常茂祥, 史經(jīng)昊, 葉思源, 王祥東, 李廣雪

黃河三角洲淺層地下水位年內(nèi)變化特征及影響因素

常茂祥1, 2, 史經(jīng)昊3, 葉思源4, 王祥東3, 李廣雪1, 2

(1.海底科學(xué)與探測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國海洋大學(xué)), 山東 青島 266100; 2.中國海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院, 山東 青島 266100; 3.青島藍(lán)色地球大數(shù)據(jù)科技有限公司, 山東 青島 266400; 4.自然資源部青島海洋地質(zhì)研究所, 山東 青島 266071)

基于黃河三角洲地區(qū)3個(gè)站位的1小時(shí)一次的淺層地下水位連續(xù)觀測記錄, 將淺層地下水位與同時(shí)期ERA5高分辨率再分析實(shí)際蒸發(fā)量數(shù)據(jù)結(jié)合, 并聯(lián)合潮位、降水量和徑流量等數(shù)據(jù), 通過快速傅里葉變換、時(shí)序分析等方法, 分析并闡明了黃河三角洲地區(qū)淺層地下水位變化的特征及機(jī)制。結(jié)果表明: (1) 不同的沉積環(huán)境導(dǎo)致了淺層地下水位整體變化的差異。表層沉積物滲透性相對較強(qiáng)區(qū)域, 淺層地下水位波動(dòng)劇烈; 而表層沉積物透水性較差地區(qū), 淺層地下水位在6月中上旬存在低谷, 但總體相對穩(wěn)定; (2) 潮汐對黃河三角洲淺層地下水位在水平方向的影響范圍至少可達(dá)7 km, 但不超過15 km。在其影響區(qū)域內(nèi), 淺層地下水位波動(dòng)滯后于潮汐的時(shí)間存在年內(nèi)變化, 分為2個(gè)時(shí)間上持續(xù)各6個(gè)月的區(qū)間, 二者數(shù)值相差約12 h; (3) 降水量與實(shí)際蒸發(fā)量是黃河三角洲淺層地下水位升降最主要的影響因素。此外, 農(nóng)業(yè)活動(dòng)也對淺層地下水位的變化有一定影響。對黃河三角洲淺層地下水位變化規(guī)律研究, 能夠?yàn)楸镜貐^(qū)土地鹽堿化、海水入侵災(zāi)害防治與生態(tài)保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

黃河三角洲; 淺層地下水位; 潮汐; 滯后性; 降水量; 實(shí)際蒸發(fā)量

黃河三角洲擁有豐富的石油資源與生態(tài)資源[1-2], 對當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)進(jìn)步起到了重要推動(dòng)作用。然而黃河三角洲也是我國水資源最為短缺的地區(qū)之一, 該地區(qū)90%以上的區(qū)域受到不同程度的土壤鹽堿化影響, 淺層地下水僅小部分為全淡水[3-4], 長期以來該區(qū)域的發(fā)展一直受到水資源短缺的阻礙與制約[4]。對淺層地下水變化規(guī)律及其成因的充分認(rèn)識(shí)在黃河三角洲區(qū)域尤為重要。黃河三角洲區(qū)域僅有少量的淺層地下水長期觀測站, 對于該地區(qū)淺層地下水動(dòng)態(tài)及成因的研究還較為欠缺[5]。亟需結(jié)合可靠的數(shù)據(jù)對當(dāng)?shù)販\層地下水動(dòng)態(tài)和影響淺層地下水位的因素進(jìn)行全面闡述分析, 為準(zhǔn)確評估和利用地下水資源服務(wù)。

影響大河三角洲地下水位變化的機(jī)制繁多, 主要包括自然因素和人為因素。自然因素主要包括: 降水、蒸發(fā)、附近河流徑流量、地質(zhì)條件等, 濱海濕地地區(qū)還受海潮作用; 人為因素則主要為地下水開采、工程建設(shè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)等。國內(nèi)外諸多學(xué)者對大河三角洲地下水動(dòng)態(tài)及其影響因素進(jìn)行了廣泛研究。由于黃河三角洲特殊的濱海地理位置, 潮汐對該地淺層地下水位具有明顯影響。高茂生等[6]發(fā)現(xiàn)位于黃河三角洲濱海濕地的DY122井地下水位受潮汐波動(dòng)影響明顯, 并滯后潮汐波動(dòng)3 h。在萊州灣南岸, 6個(gè)水文觀測井淺層地下水位頻率振幅與潮汐規(guī)律表現(xiàn)一致, 每個(gè)觀測井淺層地下水位波動(dòng)滯后潮汐的時(shí)間唯一[7-8]。以上研究中水位滯后潮位波動(dòng)的時(shí)間只取決于地理位置, 并不隨時(shí)間變化。這些成果所用數(shù)據(jù)的時(shí)間跨度在1 d到3個(gè)月之間, 考慮到黃河三角洲復(fù)雜的地質(zhì)和氣象條件, 短時(shí)間尺度下得出的結(jié)論能否適用于更長時(shí)間, 還有待探討。在珠江三角洲, Zhang等[9]發(fā)現(xiàn)天文大潮潮位與水位相關(guān)性要高于天文小潮, 說明發(fā)生天文大潮時(shí)潮汐對地下水影響更大。除了潮汐, 降水對淺層地下水位的影響, 也被廣泛研究。袁瑞強(qiáng)等[10]結(jié)合黃河農(nóng)場地區(qū)3個(gè)淺層地下水觀測孔與降水資料, 研究結(jié)果表明降水是引起該地淺層地下水位上升的主要原因。孟加拉國濱海濕地3口監(jiān)測井的結(jié)果顯示, 淺層地下水位對于強(qiáng)降水有非常快的抬升響應(yīng)[11]。安樂生等[5]研究了黃河三角洲小清河以北多口觀測井水位與降水的關(guān)系, 將區(qū)域內(nèi)水位動(dòng)態(tài)分為基本穩(wěn)定型和震蕩起伏型, 地下水動(dòng)態(tài)成因類型分別為“滲入?徑流或水文”型與“滲入?蒸發(fā)”型。在前人有關(guān)蒸發(fā)對淺層地下水動(dòng)態(tài)影響的研究中, 蒸發(fā)量多采用蒸發(fā)皿觀測數(shù)據(jù)或公式計(jì)算的潛在蒸發(fā)量數(shù)據(jù)。蒸發(fā)皿測得數(shù)據(jù)是有限水面在充分供水情況下的蒸發(fā)量, 不能代表真實(shí)的地表蒸發(fā)情況; 潛在蒸發(fā)量是陸面實(shí)際蒸發(fā)量的理論上限, 同樣不能體現(xiàn)自然界的實(shí)際蒸發(fā)情況[12]。因此利用蒸發(fā)皿蒸發(fā)量和潛在蒸發(fā)量分析淺層地下水的研究僅能為了解蒸發(fā)對淺層地下水位的影響提供了參考, 想要得到更加可靠的定量結(jié)果, 就必須利用更能反映真實(shí)情況的蒸發(fā)數(shù)據(jù)。自然過程對大河三角洲淺層地下水動(dòng)態(tài)有重要影響, 但人類活動(dòng)的作用也不可忽視。劉勇等[4]發(fā)現(xiàn), 黃河三角洲地區(qū)地下水超采造成的地下水位劇烈下降會(huì)生成地下水降落漏斗并產(chǎn)生咸水入侵。Minderhoud等[13]發(fā)現(xiàn), 湄公河三角洲地下水過量開采致使蓄水層壓實(shí), 地下水位迅速下降導(dǎo)致該區(qū)域在1991—2016年期間平均沉降量達(dá)約18 cm。在美國的密西西比河三角洲, Killian等[14]發(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉致使的地下水位下降與地表水流量減少密切相關(guān)。對科羅拉多河三角洲地下水位和微重力的研究結(jié)果顯示: 上游排水導(dǎo)致的當(dāng)?shù)氐叵滤簧攥F(xiàn)象持續(xù)時(shí)間較短; 因抽取地下水產(chǎn)生的低地下水位導(dǎo)致大量河道水滲透散失[15]。

本文分析了黃河三角洲淺層地下水位動(dòng)態(tài)特征及潮汐、降水量、實(shí)際蒸發(fā)量、黃河徑流量以及農(nóng)業(yè)活動(dòng)與淺層地下水位的關(guān)系, 首次將ERA5高分辨率再分析實(shí)際蒸發(fā)量數(shù)據(jù)與淺層地下水位結(jié)合分析, 揭示了淺層地下水位對于潮汐波動(dòng)的滯后響應(yīng)存在變化這一現(xiàn)象。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黃河三角洲濱海濕地, 緊鄰渤海灣與萊州灣(圖1), 行政區(qū)劃上屬于山東省東營市。海拔高程低, 約0至1 m, 東西向自然坡降約為1/10 000[16]。黃河輸沙量大, 歷史上河道變遷頻繁, 因此黃河三角洲沉積環(huán)境不穩(wěn)定, 沉積相復(fù)雜。黃河三角洲低潮線以上區(qū)域可分為兩部分, 即上三角洲平原和下三角洲平原。上三角洲平原包括泛濫平原、決口扇和天然堤等亞環(huán)境。泛濫平原沉積物較薄, 分布面積小, 多是黏土質(zhì)粉砂夾黃色粉砂紋層, 平均粒徑7.7～8.4 φ, 分選差。決口扇分布廣泛, 其沉積物和天然堤沉積物均以粗粉砂為主[17-19]。下三角洲平原中潮灘發(fā)育, 寬度可以超過10 km。潮灘潮上帶沼澤斑狀分布, 沉積物為黃色粉砂和褐色黏土質(zhì)粉砂互層?，F(xiàn)代河口兩側(cè)的潮間帶沉積物粒徑小, 主要是黃褐色黏土質(zhì)粉砂夾黃色粉砂透鏡體以及黃色粉砂夾黏土質(zhì)粉砂紋層[17]。在水文地質(zhì)分布上, 研究區(qū)處在全咸水區(qū)[4]。地質(zhì)構(gòu)造上位于濟(jì)陽盆地的湖相斷陷東營坳陷內(nèi), 是典型的古近系半斷陷盆地[18]。溫帶季風(fēng)氣候盛行于研究區(qū), 夏季炎熱多雨, 冬季寒冷干燥, 主要糧食作物為冬小麥。年平均降水量約600 mm, 實(shí)際蒸發(fā)量大于降水量, 年平均氣溫適宜, 約12 ℃[20]。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

122-3井、123-2井和124井淺層地下水位使用荷蘭生產(chǎn)的Diver自動(dòng)監(jiān)測儀進(jìn)行監(jiān)測, 年際水位變化大于1 m, 遠(yuǎn)大于大氣壓強(qiáng)值的變化。在進(jìn)行最終水位值的計(jì)算和分析過程中, 采用了當(dāng)?shù)仄骄髿鈮簭?qiáng)值1.04×105Pa來補(bǔ)償校正, 其波動(dòng)趨勢和范圍能夠近似代表實(shí)際水位動(dòng)態(tài)特征。124井記錄時(shí)間為2009年5月至12月, 其余2井記錄時(shí)間為2009年全年, 水位記錄間隔均為1 h。

2009年潮位數(shù)據(jù)來自于孤東驗(yàn)潮站, 數(shù)據(jù)記錄頻率為1次/h。孤東驗(yàn)潮站采用XZY3-1型自動(dòng)水文氣象站連續(xù)監(jiān)測潮位, 所得數(shù)據(jù)由孤東海堤管理站定期收集校驗(yàn), 在海洋領(lǐng)域得到了較多應(yīng)用[21-24]。

降水量和實(shí)際蒸發(fā)量數(shù)據(jù)采用2009年ERA5逐小時(shí)數(shù)據(jù), 數(shù)據(jù)范圍為118.5°E～119°E, 37.7°N～37.9°N。文中時(shí)間均采用北京時(shí)間。ERA5是歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心最新一代全球氣象再分析數(shù)據(jù)。相比前一代, ERA5具有更小的延遲性和更高的時(shí)空分辨率(1 h, 0.25°×0.25°), 并能夠更加精確的反映裸地蒸發(fā)量[25]。自發(fā)布以來ERA5數(shù)據(jù)得到了廣泛應(yīng)用, 并且許多研究證明ERA5數(shù)據(jù)實(shí)際應(yīng)用可靠。利用ERA5降水和溫度等數(shù)據(jù), Xue等[26]研究了一帶一路區(qū)域內(nèi)的干旱時(shí)空分布。黃建平等[27]利用ERA5實(shí)際蒸發(fā)量數(shù)據(jù), 分析了黃河流域近40 a的氣候變化。ERA5數(shù)據(jù)與其他現(xiàn)代再分析和實(shí)測的降水?dāng)?shù)據(jù)[28-29]以及海洋表層及低空風(fēng)數(shù)據(jù)[30-32]比對的結(jié)果良好。ERA5與中國746個(gè)氣象站的相對濕度數(shù)據(jù)匹配良好[33]。在多種再分析氣象數(shù)據(jù)中, ERA5能夠最好的反映東亞的云特性[34]。在第三極的西風(fēng)和季風(fēng)主導(dǎo)流域源區(qū), ERA5與256個(gè)地面觀測站降水?dāng)?shù)據(jù)隨海拔變化總體特征一致[35]。在山東及周邊地區(qū)ERA5總體適用性優(yōu)于ERA-Interim再分析數(shù)據(jù)[36]。

圖1 研究區(qū)衛(wèi)星光學(xué)影像與淺層地下水位觀測井位分布(Landsat衛(wèi)星, 2018年12月31日)

黃河徑流量與輸沙量數(shù)據(jù)來源于水利部黃河水利委員會(huì)官網(wǎng), 站點(diǎn)為東營市利津縣的利津站。利津站是黃河干流最下游也是離研究區(qū)最近的重要水文控制站, 能有效反映2009年內(nèi)研究區(qū)黃河的徑流量和輸沙量的月變化。

2.2 研究方法

利用Python語言編程過程中為減少計(jì)算量, 本文采用DFT的快速算法, 即numpy庫的快速傅里葉變換(FFT)函數(shù): fft.rfft。

時(shí)間滯后互相關(guān)(time lag cross-correlation)用來揭示兩個(gè)序列之間超前滯后關(guān)系。潮汐引起的地下水位波動(dòng)信號(hào)受多種長周期因素干擾, 對水位數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波將有利于更加準(zhǔn)確分析二者關(guān)系。為了探究水位波動(dòng)的滯后性, 本文對122-3井、123-2井的2009年水位數(shù)據(jù)以及潮位數(shù)據(jù)進(jìn)行滑動(dòng)平均, 再用原始數(shù)據(jù)減去滑動(dòng)平均, 得到去趨勢以后的數(shù)據(jù)用于時(shí)間滯后互相關(guān)分析。本文采取對處理后的水位數(shù)據(jù)逐時(shí)向前平移, 然后計(jì)算平移后水位和潮位皮爾森相關(guān)系數(shù)的時(shí)間滯后互相關(guān)算法。若水位數(shù)據(jù)向前平移小時(shí)后, 水位與潮位數(shù)據(jù)具有強(qiáng)相關(guān)性, 則可認(rèn)為水位滯后潮位h。

在研究降水蒸發(fā)對水位的影響中, 主要運(yùn)用相關(guān)分析方法, 分析水位累計(jì)升幅降幅與累積降水量蒸發(fā)量的相關(guān)性。相關(guān)系數(shù)的計(jì)算仍采用皮爾森算法。皮爾森相關(guān)系數(shù)自20世紀(jì)由英國學(xué)者皮爾森提出以來, 在衡量兩個(gè)變量的線性相關(guān)程度中得到了廣泛應(yīng)用, 其公式為:

3 結(jié)果與討論

3.1 結(jié)果

3.1.1 年內(nèi)淺層地下水位動(dòng)態(tài)變化

2009年5—12月份, 124井水位明顯高于其他兩井, 平均水位分別高出同時(shí)期122-3井和123-2井3.25 m和2.31 m(表1)。雨季中124井水位波動(dòng)頻繁劇烈, 雨季過后程度減弱。1—2月份122-3井與123-2井水位平穩(wěn)。3—4月份122-3井水位緩慢上升, 123-2井則呈下降趨勢。5—6月份兩井水位波動(dòng)明顯, 在6月中上旬兩井均存在顯著的水位低谷。7月中旬后至9月份水位維持在較高水平, 后較平穩(wěn)下降(圖2)。整體而言, 124井水位較高, 水位不穩(wěn)定; 122-3井與123-2井水位較低, 除5—6月份外, 水位較為平穩(wěn)。

表1 2009年內(nèi)研究區(qū)各觀測井水位動(dòng)態(tài)信息統(tǒng)計(jì)

圖2 2009年內(nèi)研究區(qū)淺層地下水位與降水蒸發(fā)動(dòng)態(tài)

3.1.2 潮汐與淺層地下水位

潮汐效應(yīng)[37]指出, 海洋的潮汐作用會(huì)使濱海含水層中的地下水位隨海平面起落有規(guī)律地波動(dòng)。為研究黃河三角洲地區(qū)淺層地下水位與潮汐的關(guān)系, 利用快速傅里葉變換將孤東驗(yàn)潮站潮位數(shù)據(jù)從時(shí)域轉(zhuǎn)為頻域, 繪制頻率振幅譜?？梢钥闯? 孤東潮汐數(shù)據(jù)頻譜在0.042 h–1和0.083 h–1處存在兩個(gè)主要的波峰, 且前者遠(yuǎn)大于后者(圖3a)。

同樣基于快速傅里葉變換, 對研究區(qū)三口地下水觀測井水位進(jìn)行頻譜分析。122-3井與123-2井與潮汐數(shù)據(jù)頻譜特征一致, 在約0.042 h–1和0.083 h–1頻率處均有較明顯波峰, 且0.042 h–1左右振幅遠(yuǎn)大于0.083 h–1。122-3井在兩個(gè)頻率的振幅上遠(yuǎn)超123-2井(圖3a, b, c)。然而124井表現(xiàn)出了與潮汐、122-3井和123-2井水位明顯不同的頻譜, 124井水位頻譜未顯示明顯的振幅高值(圖3d)。

除了頻域, 時(shí)域上的分析也可以揭示潮汐與地下水位的關(guān)系。由于124井在頻域分析中并未顯示海潮對其有明顯影響, 所以接下來只分析其余兩井。海潮波動(dòng)信號(hào)傳遞給地下水時(shí), 由于陸地的阻尼作用會(huì)產(chǎn)生延遲。潮位與122-3井、123-2井的水位時(shí)間滯后互相關(guān)分析結(jié)果如圖4所示。圖4橫坐標(biāo)指示向前平移水位數(shù)據(jù)的時(shí)間, 縱坐標(biāo)代表平移后水位數(shù)據(jù)與潮位的相關(guān)系數(shù)?；ハ嚓P(guān)分析顯示, 122-3井水位在向前平移0 h時(shí), 與潮汐相關(guān)系數(shù)最高, 但僅為0.01; 123-2井水位與潮汐相關(guān)系數(shù)在平移15 h時(shí)達(dá)到最大, 也僅為0.02(圖4)。

圖3 潮位數(shù)據(jù)與淺層地下水位數(shù)據(jù)頻譜分析圖

注: (a) 潮汐, (b) 122-3井, (c) 123-2井, (d) 124井

圖4 淺層地下水位與潮汐時(shí)間滯后互相關(guān)結(jié)果

122-3井與123-2井水位變化具有潮汐規(guī)律(圖3), 滯后性應(yīng)當(dāng)存在, 但這與潮位和水位時(shí)間滯后互相關(guān)分析得到的極低的相關(guān)系數(shù)(圖4)似乎矛盾。天文大潮日時(shí)潮汐振幅最大, 對地下水位的影響也最為明顯。所以為進(jìn)一步研究滯后性, 并考慮潮汐數(shù)據(jù)是否殘缺和相關(guān)時(shí)間段前后有無強(qiáng)降水過程等因素, 分別在2009年的每個(gè)月選取最接近天文大潮日的兩整日(共24 d)進(jìn)行分析(圖5)。

圖5的12個(gè)子圖中, 潮汐與水位波動(dòng)均表現(xiàn)了明顯的全日潮特征, 這與頻域分析結(jié)果一致。不同地下水觀測井水位對潮汐影響的響應(yīng)存在差異, 122-3井波動(dòng)恒早于123-2井, 提前響應(yīng)時(shí)間穩(wěn)定, 約2 h; 122-3井1日內(nèi)的水位振幅是123-2井的2到3倍。在12個(gè)天文大潮期中, 潮汐波動(dòng)呈現(xiàn)兩種態(tài)勢。3月到8月潮汐曲線呈英文字母“W”形, 其余半年潮位呈現(xiàn)“M”形狀。在“W”形潮汐高潮的時(shí)刻, “M”形潮汐處于低潮, 反之亦然。以122-3井水位為例, “W”形潮汐下122-3井水位變化滯后潮汐時(shí)間為15～18 h; “M”形潮汐下122-3井水位波動(dòng)滯后潮汐2到6 h。

3.1.3 降水量、實(shí)際蒸發(fā)量與淺層地下水位

降水是對地下水水量的直接補(bǔ)給, 對地下水影響最為直接。黃河三角洲地區(qū)位于東亞季風(fēng)區(qū)內(nèi), 降水呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性分布。2009年, 研究區(qū)年總降水量平均為650 mm, 5到9月份降水量為504 mm, 占全年降水量的78%。相比于122-3井和123-2井, 124井水位對于降水更加敏感。在降水量較多的7—9月份, 124井水位高于其他月份。124井水位在5月9日、6月19日、7月8日、8月22日、9月5日與10月30日左右均有較大幅度的迅速抬升, 這數(shù)次突增均精確對應(yīng)著高強(qiáng)度降水過程(圖2), 上述幾日的日降水量均遠(yuǎn)高于黃河三角洲地區(qū)日平均1.78 mm的降水量, 分別為40.04 mm、23.90 mm、26.51 mm、14.33 mm、23.50 mm與23.14 mm。這表明, 無論從季節(jié)尺度, 還是日際尺度, 124井水位均在很大程度上受降水調(diào)控。122-3井與123-2井水位也在降水較多的7～9月份表現(xiàn)出總體較高水位。對于較強(qiáng)降水事件, 兩井也有響應(yīng), 但程度較弱。例如4月15日、5月9日、6月19日和10月30日左右的水位抬升(圖2)。

為更直觀地研究黃河三角洲地區(qū)降水對淺層地下水位影響, 對3個(gè)井位水位數(shù)據(jù)對應(yīng)研究時(shí)段的累積降水量和累計(jì)水位升幅的關(guān)系進(jìn)行分析(圖6)。3個(gè)井各自的累積降水量與累計(jì)水位升幅的時(shí)間序列曲線呈現(xiàn)極高相關(guān)性, 具體表現(xiàn)在各自井位的2條曲線拐點(diǎn)幾乎同步, 枯水期各自井位2條曲線基本一致。在2009年122-3井與123-2井累積降水量與累計(jì)水位升幅散點(diǎn)圖上(圖6b, d), 可以看到, 除了在累積降水量200～400 mm區(qū)間(占總數(shù)據(jù)量的0.08%)的散點(diǎn)與擬合直線有較明顯偏離外, 絕大部分點(diǎn)與直線擬合較好, 2井累積降水量與累計(jì)水位升幅相關(guān)系數(shù)分別為0.98和0.95(表2)。5—12月124井與同時(shí)期其他兩井相比, 累積降水量與累計(jì)水位升幅隨時(shí)間變化曲線更為一致, 散點(diǎn)圖最接近直線(圖6), 相關(guān)系數(shù)最高, 達(dá)0.99, 比相關(guān)系數(shù)最低的123-2井高出0.1(表2)。

圖5 12個(gè)天文大潮期中潮汐與水位變化曲線

注: 子圖中左上角字母a—i分別對應(yīng)1月8—9日、2月10—11日、3月28—29日、4月26—27日、5月25—26日、6月24—25日、7月23—24日、8月6—7日、9月22—23日、10月4—5日、11月18—19日與12月17—18日。

圖6 2009年內(nèi)各觀測井累計(jì)水位升幅與累積降水量關(guān)系

蒸發(fā)是自然環(huán)境下大氣回收水分的主要過程, 實(shí)際蒸發(fā)量與淺層地下水位的降低密不可分。2009年研究區(qū)實(shí)際蒸發(fā)量為687 mm, 略大于總降水量, 且明顯集中于夏季, 5—9月份實(shí)際蒸發(fā)量為468 mm, 占全年總蒸發(fā)量的68%。通過122-3井與123-2井各自累計(jì)水位降幅與累積蒸發(fā)量隨時(shí)間變化圖與相關(guān)關(guān)系圖(圖7a, b, c, d)可以發(fā)現(xiàn), 在2009年全年, 2條曲線比較貼合, 大部分散點(diǎn)與直線擬合較好, 相關(guān)系數(shù)均大于等于0.95。與降水對三口觀測井水位的影響規(guī)律類似, 在5—12月三井對比中, 124井水位下降與蒸發(fā)曲線貼合最緊密, 散點(diǎn)圖最接近擬合直線, 相關(guān)系數(shù)最高, 為0.99, 123-2井最低, 為0.90 (圖7, 表3)。122-3井與123-2井在5月至6月中旬水位下降速率高于蒸發(fā)速率, 之后至8月底低于蒸發(fā)速率(圖7a, c)。

表2 2009年內(nèi)各觀測井累計(jì)水位升幅與累積降水量線性擬合結(jié)果

圖7 2009年內(nèi)各觀測井累計(jì)水位降幅與累積蒸發(fā)量關(guān)系

表3 2009年內(nèi)各觀測井累計(jì)水位降幅與累積蒸發(fā)量線性擬合結(jié)果

3.2 討論

3.2.1 沉積環(huán)境對淺層地下水位的影響

124井與122-3井/123-2井水位整體動(dòng)態(tài)不同的主要原因是地理位置與沉積環(huán)境的差異。根據(jù)成國棟[17]的黃河三角洲現(xiàn)代沉積環(huán)境分區(qū)圖, 結(jié)合3個(gè)觀測井位的地理位置, 分析了3個(gè)井位所處的沉積環(huán)境。124井位于上三角洲平原, 周圍存在泛濫平原、決口扇和天然堤沉積相。122-3井處在上三角洲平原和下三角洲平原交界處, 周圍存在決口扇、河道以及潮灘等沉積相。123-2井則位于下三角洲平原的潮灘中, 離黃河口最近。124井周圍由于有防洪堤的保護(hù), 減弱了黃河泛濫的影響, 泛濫平原沉積物厚度較薄。該地沉積物主要以粗粉砂為主, 平均粒徑較大, 透水性較強(qiáng), 降水能有效入滲, 所以124井水位顯示出強(qiáng)烈的波動(dòng)特征(圖2)。下三角洲平原的潮灘表層沉積主要由粉砂與黏土質(zhì)粉砂組成, 粒徑小, 保水能力強(qiáng), 其下部沉積物以透水性差的黏土質(zhì)粉砂組成[6],致使潮灘區(qū)水分垂直運(yùn)動(dòng)差, 對降水等自然因素的響應(yīng)弱, 因此123-2井整體水位最為平穩(wěn)。位于上三角洲平原和下三角洲平原交界的122-3井周圍沉積物粒度總體介于124井和123-2井之間, 因此122-3井整體水位波動(dòng)程度明顯弱于124井水位, 但比123-2井水位稍明顯(圖2)。

3.2.2 潮汐對淺層地下水位的影響

黃河三角洲濱海濕地淺層地下水含水層之間連通性差, 淺層地下水水平運(yùn)動(dòng)能力差, 與潮汐沒有直接水力聯(lián)系[6]。但是潮汐作用于海岸時(shí)產(chǎn)生的沉積地層應(yīng)力效應(yīng)將通過含水層傳遞給淺層地下水, 使得淺層地下水位隨潮汐出現(xiàn)有規(guī)律的波動(dòng)[6, 8, 38-39]。Kim等[40]認(rèn)為潮汐對濟(jì)州島地下水位的水平影響距離可達(dá)3 km。利用黃河三角洲濱海濕地24 h的連續(xù)淺層地下水位和潮位數(shù)據(jù), 高茂生等[6]發(fā)現(xiàn), 距離驗(yàn)潮站7 km的水井淺層地下水位波動(dòng)與潮汐存在較強(qiáng)相關(guān)關(guān)系。楊再興[41]利用實(shí)測數(shù)據(jù)和軟件模擬, 認(rèn)為在北部灣地區(qū), 距離海岸3.7 km時(shí)地下水才不再明顯受潮汐影響。

0.042 h–1和0.083 h–1的頻率分別對應(yīng)著24 h和12 h的周期。同時(shí)0.042 h–1頻率下的明顯高振幅, 表明研究區(qū)海潮24 h周期盛行(圖3a), 即研究區(qū)潮位具有近似全日潮的規(guī)律。122-3井與123-2井與潮汐數(shù)據(jù)高度相似的頻譜特征, 表明兩井水位均受潮汐波動(dòng)影響。二者相比, 122-3井頻率振幅更高(圖3b, c), 且12個(gè)天文大潮期中, 122-3井相對于123-2井, 對潮汐的響應(yīng)更早、水位波動(dòng)更大(圖5), 說明122-3井更容易受到潮汐影響。頻率0.042 h–1和0.083 h–1在圖3d頻譜中未顯示明顯振幅表明124井水位波動(dòng)不存在某一特定周期, 受潮汐的調(diào)控微弱。122-3井、123-2井與124井距離海岸的最近垂直距離分別約為7 km、4 km和15 km。所以海潮對黃河三角洲濱海濕地淺層地下水位的水平調(diào)控范圍至少可達(dá)7 km。至15 km時(shí), 淺層地下水位幾乎不受潮汐影響。

在前人有關(guān)滯后性的研究中, 某一井位淺層地下水位滯后潮汐的時(shí)間均為固定數(shù)值[6-8]。然而本文研究結(jié)果與前人不同。從時(shí)間滯后互相關(guān)分析結(jié)果中(圖4)可以看到, 潮位與平移后的水位相關(guān)系數(shù)恒小于0.03, 表現(xiàn)為不相關(guān), 這表明在全年時(shí)間尺度上, 相對于潮汐變化淺層地下水位波動(dòng)不存在特定滯后時(shí)間。圖5中可以明顯看出12個(gè)天文大潮期中潮汐超前水位的時(shí)間并不統(tǒng)一, 水位滯后“W”形和“M”形潮汐的時(shí)間相差約12 h。這種不統(tǒng)一的滯后響應(yīng), 可能受黃河三角洲年內(nèi)沉積環(huán)境、氣象條件、淺層地下水位以及潮汐變化的綜合影響。

3.2.3 降水與蒸發(fā)對淺層地下水位的影響

122-3井、123-2井和124井均能反映出水位上升與降水的密切聯(lián)系。在三個(gè)井位各自觀測時(shí)段內(nèi), 累計(jì)水位升幅與累積降水量相關(guān)系數(shù)均接近于1(表2),為極強(qiáng)相關(guān), 指征降水是三井水位上升的最重要的因素。但在圖6散點(diǎn)圖中, 122-3井與123-2井均有一部分散點(diǎn)與一元線性擬合直線偏離較大, 這種偏離在時(shí)間序列圖(圖6a, c)中也有體現(xiàn), 具體表現(xiàn)為: 5月9日與6月19日左右水位升幅相比于降水量的突增, 7月上旬平緩的水位增幅與快速累積的降水。這種偏離主要原因在于兩口井所在地沉積物的弱透水性。在粒徑小, 水力聯(lián)系弱的沉積環(huán)境下, 伴隨著長期較低的降水量, 隨著蒸發(fā)量加大, 表層沉積物水分逐漸散失, 并且很難被側(cè)向徑流補(bǔ)給, 產(chǎn)生可以蓄水的大量干燥空間。5月9日與6月19日對應(yīng)著兩個(gè)較強(qiáng)的降水過程, 122-3井和123-2井所處的地層在此期間充分吸收水分, 產(chǎn)生水位升幅較大現(xiàn)象(圖2)。而在7月上旬, 雨季后, 沉積物孔隙中水分飽和, 水位也已恢復(fù)到正常水平(圖2), 此時(shí)降水已經(jīng)不能再使淺層地下水位產(chǎn)生較大的升幅。總體而言, 降水對研究區(qū)三口觀測井水位上升起到了決定性作用。由于三口井所在區(qū)域沉積環(huán)境不同, 沉積物滲透性更好的124井淺層地下水位升高和降水關(guān)系最為密切, 位于潮灘地區(qū)的123-2井附近沉積物滲透性最差, 淺層地下水位抬升受降水影響相對最弱, 這也解釋了123-2井比122-3井離海洋更近, 但受潮汐影響卻更弱的現(xiàn)象。

122-3井與123-2井在2009年全年中表現(xiàn)出了累計(jì)水位降幅與累積蒸發(fā)量之間極強(qiáng)的相關(guān)性(圖7a, b, c, d)。在5—12月三井的對比中: 124井相關(guān)性最高, 表現(xiàn)為累計(jì)水位降幅與累積蒸發(fā)量曲線高度擬合, 相關(guān)系數(shù)為0.99; 123-2井相關(guān)性最低, 表現(xiàn)為散點(diǎn)圖與直線偏離程度最大, 累計(jì)水位降幅與累積蒸發(fā)量偏離最大, 相關(guān)系數(shù)最低(圖7, 表3)。3井在各自數(shù)據(jù)時(shí)段內(nèi), 累積蒸發(fā)量與累計(jì)水位降幅接近于1的相關(guān)系數(shù)(表3), 體現(xiàn)了蒸發(fā)對水位下降的主導(dǎo)作用。122-3井與123-2井累計(jì)水位降幅與累積蒸發(fā)量曲線的偏離, 集中在5月至9月(圖7a, c)。這主要是由于5月至6月上旬黃河三角洲地區(qū)雨季尚未來臨, 降水仍保持較低水平, 但此期間氣溫快速回升, 蒸發(fā)量加大(圖2), 打破了之前降水與蒸發(fā)的平衡, 致使水位下降速率較之前增加, 這也是122-3井與123-2井在6月中上旬存在明顯水位低值(圖2)的原因。6月中旬以后, 研究區(qū)開始受到東亞夏季風(fēng)影響, 降水突增, 地下水得到補(bǔ)充, 因此出現(xiàn)水位累計(jì)下降速率低于蒸發(fā)速率的情況。

3.2.4 其他因素對淺層地下水位的影響

黃河年內(nèi)徑流量與輸沙量變化明顯, 趨勢相同, 6—7月份最高, 8—12月份徑流輸沙量是1—5月份的數(shù)倍(圖8)。與黃河徑流量規(guī)律相反, 三口井水位在6—7月份處在最低水平。122-3井和123-2井8—12月份比1—5月份水位高, 但這主要是由7—9月份的高強(qiáng)度集中降水以及后續(xù)時(shí)間段實(shí)際蒸發(fā)量減少導(dǎo)致(圖2), 且水位在抬高程度上不及黃河徑流量在兩個(gè)時(shí)段上的差異顯著。同時(shí)研究區(qū)沉積物以粉砂和黏土質(zhì)粉砂為主, 淺層地下水水平運(yùn)動(dòng)差, 黃河和研究站位淺層地下水之間難以建立直接水力聯(lián)系。以上因素均表明黃河對于研究區(qū)淺層地下水位的影響有限。

圖8 2009年內(nèi)黃河利津水文站月徑流量與輸沙量

除了黃河徑流量, 農(nóng)業(yè)灌溉也是應(yīng)當(dāng)考慮的因素。研究區(qū)主要糧食作物是冬小麥。冬小麥在3、4月份處于拔節(jié)期, 這期間小麥生長迅速, 需進(jìn)行引黃灌溉, 灌溉水逐漸下滲將會(huì)補(bǔ)充地下水位。所以在3—4月份, 盡管研究區(qū)蒸發(fā)量加大且降水量保持較低水平, 靠近農(nóng)田的122-3井水位仍呈現(xiàn)緩慢上升態(tài)勢。123-2井位于山東黃河三角洲國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi), 附近幾乎無農(nóng)業(yè)活動(dòng), 主要受自然因素調(diào)控, 因此3—4月保持著波動(dòng)下降狀態(tài)。

4 結(jié)論

本文以黃河三角洲2009年3口觀測井水位數(shù)據(jù)為基礎(chǔ), 結(jié)合該區(qū)域同時(shí)期潮位、降水量和實(shí)際蒸發(fā)量數(shù)據(jù), 深入研究了黃河三角洲淺層地下水位動(dòng)態(tài)變化特征及影響因素, 得出以下結(jié)論:

1) 在黃河三角洲地區(qū), 不同的沉積環(huán)境造成了淺層地下水位動(dòng)態(tài)的差異。沉積物松散粒徑較大的區(qū)域淺層地下水位對降水響應(yīng)幅度大, 水位波動(dòng)明顯頻繁。臨近海洋的潮灘及附近區(qū)域, 沉積物透水性差, 淺層地下水位對外界環(huán)境改變響應(yīng)程度較弱, 但由于降水和蒸發(fā)的相互作用, 6月中上旬淺層地下水位急劇下降, 其余月份淺層地下水位呈現(xiàn)平穩(wěn)態(tài)勢。

2) 研究區(qū)潮汐對淺層地下水位的影響平面上至少可達(dá)7 km, 離海岸15 km時(shí)潮汐對水位影響十分微弱。影響范圍內(nèi), 淺層地下水位與潮汐存在高度一致的頻譜, 均存在24 h與12 h的周期, 且24 h周期更為顯著。在滯后性研究中, 發(fā)現(xiàn)淺層地下水位對于潮汐的滯后時(shí)間存在變化這一新現(xiàn)象, 即滯后時(shí)間存在兩個(gè)區(qū)間, 每一個(gè)區(qū)間持續(xù)時(shí)間約0.5 a, 二者相差約12 h。

3) 通過ERA5高分辨率降水量和實(shí)際蒸發(fā)量數(shù)據(jù), 定量分析了降水和蒸發(fā)對黃河三角洲淺層地下水位動(dòng)態(tài)的作用。淺層地下水位的升降分別與降水量、實(shí)際蒸發(fā)量存在極強(qiáng)相關(guān)關(guān)系, 降水和蒸發(fā)是導(dǎo)致黃河三角洲淺層地下水位升降最根本的因素。此外農(nóng)業(yè)灌溉也有一定影響。

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Dynamic characteristics and causes of shallow groundwater level intra-annual changes in the Yellow River Delta

CHANG Mao-xiang1, 2, SHI Jing-hao3, YE Si-yuan4, WANG Xiang-dong3, LI Guang-xue1, 2

(1.Key Lab of Submarine Geosciences and Prospecting Techniques (Ocean University of China), Ministry of Education, Qingdao 266100, China; 2.College of Marine Geosciences, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 3.Qingdao Blue Earth Big Data Technology Co., Ltd, Qingdao 266400, China; 4.Qingdao Institute of Marine Geology, Ministry of Natural Resources of the People’s Republic of China, Qingdao 266071, China)

the Yellow River Delta; shallow groundwater level; tide; hysteresis; precipitation; actual evaporation

In this work, the characteristics and mechanics of shallow groundwater level fluctuations from continuous monitoring records of three monitoring wells in the Yellow River Delta and the influence of tide, precipitation, and runoff are analyzed using hourly shallow groundwater level data and contemporarily high-resolution ERA5 reanalysis actual evaporation data, adopting methods including fast Fourier transform and time series analysis.Observations showed that (1) the type of sedimentary environment leads to the difference in general conditions of the groundwater level.Surface sediment with relatively good permeability displays shallow groundwater level fluc-tuation that is more violent and frequent; whereas, surface sediment with relatively weak permeability displays a shallow groundwater level that reaches a striking minimum in early June but displays a stable condition in general.(2) Horizontal scope of the tidal influence on the shallow groundwater level in the Yellow River Delta could reach 7 km but not exceed 15 km.Within that scope, the time lag between the shallow groundwater level fluctuation and tide in 2009 is not constant—it can be divided into two 6-month intervals with a 12 h difference in between.(3) Precipitation and actual evaporation are the fundamental factors that affect the rise and fall of shallow groundwater in the Yellow River Delta.Agricultural activities also have a certain effect on the shallow groundwater level.Research on shallow groundwater level dynamics could provide a scientific basis for ecological protection, prevention, and control of local land salinization and seawater intrusion.

Nov.10, 2020

[The National Key Research and Development Program of China, No.2017YFE0133500; The Taishan Scholar Project grant to GX Li]

P736.5

A

1000-3096(2021)10-0020-12

10.11759/hykx20201110007

2020-11-10;

2021-03-02

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃政府間重點(diǎn)專項(xiàng)項(xiàng)目(2017YFE0133500); 泰山學(xué)者建設(shè)工程專項(xiàng)

常茂祥(1996—), 山東煙臺(tái)人, 碩士研究生, 主要從事海洋地質(zhì)與遙感研究, E-mail: 915995011@qq.com; 史經(jīng)昊(1981—), 通信作者, 博士, 主要從事近海綜合環(huán)境調(diào)查和監(jiān)測工作, 以及沉積動(dòng)力學(xué)和海洋工程方面的研究, E-mail: 34098302@qq.com

(本文編輯: 趙衛(wèi)紅)