降水与浅层地下水补给滞后性研究

左秦朝，李　雷，刘咸斌、周晓燕

(陕西工程勘察研究院，陕西 西安 701168)

降水与浅层地下水补给滞后性研究

左秦朝，李雷，刘咸斌、周晓燕

(陕西工程勘察研究院，陕西 西安 701168)

[摘要]研究降水与地下水补给滞后的关系，建立影响地下水位变化机理概化图，分析主要影响地下水位的因素。通过收集大气降水资料及地下水长期观测资料，对降水采用频率分析法、坎德尔(Kendall)秩次检验法，分析降水的年际、年内变化规律及趋势。以西安皂河二级阶地为例,对地层采用现场钻探法，分析地层的特征规律及岩土参数，研究认为降水对地下水补给滞后的原因主要是：降水历时、相对透水层和隔水层。

[关键词]降水历时；地层结构；地下水位；滞后期

浅层地下水的影响因素主要是大气降水、河流补给、人工开发等，大气降水是其主要来源之一。但潜水的补给存在滞后性[1-2]，这是潜水区别于地表水体的一大特点。

降水与浅层地下水补给滞后的原因，可从地表植被层类型、厚度，地质地层结构，降水历时等方面考虑。本文就西安皂河二级阶地区含水系统中大气降水与地下水位变幅两个随机时间序列进行分析,通过对多年降水与地下水位关系及单次降水与地下水位变幅效应的分析,揭示了大气降水对地下水补给的机理及其影响滞后的因素,其分析结果对工程建设具有重要的工程意义。

图1　西安市多年降水量

1研究区气候与降水量分布

1.1多年降水量分析

西安地区属于半干旱半湿润的温带季风气候。降水：西安地区降水量在区域上的分布相差不大，多年降水量一般在344.6～906 mm之间，从有记录以来的34年的降水资料[3-4]，最大年降水量908.0 mm (1983年)，最小降水量344.6 mm (1977年)，多年平均降水量583.6 mm。降水量年内分配极不均匀，主要集中在7、8、9三个月，三个月的多年平均降水量占全年的46.3%，冬春两季降水仅占全年降水量的13.1%。

对西安地区1957-1990年34年的降水资料进行分析，多年平均降水量为538.6 mm，见图1。

1.2降水年际变化

降水年际变化通常采用变差系数Cv、偏态系数CS或年极大值比来表示。Cv反应随机序列的频率密度分配曲线的平均情况和离散程度，亦为偏离均值大小程度，Cv值大则表示降水的年际丰枯变化剧烈。CS反应随机系列分配不对称程度的统计参数，CS值大则表示降水的年际分配不对称成都越高[5]。计算公式为：

(1)

(2)

(1) Xi=(X1+X2+X3+……+Xn) 代表随机序列；

(2)n=1. 2. 3…n；δ表示随机序列的平均值。

由西安1957-1990年天然资料分析计算得出Cv值和CS，并对降水曲线的频率进行拟合。见图2。

根据调整Cv值和CS的比值关系可见。CS=1.5Cv的拟合曲线较为接近实际频率。降水多年变化特征值见表1所示。

图2　降水频率图

多年平均降水量(mm)变差最大年降水量最小年降水量系数Cv降水量(mm)与多年平均比降水量(mm)与多年平均比最大与最小年降水比538.60.2209081.69344.60.642.63

从表1中可知：

(1)西安地区降水Cv值为0.220，年极值比为2.63；

(2)多年平均降水值为538.6 mm。

1.3年水位序列趋势分析

本文采用坎德尔(Kendall)秩次检验法分析[6],西安地区的年降水序列的变化趋势。对年径流序列X1，X2，…，Xn，先确定所有对偶值(Xi，Xj；i>j)中的Xi

(3)

根据年降水序列统计次数，并计算出检验统计量U；给定显著性水平a，查正态分布表中对应临界值Ua/2，当U的绝对值大于其临界值，则趋势显著；反之，则不显著。如检验统计量U大于零，说明序列存在递增趋势；反之，则为递减趋势。经计算，西安地区降水序列趋势分析结果如图3表2所示。

表2　年降水序列趋势分析

2研究区的地下水变化机理及概况

2.1研究区的地下水变化机理

通过对西安皂河二级阶地区进行详细的水文地质勘探和试验,已经查明研究区含水系统为砂土互层，大气降水通过地表裸露区入渗补给成为地下水的主要补给来源。降水通过下渗补给地下水，影响诸多因素包括雨强、雨量、地形、水位埋深、地层岩性、地表附着物及蒸发等，降水之前，土壤多处于亏水状态，须经历深润、渗漏阶段使土体达到饱和状态后，降水才能转化为重力水补给地下水。人工抽水则是地下水排泄的主要途径[7-9]。见图4。

图3　年降水序列趋势图

图4　地下水位变化机理概化图

2.2研究区概况

根据工程经验，2000年之后，西安城区地下水年变幅从1.0～2.0 m变为0.5～1.0 m，引起该现象的其中一个原因是城市基础设施愈发密集和完善导致降水无法下渗补给地下水。

本次研究选取城市未扩张前，降水与地下水补给较为原始状态的西安市西南边家村一带，代表性观测点315、K35两处；地貌单元属皂河二级阶地，高程425.0 m左右，地形平坦，水位埋深8～25 m，属潜水类型(见图5)。

图5　皂河二级阶地地质剖面图

3降水与地下水关系

3.1年际降水与地下水关系

以K35观测井为准，自1957-2002年有地下水及气象观测记录以来[10-11]，潜水及降水关系见图6。

地下水：1957～1971年地下水位基本平稳，处于观测期高水位期，高程388.808～391.058 m；1972年之后，由于工业发展，取水量急剧增长，以沣河水源地为例，1970～1973年取水1亿 t，1974～1978年取水2.25亿 t，超负荷取水导致地下水位急剧下降；1978年之后，城市工业用水开始大面积开采承压水，潜水水位抬高；90年代之后，大面积开采地下水导致地面沉降，政府控制地下水开采关停机民井，加之城市集中供水和黑河工程初步投入使用，西安水荒得以初步缓解；2000年之后，黑河工程建成，地下水位开始平稳并抬升。

从图6可见，地下潜水位无论其开采程度大或小，在大降水年份(降水曲线波峰)地下水位均因降水在年内在之前年份基础之上抬高(地下水折线拐点或上升过渡点)，由于地下水开采影响，抬升幅度有所不同。

图6　K35观测井年际降水与地下水关系图

3.2年内降水与地下水关系

以315观测井为准，选取降水量较大的1964年和1983年两个年份，地下水位相对稳定的分析年内降水与地下水关系，其关系图见图7、8。

图7　1964年年内降水分布

图8　1982～1990年年内降水分布

3.2.1年内降水分析

降水量年内分配极不均匀[12]，主要集中在7、8、9、10四个月，7、8、9三个月的多年平均降水量占全年的46.3%，降水量的变化趋势与气温变化基本一致；冬春和初夏干旱少雨，冬春两季降水仅占全年降水量的13.1%；月平均降水量以7月的96.8 mm最多，9月的93.4 mm次之；月最大降水量为344.4 mm，出现在1957年7月，最小为无降水。

3.2.2地下水位分析

根据降水年内分配情况分析，7、8、9三个月的多年平均降水量占全年的46.3%。所以地下水与地表水的关系是：地表水补给地下水。但根据研究区地质地层情况分析，地层在15 m以上主要是黄土状土、黄土、古土壤，粉质粘土层。黄土具有较多孔隙，所以地表水易于入渗。但古土壤和粉质粘土层较为密实，孔隙较少，粘粒含量较多。视为相对隔水层，只有经过长时间的入渗才能补给地下水。所以就造成了地表水补给地下水的滞后性[13-14]。

1964年前后，315观测井地下水位埋深4.5 m左右，1983年前后，315观测井地下水位埋深7.0～10.7 m。由于蒸发和开采的影响，地下水位一般7～9月份埋深最大，为低水位期。12月到次年的2月份为高水位期，水位埋深最小，水位年变幅0.5～2.8 m左右。

从图7可见，1963～1965三年间，地下水位逐年抬升，而1964年9、10两月的降水是导致水位整体抬升的主要部分；1964年年内，较大降雨月份分别为5、9、10月，在5月降雨之后，地下水位于7月达到峰值，9、10月降雨之后，水位于11月达到峰值。由图8可见，1982～1984三年间，自1983年7月大降雨量开始，地下水位开始缓慢抬升，自9月之后，地下水位显著抬升并维持在相对较高的水平；1983年年内，较大降雨月份分别为7、9、10月，在7月降雨之后，地下水位平稳波动，9、10月降雨之后，水位直线抬升，至次年1月基本达到峰值。

4结语

通过对多年降水资料与实测地下水位长期观测资料的分析，采用Cv、Cs的统计法得出降水的频率曲线；采用坎德尔趋势分析法得出多年降水量的发展趋势；采用工程地质钻探的方法画出地质地层图，分析出降水与浅层地下水补给关系及滞后性的原因：

1)大气降水是研究区地下水的主要来源，也是影响地下水位的主要因素。

2)由于人工开采、河流、水库补给是地下水位变化的次要因素。

3)降水与浅层地下水补给滞后性的原因有地表截流、植被蒸发，但最主要的是地质地层作用。当地层孔隙较大时，补给迅速；当地层孔隙较小时，补给滞后。

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Study on hysteresis of precipitation and shallow groundwater recharge

ZUO Qin-chao，LILei，LIU Xian-bin，ZHOU Xiao-yan

(Shaanxi institution of engineering prospecting Xi’an 710068, Shaanxi)

Abstract:Study the relationship between precipitation and groundwater recharge lag.the establishment of the mechanism of the impact of the change of groundwater level, analysis of the main factors that affect the water level of the water table. Through the collection of atmospheric precipitation data and long-term observation data, Precipitation frequency analysis method, Kendall rank test method, to study of the annual and annual variation law and trend of precipitation. Take Xi'an Zaohe two terrace landform as an example, by field drilling method, to study the characteristics and parameters of rock and soil.The main reasons of the lagging of the precipitation to groundwater recharge are: rainfall duration, relative permeability and water separation.

Key words:Precipitation duration；stratigraphic configuration；Groundwater level；lag phase

[收稿日期]2016-03-14

[作者简介]左秦朝(1985-)，男，陕西渭南人，工程师，主要从事水文地质及工程地质勘察工作。 [通讯作者]李雷(1987-)，男，陕西乾县人，工程师，主要从事水文地质工作。

[中图分类号]TV121+.1

[文献标识码]A

[文章编号]1004-1184(2016)03-0007-03