水位數(shù)據(jù)同潮位數(shù)據(jù)曲線基本相似,自相關(guān)曲線也基本一致,說明我們這種處理方法基本消除了人為因素的干擾,有效地提取了W1地下水位中潮汐作用的影響因素。圖4h中自相關(guān)曲線隨滯后時(shí)間減弱的趨勢(shì)比潮位自相關(guān)曲線更強(qiáng),說明隨時(shí)間的推移,潮汐作用對(duì)W1地下水位的影響逐漸自然減弱。此外,地下水位自相關(guān)系數(shù)沿水平軸并不是均勻波動(dòng),相鄰兩個(gè)峰值相比正值一般要大于負(fù)值絕對(duì)值,說明在高潮時(shí)潮汐對(duì)地下水位的影響要比低潮時(shí)更強(qiáng)。

從圖3我們知道W2～W6的譜分析和交叉譜分析同W1基本一致,為方便比較,我們也對(duì)W2～W6井地下水位數(shù)據(jù)進(jìn)行去除長(zhǎng)期趨勢(shì)和提取0.035～0.085頻率處理,結(jié)果見圖5。處理后,W1～W6水位隨時(shí)間波動(dòng)明顯,均存在12和24 h的周期,同潮位數(shù)據(jù)峰值規(guī)律一致。此外沿海岸帶向陸地方向(W1～W6),地下水位振幅逐漸減小,說明潮汐作用對(duì)地下水位的影響逐漸減小。

圖4 潮位與不同處理下W1井水位自相關(guān)曲線圖Fig.4 The changes of water level after different data processing and the corresponding autocorrelation curve

圖5 W1～W6井水位經(jīng)去長(zhǎng)期趨勢(shì)并提取0.035～0.085之間頻率后振幅圖Fig.5 Groundwater level amplitude after removing the trend and filtering

3.4 潮汐對(duì)地下水位的影響

在通常狀況下采用振幅比較2個(gè)信號(hào)的大小,但這多是針對(duì)連續(xù)信號(hào)而言。在本研究中,一方面由于潮位觀測(cè)數(shù)據(jù)和各井地下水位觀測(cè)數(shù)據(jù)均為離散數(shù)值,另一方面,雖然我們通過去除長(zhǎng)期趨勢(shì)而后濾波的方法,有效提取出了地下水位中受潮汐波動(dòng)影響的因素,但在原始狀態(tài)下,地下水位波動(dòng)并不單純只受潮位控制,還受到其它多種因素影響,本案例中主要為人為開采地下鹵水,雖然從長(zhǎng)期來(lái)看,地下鹵水的開采量是相對(duì)穩(wěn)定的,但在較短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)振幅的異常波動(dòng)是難以避免的,也是難以預(yù)測(cè)的。基于這種考慮,單純的振幅比較只能突出各個(gè)監(jiān)測(cè)井地下水位的異常情況,而難以全面反映地下水位整體上的波動(dòng)特征。

因此,我們采用平均偏差這個(gè)指標(biāo)來(lái)度量各個(gè)監(jiān)測(cè)井中地下水位的波動(dòng)大小。平均偏差代表一組測(cè)量值中任意數(shù)值的偏差,是指單次測(cè)定值與平均值的偏差(取絕對(duì)值)之和,除以測(cè)定次數(shù),從某種意義上來(lái)說,我們可以將其看成一個(gè)離散信號(hào)的平均振幅的概念,它能從整體上反映一個(gè)信號(hào)的波動(dòng)情況。

地下水位的波動(dòng)相對(duì)于潮汐存在時(shí)間滯后性,并且隨其距海岸線距離呈三階多項(xiàng)式上升,而潮汐波動(dòng)對(duì)地下水位波動(dòng)的影響必然也與其距海岸線距離有關(guān)。從各觀測(cè)井地下水位平均偏差與其距平均高潮線距離的關(guān)系來(lái)看(圖6),水位波動(dòng)的大小基本與其水平距離呈線性關(guān)系,隨著距平均高潮線水平距離的增加,潮汐對(duì)地下水位的影響逐漸降低,曲線斜率為-0.000 130 8,R2值達(dá)到0.976 7,擬合效果比較理想。

圖6 水位平均偏差與距平均高潮線水平距離的關(guān)系Fig.6 The relationship between the average deviation of the water level and the horizontal distance from the mean high-tide line

4 結(jié) 論

時(shí)間序列分析地下水位變化是分析潮汐作用對(duì)地下水的影響機(jī)制的一個(gè)重要途徑,但是在實(shí)際案例中,地下水位的變化往往并不是只受到潮汐這一單一因素的影響,同時(shí)還會(huì)受到諸如人為抽取地下水、降雨等其他因素的影響,這些因素的存在通常會(huì)影響時(shí)間序列分析的結(jié)果。本文通過交叉譜分析的方法對(duì)萊州灣南岸冬季地下水位同潮位的周期關(guān)系進(jìn)行了分析,認(rèn)為地下水位同潮位共同存在12 h和24 h兩個(gè)主要周期,地下水位受潮汐影響的周期性隨向陸地方向距離的增加逐漸減弱,并且24 h的周期比12 h的周期在地下水位中的表現(xiàn)更為強(qiáng)烈。在去除地下水位中的長(zhǎng)期趨勢(shì)后,通過傅里葉變換和逆變換的方法提取出了地下水位中0.035～0.085的頻率成分,然后利用自相關(guān)分析的方法對(duì)處理后的地下水位數(shù)據(jù)與潮位數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析,結(jié)果顯示在受多種因素影響的萊州灣南岸地區(qū),通過去除長(zhǎng)期趨勢(shì)和提取頻率的方法可以有效獲取冬季地下水位中受潮汐作用影響的因素,從而為其它研究提供了一種有效的原始數(shù)據(jù)處理方法。

從各井經(jīng)去除長(zhǎng)期趨勢(shì)和提取頻率后的地下水位振幅變化來(lái)看,W1～W6井振幅逐漸減小,說明本研究剖面上各監(jiān)測(cè)井水位均受到潮汐波動(dòng)不同程度的影響,水位波動(dòng)的大小基本與其距平均高潮線的水平距離呈線性關(guān)系,隨著距離的增加,潮汐對(duì)地下水位的影響逐漸降低。

[1] WERNER A D,BAKKER M,POST V E A.Seawater intrusion processes,investigation and management:ecent advances and future challenges[J].Advances in Water Resources,2013,51(1):3-26

[2] HERNY H R.Effects of dispersion on saltwater encroachment in coastal aquifers[J].US Geological Survey,Water Supply Paper,1964:1613.

[3] PINDER G F,PAGE R H.Finite element simulation of salt water intrusion on the South Fork of Long Island[J].Finite Elements in Water Resources,1977:251-269.

[4] YAKIREVICH A,MELLOUL A,SOREK S.Simulation of seawater intrusion into the khan yunis area of the gaza strip coastal aquifer[J].Hydrogeology Journal,1998,6(4):549-559.

[5] SADEG S,KARAHANO DH LU N.Numerical assessment of seawater intrusion in the Tripoli Region,Libya[J].Environmental Geolo-gy,2001,40(9):1151-1168.

[6] BARNETT T P,PIERCE D W,HIDALGO H G.Human-induced changes in the hydrology of the western united states[J].Science,2008,319(5866):1080-1083.

[7] ATAIE-ASHTIANI B,VOLKER R E,LOCKINGTON D A.Tidal effects on sea water intrusion in unconfined aquifers[J].Journal of Hydrology,1999,216(1):17-31.

[8] GUO H,JIAO J J,LI H.Groundwater response to tidal fluctuation in a two-zone aquifer[J].Journal of Hydrology,2010,381(3-4):364-371.

[9] ACWORTH R I,HUGHES C E,TURNER I L.A radioisotope tracer investigation to determine the direction of groundwater movement adjacent to a tidal creek during spring and neap tides[J].Hydrogeology Journal,2007,15(2):281-296.

[10] MORROW F J,INGHAM M R,MCCONCHIE J A.Monitoring of tidal influences on the saline interface using resistivity traversing and cross-borehole resistivity tomography[J].Journal of Hydrology,2010,389(1):69-77.

[11] LI L,BARRY D A,STAGNITTI F.Beach water table fluctuations due to spring--neap tides:moving boundary effects[J].Advances in Water Resources,2000,23(8):817-824.

[12] LI H,BOUFADEL M C,WEAVER J W.Tide-induced seawater--groundwater circulation in shallow beach aquifers[J].Journal of Hydrology,2008,352(1):211-224.

[13] CAREY H,LENKOPANE M K,WERNER A D.Tidal controls on coastal groundwater conditions:field investigation of a macrotidal system[J].Australian Journal of Earth Sciences,2009,56(8):1165-1179.

[14] DUFFY C J,GELHAR L W.A frequency domain analysis of groundwater quality fluctuations:interpretation of field data[J].Water Resources Research,1986,22(7):1115-1128.

[15] LANYON J A,ELIOT I G,CLARKE D J.Groundwater-level variation during semidiurnal spring tidal cycles on a sandy beach[J].Marine and Freshwater Research,1982,33(3):377-400.

[16] KIM J,LEE J,CHEONG T.Use of time series analysis for the identification of tidal effect on groundwater in the coastal area of Kimje,Korea[J].Journal of Hydrology,2005,300(1):188-198.

[17] KIM K,SEONG H,KIM T.Tidal effects on variations of fresh--saltwater interface and groundwater flow in a multilayered coastal aquifer on a volcanic island(Jeju Island,Korea)[J].Journal of Hydrology,2006,330(3):525-542.

[18] PARK H,JANG K,JU J W.Hydrogeological characterization of seawater intrusion in tidally-forced coastal fractured bedrock aquifer[J].Journal of Hydrology,2012,446:77-89.

[19] ZHOU X,RUAN C X,FANG B,et al.Period and lag of the time series of tide and groundwater levels affected by the tide in coastal aquifers[J].Hydrogeology and Engineering Geology,2006(5):71-74.周訓(xùn),阮傳俠,方斌,等.海潮及其影響下海岸帶地下水位時(shí)間序列的周期性和滯后性[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2006(5):71-74.

[20] RUAN C X,ZHOU X,OU Y C,et al.Groundwater level changes of coastal aquifers caused by tides[J].Geological Bulletin of China,2006,25(4):512-515.阮傳俠,周訓(xùn),歐業(yè)成,等.海潮引起濱海含水層地下水位變化的初步研究[J].地質(zhì)通報(bào),2006,25(4):512-515.

[21] F C S,CHEN J Y,ZENG S Q,et al.Statistical analysis on impact of tide on water table fluctuation in coastal aquifer[J].Journal of Hydraulic Engineering,2008(12):1365-1376.付叢生,陳建耀,曾松青,等.濱海地區(qū)潮汐對(duì)地下水位變化影響的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析[J].水利學(xué)報(bào),2008(12):1365-1376.

[22] GAO M S,YE S Y,SHI G J,et al.Oceanic tide-induced shallow groundwater regime fluctuations in coastal wetland[J].Hydrogeology and Engineering Geology.2010(04):24-27.高茂生,葉思源,史貴軍,等.潮汐作用下的濱海濕地淺層地下水動(dòng)態(tài)變化[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2010(04):24-27.

[23] HAN Y S.Quaternary underground brine in the coastal areas of the Northern China[M].Beijing:Science Press,1996.韓有松.中國(guó)北方沿海第四紀(jì)地下鹵水[M].北京:科學(xué)出版社,1996.

[24] ZHANG Z L,NIE X H,LIU E F,et al.The accumulation records of environmental evolution on the salt-water intruded area south of Laizhou Bay since late Pleistocene[J].Geographical Research,2005(1):105-112.張祖陸,聶曉紅,劉恩峰,等.萊州灣南岸咸水入侵區(qū)晚更新世以來(lái)的古環(huán)境演變[J].地理研究,2005(1):105-112.

[25] LEE J,LEE K.Use of hydrologic time series data for identification of recharge mechanism in a Fractured Bedrock Aquifer System[J].Journal of Hydrology,2000,229(3-4):190-201.

[26] TULARAM G A,KEELER H P.The study of coastal groundwater depth and salinity variation using time-series analysis[J].Environmental Impact Assessment Review,2006,26(7):633-642.

Study on the Impact of Tides on Groundwater Table Fluctuation in Coastal Aquifer

SU Qiao1,2,3,XU Xing-yong1,2,3,CHEN Guang-quan1,2,3,FU Teng-fei1,2,3,LIU Wen-quan1,2,
(1.Key Laboratory of Marine Sedimentology and Environmental Geology,Qingdao 266061,China;2.The First Institute of Oceanography,State Oceanic Administration,Qingdao 266061,China;3.Laboratory for Marine Geology,Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology,Qingdao 266061,China)

Tidal fluctuation has a stable periodicity.When the groundwater is influenced by tide,this periodicity will be reflected on the variations of groundwater level.However,in practical cases,it is very difficult to recognize the weak periodicity of groundwater level caused by tidal influence in the coastal regions since it is usually influenced by groundwater exploitation,rainfall and other factors.In this study,the groundwater level was processed by different methods,and the self-correlation analysis was used for verification.The results showed that after the removal of the long-term trends and the filtering process,the data periodicity characteristics of groundwater levels were mostly consistent with the tidal fluctuation.This demonstrated that the information regarding the tidal influence on the groundwater level could be effectively extracted through this method.

seawater intrusion;tidal fluctuation;groundwater level;cross spectrum;self-correlation

September 19,2016

P736

A

1671-6647(2017)04-0568-11

10.3969/j.issn.1671-6647.2017.04.013

2016-09-19

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目——濱海地區(qū)地下水對(duì)潮汐作用的響應(yīng)機(jī)制研究(41406072);中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目——濱海地區(qū)地下水對(duì)潮汐作用的響應(yīng)機(jī)制研究(2015P10)

蘇 喬(1983-),男,山東日照人,助理研究員,博士,主要從事海洋地質(zhì)和第四紀(jì)環(huán)境等方面研究.E-mail:suqiao@fio.org.cn

(陳 靖 編輯)