強降雨條件下北京地區(qū)地下水位動態(tài)特征
——以7·21特大暴雨為例

周　濤，房　浩

(1.北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，北京 100195；2.中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，北京 100081)

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強降雨條件下北京地區(qū)地下水位動態(tài)特征
——以7·21特大暴雨為例

周濤1，房浩2

(1.北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，北京 100195；2.中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，北京 100081)

[摘要]北京地區(qū)的地下水動態(tài)類型作為典型的降水-開采型，降雨入滲對本區(qū)的地下水補給有著重要影響，因此降雨條件下地下水位動態(tài)特征具有重要的研究意義，強降雨作為一種極端天氣，既具有降雨入滲的一般特點，又具有其特殊特點；另外，泥石流和滑坡作為北京山區(qū)常見的地質(zhì)災(zāi)害，地下水位變化在其形成過程中也起到了不可忽視的作用。2012年北京“7·21”暴雨作為近60 a來最強暴雨，為強降雨條件下地下水位動態(tài)特征研究提供了典型案例，本研究通過分析2012年“7·21”北京暴雨前后地下水位變化，結(jié)合本區(qū)的水文地質(zhì)條件，探究強降雨條件下北京平原區(qū)的降雨入滲規(guī)律，發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)在強降雨條件下的入滲差異及其影響因素，為北京地區(qū)地下水位動態(tài)特征提供理論依據(jù)，同時，對強降雨條件下的入滲規(guī)律做出了進(jìn)一步研究。

[關(guān)鍵詞]強降雨條件；地下水位動態(tài)；動態(tài)響應(yīng)；動態(tài)特征分析

地下水位動態(tài)是指地下水位隨時間和空間變化的現(xiàn)象和過程，其影響因素有很多，如大氣氣候、人工開采與工程活動等，但單次降雨條件下的地下水位動態(tài)規(guī)律卻研究相對較少，尤其是在強降雨條件下。2012年7月21日，北京市遭遇新中國成立以來罕見的一場暴雨，根據(jù)北京氣象局公布的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示全市16 h平均降雨量170 mm，城區(qū)平均215 mm，房山平均301 mm，降雨量在100 mm以上的面積占北京市總面積的86%以上，對于研究本區(qū)短時間內(nèi)的地下水位動態(tài)特征規(guī)律具有重要的意義。為了探討地下水對強降水補給的響應(yīng)機制，研究地下水位在不同水文地質(zhì)條件下對降水的反應(yīng)速度，地下水位與降水之間的關(guān)系，開展地下水位的加密監(jiān)測工作。截止到2014年12月，運行正常的地下水位監(jiān)測井?dāng)?shù)有618眼。其中第四系地下水監(jiān)測井600眼，基巖地下水監(jiān)測井18眼。

根據(jù)降水前后監(jiān)測的水位數(shù)據(jù)，從時間和空間上分析地下水位動態(tài)，探討強降雨條件下本地區(qū)地下水含水層的水位變化及入滲規(guī)律，合理調(diào)配水資源開采，同時根據(jù)山區(qū)地下水位動態(tài)特征，可以分析其對邊坡穩(wěn)定性的影響，對滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行實時監(jiān)測預(yù)警。

1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

Chyan-Deng Chan等在臺灣中部地區(qū)展開降雨條件與地下水位變化規(guī)律的研究，研究結(jié)果表明降雨對本區(qū)地下水位變化的影響持續(xù)10 d左右，同時分析了其他因素影響下的地下水動態(tài)特征，得出本區(qū)地下水位與降雨累計量和強度的數(shù)學(xué)模型；T-Thomas和Ravi Galkate等從地下水資源的角度，研究分析了位于Madhya Pradesh東北部的Sagar block地區(qū)降雨補給規(guī)律以及地下水位變化，發(fā)現(xiàn)本區(qū)降雨補給作為本區(qū)地下水主要的補給來源，與地下水開采量仍有一定差距。國外部分地區(qū)對于降雨與地下水位變化研究還是比較成熟的，從定性定量上研究分析降雨條件下的地下水動態(tài)特征，同時考慮到了其他因素如氣候天氣、地球潮汐等對地下水位的影響。

國內(nèi)對單次降雨對地下水位影響的專門研究較少，大部分相關(guān)研究與邊坡穩(wěn)定性相關(guān)：徐則民等對斜坡對極端降雨條件下的地下水響應(yīng)進(jìn)行了研究，強降雨成為滑坡等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的間接誘因；劉延璽等對通遼地區(qū)不同規(guī)劃分區(qū)降雨入滲補系數(shù)與雨前地下水位埋深、降雨量大小之間進(jìn)行統(tǒng)計模擬分析，發(fā)現(xiàn)每一分區(qū)上降雨入滲系數(shù)隨埋深的增大而減少，當(dāng)埋深增大到某一埋深后，降雨入滲系數(shù)隨埋深變化微弱，同時得到了入滲系數(shù)的變化曲線。

2研究區(qū)地理位置

北京市位于華北大平原的西北端，四周與河北省、天津市相鄰，地處平原與山地的交接地帶。地形總體為三面環(huán)山，地勢西北高，東南低。北京地處海河流域，流域面積占海河流域總面積的7.2%。主要河系由西向東依次為大清河水系、永定河水系、北運河水系、潮白河水系、薊運河水系等五大水系。

3區(qū)域水文地質(zhì)條件

3.1區(qū)域降水特征

3.1.1區(qū)域降水的空間特征

根據(jù)北京市多年降水資料，繪制多年平均降水量等值線圖(圖2)?？梢钥闯?，北京市年降水量的高值地區(qū)大致呈帶狀由西南向東北延伸，在高值區(qū)的兩側(cè)，即北京的西北及東南地區(qū)，降水量逐漸減少。

3.1.2區(qū)域降水時間特征

通過多年降水資料分析，1961-2013年北京市多年平均降水量為570.4 mm。降水量年內(nèi)分布極不均勻，北京市全年降水主要集中在夏季，其中7、8月降水最為集中，降水量約占全年降水量的60%左右。

3.2水文地質(zhì)條件

依據(jù)地層沉積規(guī)律、時代特征，并結(jié)合地下水開發(fā)利用現(xiàn)狀、地下水水力聯(lián)系，選取區(qū)域相對穩(wěn)定的弱在垂向上劃分成四個主要含水層組：單一潛水和承壓含水層組。潛水區(qū)主要分布于沖洪積扇的中上部，該層含水層透水性強，地下水徑流條件好，易接受大氣降水和地表水補給，是平原區(qū)地下水的主要補給區(qū)。第一含水層組廣泛分布于沖洪積扇中下部的承壓水區(qū)，含水層組底板埋深基本上在50 m左右。含水層組巖性為砂巖為主。第二含水層組廣泛分布于北京平原承壓水區(qū)，含水層組底界深度80～100 m，局部地區(qū)以基巖作為底界，含水層組由多層砂礫石、砂、粘性土組成。第三含水層組廣泛分布于沖洪積扇中下部地區(qū)。含水層組底板埋深150～180 m。第四含水層組分布在第四系沉積厚度較大地區(qū)，含水層巖性以砂層為主。

研究區(qū)地下水的補給來源主要是大氣降水入滲，其次是地表水(河流、渠道等)滲漏及其農(nóng)田灌溉水的回滲補給。地下水的徑流條件，賦存規(guī)律與地形、地貌、巖性結(jié)構(gòu)關(guān)系密切，平原地區(qū)第四系孔隙水的徑流方向，基本與含水層巖性結(jié)構(gòu)、微地貌變化一致，總體流向為自西北向東南。平原地區(qū)地下水的排泄，主要以人工開采的方式為主，其次為側(cè)向徑流、蒸發(fā)。

4強降水條件下地下水動態(tài)特征

4.1區(qū)域地下水位動態(tài)特征

據(jù)分析，北京平原大部分地區(qū)地下水動態(tài)類型為降水-開采型。由于北京地區(qū)多年的干旱少雨和人為的過量開采地下水，致使地下水位呈現(xiàn)下降趨勢。

大氣降水是影響地下水位動態(tài)最重要的氣象因素之一。從1999年起，北京出現(xiàn)罕見的連續(xù)干旱，降水量不足400 mm，地下水位連續(xù)下降?？梢?，大氣降水入滲補給量的減少是造成地下水位下降的重要因素(圖1)。

圖1　年際地下水位動態(tài)隨年降水量變化曲線圖

從年內(nèi)看，地下水位的動態(tài)特征受降水的季節(jié)變化影響明顯。北京地區(qū)的降水在時間上具有明顯的不均勻性。其中6-9月為雨季，降水量約占全年降水量的80%以上。而地下水位具有相同的峰谷變化趨勢，但其具有明顯的滯后現(xiàn)象。年內(nèi)地下水位的最小值一般在6月份，最高水位則出現(xiàn)在11月份(圖2)。

圖2　年內(nèi)地下水位動態(tài)隨降水量變化曲線圖

4.2強降水條件下地下水動態(tài)特征

通過對“7·21”降水過后地下水位監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)北京平原區(qū)不同地區(qū)地下水位呈現(xiàn)不同變化。

4.2.1沖洪積扇頂部

F59-C監(jiān)測井位于房山區(qū)張坊鎮(zhèn)南白岱村，為人工監(jiān)測井。該地處于拒馬河沖洪積扇的頂部，單一潛水含水層地區(qū)。監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖5所示，7月20日該地下水位標(biāo)高78.30 m，“7·21”降水過后，地下水位迅速抬升，7月25日水位標(biāo)高85.50 m，5 d內(nèi)水位升幅7.20 m。隨后上升速率下降，達(dá)到頂點后，水位緩慢下降(圖3)。

圖3　F59-C監(jiān)測井地下水位動態(tài)特征曲線圖

4.2.2沖洪積扇中上部地區(qū)

D52-1A/2A位于大興區(qū)大榆樹鎮(zhèn)南紅門水務(wù)所，永定河沖洪積扇中部，為自動監(jiān)測井，分別監(jiān)測承壓含水區(qū)的第一含水層組與第二含水層組。監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖6所示，強降水過后，第一與第二含水層組地下水位變化基本一致，呈緩慢上升的趨勢，且上升速率較穩(wěn)定，最高水位出現(xiàn)在12月份(圖4)。

圖4　D52-1A/ 2A監(jiān)測井地下水位動態(tài)特征曲線圖

4.2.3沖洪積扇下游及平原區(qū)

T75-1A、T75-2A、T75-3A、T75-4A監(jiān)測井位于通州區(qū)西集鎮(zhèn)張各莊村，為自動監(jiān)測井，監(jiān)測四個含水層組。監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖5所示，降水過后，僅第一含水層組與第二含水層組水位有小幅上升，第三含水層組與第四含水層組水位則沒有明顯變化。第一含水層組14 d內(nèi)水位上升0.88 m，第二含水層組14天內(nèi)水位上升1.71 m。

圖5　T75-1A/2A/3A/4A監(jiān)測井地下水位動態(tài)特征曲線圖

4.3強降雨下地下水位動態(tài)特征分析

在沖洪積扇頂部單一潛水含水層地區(qū)，地層巖性以砂卵礫石為主，入滲補給能力強，地下水對降水響應(yīng)靈敏。強降水過后，水位迅速上升，且速率快，升幅大，但一般到達(dá)頂點后水位出現(xiàn)回落，但基巖含水層水位短時內(nèi)保持平穩(wěn)甚至緩慢上升，因此除地下水開采外，淺層地下水對基巖含水層可能有一定補給作用；在沖洪積扇中上部地區(qū)，地層主要是砂卵礫石層與粘性土互層，一般為雙層到多層結(jié)構(gòu)，地下水由潛水過渡到承壓水，入滲補給能力減弱，強降水過后，水位也明顯上升，但上升速率較慢，升幅較小，且存在明顯的滯后現(xiàn)象；沖洪積扇下游地區(qū)以及平原區(qū)，地勢平緩，地層主要是砂與粘性土互層，巖性以細(xì)砂、粉細(xì)砂以及粘土、粉質(zhì)粘土為主，該地區(qū)降雨入滲作用有限，水位受降雨影響很小，地下水動態(tài)主要以人工開采為主。

5結(jié)語

綜上所述，在強降水條件下，北京平原區(qū)不同地區(qū)呈現(xiàn)不同變化：

(1)沖洪積扇頂部地區(qū)地下水位動態(tài)響應(yīng)最為靈敏。這些地區(qū)為單一潛水含水層地區(qū)，入滲條件優(yōu)越；而在沖洪積扇中下部地區(qū)，地下水位上升速率明顯降低，且存在明顯滯后現(xiàn)象。

(2)同一地區(qū)不同層位以及在不同降水條件下地下水位響應(yīng)也有差異。在沖洪積扇的中上部地區(qū)，不同含水層地下水位(水頭)變化趨勢基本一致；在沖洪積扇下游地區(qū)以及平原區(qū)，淺層水與深層水變化趨勢不一致；淺層地下水位小幅上升，深層地下水無明顯變化。

(3)要系統(tǒng)地研究本區(qū)降雨入滲對本區(qū)地下水影響，應(yīng)從第四系地下水和基巖地下水兩者動態(tài)特征來進(jìn)行分析，本研究僅從地下水位角度來進(jìn)行探究，還需要進(jìn)一步研究。

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

ZHOUTao1，F(xiàn)ANGHao2

(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

[中圖分類號]TV122+.1

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]B

[文章編號]1004-1184(2016)02-0081-03

[作者簡介]周濤(1982-)，男，河北唐山人，工程師，主要從事水文地質(zhì)工作。

[收稿日期]2015-11-16