强降雨条件下北京地区地下水位动态特征——以7·21特大暴雨为例

周　涛，房　浩

(1.北京市水文地质工程地质大队，北京 100195；2.中国地质环境监测院，北京 100081)



强降雨条件下北京地区地下水位动态特征
——以7·21特大暴雨为例

周涛1，房浩2

(1.北京市水文地质工程地质大队，北京 100195；2.中国地质环境监测院，北京 100081)

[摘要]北京地区的地下水动态类型作为典型的降水-开采型，降雨入渗对本区的地下水补给有着重要影响，因此降雨条件下地下水位动态特征具有重要的研究意义，强降雨作为一种极端天气，既具有降雨入渗的一般特点，又具有其特殊特点；另外，泥石流和滑坡作为北京山区常见的地质灾害，地下水位变化在其形成过程中也起到了不可忽视的作用。2012年北京“7·21”暴雨作为近60 a来最强暴雨，为强降雨条件下地下水位动态特征研究提供了典型案例，本研究通过分析2012年“7·21”北京暴雨前后地下水位变化，结合本区的水文地质条件，探究强降雨条件下北京平原区的降雨入渗规律，发现不同地区在强降雨条件下的入渗差异及其影响因素，为北京地区地下水位动态特征提供理论依据，同时，对强降雨条件下的入渗规律做出了进一步研究。

[关键词]强降雨条件；地下水位动态；动态响应；动态特征分析

地下水位动态是指地下水位随时间和空间变化的现象和过程，其影响因素有很多，如大气气候、人工开采与工程活动等，但单次降雨条件下的地下水位动态规律却研究相对较少，尤其是在强降雨条件下。2012年7月21日，北京市遭遇新中国成立以来罕见的一场暴雨，根据北京气象局公布的监测数据显示全市16 h平均降雨量170 mm，城区平均215 mm，房山平均301 mm，降雨量在100 mm以上的面积占北京市总面积的86%以上，对于研究本区短时间内的地下水位动态特征规律具有重要的意义。为了探讨地下水对强降水补给的响应机制，研究地下水位在不同水文地质条件下对降水的反应速度，地下水位与降水之间的关系，开展地下水位的加密监测工作。截止到2014年12月，运行正常的地下水位监测井数有618眼。其中第四系地下水监测井600眼，基岩地下水监测井18眼。

根据降水前后监测的水位数据，从时间和空间上分析地下水位动态，探讨强降雨条件下本地区地下水含水层的水位变化及入渗规律，合理调配水资源开采，同时根据山区地下水位动态特征，可以分析其对边坡稳定性的影响，对滑坡、泥石流等地质灾害进行实时监测预警。

1国内外研究现状

Chyan-Deng Chan等在台湾中部地区展开降雨条件与地下水位变化规律的研究，研究结果表明降雨对本区地下水位变化的影响持续10 d左右，同时分析了其他因素影响下的地下水动态特征，得出本区地下水位与降雨累计量和强度的数学模型；T-Thomas和Ravi Galkate等从地下水资源的角度，研究分析了位于Madhya Pradesh东北部的Sagar block地区降雨补给规律以及地下水位变化，发现本区降雨补给作为本区地下水主要的补给来源，与地下水开采量仍有一定差距。国外部分地区对于降雨与地下水位变化研究还是比较成熟的，从定性定量上研究分析降雨条件下的地下水动态特征，同时考虑到了其他因素如气候天气、地球潮汐等对地下水位的影响。

国内对单次降雨对地下水位影响的专门研究较少，大部分相关研究与边坡稳定性相关：徐则民等对斜坡对极端降雨条件下的地下水响应进行了研究，强降雨成为滑坡等地质灾害发生的间接诱因；刘延玺等对通辽地区不同规划分区降雨入渗补系数与雨前地下水位埋深、降雨量大小之间进行统计模拟分析，发现每一分区上降雨入渗系数随埋深的增大而减少，当埋深增大到某一埋深后，降雨入渗系数随埋深变化微弱，同时得到了入渗系数的变化曲线。

2研究区地理位置

北京市位于华北大平原的西北端，四周与河北省、天津市相邻，地处平原与山地的交接地带。地形总体为三面环山，地势西北高，东南低。北京地处海河流域，流域面积占海河流域总面积的7.2%。主要河系由西向东依次为大清河水系、永定河水系、北运河水系、潮白河水系、蓟运河水系等五大水系。

3区域水文地质条件

3.1区域降水特征

3.1.1区域降水的空间特征

根据北京市多年降水资料，绘制多年平均降水量等值线图(图2)。可以看出，北京市年降水量的高值地区大致呈带状由西南向东北延伸，在高值区的两侧，即北京的西北及东南地区，降水量逐渐减少。

3.1.2区域降水时间特征

通过多年降水资料分析，1961-2013年北京市多年平均降水量为570.4 mm。降水量年内分布极不均匀，北京市全年降水主要集中在夏季，其中7、8月降水最为集中，降水量约占全年降水量的60%左右。

3.2水文地质条件

依据地层沉积规律、时代特征，并结合地下水开发利用现状、地下水水力联系，选取区域相对稳定的弱在垂向上划分成四个主要含水层组：单一潜水和承压含水层组。潜水区主要分布于冲洪积扇的中上部，该层含水层透水性强，地下水径流条件好，易接受大气降水和地表水补给，是平原区地下水的主要补给区。第一含水层组广泛分布于冲洪积扇中下部的承压水区，含水层组底板埋深基本上在50 m左右。含水层组岩性为砂岩为主。第二含水层组广泛分布于北京平原承压水区，含水层组底界深度80～100 m，局部地区以基岩作为底界，含水层组由多层砂砾石、砂、粘性土组成。第三含水层组广泛分布于冲洪积扇中下部地区。含水层组底板埋深150～180 m。第四含水层组分布在第四系沉积厚度较大地区，含水层岩性以砂层为主。

研究区地下水的补给来源主要是大气降水入渗，其次是地表水(河流、渠道等)渗漏及其农田灌溉水的回渗补给。地下水的径流条件，赋存规律与地形、地貌、岩性结构关系密切，平原地区第四系孔隙水的径流方向，基本与含水层岩性结构、微地貌变化一致，总体流向为自西北向东南。平原地区地下水的排泄，主要以人工开采的方式为主，其次为侧向径流、蒸发。

4强降水条件下地下水动态特征

4.1区域地下水位动态特征

据分析，北京平原大部分地区地下水动态类型为降水-开采型。由于北京地区多年的干旱少雨和人为的过量开采地下水，致使地下水位呈现下降趋势。

大气降水是影响地下水位动态最重要的气象因素之一。从1999年起，北京出现罕见的连续干旱，降水量不足400 mm，地下水位连续下降。可见，大气降水入渗补给量的减少是造成地下水位下降的重要因素(图1)。

图1　年际地下水位动态随年降水量变化曲线图

从年内看，地下水位的动态特征受降水的季节变化影响明显。北京地区的降水在时间上具有明显的不均匀性。其中6-9月为雨季，降水量约占全年降水量的80%以上。而地下水位具有相同的峰谷变化趋势，但其具有明显的滞后现象。年内地下水位的最小值一般在6月份，最高水位则出现在11月份(图2)。

图2　年内地下水位动态随降水量变化曲线图

4.2强降水条件下地下水动态特征

通过对“7·21”降水过后地下水位监测数据的分析，发现北京平原区不同地区地下水位呈现不同变化。

4.2.1冲洪积扇顶部

F59-C监测井位于房山区张坊镇南白岱村，为人工监测井。该地处于拒马河冲洪积扇的顶部，单一潜水含水层地区。监测数据如图5所示，7月20日该地下水位标高78.30 m，“7·21”降水过后，地下水位迅速抬升，7月25日水位标高85.50 m，5 d内水位升幅7.20 m。随后上升速率下降，达到顶点后，水位缓慢下降(图3)。

图3　F59-C监测井地下水位动态特征曲线图

4.2.2冲洪积扇中上部地区

D52-1A/2A位于大兴区大榆树镇南红门水务所，永定河冲洪积扇中部，为自动监测井，分别监测承压含水区的第一含水层组与第二含水层组。监测数据如图6所示，强降水过后，第一与第二含水层组地下水位变化基本一致，呈缓慢上升的趋势，且上升速率较稳定，最高水位出现在12月份(图4)。

图4　D52-1A/ 2A监测井地下水位动态特征曲线图

4.2.3冲洪积扇下游及平原区

T75-1A、T75-2A、T75-3A、T75-4A监测井位于通州区西集镇张各庄村，为自动监测井，监测四个含水层组。监测数据如图5所示，降水过后，仅第一含水层组与第二含水层组水位有小幅上升，第三含水层组与第四含水层组水位则没有明显变化。第一含水层组14 d内水位上升0.88 m，第二含水层组14天内水位上升1.71 m。

图5　T75-1A/2A/3A/4A监测井地下水位动态特征曲线图

4.3强降雨下地下水位动态特征分析

在冲洪积扇顶部单一潜水含水层地区，地层岩性以砂卵砾石为主，入渗补给能力强，地下水对降水响应灵敏。强降水过后，水位迅速上升，且速率快，升幅大，但一般到达顶点后水位出现回落，但基岩含水层水位短时内保持平稳甚至缓慢上升，因此除地下水开采外，浅层地下水对基岩含水层可能有一定补给作用；在冲洪积扇中上部地区，地层主要是砂卵砾石层与粘性土互层，一般为双层到多层结构，地下水由潜水过渡到承压水，入渗补给能力减弱，强降水过后，水位也明显上升，但上升速率较慢，升幅较小，且存在明显的滞后现象；冲洪积扇下游地区以及平原区，地势平缓，地层主要是砂与粘性土互层，岩性以细砂、粉细砂以及粘土、粉质粘土为主，该地区降雨入渗作用有限，水位受降雨影响很小，地下水动态主要以人工开采为主。

5结语

综上所述，在强降水条件下，北京平原区不同地区呈现不同变化：

(1)冲洪积扇顶部地区地下水位动态响应最为灵敏。这些地区为单一潜水含水层地区，入渗条件优越；而在冲洪积扇中下部地区，地下水位上升速率明显降低，且存在明显滞后现象。

(2)同一地区不同层位以及在不同降水条件下地下水位响应也有差异。在冲洪积扇的中上部地区，不同含水层地下水位(水头)变化趋势基本一致；在冲洪积扇下游地区以及平原区，浅层水与深层水变化趋势不一致；浅层地下水位小幅上升，深层地下水无明显变化。

(3)要系统地研究本区降雨入渗对本区地下水影响，应从第四系地下水和基岩地下水两者动态特征来进行分析，本研究仅从地下水位角度来进行探究，还需要进一步研究。

Groundwater Dynamic Characteristics Under Conditions of Heavy Rainfall——an example of 7.21 in Heavy Rain

ZHOUTao1，FANGHao2

(1.Beijing Institute of Hydrogeology and Engineering Geology，Beijing 100195；2.Geological environment monitoring Institution of China，Beijing 100081)

Abstract:Rainfall infiltration plays a significant role in the groundwa recharge in Beijing area as the groundwater dynamic type-rainfall and discharge,so the research of the groundwater dynamic is of great significance.As one extreme weather,torrential rainfall has its features in infiltration,besides,the groundwater level plays a significant role in the formation of debris flow and landslide.As the strongest rainfll in recent 60 years,’7.21 rainstorm’in 2012 provides one typical example for the research.This project made a research on the groundwater dynamic regulation by the groundwater level before and after the rainfall and found out the difference in places.At the same time,further research has been made in the infiltration under torrential rainfall.

Key words:Heavy rainfall conditions；dynamic of groundwater level；dynamic response of groundwater and analysis of dynamic characteristic

[中图分类号]TV122+.1

[文献标识码]B

[文章编号]1004-1184(2016)02-0081-03

[作者简介]周涛(1982-)，男，河北唐山人，工程师，主要从事水文地质工作。

[收稿日期]2015-11-16