齊齊哈爾市潛水動力場動態(tài)變化特征研究

摘要：為了了解黑龍江省齊齊哈爾市潛水動力場的變化特征，根據相關水文、地質、氣象資料及觀測得到的數據，選擇2000、2007、2012年3個時間節(jié)點作為時間序列，運用數理統(tǒng)計和MapGIS等技術分析了研究區(qū)內潛水動力場變化的總體情況。找出了研究區(qū)內潛水水位漏斗區(qū)的成因，對河谷平原區(qū)和沖積低平原區(qū)潛水動力場變化特征的影響因素進行了分析，歸納總結了研究區(qū)的潛水動力場成因類型。

關鍵詞：上更新統(tǒng)孔隙潛水；動力場；動態(tài)變化；齊齊哈爾市

中圖分類號：P641.2 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）17-4592-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.17.058

Abstract： In order to find out the dynamic change characteristics of phreatic water dynamical field in Qiqihar，choosing 2000，2007 and 2012 as a time line based on the related data of hydrology，geology，meteorology and observation，the general changes situation of phreatic water dynamical field was analyzed using technical methods such as mathematical statistics and MapGIS. The causes of phreatic water depression cone in the central city were ascertained， the influence factors of change characteristics of phreatic water dynamical field in the valley plain area and the alluvial plain area was analyzed， and types of phreatic water dynamical field in the research area were summarize.

Key words： pore phreatic water of upper pleistocene series； dynamical field； dynamic changes； Qiqihar city

1 研究區(qū)概況

齊齊哈爾市位于黑龍江省西部、嫩江中游（圖1），位于東經123°25′-124°29′，北緯46°59′-47°52′，轄區(qū)面積約4 000 km2，是黑龍江省西部的政治、經濟、文化中心，也是重要的交通樞紐。本研究區(qū)的范圍西部以嫩江為界，東到蘭屯-哈拉烏蘇村一帶，北至庫木村，南到昂昂溪區(qū)-大阿拉街村一線，面積為800 km2，行政區(qū)劃包括龍沙區(qū)、鐵鋒區(qū)、建華區(qū)及昂昂溪區(qū)的一部分區(qū)域（圖1）[1，2]。

研究區(qū)屬于溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫3.2 ℃，年均降水量428 mm，其中6-9月的降水量約占全年的69%；年平均蒸發(fā)量為1 473.9 mm，5、6月的蒸發(fā)量最大，是每年的干旱季節(jié)。嫩江是研究區(qū)內主要的地表水體，由東北向西南貫穿齊齊哈爾市區(qū)中部，長約160 km，寬度在400～900 m，水深0.5～4.0 m，年平均徑流量大約為198億m3，最高水位144.02 m，最低水位138.93 m。研究區(qū)內由西北向東南地勢緩緩降低，海拔高度為140.7～166.8 m，地勢較為平坦，河谷寬闊，溝谷切割弱，常見湖泡與沼澤濕地。地貌類型均為堆積地形，以主城區(qū)到大民屯一線為界，將研究區(qū)劃分為西部嫩江河谷沖積平原區(qū)和東部沖積低平原區(qū)[1，3]。

研究區(qū)內廣泛分布有第四系孔隙潛水含水層，水位埋深在2～12 m，含水層底板的埋深一般小于40 m。巖性以沙礫石為主，其次是含礫中粗沙、中細沙，且呈現東細西粗、南細北粗、下細上粗的規(guī)律，局部地區(qū)夾雜亞黏土、亞沙土透鏡體，單井涌水量1 000～3 000 m3/d。含水層平均厚度在20～50 m，局部厚度達到60～80 m。該含水層埋藏淺，易開采，是區(qū)內農村生活、農業(yè)、牧業(yè)用水的主要水源[4，5]。

研究區(qū)內還廣泛分布有中更新統(tǒng)孔隙承壓水含水層，其底板埋深一般在120～140 m，巖性以含礫中粗沙、含礫中細沙為主，次為沙礫石、中粗沙、中細沙。地下水賦存條件好，補給來源較充足，富水性強，是齊齊哈爾市中心城區(qū)工業(yè)及居民生活用水水源。

研究區(qū)內潛水含水巖組與承壓含水巖組之間存在一層弱透水層，該層屬中更新統(tǒng)（Q2L）第4段沉積——湖積層（Q24L）。Q24L作為潛水含水巖組底板在研究區(qū)西部及南部有缺失，其厚度變化由研究區(qū)東部向嫩江方向逐漸由厚變薄，至嫩江附近甚至尖滅而形成“天窗”。Q24L主要巖性為亞黏土、亞沙土，個別地段相變?yōu)榧毶?、粉沙，在地下水長期動態(tài)平衡作用下，形成了越流補給或排泄[6]。

2 數據與方法

選擇2000、2007、2012年3個時間節(jié)點作為時間序列，收集并實測了若干潛水水位監(jiān)測點的水位數據。其中，2000年和2007年的監(jiān)測點數據來自資料收集，2012年在研究區(qū)實測了17個潛水水位監(jiān)測點，枯、豐水期各統(tǒng)測一次，同時收集了嫩江瀏園水文站地表水水位數據。所有潛水水位監(jiān)測點的水位數據見表1。

應用MapGIS軟件的空間分析功能繪制各時期潛水流場圖，如圖2至圖5所示。運用數理統(tǒng)計方法來分析研究區(qū)內潛水動力場水位的徑流形態(tài)變化。

3 結果與分析

3.1 潛水流場年際變化特征

潛水含水層等水位線序列圖分析潛水流場動態(tài)變化的異同性見表2和表3。由潛水等水位線時間序列圖及表2可以看出，2000-2007年，潛水流場變化最為明顯。中心城區(qū)至水師營鎮(zhèn)形成了大面積的降落漏斗區(qū)，漏斗中心即為龍沙水廠附近。該時期，水師營鎮(zhèn)形成了一個面積約100 km2的水位高值區(qū)，最高水位144.50 m，對中心城區(qū)潛水漏斗區(qū)構成補給[7]，而下游排泄區(qū)水力特征沒有較大變化，該潛水水位高值區(qū)是由于南、北兩側水位下降，抬高中間部位水位產生的。

潛水流場由補給區(qū)向排泄區(qū)體現出較強的層次性。補給區(qū)邊界至潛水中游以及研究區(qū)東部的波狀低平原地區(qū)年際流態(tài)變幅很??；中心城區(qū)位于潛水流場中游，該區(qū)域潛水流態(tài)年際變幅大，水位逐年下降，下降區(qū)面積逐年擴大，水力梯度也隨之增加；流場中下游大民鎮(zhèn)-水師營鎮(zhèn)一帶位于低漫灘、高漫灘與崗阜狀低平原交接的區(qū)域，受中心城區(qū)潛水水位下降的影響使該處水位抬升，從而形成水丘、分水嶺，河水充分的入滲補給以及該區(qū)域能夠有效地接受降水補給，促進了潛水水位提升并長期保持在較高水位；流場排泄區(qū)年際流態(tài)變化不大。

3.2 潛水含水層水位動態(tài)變化特征分析

研究區(qū)內潛水受氣候等外界條件影響強烈，水位的變化表現為隨降水量的變化呈周期性變化，具有明顯的周期性。選取河谷平原高漫灘具有代表意義的潛水水位觀測孔（位于齊齊哈爾市第八中學），繪制與氣象要素及地表水位的關系曲線圖（圖6）和嫩江與河谷平原潛水水位多年動態(tài)變化曲線圖（圖7）。

由圖6可以看出，潛水動態(tài)變化與降水量相關，集中降雨引起水位明顯抬升，降雨量的多少影響水位的高低，降雨時間越長，雨量越大，潛水位越高。潛水水位高值在時間上表現出比雨期滯后的現象。由圖6還可以看出，降雨量較小、蒸發(fā)量較大的時期（主要指4、5月），地下水正值枯水期，潛水位受蒸發(fā)作用影響明顯，水位偏低。

在河谷平原區(qū)，嫩江與潛水含水層存在一定的水力聯系，因此潛水水位動態(tài)變化也受地表水位變化的影響。通常表現為地表水出現峰值后，潛水水位隨即出現峰值，并且地表水位往往高于潛水水位，呈補給潛水的狀態(tài)。潛水水位隨地表水位的多年動態(tài)變化情況如圖7所示。

位于鐵峰區(qū)工人屯的監(jiān)測孔Q03和位于鐵峰水廠的承壓水監(jiān)測孔的水位動態(tài)變化與降水量的關系曲線見圖8，其中Q03屬于潛水漏斗區(qū)邊緣，承壓水監(jiān)測孔則是承壓水鐵峰漏斗區(qū)邊緣，兩者均處于高漫灘與崗阜狀低平原的交界處，并且位于中心城區(qū)內，地面均進行過硬化處理。從圖8可以看出，降水量越大，位于開采區(qū)的潛水水位埋深越大，與降水量增加導致潛水位普遍增加的規(guī)律相反。

3.3 影響因素分析

3.3.1 人為因素的影響 齊齊哈爾是黑龍江省第二大城市，是重要的交通樞紐，人類活動頻繁。研究區(qū)主要土地利用類型分為城鎮(zhèn)（村屯）居民區(qū)、農業(yè)區(qū)（旱田、水田）、工業(yè)區(qū)、濕地區(qū)、林地區(qū)等（圖9）。土地利用的方式不同，對潛水水位的影響也不相同[8]。以龍沙水廠為中心的潛水位降落漏斗就是由于龍沙水廠長期開采承壓水，造成潛水持續(xù)性補給下部承壓水，而中心城區(qū)地面進行了硬化處理，大氣降水及地表水很難形成有效入滲補給，使該處潛水很難恢復到原有的正常水位，導致漏斗區(qū)的最終產生。

隨著城鎮(zhèn)占地面積的不斷擴大，地表硬化面積也隨之加大，導致潛水無法有效地接受大氣降水的補給，而人類活動較弱的村屯、農田以及濕地等地區(qū)，雖然普遍開采潛水，但開采程度均衡，潛水水位波動較小，因此，人類活動是導致潛水水位動態(tài)發(fā)生異常變化的根源之一。

3.3.2 水文地質條件的影響 在對研究區(qū)中心城區(qū)的潛水水位進行分析時發(fā)現，水位波動較大的地區(qū)普遍是承壓水開采量較大的地區(qū)，說明在潛水與承壓水之間有很強的水力聯系。例如，圖8中Q03水位與降雨量的關系與普遍認同的規(guī)律相反，造成這一現象的主要原因就是開采區(qū)下伏承壓水過量開采，潛水對承壓水越流補給，而降水無法有效補給潛水，導致潛水水位下降。

從掌握的數據中發(fā)現，水師營鎮(zhèn)附近的大、小巴虎村出現承壓水位高值區(qū)，從研究區(qū)弱透水層越流條件來看，該處屬于潛水與承壓水補、排交替積極的崗阜狀平原與波狀平原的邊緣區(qū)域，兩層水之間積極的水力交換也是造成該處形成水位高值區(qū)的原因之一；流場中下游大民鎮(zhèn)至水師營鎮(zhèn)一帶屬于潛水越流補給承壓水區(qū)域，長期接受有效補給的高水位潛水勢必透過弱透水層對下部承壓水進行越流補給[2]。

研究區(qū)從地勢上看，分為西部河谷平原區(qū)和東部沖積低平原區(qū)。其中河谷平原區(qū)緊鄰嫩江，地表水與潛水之間水力聯系強，因此潛水水位受嫩江影響較大；而沖積低平原區(qū)遠離地表水，農田廣泛分布，農田機井對潛水的開采是影響該區(qū)潛水水位的主要因素，但影響有限。

3.3.3 水文、氣象的影響 對比2012年枯、豐水期潛水流場數據后，發(fā)現降水補給和河水入滲補給在不同氣候條件下對潛水流場具有不同的影響，而河水入滲補給與降水具有同期性，因此可歸結為氣候條件的變化也是潛水流場發(fā)生變化的一項重要因素。而氣象條件對河谷平原區(qū)的潛水流場影響較大。

4 結論

1）2000-2012年，研究區(qū)潛水水位總體呈下降趨勢，但不同區(qū)域下降幅度不同，中心城區(qū)和工業(yè)區(qū)潛水流場動態(tài)變化強烈，這是城市生產、生活對承壓水的過量開采，加之潛水與承壓水之間發(fā)生積極的越流導致的。

2）河谷平原區(qū)受多種因素影響，潛水動力場波動較大，沖積低平原區(qū)影響因素單一，潛水動力場波動較小。

3）潛水動力場變化主要受人為開采、水文地質條件以及水文氣象條件等因素影響，因此研究區(qū)內潛水水位動態(tài)成因類型可總結為：①河谷平原區(qū)主要為氣候-蒸發(fā)-徑流型或水文-徑流型；②波狀低平原區(qū)、崗阜狀低平原區(qū)西南部主要為氣候-徑流型、氣候-開采型和氣候-徑流-開采型；③崗阜狀平原的中心城區(qū)區(qū)域為越流-開采型[6，9，10]。

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