大氣降水與濟南泉水動態(tài)變化的定量關(guān)系研究

遲光耀，邢立亭，主恒祥，侯新宇，相 華，邢學(xué)睿

(1.濟南大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，山東 濟南 250022；2.山東省濟南市水文局，山東 濟南 250013；3.河北地質(zhì)大學(xué)，河北 石家莊 050031)

大氣降水與濟南泉水動態(tài)變化的定量關(guān)系研究

遲光耀1，邢立亭1，主恒祥1，侯新宇1，相 華2，邢學(xué)睿3

(1.濟南大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，山東 濟南 250022；2.山東省濟南市水文局，山東 濟南 250013；3.河北地質(zhì)大學(xué)，河北 石家莊 050031)

濟南保泉歷經(jīng)40多年歷史，歷年枯水期泉水一直受到斷流威脅。針對濟南泉水動態(tài)變化現(xiàn)狀，采用相關(guān)分析法，研究不同時間尺度下大氣降水與泉水動態(tài)的關(guān)系。研究表明：濟南泉域巖溶地下水的主要的補給來源是大氣降水，泉水位高低主要受降雨大小的影響；大氣降水對泉水位的影響具有滯后性特點；不同時間尺度下累計降水量回歸分析得出興隆雨量站、燕子山雨量站對泉水位影響滯后時間較短；在現(xiàn)狀開采條件下，當(dāng)旬降雨量累計值大于17.58 mm時對泉水位回升有積極的影響。綜合濟南泉域巖溶水流向、各雨量站距泉的距離、降雨對泉水位影響的滯后時間、各雨量站降水大小與泉水位變幅的關(guān)系程度等方面，得出興隆雨量站所在區(qū)域降雨對泉水位的影響較大，是適宜的保泉補源地，能達(dá)到科學(xué)補源保泉的目的。

保泉；大氣降水；水位變幅；面降雨量；濟南

地下水的補給來源有大氣降水、地表水、凝結(jié)水、來自其他含水層或含水系統(tǒng)的水等[1]，從水文循環(huán)角度來看大氣降水是地下水最主要的補給源。

我國巖溶分布廣泛[2]，南北方的巖溶發(fā)育程度、巖溶水動態(tài)特征都存在一系列差異，其巖溶水對降雨的響應(yīng)也比較敏感[3]。在我國北方典型的巖溶泉域——濟南巖溶泉域，巖溶水是重要的供水水源[4]。根據(jù)巖溶水的動態(tài)特征、氫氧同位素等證實巖溶水的補給來源是大氣降水[5]。受人類活動的影響，地下水動態(tài)特征與大氣降水的相關(guān)性發(fā)生了明顯變化。例如大量開采地下水會引起水位大幅度下降，形成地下水超采漏斗[6]，人工回灌又會引起地下水位上升[7]，人為工程活動改變?nèi)奶烊粍討B(tài)特征，并且地下水位動態(tài)存在年內(nèi)季節(jié)變化、年際周期性變化及隨機波動等一定的規(guī)律性[8]，近些年來，國內(nèi)外很多專家學(xué)者通過各種方法研究大氣降水與地下水動態(tài)的變化規(guī)律。例如，通過建立模型計算得出在不同水文地質(zhì)條件下，降雨形成的徑流流速快慢也影響著年累計地下水補給總量[9]；研究在氣候變化的因素下，大氣降水對沖積層地下水位帶來的影響[10]；采用小波分析方法可定量評價泉域地下水位動態(tài)及其與降水的關(guān)系[11,12]；采用多元線性回歸模型模擬降水對地下水動態(tài)影響進行了分析，為泉水保護提供了依據(jù)[13]；還有采用時間序列法、頻譜分析、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、黑箱模型法、灰色分析、系統(tǒng)動態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式、核函數(shù)法等[14-20]，這些研究提高了濟南泉域的研究精度，但是濟南泉水依然受到泉水?dāng)嗔鞯耐{，從工程實踐角度，現(xiàn)有人工補源工程效果不明顯、具有很大盲目性。本文在前人工作的基礎(chǔ)上，研究不同時間尺度下大氣降雨與泉水動態(tài)的定量關(guān)系，找出合適的回灌補源區(qū)域，達(dá)到科學(xué)保泉的目的。

1 研究區(qū)概況

濟南市地處魯中山地的北緣，地形南高北低，南部為前震旦系片麻巖組成的結(jié)晶基底，寒武系～奧陶系地層由老到新向北傾斜出露，燕山期巖漿巖體分布在北部，在這一特定的地形、地質(zhì)構(gòu)造條件下，巖溶水在南部山區(qū)得到大氣降水的補給后，其運動方向與地形坡向和地層傾向方向大體一致，自南向北運移，巖溶水向北運動遇到巖漿巖體而受阻，地下水富集，在適宜的地形和有利構(gòu)造部位承壓水以泉的形式出露(圖1)。寒武紀(jì)張夏組石灰?guī)r含水層與奧陶紀(jì)石灰?guī)r含水層之間存在崮山組和長山組泥質(zhì)灰?guī)r與頁巖，削弱了寒武紀(jì)與奧陶紀(jì)含水層的水力聯(lián)系，單斜自流構(gòu)造內(nèi)部，有多條斷裂構(gòu)造切割，加快地下水的徑流，因此，不同地段降水對泉水位的影響程度不一。

注：1.碳酸鹽巖類裂隙巖溶水，>5 000(單井涌水量，m3/d，下同)；2.碳酸鹽巖類裂隙巖溶水，1 000～5 000；3.碳酸鹽巖類裂隙巖溶水水，500～1 000；4.碳酸鹽巖類裂隙巖溶水，<500；5.變質(zhì)巖、巖漿巖；6.石炭、二疊砂頁巖；7.間接補給區(qū)；8.直接補給區(qū)與間接補給區(qū)分區(qū)線；9.斷層

圖1 研究區(qū)水文地質(zhì)圖及雨量站分布位置圖

2 數(shù)據(jù)采集

2.1 雨量站

選擇泉域直接和間接補給區(qū)內(nèi)15個雨量站，主要分布在紹而、東紅廟、興隆、燕子山、黃臺橋、邱家莊、臥虎山、窩鋪、南高而、崮山、東梧、劉家莊、王家莊、棗林、西營等地。降水資料時長為2009—2015年，觀測頻率為日觀測數(shù)據(jù)。

2.2 泉水位

選取2009—2015年的趵突泉水位觀測資料，觀測頻率為日觀測數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理采用excel軟件。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 各站降水特征

濟南市降雨表現(xiàn)在空間上的不均一性，位于研究區(qū)東南部的邱家莊、西營、東梧雨量站2015年平均降雨量約466.67 mm，研究區(qū)中部的東紅廟、紹而、興隆雨量站2015年平均降雨量570 mm左右，研究區(qū)西北部的劉家莊雨量站2015年平均降雨量481 mm(圖2)，補給區(qū)的降水量多于排泄區(qū)。由于濟南泉域不同地點的地層巖性入滲能力不同，因此不同站點的雨量對趵突泉水位影響具有差異性。

圖2 2015年研究區(qū)降雨量等值線圖

3.2 泉水位變化特征

根據(jù)歷年觀測資料，泉水位的升高與降雨量的關(guān)系比較明顯(圖3和圖4)，在豐水期7～9月份水位上升，在枯水期3～6月份水位下降，泉水位受大氣降水的影響比較顯著，泉水位變化具有典型的季節(jié)性。

圖3 2009—2015年旬降雨量值與泉旬末水位的關(guān)系

圖4 2009—2015年五日降雨量值與泉五日末水位的關(guān)系

為進一步提高研究精度選用旬作為研究降雨量與泉水位差關(guān)系的時間尺度，通過旬時間尺度降雨量和泉水位差的散點圖得出線性方程與x軸的交點為17.58 mm，即在現(xiàn)狀開采條件下旬降雨量累計值大于17.58 mm時，可引起泉水位回升；線性方程斜率為0.003 3(圖5)，這一結(jié)果與前人在年尺度和月尺度條件下得出的降雨量和泉水位的線性方程的斜率0.003 3和0.003 8基本接近[7]，而五日時間尺度降雨量與泉水位差的相關(guān)系數(shù)較差(圖6)。

圖5 2009～2015年水位旬變化量與旬降雨量的關(guān)系

圖6 2009～2015年水位五日變化量與五日降雨量的關(guān)系

3.3 水位與降水補給的滯后時間分析

多年水位監(jiān)測表明泉水動態(tài)相對于降水有一定滯后(圖3、圖4)，但通過不同時間尺度大小的降水產(chǎn)生滯后效應(yīng)是有差別的，以年尺度、月尺度降水來研究水位變化會掩蓋水位的微觀變化，因此，從旬尺度、五日和次降雨量來探究降雨量對泉水位的影響。

以旬尺度為例設(shè)計滯后時間分別為1 d、2 d、3 d、4 d、5 d、6 d，泉水位變幅采用旬初日至第11、12、13、14、15、16日的水位差值，分別計算旬時間尺度降水量與6個泉水位變幅的相關(guān)系數(shù)。五日降雨和次降雨采用與旬降雨相同的計算方法。得到不同時間尺度下水位滯后時間較短、對泉水位影響較大的雨量站(表1)。

表1 不同時間尺度下對泉水位影響較大的雨量站

(注：雨量站排列按照相關(guān)系數(shù)由大到小、滯后時間由短到長的順序排列)

從表1可以看出次降雨量尺度下相關(guān)系數(shù)整體最好，所以選取次降雨量尺度下對水位與降水補給的滯后時間的影響因素進行分析。在次降雨量尺度下，將各雨量站的最佳滯后時間與距泉的距離做相關(guān)性分析(圖7)，可以看出兩者總體上是正相關(guān)的關(guān)系，即距泉的距離越遠(yuǎn)滯后時間越長，但也存在異常情況如黃臺橋和劉家莊雨量站，二者滯后時間相同，但是距離不同，由此可以推斷出距離只是滯后時間大小的主導(dǎo)因素之一，還與各雨量站的巖溶、裂隙發(fā)育程度，巖溶水的流向及與泉群的連通性有關(guān)。雨量站所處的地層不同也是影響其滯后原因之一 (圖1)，雨量站分別分布在奧陶紀(jì)區(qū)、寒武紀(jì)區(qū)，通過圖1及表2，可以看出在次時間尺度下，滯后時間短且相關(guān)系數(shù)大的雨量站如興隆、燕子山雨量站都在奧陶紀(jì)區(qū)內(nèi)，距離泉群較近，說明奧陶紀(jì)區(qū)內(nèi)雨量站與泉群的關(guān)系比較密切。

表2 次降雨尺度下各雨量站滯后時間及地層分布統(tǒng)計表

(注：括號內(nèi)為相關(guān)系數(shù))

圖7 次降雨量下滯后時間與距泉距離的關(guān)系

圖8 研究區(qū)雨量站的泰森多邊形

3.4 泉水位與各站面雨量之間的關(guān)系

利用泰森多邊形法[21]對研究區(qū)進行分區(qū)后進行面雨量與水位關(guān)系研究(圖8)。以旬尺度為例，已知旬尺度下各雨量站的滯后時間，為了消除降雨滯后的影響，即選取各個雨量站的最佳滯后時間，計算各雨量站旬面雨量累計值與其滯后時間水位差的相關(guān)關(guān)系，分析各雨量站降水與泉水位的關(guān)系，五日面雨量與次面雨量采用與旬面雨量相同的計算方法。計算得到不同時間尺度下對泉水位影響最相關(guān)的面雨量站為興隆站和東紅廟站。

表3 不同時間尺度下的最佳面雨量站統(tǒng)計表

回歸分析表明(表3)，在相同降雨量的條件下，這兩個雨量站的降水對泉水位的增幅較大。通過比較不同時間尺度下各雨量站面雨量與泉水位差的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)興隆雨量站對泉水位的影響比較大，適宜作為回灌補源地。

3.5 降水與泉水位關(guān)系揭示的水文地質(zhì)問題

根據(jù)前人對濟南泉域巖溶水的流向研究分析，泉域巖溶水的徑流方向和徑流強度受地形、地貌、巖性和地質(zhì)構(gòu)造等因素控制，其運動方向與地形及巖層的傾斜方向大體一致，在接受大氣降水滲入和地表水滲漏補給后總體方向由南向北運動。研究區(qū)的各雨量站距泉的位置不同、接受降雨補給的面積不同、各雨量站與泉群的連通性不同，所以降水對泉水位的影響不一。

通過上述資料數(shù)據(jù)分析得出：(1)位于寒武紀(jì)張夏地層內(nèi)的臥虎山、邱家莊、南高而等雨量站距離泉群較遠(yuǎn)，滯后時間較長；奧陶紀(jì)區(qū)內(nèi)的興隆、燕子山雨量站距離泉群較近，滯后時間短，因此濟南回灌補源地應(yīng)當(dāng)選在奧陶紀(jì)區(qū)內(nèi)；(2)在相同降雨強度和距離泉群相同距離的前提下，東紅廟和興隆雨量站的滯后時間不同，并且興隆雨量站的滯后時間短于東紅廟，由此確定興隆雨量站與泉群的連通性好于東紅廟，因此興隆地區(qū)更利于回灌；(3)從面降雨量相關(guān)系數(shù)來看，在相同降雨強度和距離泉群相同距離的前提下，興隆雨量站的相關(guān)系數(shù)大于東紅廟雨量站，也能準(zhǔn)確地揭示興隆雨量站的巖溶發(fā)育程度、與泉群的連通性好于東紅廟。

興隆雨量站位于興隆強滲漏帶范圍內(nèi)，是濟南南部山區(qū)重要的生態(tài)和水源涵養(yǎng)區(qū)、泉水直接補給區(qū)，并且興隆強滲漏帶是距離四大泉群直線距離最近、面積最大的強滲漏帶，所以綜合面降雨量與泉水位相關(guān)系數(shù)、滯后時間和距泉群的距離等數(shù)據(jù)，可以得出興隆地區(qū)宜作為泉水回灌補源地。

4 結(jié)語

(1) 濟南泉域巖溶水的最主要補給來源是大氣降水，泉水位的高低受降雨量的影響較大。

(2) 綜合旬、五日和次降雨量以及濟南泉域地下水的流動方向、各雨量站距泉的距離、降雨滯后時間、面降雨量和水位差的相關(guān)關(guān)系等方面，得出興隆雨量站、燕子山雨量站較其他雨量站降水滯后時間較短，有利于回灌。

(3) 通過研究不同區(qū)域雨量站與泉水位的關(guān)系，得出奧陶紀(jì)區(qū)內(nèi)雨量站與泉群的關(guān)系密切，濟南回灌補源應(yīng)當(dāng)選在奧陶紀(jì)區(qū)內(nèi)而非寒武紀(jì)區(qū)，因此興隆雨量站區(qū)域宜作為泉水回灌補源地。

(4) 在枯水期維持濟南泉水動態(tài)穩(wěn)定的旬降雨量累計值大于17.58 mm時，與前人研究相比，提高了濟南降水與泉水位響應(yīng)的研究精度。

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The study of quantitative relationship between the spring water and the dynamic change of the atmospheric precipitation in Ji'nan

CHI Guang-yao1，XING Li-ting1，ZHU Heng-xiang1，HOU Xin-yu1，XIANG Hua2，XING Xue-rui3

(1.Resource and Environment College of Jinan University, Jinan 250022，China；2.Hydrographic Office of Jinan City, Jinan, 250013, Shandong ,China；3.Hebei Geo university, Shijiazhuang 050031，China)

The protection of Ji'nan spring has history more than 40 years, and the spring during dry season over the years has been threatened by cutoff. According to current situation of dynamic change, this paper studies by the correlation analysis method that the relationship between precipitation and spring water in different time scales. Research shows that: The main recharge sources of karst groundwater in Ji'nan spring is precipitation, and the water level of the spring is mainly affected by rainfall. The influence of precipitation on the water level of the spring has the characteristic of hysteresis. The regression analysis of the cumulative precipitation in different time scales shows that the lag time of the Xinglong rainfall station and the Yanzishan rainfall station affect on the water level of the spring is short. Under the condition of the current exploitation, it has a positive effect on the recovery of spring water level when the cumulative value of natural precipitation is more than 17.58mm. The study that the flow direction of the karst water in the spring of Ji'nan, the distance between the spring and each rainfall station, the lag time of the rainfall affect on the spring water level, the relationship between the precipitation and the change of water level of the springs shows that, it is in the region of the Xinglong rainfall station that the influence of precipitation on the water level of the spring is great. Therefore, the Xinglong rainfall station is a suitable recharge place for spring protection and can achieve the purpose of scientific compensation for spring protection.

hoizumi；atmospheric precipitation；range of water level；surface rainfall；Jinan

2016-10-17

國家自然科學(xué)基金：內(nèi)陸平原區(qū)粘土對淺層地下水與中深層咸水循環(huán)交替的阻滯作用(41172222)；淺層大

遲光耀(1993-)，男，山東濰坊人，在讀碩士研究生。主攻方向：地下水動態(tài)演化。

邢立亭(1966-)，男，山東青島人，教授，主要從事地下水環(huán)境演化研究。

P641.2

A

1004-1184(2017)01-0008-04

陸演化咸水水文地質(zhì)參數(shù)變異機制研究(41472216)