降雨與不同類型巖溶區(qū)地下水動(dòng)態(tài)的關(guān)系研究
——以蘭村泉域?yàn)槔?/h1>

2018-08-03 03:24:50，，

地下水訂閱 2018年4期 收藏

關(guān)鍵詞：降雨量回歸方程巖溶

，，

(1.河北地質(zhì)大學(xué)，河北 石家莊 050000；2.中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所，廣西 桂林 541004；3.中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，河北 石家莊 050000)

蘭村泉域作為山西省太原市重要的供水水源地，不僅是山西省重點(diǎn)的巖溶泉域，也對太原市的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展有著舉足輕重的作用[1]。在上世紀(jì)五六十年代，該泉水流量較大，約為5m3/s；從七十年代始，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，需水量日益加大，水資源供需矛盾突出，加上不規(guī)范的開采制度，大面積的超采地下水造成水源地巖溶水位急劇下降；至八十年代后期，城鎮(zhèn)、農(nóng)村以及其他工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)對水資源的大量需求，致使巖溶水位持續(xù)下降[2]。

近幾年由于“關(guān)井壓采”及“全面禁采巖溶水”等一系列政策實(shí)施后蘭村泉域水位呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢。據(jù)資料顯示，蘭村水位由2010年的777 m，上升至2015年的786 m，五年水位上升9 m(如圖1)[3]。隨著水位的逐漸上升，地下水動(dòng)態(tài)類型發(fā)生新的變化，降雨在新的動(dòng)態(tài)變化過程中與不同類型巖溶區(qū)的地下水動(dòng)態(tài)有著不同的關(guān)系，因此本文主要的主要任務(wù)：通過研究降雨與不同類型巖溶區(qū)(包括裸露型巖溶區(qū)、覆蓋型巖溶區(qū)、埋藏型巖溶區(qū))分析降雨與巖溶地下水水位的關(guān)系，確定不同巖溶區(qū)地下水動(dòng)態(tài)成因類型。

1 蘭村泉域概況

蘭村泉域位于太原東北部(如圖2)，東、西、北三面環(huán)山，地勢總特點(diǎn)為從山區(qū)向盆地呈階梯式下降，西、北、東三面高，中間和南面低[4]。蘭村泉域?qū)儆诖箨懶约撅L(fēng)氣候-帶，為半濕潤、半干旱一過渡區(qū)內(nèi)雨熱同季，光熱資源較為豐富，總的特點(diǎn)是干旱，少雨，多風(fēng)。泉域約2 500 km2，多年平均降水量505 mm，多年平均蒸發(fā)量為1 800 mm，降雨多集中在7-9月，降雨量占全年的70%左右，降水年際、年內(nèi)變化較大[5]。大氣降雨的入滲補(bǔ)給是蘭村泉域巖溶地下水的首要補(bǔ)給來源。研究區(qū)內(nèi)灰?guī)r裸露區(qū)面積大，主要分布于泉域西部、東部、棋子山地區(qū)的灰?guī)r裸露山區(qū)以及西北、北部和東北地區(qū)汾河支流凌井河、楊興河、泥屯河河谷中[6]。

圖1 蘭村泉域長觀孔水位與開采量動(dòng)態(tài)

圖2 蘭村泉域概況圖

2 區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)特征

蘭村泉域和華北其他巖溶泉域一樣，是一個(gè)集補(bǔ)給、徑流、排泄自于一體的獨(dú)立的水文地質(zhì)單元[7]。泉域內(nèi)大部分面積為裸露的碳酸鹽巖區(qū)，少部分面積被非巖溶所覆蓋。裸露的碳酸鹽巖對降水的吸收能力很強(qiáng)，泉域含水層主要為：奧陶系中統(tǒng)下馬家溝組、奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組。

奧陶系中統(tǒng)下馬家溝組：上部為深灰色、灰白色中厚層石灰?guī)r，堅(jiān)硬性脆，含方解石脈；中部為灰色-深灰色薄層及中厚層石灰?guī)r，夾灰白色薄層含白云質(zhì)泥質(zhì)灰?guī)r[8]；下部為米黃色、灰黃色、黃色泥灰?guī)r夾灰色角礫狀泥灰?guī)r。該層堅(jiān)硬，巖心破碎，溶洞裂隙發(fā)育，透水良好，含水豐富，單位涌水量200～1 100 m3。

奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組：本區(qū)主要含水層，亦為本區(qū)出露的主要巖層。在烈石山與劃山均屬此巖層。上部為深灰色中厚層層狀塊狀石灰?guī)r及塊狀石灰?guī)r夾土黃色灰白色薄層泥質(zhì)灰?guī)r；中部為深灰色中厚層一巨厚層石灰?guī)r及蠕蟲狀石灰?guī)r，致密堅(jiān)硬，塊狀構(gòu)造，含珠角石與下伏泥灰?guī)r接觸處溶洞發(fā)育；下部為淡黃色、黃白色、灰黃色泥灰?guī)r夾泥質(zhì)灰?guī)r，團(tuán)塊狀含小角礫、角礫成份為含白云質(zhì)泥質(zhì)灰?guī)r。

區(qū)內(nèi)地表巖溶形態(tài)多位于裸露型碳酸鹽巖區(qū)，上面沒有或僅有很少的第四系覆蓋物，遭受強(qiáng)烈的風(fēng)化、剝蝕和河流的侵蝕切割，地貌為旱谷、盲洞、巖溶泉等[9]。此外，巖溶泉是蘭村泉域最重要的巖溶形態(tài)，主要是在地質(zhì)、構(gòu)造、汾河侵蝕切割等綜合地質(zhì)營力的作用下出露地表形成泉水，泉域內(nèi)較為出名的巖溶泉有懸泉寺泉、峙頭泉、下槐泉、蘭村泉等等[10]，在柳林河以及周邊山谷中發(fā)現(xiàn)較多表層巖溶泉(見圖3)。

圖3 蘭村泉域巖溶洞穴及表層巖溶泉

3 數(shù)據(jù)采集與研究方法

3.1 數(shù)據(jù)采集

借助本次項(xiàng)目，分別對所選取的三種不用類型巖溶區(qū)包括：裸露區(qū)以蘭村水廠巖溶水井為例，覆蓋區(qū)以陽曲縣思西村巖溶水井為例，由于蘭村泉域未發(fā)現(xiàn)有埋藏區(qū)巖溶水井故埋藏區(qū)以古交市A0鉆孔作為觀測孔，對三種地區(qū)布置雨量觀測站，并在當(dāng)?shù)厥占?2014、2015、2016)相關(guān)降雨與水位資料。

3.2 研究方法

本文主要利用Spass軟件等手段，對近三年降雨與水位資料的進(jìn)行線性分析以及相關(guān)性分析，并確定出各個(gè)類型巖溶區(qū)與降雨之間線性方程。

4 研究結(jié)果

4.1 降雨與裸露型地區(qū)巖溶地下水動(dòng)態(tài)研究

圖4 蘭村水廠2014-2016年降雨與水位動(dòng)態(tài)曲線

如圖4為蘭村水廠降雨與巖溶水井水位動(dòng)態(tài)曲線，該區(qū)降雨主要特征為單峰型降雨，降雨集中在每年的6-9月，降雨量占全年的80%以上。據(jù)圖顯示該井水位在近幾年呈現(xiàn)上漲的趨勢，漲幅1.2 m。其中最大漲幅出現(xiàn)在冬季至次年春季，漲幅5.5 m，四月份以后隨著春天的到來，開采量大幅度增大，此時(shí)還未進(jìn)入雨季，地下水補(bǔ)給量較少，導(dǎo)致水位驟降，下降幅度最大為3.55 m。此之后，隨著雨季的到來，降雨量逐漸加大，汾河流量加大，地下水補(bǔ)給量逐漸增大，水位成上升趨勢。

為對水位與降雨進(jìn)行回歸分析，我們將蘭村水廠水位于降雨量通過spass軟件進(jìn)行回歸線性分析，以水位最為因變量，降雨量最為自變量，可以看出在不同階段的降雨量，有著不同的水位變化速率。設(shè)降雨量為P，水位標(biāo)高為H?？梢缘贸鲈诼懵缎蛶r溶地下水中降雨量雨水位之間的一元回歸方程為：H1=0.016×P1+787.047 (其中P代表降雨量值)。

圖5 蘭村水廠巖溶水水位與降雨量散點(diǎn)變化圖

通過圖5，降雨與水位散點(diǎn)圖可以得出：在不同的降雨量范圍，其水位變化有著不同的變化趨勢：當(dāng)P1<50 mm時(shí)，系數(shù)B大于0.16，水位隨降雨量的變化較大， 當(dāng)50 mm ≤P1<150 mm時(shí)，系數(shù)B小于0.016，水位隨降雨的變化較小。

表1 水位與降雨相關(guān)性分析表

**. 在 .01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

根據(jù)表1得皮爾遜系數(shù)r值為0.757，降雨量與水位之間為中度正相關(guān)。綜合巖溶水位動(dòng)態(tài)變化與降雨量的關(guān)系圖、散點(diǎn)圖及相關(guān)性分析，可以得出裸露型巖溶地區(qū)水位總體上水位與降雨量呈中度正相關(guān)，據(jù)回歸方程顯示：當(dāng)降雨量小于50 mm的時(shí)候方程斜率較大，降雨入滲速度較快，水位上升的較快；當(dāng)降雨量超過50 mm的時(shí)候，斜率逐漸減小向X軸靠近，降雨入滲速度減緩，水位變化速率明顯減慢。而且隨著降量加大，水位上升速度減小，該研究區(qū)巖溶水動(dòng)態(tài)成因類型可歸結(jié)為降雨入滲型。與前一年(2014)和后一年(2016)對比可發(fā)現(xiàn)，水位滯后時(shí)間較短，基本在2個(gè)月。主要原因由于裸露型巖溶區(qū)巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，降雨會(huì)直接通過巖溶通道或巖溶裂隙直通進(jìn)入地下水補(bǔ)給致使地下水位上升迅速。

4.2 降雨與覆蓋型巖溶地下水的關(guān)系

圖6 2014-2016年思西水井降雨與水位動(dòng)態(tài)曲線

由圖6所示，該地區(qū)降雨屬于單峰型降雨，降雨集中在5-9月，占據(jù)全年降雨的80%左右。1月-4月時(shí)，降雨量較少，地下水補(bǔ)給量少，水位呈現(xiàn)下降的趨勢，隨著5月份逐漸進(jìn)入雨季，雨水充沛，降雨量逐漸增加，至7、8月份降雨量達(dá)到最，從5月份開始水位雖持續(xù)下降但下降速度緩和逐漸趨向平穩(wěn)，待雨季過后，降雨量逐漸減少，水位呈現(xiàn)上升的趨勢。該區(qū)域年內(nèi)水位變化呈下降趨勢，三年間水位最高降幅1.61 m。

為對水位與降雨進(jìn)行回歸分析，通過運(yùn)用spass進(jìn)行回歸線性分析，由于陽曲縣黃土覆蓋區(qū)巖溶水主要的補(bǔ)給來源主要為大氣降雨補(bǔ)給，故在此只考慮主要變量--降雨水位的影響。以降雨為自變量，水位作為因變量做一元回歸線性模型，可得關(guān)于覆蓋型巖溶水位于降雨量之間的一元回歸方程：H2=899.089-0.002×P2。

圖7 思西村水位與降雨量散點(diǎn)圖

通過散點(diǎn)圖7可以看到該區(qū)域降雨量及水位散點(diǎn)大部分靠近一元回歸方程H2=899.089-0.002×P2，當(dāng)降雨量P介于0～20 mm時(shí)，直線斜率系數(shù)B>-0.002，散點(diǎn)代表水位變化反應(yīng)較快；當(dāng)降雨量P介于20～40時(shí)，直線斜率系數(shù)B<-0.002，水位變化程度會(huì)隨降雨的變化減緩，反映緩慢。當(dāng)降雨量更大時(shí)將遵循第二種變化，水位變化緩慢。這是由于一段時(shí)間降雨量過大的時(shí)候，在黃土區(qū)會(huì)產(chǎn)生地表徑流，增加空隙壓，下雨入滲速率逐漸變慢，待降雨結(jié)束之后進(jìn)行二次補(bǔ)給地下水。由于在降雨以及其后的一段時(shí)間內(nèi)，降雨補(bǔ)給未下滲至巖溶含水層，補(bǔ)給量不足以達(dá)到開采量而呈現(xiàn)出下降趨勢。

表2 水位與降雨相關(guān)性分析表

*. 在 0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

綜合上述年內(nèi)動(dòng)態(tài)變化、年際動(dòng)態(tài)變化特征、回歸模型散點(diǎn)圖以及相關(guān)性分析，皮爾遜系數(shù)|r|=0.394，覆蓋型地區(qū)巖溶地下水位與降雨量之間相關(guān)性較弱。覆蓋型巖溶區(qū)巖溶水位會(huì)隨著降雨量的加大而“滯后”式的出現(xiàn)上漲或回升，滯后時(shí)間約為4個(gè)月；當(dāng)降雨量小于20 mm時(shí)，降雨會(huì)直接下滲補(bǔ)給地下水，地下水位反映變化較快；當(dāng)降雨量大于20 mm時(shí)，黃土覆蓋區(qū)將形成地表徑流，形成降雨荷載，增加了孔隙水壓，造成降雨下滲速度減緩，故水位反映變化緩慢，一直等待降雨的二次補(bǔ)給水位才出現(xiàn)增長。該地區(qū)地下水在較長的一段時(shí)間內(nèi)一直為下滑的趨勢，造成這一現(xiàn)象的原因說明降雨補(bǔ)給量不足以達(dá)到開采量的需求，使得水位一直處于下降的趨勢，地下水動(dòng)態(tài)成因類型可歸結(jié)為降雨入滲-人工開采型。

4.3 降雨與埋藏型巖溶地下水的關(guān)系

圖8 2014-2016年A0鉆孔降雨與水位動(dòng)態(tài)曲線

圖8分別為古交市A0鉆孔近三年水位與降雨數(shù)據(jù)，通過圖表可發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)-埋藏型巖溶區(qū)降雨特征屬于單峰型降雨，降雨主要集中在6-9月份，占據(jù)全年80%以上。在1-3月時(shí)水位呈現(xiàn)下降的趨勢，而在6-8月時(shí)，雨季的到來，降雨量大幅度增加，降雨的入滲補(bǔ)給隨之增加，汾河流量也會(huì)隨之增加，滲漏量也逐漸加大。水位呈現(xiàn)緩慢的增長趨勢，與A0鉆孔動(dòng)態(tài)變化基本吻合，符合該區(qū)動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。

研究區(qū)水位與降雨回歸分析：通過對古交A0鉆孔進(jìn)行回歸分析可得出回歸模型：關(guān)于埋藏型巖溶水位于降雨量之間的一元回歸方程：H3=901.405+0.018×P3

圖9 A0鉆孔降雨與水位散點(diǎn)圖

綜合分析可得出，該區(qū)域降雨類型主要為單峰型降雨，埋藏型降雨與埋藏型地下水之間存在正相關(guān)。當(dāng)降雨在25 mm時(shí)，降雨直接下滲地下水，水位反映較為迅速；當(dāng)降雨超過25 mm時(shí)，水位反應(yīng)較慢，在下滲補(bǔ)給完淺層水之后形成徑流，待徑流二次補(bǔ)給水位才會(huì)上升，形成滯后效應(yīng)。由于埋藏區(qū)降之后需經(jīng)過二疊系石炭系方能到達(dá)巖溶含水層故埋藏區(qū)巖溶地下水對降雨反映滯后時(shí)間明顯要高于覆蓋區(qū)及裸露區(qū)。滯后時(shí)間大約在5-6個(gè)月左右，對于古交地區(qū)地下水水位主要受到降雨補(bǔ)給以及開采的影響故地下水動(dòng)態(tài)類型可歸結(jié)為降雨補(bǔ)給-徑流型。

5 結(jié)語

(1)裸露型巖溶地區(qū)降雨與地下水位總體為正相關(guān)性，據(jù)回歸方程顯示：當(dāng)降雨量超過某一限定值(50 mm)時(shí)，水位升高速率減緩，該研究區(qū)巖溶水動(dòng)態(tài)類型可歸結(jié)為降雨入滲型，水位滯后時(shí)間較短，基本在2月之間。歸其原因該區(qū)巖溶裂隙發(fā)育，降雨之后可通過巖溶裂隙或巖溶管道直達(dá)地下水潛水面致使水位迅速升高。

(2)覆蓋型巖溶區(qū)降雨與地下水位之間為滯后正相關(guān)，相關(guān)性較弱，滯后時(shí)間較長約為4個(gè)月，究其原因黃土覆蓋區(qū)將形成地表徑流，形成降雨荷載，增加了孔隙水壓，造成降雨下滲速度減緩，故水位反映變化緩慢，地下水類型主要為降雨入滲-人工開采型。

(3)埋藏區(qū)降雨與地下水位之間關(guān)系總體呈現(xiàn)正相關(guān)，據(jù)回歸方程顯示：當(dāng)降雨在25 mm時(shí)，降雨直接下滲地下水，水位反映較為迅速；反之，水位反應(yīng)較慢，滯后時(shí)間約在6個(gè)月左右，主要由于埋藏區(qū)降雨之后降水要通過二疊系、石炭系等地層方能到達(dá)含水層故滯后時(shí)間較長。對于古交地區(qū)地下水水位主要受到降雨補(bǔ)給以及開采的影響故地下水動(dòng)態(tài)類型可歸結(jié)為降雨補(bǔ)給-徑流型。

(4)由上述結(jié)論降雨與覆蓋型巖溶區(qū)關(guān)系為滯后相關(guān)，相關(guān)性較弱。覆蓋區(qū)巖溶地下水主要補(bǔ)給來源為包氣帶水，本文欠缺對包氣帶水方面的討論，未來應(yīng)進(jìn)一步研究完善覆蓋區(qū)包氣帶水方面的研究。

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