于致龍,韓輝,宋鴿

(1.遼寧省青山保護(hù)局,遼寧 沈陽 110036;2.遼寧章古臺(tái)科爾沁沙地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測站,遼寧省固沙造林研究所,遼寧 阜新 123000)

水資源是基礎(chǔ)性自然資源。近50年，東北、華北和河套地區(qū)干旱明顯加重[1]，20世紀(jì)90年代以后，華北、東北大部地區(qū)夏季降水顯著減少[2]，持續(xù)的干旱可使地下水位下降，地下可用水逐漸減少[3]，章古臺(tái)地下水位也在下降[4]。關(guān)于地下水位與降水量的關(guān)系有許多人員在研究[5-10]，本文從近20年章古臺(tái)地下水位和降水量的數(shù)據(jù)入手，分析地下水位與降水量的動(dòng)態(tài)變化，對(duì)于該地區(qū)地下水資源的持續(xù)利用和社會(huì)持續(xù)發(fā)展有著極其重要的作用。

1　研究區(qū)概況

遼寧章古臺(tái)科爾沁沙地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測站位于彰武縣北部，地處科爾沁沙地南緣,屬科爾沁沙地的一部分，西遼河橫貫這塊沙地的中部。就其起源屬于古代沖積沙地，是第四紀(jì)冰后期西遼河及其支流泛濫沉積的沙層,后被西遼河下切及泛濫面縮小而形成的砂質(zhì)階地。新中國成立前，這里已由原來的“灌叢成林、草層茂密的肥美草原”變成了“一望無際的白花花的沙坨子”。在20世紀(jì)50年代初期,當(dāng)?shù)剡M(jìn)行了防護(hù)林工程和固沙造林試驗(yàn)，成功營造了以樟子松和楊樹為主要樹種的固沙林和防護(hù)林。土壤以風(fēng)沙土為主，沙土顆粒均勻，沙層厚度126～128 m，沙層的顏色和機(jī)械粒徑成層更迭分布，變化比較明顯，沙土瘠薄。當(dāng)?shù)啬昃鶜鉁?.3 ℃，全年無霜期150～160 d，年均降水量450～500 mm，降水變率大，60%～70%集中在6—8月，年蒸發(fā)量1 553.2 mm，約為降水量的3.27倍。該區(qū)主要代表性植物有五角楓(Acermono)、山里紅(Crataeguspinnatifida)、榆(Ulmuspumila)、大果榆(Ulmusmacrocarpa)、山杏(Armeniacasibirica)、胡枝子(Lespedezabicolor)、差巴嘎蒿(Artemisiahalodendron)、中華隱子草(Cleistogeneschinensis)等。

試驗(yàn)地基本情況見表1。試驗(yàn)地T1為靠近村莊的丘間低地，在2000年以前為樟子松30年生林分，2000年皆伐后自然生草，2006年栽植彰武小鉆楊，地下水位觀測井位于試驗(yàn)地中心位置；試驗(yàn)地T2遠(yuǎn)離村莊，林分為41 a樟子松，經(jīng)過間伐修枝等經(jīng)營措施，現(xiàn)保存密度為290株hm-2，地下水位觀測井位于試驗(yàn)地的東北角；試驗(yàn)地T3靠近村莊，為50 a樟子松種子林，密度一直沒有變動(dòng)，地下水位觀測井位于試驗(yàn)地的東部。

表1　2017年地下水位測量點(diǎn)基本情況

2　測量方法

地下水位觀測利用各實(shí)驗(yàn)地現(xiàn)有的水井，一般水井深度20 m。地下水位和降水量數(shù)據(jù)來自遼寧章古臺(tái)科爾沁沙地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測站。

2.1降水量的測量方法

2.1.1人工測量方法采用雨量器和專用量杯測量。

2.1.2自動(dòng)記錄方法用中國華云CAWS600B自動(dòng)氣象站sl3型雨量傳感器自動(dòng)記錄。

2.2地下水位的測量方法

2.2.1人工測量方法地下水位用地下水埋深表示。地下水埋深為地下含水層中水面到地表的距離，方法是在測繩的一端系上鉛墜，從井口下放到觸及水面以下，記下測繩位于井口的刻度，則該刻度到測繩水浸濕處的長度即為地下水埋深。每月末測量一次，每年的12月末的數(shù)據(jù)為該年地下水埋深數(shù)值。

2.2.2自動(dòng)記錄方法采用CTD地下水位儀自動(dòng)記錄。方法為將CTD地下水位傳感器下放到井的水面以下1～10 m為宜，保證測量數(shù)值在可記錄范圍之內(nèi)。CTD記錄的數(shù)值為地下水面距CTD傳感器的距離，每1 h記錄一次數(shù)據(jù)。地下水位最終的記錄值=人工最初測的地下水位深度+(CTD日值- CTD開始浸入水中記錄的數(shù)值)，CTD日值為1天中24次記錄數(shù)值的平均值。

2.3數(shù)據(jù)處理

采用 Excel 2003 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖1　章古臺(tái)大一間地下水與降水量

3　結(jié)果與分析

3.1年際間地下水位與降水量

試驗(yàn)地T1年際間地下水位與降水量見圖1?？梢钥闯觯杲邓亢湍甑叵滤蛔兎g存在較好的相關(guān)性，在降水量偏少的年份，地下水位下降很明顯。1999—2003年降水量連續(xù)5年小于均值，2006、2007、2009、2011、2014、2017年降水量也小于均值，同時(shí)期地下水位年際間變化為1999—2003年、2006—2009年、2013—2017年下降。在降水量偏多的年份，地下水位下降趨緩或者上升，如2004、2005、2010、2012、2013、2016年降水量明顯大于均值，同時(shí)期地下水位年際間變化為2003—2006年上升，2009—2013年上升，2016地下水位下降趨緩或持平。地下水位呈現(xiàn)出每3～5年上升或者下降交替進(jìn)行的現(xiàn)象。可以說降水入滲是地下水的主要來源。

降水量特別大的年份入滲補(bǔ)水能改變地下水位持續(xù)下降的趨勢或者起到減緩作用，如2008、2016年。同樣，降水量特別小的年份會(huì)加速地下水位的下降趨勢或者起到減緩上升作用，如2007、2011年。

從長周期來看，1999—2017年年均降水量為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]，降水有減少趨勢，地下水位呈現(xiàn)出下降的趨勢。年際間降水量差異越來越大，干旱發(fā)生越來越嚴(yán)重。

3.2年內(nèi)地下水位與降水量變化特征及分析

圖2　1999—2007年章古臺(tái)地下水位和降水量月動(dòng)態(tài)變化

統(tǒng)計(jì)1999—2017年各月降水量均值和地下水埋深均值，見圖2?？梢钥吹?，年內(nèi)地下水位有一定的波動(dòng)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為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為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典型年年內(nèi)降水對(duì)地下水動(dòng)態(tài)影響

降水量累計(jì)值與地下水水位變幅之間存在著相關(guān)關(guān)系，并且相關(guān)關(guān)系在不同的連續(xù)時(shí)段內(nèi)持續(xù)存在高度相關(guān)性[11]。為了了解地下水位變化特征，對(duì)平水年2004年(正常)、豐水年2010年(輕澇)、欠水年2009年(輕旱)地下水位月變幅和年變幅分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表2。這里把平水年定義為正常，豐水年定義為輕澇，欠水年定義為輕旱[12]。

表2　典型年月平均地下水位變幅統(tǒng)計(jì)　m

平水年2004年降水量474.4 mm，地下水位下降，這可能與前幾年連續(xù)干旱有關(guān)，地下水水位年變幅-0.13 m。受降水入滲補(bǔ)給影響，3、7、8和9月地下水位上升，上升月變幅在0.02～0.23 m，其中7月上升幅度最大0.23 m；10、11、12月沒有變化；受樹木蒸騰、土面蒸發(fā)及人為利用影響，1、2、4、5和6月地下水位下降，下降月變幅在-0.01～-0.28 m，其中6月下降幅度最大-0.28 m，見圖3。

圖3　平水年(2004年)地下水水位變幅與降水量過程

豐水年2010年降水量689.2 mm，地下水位上升，地下水位年變輻0.34 m。受降水入滲補(bǔ)給影響，1、2、5、8和9月地下水水位上升，上升月變幅在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，下降月變幅在-0.01～-0.12 m，其中10月下降幅度最大-0.12 m，總體來說，下降各月數(shù)值幅度并不大，見圖4。

圖4　豐水年(2004年)地下水水位變幅與降水量過程

圖5　欠水年(2009年)地下水水位變幅與降水量過程

欠水年2009年降水量285.9 mm，地下水位下降，地下水水位年變幅-0.43 m。只有10月地下水水位上升0.28 m，這可能與8—9月大量抽取地下水澆灌農(nóng)田而10月秋收之后停止抽取地下水有關(guān)；4月沒有變化；1、2、3、5、6、7、8、9、11和12月地下水水位下降，下降月變幅在-0.01～-0.28 m，其中9月下降幅度最大-0.28 m，見圖5。

3.4不同埋深生長季地下水位變化及對(duì)降水的反應(yīng)

2017年降水量346 mm，為欠水年。2017年4—6月降水量總和占同時(shí)段降水均值(1983—2017年)的23.0%，為歷年該時(shí)段所占比例最低值(比例范圍為23%～156%)，5、6月百姓大量抽取地下水澆灌育苗地和農(nóng)田。

圖6　2017年地下水埋深位與降水量

3.4.1試驗(yàn)地T2月際間地下水位與降水量2017年4月末人工測定地下水埋深為8.5 m。圖6中縱坐標(biāo)-8 500 mm處為地下水位深度，從5月1日開始，到10月30日，該處地下水位下降了156 mm。可以看出，從5月初開始到10月末，地下水位一直在下降，從5月中旬到6月中旬，呈現(xiàn)直線下降，從6月中下旬到10月末呈緩慢下降走勢，10月末地下水位為5—10月最低值。其間每次降水，地下水位都有所上升，只是上升的幅度越來越小，在8月3日，降水70.4 mm情況下，只是稍有變動(dòng)，隨后又下降，地下水位波動(dòng)幅度為6～-163 mm，但在圖6中看到的是2條線中下面的一條，略有些向下傾斜的線。說明全年基本上沒有降水補(bǔ)充到地下8 m。

3.4.2試驗(yàn)地T3月際間地下水埋深與降水量T3 4月末人工測定地下水埋深為3.98 m，圖6中縱坐標(biāo)-3 980 mm處為地下水位深度。從5月1日開始到10月30日，該處地下水位下降了114 mm。T3從5月初開始到6月末，地下水埋深呈鋸齒狀下降，每次鋸齒狀上升，都是伴隨著一次降水，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，地下水位明顯上升，這應(yīng)該與該次降水明顯緩解農(nóng)田旱情，農(nóng)民不再抽取地下水澆地有直接關(guān)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，地下水位的升降與降水量有個(gè)滯后過程。8月上中旬達(dá)到5月初的水平。地下水位波動(dòng)幅度為115～-565 mm。

不同埋深地下水位的變化對(duì)降水的反應(yīng)不同，埋藏淺的地下水位變化對(duì)降水的反應(yīng)更敏感，具體表現(xiàn)為地下水位波動(dòng)幅度更大、滯后效應(yīng)降低。

4　結(jié)論與討論

章古臺(tái)地下水位變動(dòng)受同期降水量影響很大，年際間地下水位變動(dòng)滯后于降水量1～2 a。地下水位上升或下降有3～5 a一個(gè)周期并呈現(xiàn)出下降的趨勢。1999—2017年降水量沒有出現(xiàn)下降趨勢而地下水位呈下降趨勢，這種情況是地下水過度利用造成的。近些年春旱和伏旱經(jīng)常發(fā)生，人們大量抽取地下水澆灌育苗地、稻田地、傳統(tǒng)農(nóng)田地。

平水年2004年、豐水年2010年和欠水年2009年地下水水位年變幅分別為-0.13、0.34和-0.43 m。

應(yīng)用CTD水位傳感器監(jiān)測章古臺(tái)地下水位變動(dòng)情況，由于其精度為mm，地下水位呈現(xiàn)出每一天都有微小變化。試驗(yàn)地T2地下水位5—10月變動(dòng)比較緩慢并呈現(xiàn)緩慢下降趨勢，試驗(yàn)地T3地下水位5—10月變動(dòng)比較劇烈，連續(xù)降水后地下水位有穩(wěn)定傾向。試驗(yàn)地T2地下水位變動(dòng)較T3地下水位變動(dòng)受降水量影響要小得多。降水對(duì)地下水位下降或者上升的影響表現(xiàn)在時(shí)間上存在累積滯后現(xiàn)象。

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