河北省沿海地区典型降水对地下水位的影响

赵悦华

（河北省衡水水文勘测研究中心，河北 衡水 053000）

在自然条件下， 地下水作为因变量受降水自变量的影响。沿海地区在降水发生后，会增加补充地下水，一大部分直接排泄进入大海，另一部分在排泄汇集到河道后，再汇入大海。本文通过分析河北省沿海地区典型降水对地下水位影响， 阐述降水对地下水变化的响应过程， 对沿海地区的生态环境保护和水利工程建设具有借鉴意义。

1 概况

以秦皇岛市昌黎县为研究对象， 该县位于河北省东北部、秦皇岛市西南部，东临渤海，南挟滦河与乐亭县接壤，西隔滦河与滦南县、滦州市相望，北以武山为界与卢龙县为邻，东北与抚宁区毗连。全县总面积为1212.4 km2， 海岸线长64.9 km， 陆域界线长162.6 km。昌黎县地处半湿润区，属于温带大陆性季风气候，年平均气温为11.8 ℃，年降水量527.0 mm［1］。此次以该县2020 年典型降水过程为分析对象， 收集当年连续地下水位及降水量数据。 其中按照地下水流向，收集徐新庄、小心庄和赵家港的当年逐日地下水埋深数据，因为区域较小，降水量数据则选用3 站中间的小心庄监测数据，如图1。

图1 研究区位置

2 区域水文地质条件

昌黎县地势北高南低， 属于燕山褶断带东南边缘，区内构造以断裂为主，褶皱次之，主要有纬向构造体系、经向构造体系、新华夏构造体系、华夏构造体系及北西向构造体系，区域地质条件复杂［2］。主要研究区位于平原地带， 地面高程一般为2～30 m，呈西北至东南向倾斜，坡度2%～3%，构成广阔的山麓平原和滨海平原，地形较为平缓［3］。本文主要分析潜水含水层，该含水层属于松散岩类孔隙水，赋存在第四系含水层中，其中第四系沉积厚度相差悬殊，岩性以砂卵石、砂、黏质砂土及黏土为主，为山前冲洪积水文地质区［4］。

3 分析与讨论

3.1 地下水位分析

徐新庄、 小心庄和赵家港的月平均地下水埋深如图2。

图2 月平均地下水位埋深

由图2 可看出， 靠近大海的小心庄和赵家港的月平均地下水埋深较浅， 年均埋深分别为1.4 m 和1.1 m，而处于大陆内部的徐新庄地下水埋深较大，年均埋深为5.8 m，说明相同地质条件下，沿海平缓坡地的地下水埋深存在较大差异，具体来看，地下水埋深由内陆向沿海逐渐减小， 内陆与沿海存在明显的地下水分水岭，且海水对地下水的排泄具有阻缓性。尽管相近区域的地下水埋深存在差异， 但年内变化趋势基本类似。 为量化3 个地下水监测站点的水位变化相关程度，本文采用Pearson 相关系数法，对两两站点间的水位变化进行分析计算，该方法是一种准确度量两个变量间关系密切程度的统计学方法［5］。对于两个变量（Xi，Yi）（i=1,2,3,…,n）间相关系数的数学表达式为：

式中n 为样本容量；X、Y 分别为变量值；r 为相关系数，范围为（-1，1）。

本文在计算两两站点间的地下水埋深相关系数后得到， 地下水监测点徐新庄和小心庄的地下水埋深间相关系数为0.815、徐新庄和赵家港为0.740、小心庄和赵家港为0.950，两两站点间的相关系数都大于0.7，相关程度较好。处于内陆的徐新庄和距离最近的小心庄地下水埋深变化相关性更好， 其相关程度大于距离较远的赵家港， 说明沿海地下水位的变化程度从内陆到沿海具有距离传递性。 而更靠近大海的小心庄和赵家港的地下水埋深相关性大于内陆的徐新庄和小心庄， 表明徐新庄和小心庄之间的地下水联通间存在水力梯度界面， 使得埋深在同一范围内的地下水相关性更强。

具体的3 个地下水监测点的数据显示， 在6 月雨季之前，地下水埋深有逐渐增大的趋势，处于内陆的徐新庄更为显著，主要是因为随着气温升高，蒸发强度增大，降水补给来源少，地下水量损耗增大，同时该地农业灌溉用水多抽取地下水， 在自然和人为的双重作用下， 雨季之前的地下水位普遍呈下降趋势；在进入雨季之后，3 个站点的地下水埋深开始逐渐减低，地下水位明显抬升，徐新庄的地下水位上升尤为显著， 主要是因为埋深较大地下水位相对于埋深小于4 m 的地下水变化存在明显的滞后性， 降水补给地下水时间较长，水位变化趋势的延续性较高。同时，对比小心庄和赵家港的地下水数据可发现，在地下水埋深相同情况下， 靠近大海站点的地下水变化更为剧烈， 这与沿海地区地下水和海水的动力作用密切相关。

3.2 降水对地下水位的影响

为详细论证典型降水对沿海地区的地下水位影响，阐述降水对地下水变化的响应过程，本文选取了小心庄5—10 月的逐日降水数据及3 个站点的逐日地下水数据进行分析。 通常降水的发生是导致地下水位上升的主要因素， 因此地下水作为因变量受降水自变量的影响， 但降水自变量是独立于地下水因变量的，不受地下水的变化影响，所以采用偏相关分析进行降水与地下水变化的变量过程拟合。 偏相关分析也称净相关分析， 主要是考虑2 个变量以外的其他影响参量，该参量被称为控制变量，引入它的主要目的是消除其他变量关联性的传递效应， 更好地关联研究变量的因果关系。 本文主要采用一阶偏相关系数的计算方法， 首先是分别计算3 个变量之间的两两相关系数， 再利用得到的这3 个相关系数来计算偏相关系数，具体计算公式如下：

式中r12(3)为控制变量3 的作用下所计算的变量1 和2 之间的偏相关系数。

通过前文地下水埋深间的相关系数分析， 本文以相关系数最好的两两间地下水数据作为控制变量， 来计算降水对各个站点地下水埋深变化的影响程度。 利用公式计算得到3 个站点降水和地下水埋深的偏相关系数， 其中徐新庄为0.183、 小心庄为0.206、赵家港为0.238。由于一般降水对地下水的影响较小，偏相关系数普遍偏小，但基本可反映典型降水对地下水变化的影响程度， 降水与地下水的响应程度越高，则偏相关系数也越好。具体的偏相关系数显示，越靠近大海的赵家港偏相关大于其他站点，而靠近内陆的徐新庄降水与地下水埋深间的偏相关系数最小， 表明沿海地区降水对地下水的影响程度与离海距离有关。

从图3 的具体过程可看出， 在前期降水不充足的情况下， 低于50 mm 的降水量对地下水的影响极其微弱，当7 月中旬雨季来临，降水量达100 mm 后，地下水位出现明显波动，随着连续降水的发生，包气带得到充足补给，到8 月3 日大暴雨过境后，加速降水通过包气带补给饱和含水层， 使地下水位得到迅速提升。此次暴雨对地下水存在后续影响，在9 月7日超100 mm 的降水发生后，地下水位又出现明显升高。值得注意的是，在8 月3 日的大暴雨结束后，地下水埋深最大的徐新庄地下水位持续走高至雨季结束，这是因为当包气带含水率达最大值后，会持续向深层地下水补给，当超过4 m 埋深后，蒸发对地下水位的影响减弱， 此时的包气带水直接补给深层地下水；距离大海最近的赵家港站因地下水埋深较浅，受降水和蒸发的主导，地下水位波动明显。

图3 5—10 月降水量及地下水埋深值变化

在8 月3 日大暴雨之前的2 周已陆续存在小幅度降水， 从图4 得到， 在累计降水出现大范围上升时，地下水位相应提高，其中距离海岸线最近的赵家港最为显著。最大暴雨过程和地下水位过程显示，随着累计降水量的增加，3 站的地下水位也在持续走高，最大降水量结束后，走势更加明显。综合来看，当累计降水至一场大型降水过境后， 沿海地区的地下水位将显著提高；同时，降水会持续补给内陆埋深较大的地下水含水层， 而对于靠近大海埋深较浅的潜水含水层来说， 补充的地下水位会受到蒸发作用的影响而降低，部分地下水则因降水导致的水力梯度，向临近的大海排泄，导致水位迅速下降。

图4 最大典型降水过程及地下水位变化

4 结语

本文以河北省沿海地区某年典型降水影响下地下水位变化为分析对象， 利用地下水位的月变化相关系数，确认沿海地下水位变化存在空间差异性；并基于此分析沿海地区降水对地下水的偏相关性影响， 得到在靠近内陆地下水埋深较大的区域受累计降水影响，当达到日最大降水量后，地下水位将持续走高， 而靠近大海地下水埋深较浅的区域在达到包气带饱和累计降水后，受单次降水影响较大，地下水位呈波动态势。