长江镇江段浅层承压水位特征及含水层边界类型识别

周 盈，李 月，李 洋，鄂 建，闵 望，陈添斐

（1.自然资源部地裂缝地质灾害重点实验室（江苏省地质调查研究院），江苏·南京 210049；2.中国地质环境监测院，北京 100081）

河流沉积物在空间分布上差异性，使河流与地下水的水力联系具有复杂性，同一河流不同河段与地下水水力联系的类型也因此不同[1-2]。在地下水流模型中将有水力联系河段定义为水头边界或流量边界[3]。众多学者采取地表水与地下水的同位素关联法[4-5]，水温突变法[6]以及假设法[7]等办法，取得河段与地下水水力联系的证据，但是对研究河段在地下水流场中所属边界类型较难取得定性认识。

本研究以长江镇江典型段浅层承压含水层为研究对象，利用江苏省国家地下水监测工程提供的长序列连续的地下水位监测数据，完成长江镇江典型段浅层承压水位特征的解析，并与长江汛期时段进行关联分析，用较少种类的资料，完成识别长江江段边界类型分析，研究为地表水与地下水的水力联系类型不清的问题，提供基于地下水监测手段的解决路径。

1 研究区域概况

江苏省镇江市位于长江下游地区，长江镇江段的河谷主要由第四纪松散沉积物构成[8-9]，河流的沉积受河谷平坦地形和长江潮水顶托作用影响，发育了世业洲等系列江心洲[10]。研究段从长江岛屿世业洲（镇）至共青团农场，研究段具有江心洲和第四纪松散沉积江段，研究区第四系地层薄，沉积厚度一般在70 m 以内，易见基岩。孔隙含水层以浅层承压含水层为主，潜水含水层较不发育，仅在局部区域有潜水含水层[11]，潜水含水层与浅层承压水有巨厚的隔水层，隔水层厚度一般在10 m 以上。长江镇江段河槽有切穿到浅层承压含水层的顶板，使研究区域浅层承压水含水层具备与长江水力联系的通道条件（图1）。

图1 研究区域地层分布简图（剖面线为润扬大桥线路，位置参见图2；据参考文献[11]等绘制）Fig.1 The schematic map of stratigraphic distribution in study area

在研究段内有4 个国家级浅层承压地下水监测站点，组成的地下水监测网络具有监测江心洲和第四纪松散沉积岸段的浅层承压水位的能力，其中在长江岛屿江心洲世业镇有2 个站点，分别是先锋村站和世业所站点；在傍长江区域内有2 个站点，其中镇扬汽渡站点离长江最近，直线距离约为100 m，共青团农场站点离长江较远，直线距离约为1.3 km（图2）。

图2 长江镇江典型段及其监测站点地理位置示意图Fig.2 Geographical location diagram of Zhenjiang typical section of Yangtze River and its monitoring stations

2 研究方法

2.1 数据来源

（1）地下水位监测数据

研究区域内4 个国家地下水监测站点均安装自动化监测地下水位的设备，掌握了2018 年1 月至2022 年12 月的5 年时间序列地下水位监测数据。

（2）镇江段长江水位数据

通过长江海事局官网收集了2022 年全年某整点时刻的镇江（定易洲）航道站的水位数据。

2.2 地表水与浅层承压水的水力联系类型分析

在地下水流场中，地表水与浅层承压水的接触边界，通常定义为水头边界或流量边界。若边界类型为水头边界，代表着两者水力联系是压力传导方式，浅层承压水站点若离接触边界越近，监测到浅层承压水位即时响应地表水水位变化，长江水位时间序列特征也应在浅层承压水位时间序列有所反映，浅层承压地下水位时间序列也应具有高水位期与低水位期交替的特征。当边界类型为流量边界，代表着两者水力联系是以非压力传导的方式，即使浅层承压水站点离接触边界近，监测到浅层承压水位与长江水位相关性弱，浅层承压地下水位的时间序列不应具有高水位期与低水位期交替的特征，但可采取监测地下水流场办法，取得浅层承压水与地表水水力联系的流场证据。

2.3 时间序列的研究方法

采用互相关分析法研究站点的浅层承压地下水与长江水位之间滞后关系，利用的线性拟合方法研究站点的水位与长江水位的相关性[12]，用以判定长江水与浅层承压地下水之间，是否有水头压力传导的联系方式。采用基于Morlet 小波的小波分析法，研究浅层承压地下水位时间序列是否存在高低水位期规律，并利用主周期下小波系数实部，研究站点高水位期与低水位期的持续时间规律。

2.4 站点的高水位期与低水位期

本文站点的高水位期是指站点的浅层承压水位高于5年的月平均水位的时期，低水位期是指站点的浅层承压水位低于5 年的月平均水位的时期。

2.5 站点的主周期与水位周期

站点主周期是指时间序列具有周期特征的时间尺度。站点的水位周期等于相邻高水位期与低水位期的持续时间之和。

3 监测成果与分析

3.1 浅层承压水位埋深监测成果

2018—2022 年，长江岛屿世业所站点的水位埋深0.39～3.98 m，长江岛屿先锋村站点的水位埋深0.80～4.57 m，镇扬汽渡站点的水位埋深-0.26～4.70 m，3 个站点地下水位时间序列具有月尺度的波动性。2020 年7 月19 日至2020 年7 月26 日，是长江镇江段洪水红色（Ⅰ级）预警时期，世业所站点的水位埋深0.39～0.47 m，先锋村站点的水位埋深0.80～0.84 m，镇扬汽渡站点的水位埋深-0.26～0.08 mm，该时期是3 个站点5 年来最浅水位埋深时期，表明了在2022 年长江镇江段洪水红色（Ⅰ级）预警时期，由于长江水位的高企，3 个站点的水位埋深也较往年同期变浅，近江岸3 个站点的水位响应了长江主汛期水位高企的变化。

2022 年7、8 月，长江镇江段出现“主汛期反枯”现象[13-14]， 3 个站点在主汛期监测到水位埋深较往年深（表1），3 个站点在主汛期监测到最深水位埋深较往年同期最深水位埋深的深幅超过1 m，响应了长江主汛期水位偏枯的变化。

表1 长江镇江段主汛期浅层承压地下水监测站点的水位埋深（2018-2022 年）Table 1 The groundwater level of shallow confined aquifer of groundwater monitoring stations in the main flood season of the Yangtze River

共青团农场站点离长江河段距离最远，地下水流径流路径最长，2018—2022年监测到地下水位埋深在0.96～2.54 m，地下水位埋深时间序列具有月度的波动性，地下水位埋深年波动的区间比较稳定。虽然2020 年长江主汛期水位创近年新高，而共青团农场站点的最浅水位埋深为1.1 m，并不是5 年来主汛期最浅的水位埋深；2022 年长江主汛期水位是近年同期最深，共青团农场站点的最深水位埋深为1.82 m， 仅比往年同期深了约0.2 m，远小于近长江岸段3 个站点的水位同比变幅，表明长江主汛期水位变化的信号在浅层承压含水层传播过程中出现了衰减的现象。（图3、图4）。

图3 长江岛屿世业镇2 个站点的水位埋深时间序列曲线图（2018-2022 年）Fig.3 Time series curves of water level burial depth at two stations in Shiye Town, Yangtze River Island

图4 傍江区域2个站点的水位埋深时间序列曲线图（2018-2022年）Fig.4 Time series curve of water level burial depth at two stations in the riverside area(2018-2022)

3.2 浅层承压水位埋深与长江水位响应关系

研究区的4 个站点的水位埋深时间序列与2022 年长江水位的时间序列在滞后距为0 天时的互相关系数最大（图5），表明了研究段4 个站点的水位埋深即时响应长江水位的变化。长江水位与镇扬汽渡站点、先锋村站点、世业所站点和共青团农场站点的水位埋深的相关系数分别为0.85、0.89、0.85 和0.72，表明4 个站点的水位埋深与长江水位相关性好。上述滞后关系分析及相关性分析反映了长江水与4 个站点的浅层承压水之间是以水头压力传导的方式联系，反映了4 个站点处的江段在浅层承压地下水流场中属水头边界。

图5 2022 年研究区浅层承压地下水位与长江水位的互相关图Fig.5 Correlation diagram of shallow confined groundwater level and Yangtze River water level in the study area in 2022

需注意的是，共青团农场站点离长江江段的距离最远，长江水位变化信号传播到该站点处的路径最长，长江水位与共青团农场站点的水位的相关系数是4 个站点中最低的，表明在开展地表水与地下水相互转换研究时，应使地下水站点离长江江段尽可能的近，这可使站点的水位高保真捕获长江水位变化的信号。

3.3 浅层承压水位埋深的主周期

（1）长江岛屿世业镇的浅层承压水位的主周期

位于长江岛屿的先锋村站点和世业所站点的水位时间序列具有高水位期与低水位期交替规律，主周期为18个月（图6）。（2）傍河区域的浅层承压水位埋深的主周期位于傍江区域的镇扬汽渡站点和共青团农场站点的水位时间序列具有高水位期与低水位期交替规律，主周期为18 个月（图7）。

图6 长江岛屿世业镇站点小波系数实部图Fig.6 Real part map of wavelet coefficients at two stations in Shiye Town, Yangtze River Island

3.4 浅层承压水的高低水位期及周期

（1）长江岛屿世业镇的浅层承压水的高低水位期及周期2018—2022 年，每年5—10 月是先锋村站点和世业所站点的高水位期（小波系数为负值），反映了5 月长江入汛后，随着长江水位上涨，浅层承压水位亦随之上涨，浅层承压地下水位埋深变浅；7—8 月是长江主汛期，是长江水位全年最浅时期，2 个站点的水位也是全年最浅时期。11 月至次年4 月是2 个站点的低水位期，由于长江10 月出汛后，长江水位呈现持续下降趋势，2 个站点的地下水位响应长江水位下降的趋势，站点的水位也持续下降，一般次年1-2 月是站点次年全年最深水位时期（小波系数是年度波峰值）。参见图8。

图8 长江岛屿世业镇2个站点的主周期小波系数实部图（2018-2022年）Fig.8 Real part map of principal period wavelet coefficients at two stations in Shiye Town, Yangtze River Island (2018-2022)

2022 年，极端副热带高压气候控制了长江流域降水，长江下游水位在8 月出现100 年一遇枯水[13]，使长江主汛期的水位较往年偏枯，由于浅层承压地下水位是响应长江水位变化，发现了2 个站点的高低水位期的时间规律发生了变化，相较往年，2 个站点的高水位期提前1 个月结束，即当年的5—9 月是高水位期；低水位期提前1个月到来，即在当年10 月进入低水位期。

2 个站点的相邻高水位期与低水位期的持续时间之和均为12 个月，故2 个站点的水位周期均为12 个月，2 个站点的水位埋深具有季节性波动规律，夏季浅层承压地下水位埋深较浅，冬季浅层承压地下水位埋深较深（表2）。

表2 长江岛屿世业镇2个站点的高低水位期统计表（2018-2022年）Table 2 Statistical table of high and low water level period of two stations in Shiye Town, Yangtze River island(2018-2022)

（2）傍河区域的浅层承压水的高低水位期及周期

2018—2022 年，镇扬汽渡站点的高低水位期的时间规律与长江岛屿世业镇 2 个站点的地下水位高低水位期的时间规律相一致，反映了镇扬汽渡站点的高低水位期的时间规律与长江汛期的时间规律相一致。

共青团农场站点的高低水位期的时间规律与长江汛期时间规律有差异。2019—2021 年，每年6—11 月是站点的高水位期，12 月至次年5 月是站点的低水位期，站点的高水位期开始时间较长江入汛时间晚1 个月，低水位期开始时间较长江出汛时间晚1 个月。但在2022 年长江主汛期反枯年，共青团农场站点的高低水位期时间规律与镇扬汽渡站点的高低水位期时间规律相同。反映了随着长江水位变化信号在浅层承压含水层中传播路径的变长，信号出现了衰减的现象。（图9）。

图9 傍河区域的2 个站点的主周期小波系数实部图（2018-2022 年）Fig.9 Real part diagram of main period wavelet coefficients for two stations in the riverside area (2018-2022)

利用表3，计算出2 个站点的水位周期均为12 个月，2 个站点水位埋深具有季节性波动规律，即夏季浅层承压水位埋深较浅，冬季浅层承压地下水位埋深较深。

表3 位于傍河区域站点的高低水位期统计表（2018-2022年）Table 3 Statistical table for high and low water levels of stations located in the riverside area (2018-2022)

3.5 浅层承压水位年振幅

2018—2022 年，镇扬汽渡站的水位年振幅要深于长江岛屿世业镇2 个站点的水位年振幅，可能与长江侧向的水动力条件要强于垂向水动力条件有关，水动力条件的差异造成长江侧向沉积物颗粒要粗于长江底沉积物颗粒，使长江的侧向水力联系强度强于垂向水力联系的强度。共青团农场站点的水位年振幅波动性不如镇扬汽渡站点的水位年振幅明显，其水位年振幅值呈现稳定的趋势，表明随着地下水径流路径增长，站点的水位捕获的长江水位变化信号存在失真。（图10）。

图10 研究区内4 个浅层承压地下水站点的水位年振幅图(2018-2022 年)Fig.10 Annual amplitude maps of water levels at four shallow confined groundwater stations in the study area (2018-2022)

3.6 长江水与浅层承压水补排关系

长江海事局官网公布是航道站处水深，通过与邻近水面标高联算，得到2022 年航道站处长江水全年水位标高数据。浅层承压地下水站点的水位标高是由测点高程与地下水埋深差值计算得到。据图11 可知，长江水位全年高于浅层承压地下水位，长江水全年补给浅层承压地下水。

图11 2022 年研究区各监测站点水位与长江水位对比关系图Fig.11 Comparison relationship between water levels at various monitoring stations in the research area and the Yangtze River water level in 2022

4 结论

（1）研究区内4 个浅层承压水站点的水位埋深时间序列具有月尺度下的波动性，经小波分析法计算，4 个站点的水位埋深时间序列具有高水位期与低水位期的交替规律，主周期为18 个月，周期为12 个月。

（2）4 个站点的水位即时响应长江水位变化，相关数均超过0.7，与长江水位相关性好，反映长江水与研究区浅层承压含水层之间是以水头压力方式产生水力联系，研究区长江段在浅层承压地下水流场中属于水头边界类型。

（3）近江岸3 个站点的高低水位期时间规律与长江汛期时间规律相一致。2018—2021 年，每年5—10 月是这3 个站点的高水位期，11 月至次年4 月是3 站点的低水位期。2022 年受长江主汛期偏枯影响，3 个站点提前1 个月进入低水位期。

（4）共青团农场站点的水位与长江水位相关系数是4个站点中最低的，表明长江水位变化信号在浅层承压含水层传播过程中，随信号传播的路径变长，信号具有减弱的趋势。在长江主汛期，共青团农场站点的水位同比变化不能反映出长江主汛期水位同比变化，站点的水位年振幅也基本保稳定，表明在远江岸处接受的长江水位变化信号可能存在一定程度的失真。

（5）傍河区域的镇扬汽渡站点的每年水位年振幅深于长江岛屿世业镇2 个站点的水位年振幅，表明了长江与浅层承压含水层的侧向水力联系强度要强于垂向水力联系强度，提供了长江侧向的水动力条件要强于垂向水动力条件的证据。

（6）据2022 年研究区各监测站点水位与长江水位对比关系图显示，研究区长江水位全年高于浅层承压地下水位，长江水全年补给浅层承压水。