黃河三角洲淺層地下水埋深動(dòng)態(tài)與降水的時(shí)空響應(yīng)關(guān)系

張晨晨，黃 翀，何 云，劉慶生,李 賀，吳春生,劉高煥

(1.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室西藏拉薩農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，北京 100101)

受人類活動(dòng)及氣候非線性變化的影響，水文過程的不確定性日益增加，水資源管理面臨更大的挑戰(zhàn)。黃河三角洲成陸時(shí)間短，地下水埋深淺，礦化度高。地下水埋深動(dòng)態(tài)不僅與黃河三角洲土壤鹽漬化密切相關(guān)，還在很大程度上影響著三角洲濕地生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)育演化[1]。地下水是黃河三角洲區(qū)域水循環(huán)的重要組成部分，其補(bǔ)給方式主要包括降水和黃河徑流補(bǔ)給，海洋潮汐也對(duì)地下水有一定影響[2]。近年來，隨著黃河入海水量的急劇減少，黃河徑流對(duì)三角洲地下水補(bǔ)給的作用明顯減弱[3]，降水成為影響區(qū)域地下水埋深動(dòng)態(tài)的最主要因素[4]。然而，現(xiàn)代黃河尾閭改道頻繁，地層巖性復(fù)雜，不同時(shí)期的沉積物相互重疊，還夾雜著一些不透水的透鏡體[5]。在不同空間上，地下水埋深對(duì)降水的響應(yīng)關(guān)系十分復(fù)雜。深入分析黃河三角洲地下水埋深與降水的關(guān)系，不僅有助于理解氣候變化條件下河口三角洲地區(qū)地下水埋深動(dòng)態(tài)與模式，還可為黃河三角洲退化濕地恢復(fù)、土壤鹽漬化防治等生態(tài)環(huán)境治理提供決策依據(jù)。

基于時(shí)間序列分析的地下水埋深與降水的關(guān)系研究是眾多學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)。由于土壤水分、地形、大氣環(huán)流和人類活動(dòng)等自然和人為因素的影響，地下水和降水時(shí)間序列大多表現(xiàn)為非平穩(wěn)時(shí)間序列，時(shí)間和頻率尺度變化較大[6-7]。在常用的時(shí)間序列分析方法中，頻譜分析法適用于動(dòng)態(tài)歷時(shí)曲線周期成分比較顯著的長(zhǎng)序列平穩(wěn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)的頻譜分析不同，小波分析將時(shí)間序列分解為時(shí)頻域，并能分析時(shí)間序列中功率的局部變化。由小波變換發(fā)展而來的交叉小波變換(Cross Wavelet Transform，XWT)和小波相干(Wavelet Coherence，WTC)可以定量評(píng)價(jià)兩組非平穩(wěn)時(shí)間序列在多尺度周期上的相互關(guān)系和時(shí)滯特征[6]，在氣象、天文等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但是在地下水領(lǐng)域應(yīng)用較少[8]。降水對(duì)地下水埋深的影響具有空間差異性，Chinarro等[9]利用交叉小波變換研究了地下水位和降雨信號(hào)間在時(shí)頻域的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)地下水和降水在8～80 d的周期分量上具有高度相關(guān)性。Yu等[10]結(jié)合交叉小波變換和經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分析研究了2005—2010年臺(tái)灣屏東平原地下水位變化與降水之間的時(shí)空非線性關(guān)系，識(shí)別了地下水變化的三種時(shí)空模式，并進(jìn)一步確定了不同模式地下水位變化與降水之間的滯后模式。Duvert等[11]發(fā)現(xiàn)地下水埋深對(duì)高強(qiáng)度降水的響應(yīng)更為敏感。前人研究大多集中于地下水過程較為單一的地區(qū)，針對(duì)黃河三角洲地區(qū)復(fù)雜地下水動(dòng)態(tài)研究關(guān)注較少，地下水埋深變化規(guī)律及其影響機(jī)制尚未得到深入揭示[4, 12]。本研究旨在利用5年的地下水連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，探究黃河三角洲地下水埋深與降水的時(shí)空關(guān)系，以期為黃河三角洲地區(qū)水循環(huán)過程研究及地下水資源管理和生態(tài)保護(hù)提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

現(xiàn)代黃河三角洲位于山東省東營(yíng)市境內(nèi)(圖1)，該區(qū)域內(nèi)地貌條件獨(dú)特，自然資源豐富，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速。現(xiàn)代黃河三角洲由黃河沖積物淤積而成，主要土壤類型為潮土和濱海鹽土[13]，土壤質(zhì)地以粉砂質(zhì)為主[5]。區(qū)域地勢(shì)自西南向東北緩慢降低[14]，微地貌類型主要包括緩平坡地、低平地、河漫灘地和黃河泛流主流帶高地等[15]。研究區(qū)屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫為12.3 ℃，年均降水量為532.6 mm，其中70%的降水集中在夏季[16]。由于成陸時(shí)間短，地表高程低，區(qū)域地下水埋深較淺，礦化度較高。降水是該區(qū)域地下水主要補(bǔ)給方式之一。由于同時(shí)受河、海、陸交互作用，同時(shí)疊加人類活動(dòng)的影響，使得該地區(qū)地下水動(dòng)態(tài)更為復(fù)雜[12, 17]。

圖1 研究區(qū)位置及井位分布Fig.1 Location of the study area and the observational wells

1.2 數(shù)據(jù)及處理

主要研究數(shù)據(jù)包括地下水埋深數(shù)據(jù)、降水?dāng)?shù)據(jù)和研究區(qū)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)。為觀測(cè)黃河三角洲不同空間上地下水動(dòng)態(tài)特征，中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所在不同地貌單元上布設(shè)了14口地下水監(jiān)測(cè)井(圖1)，監(jiān)測(cè)時(shí)段為2006年5月2日—2010年3月27日，觀測(cè)時(shí)間間隔為5 d。降水量數(shù)據(jù)采用研究區(qū)內(nèi)的墾利氣象站(站號(hào)：54744)日值數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來自于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)。為了與地下水觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間和頻率對(duì)應(yīng)，取5 d累計(jì)值進(jìn)行分析。在進(jìn)行地下水埋深和降水的相關(guān)性分析時(shí)，所有數(shù)據(jù)都采用z-score方法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。土地利用數(shù)據(jù)來自于第二次全國(guó)土地調(diào)查數(shù)據(jù)，根據(jù)研究區(qū)情況進(jìn)行適當(dāng)類別合并(圖2a)，微地貌類型(圖2b)和土壤質(zhì)地(圖2c)數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)[15]。

圖2 土地利用、微地貌類型和土壤質(zhì)地圖Fig.2 Land use, micro-geomorphic types and soil texture

2 研究方法

為研究黃河三角洲地下水埋深對(duì)降水的時(shí)空響應(yīng)關(guān)系，首先利用Kendall’s秩相關(guān)及反距離權(quán)重空間插值識(shí)別地下水埋深對(duì)降水響應(yīng)的主要空間模式。基于交叉小波變換和小波相干方法，揭示不同模式地下水埋深對(duì)降水在時(shí)頻域上的具體響應(yīng)過程。結(jié)合土地利用、微地貌類型及土壤質(zhì)地資料，基于地理探測(cè)器方法，探究影響地下水埋深對(duì)降水響應(yīng)關(guān)系的驅(qū)動(dòng)因子。

2.1 Kendall’s秩相關(guān)

Kendall’s秩相關(guān)是衡量?jī)蓚€(gè)時(shí)間序列相似程度的非參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法，不需要樣本遵從一定的分布，而且不受少量極端值和缺失值的干擾，因此在水文及氣象分析研究中得到廣泛應(yīng)用[18]。本文利用Kendall’s秩相關(guān)系數(shù)劃分地下水埋深對(duì)降水的空間響應(yīng)模式。對(duì)于兩個(gè)時(shí)間序列Xn={x1,x2,…,xn}和Yn={y1,y2,…,yn}，相關(guān)性計(jì)算公式為[19]：

(1)

(2)

式中：τau——兩時(shí)間序列相關(guān)系數(shù)；

S——統(tǒng)計(jì)變量。

τau的取值范圍為[-1，1]，當(dāng)τau取值為正時(shí)，表示兩個(gè)時(shí)間序列擁有一致的等級(jí)相關(guān)性；反之，兩個(gè)時(shí)間序列擁有相反的等級(jí)相關(guān)性。

2.2 交叉小波變換

(3)

式中：*——復(fù)共軛；

σX——Xn的標(biāo)準(zhǔn)差；

σY——Yn的標(biāo)準(zhǔn)差；

Zv(p)——概率p的置信度水平。顯著性水平α=0.05時(shí)，Zv(p)=3.999。

當(dāng)式(3)的左端超過置信限，則認(rèn)為通過了95%置信度下的紅噪聲標(biāo)準(zhǔn)譜的檢驗(yàn)，Xn和Yn相關(guān)性顯著。

2.3 小波相干

為了分析多個(gè)時(shí)間尺度上不同分量的時(shí)間變化，采用小波相干方法識(shí)別時(shí)頻域上時(shí)間序列Xn和Yn的協(xié)方差強(qiáng)度，小波相干定義[6]為：

(4)

S(W)=Sscale(Stime(Wn(s)))

(5)

Sscale——沿著小波伸縮尺度軸平滑；

Stime——沿著小波時(shí)間平移軸平滑。

Morlet小波的平滑器定義[20]為：

(6)

Sscale(W)|s=(Wn(s)·c2∏(0.6s))|n

(7)

式中：c1、c2——標(biāo)準(zhǔn)化常數(shù)；

∏——矩形函數(shù)；

0.6——根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定的與Morlet小波波長(zhǎng)的解相關(guān)的尺度參數(shù)。

短路保護(hù)是指在電路發(fā)生不經(jīng)過負(fù)載或?qū)Ь€電阻幾乎忽略不計(jì)等故障時(shí)，瞬間產(chǎn)生極大的電流提供切斷電源，防止設(shè)備損壞而造成事故的保護(hù)方式。在正常供電的電路中，電流的流經(jīng)路徑形成一個(gè)閉合回路，如果在電流通過的電路中，兩導(dǎo)線相觸碰或者被另一小電阻物質(zhì)短接引起短路現(xiàn)象。如果短路保護(hù)出現(xiàn)故障，低壓配電系統(tǒng)的正常運(yùn)行將會(huì)受到阻礙，人們正常生活和工作也將受到一定地影響。

2.4 地理探測(cè)器

地理探測(cè)器(Geographical Detector)是一組揭示因變量空間分異性及其背后驅(qū)動(dòng)因素的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法。其核心思想的假設(shè)為：如果某個(gè)自變量X對(duì)因變量Y有顯著影響，則兩變量的空間分布應(yīng)該具有相似性[21]。地理探測(cè)器不僅可以探測(cè)驅(qū)動(dòng)因子對(duì)因變量的單獨(dú)影響，還可以評(píng)估兩因子共同作用對(duì)因變量的解釋力。相比于主成分分析和多元線性回歸等較常規(guī)的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，地理探測(cè)器具有定量分析各驅(qū)動(dòng)因子交互作用的優(yōu)勢(shì)[22]。本文利用地理探測(cè)器中的因子探測(cè)器分別檢測(cè)土地利用、微地貌類型和土壤質(zhì)地對(duì)地下水埋深與降水響應(yīng)關(guān)系的影響，用交互作用探測(cè)器檢測(cè)兩驅(qū)動(dòng)因子交互對(duì)地下水埋深與降水響應(yīng)關(guān)系的作用。

因子探測(cè)器用q值度量某驅(qū)動(dòng)因子X對(duì)因變量Y的空間分異的解釋力，q值的表達(dá)式[21]為：

(8)

式中：L——因變量Y或驅(qū)動(dòng)因子X的分層；

Nh——層h的單元數(shù)；

N——全區(qū)的單元數(shù)；

σ2——全區(qū)Y值的方差。

q的值域?yàn)閇0，1]，表示驅(qū)動(dòng)因子X解釋了(100×q)%的因變量Y，q值越大，自變量X對(duì)因變量Y的解釋力越強(qiáng)。

交互作用探測(cè)器用于評(píng)估驅(qū)動(dòng)因子X1和X2共同作用時(shí)對(duì)因變量Y的解釋力，根據(jù)q(X1)、q(X2)和q(X1∩X2)之間的關(guān)系，判斷驅(qū)動(dòng)因子X1和X2之間是獨(dú)立作用還是交互作用，以及其交互表現(xiàn)為協(xié)同作用還是抑制作用(表1)。

表1 兩因子對(duì)因變量交互作用的類型

3 結(jié)果與分析

3.1 淺層地下水埋深與降水量時(shí)間序列相關(guān)性分析

淺層地下水埋深和降水量的Kendall’s秩相關(guān)系數(shù)τau的范圍為-0.45～-0.01。采用反距離權(quán)重插值方法對(duì)τau進(jìn)行空間插值，得到τau的空間分布圖(圖3)，反映了地下水埋深與降水量相關(guān)性的空間特征?？梢钥闯觯叵滤裆顚?duì)降水量的響應(yīng)在空間上存在差異?；讦觓u值，將研究區(qū)地下水埋深和降水量時(shí)間序列之間的關(guān)系劃分為3種空間模式：模式1強(qiáng)負(fù)相關(guān)(-0.45～-0.30)，隨降水量增加，地下水埋深顯著降低；模式2負(fù)相關(guān)(-0.30～-0.15)，降水量增加會(huì)引起地下水埋深一定程度的降低；模式3弱負(fù)相關(guān)(-0.15～-0.01)，降水量的變化對(duì)地下水埋深影響微弱(圖3)。

圖3 地下水埋深與降水的空間模式Fig.3 Spatial patterns between groundwater depth and precipitation

圖4 三個(gè)模式的地下水埋深和降水時(shí)間序列Fig.4 Time series of groundwater depth and precipitation for the three patterns during 2006 to 2010

每個(gè)空間模式選取位于該模式主要微地貌類型內(nèi)的一口井作為該模式的代表井位進(jìn)行分析。圖4為三個(gè)模式的地下水埋深和降水時(shí)間序列統(tǒng)計(jì)圖?？梢钥闯?，三種模式的地下水埋深年內(nèi)變化特征基本一致。一年中，地下水埋深基本呈先上升、快速下降，然后緩慢上升的變化趨勢(shì)，埋深最低值一般出現(xiàn)在7月、8月，最高值則出現(xiàn)在1月、2月。DZ13(模式1)、DZ05(模式2)和DZ11(模式3)的地下水平均埋深分別為1.81，2.24，1.19 m(表2)。DZ13和DZ05位于內(nèi)陸，地下水埋深相對(duì)較深，而位于海濱的DZ11埋深較淺?？傮w來看，2006—2010年，模式1和模式2的埋深處于動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)，而模式3埋深整體呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。

3.2 地下水埋深-降水在時(shí)、頻域上的響應(yīng)特征

→正相干 ←逆相干 ↑滯后1/4周期 ↓滯后3/4周期圖5 三個(gè)空間模式的地下水埋深與降水的交叉小波變換結(jié)果Fig.5 The cross-wavelet transform (XWT) between precipitation and groundwater depth for three spatial patterns

對(duì)三種空間模式的代表井位分別進(jìn)行交叉小波變換(圖5)，以進(jìn)一步分析地下水埋深和降水在時(shí)頻域上的共振周期、顯著時(shí)段和相位關(guān)系等。圖5中，交叉小波變換結(jié)果圖例的藍(lán)色與黃色分別表示能量密度的谷值和峰值，黑色粗實(shí)線圈閉的值通過了95%置信水平的紅噪聲檢驗(yàn)，黑色細(xì)實(shí)線下方錐形區(qū)域?yàn)樾〔ㄓ绊戝F(Cone Of Influence，COI)區(qū)域，是交叉小波變換數(shù)據(jù)邊緣效應(yīng)影響較大的區(qū)域[6]。箭頭矢量的方向代表相對(duì)相位關(guān)系，指向右側(cè)表示兩個(gè)時(shí)間序列相位一致(正相位)，即地下水埋深和降水同時(shí)變化或者滯后降水一個(gè)周期變化；箭頭指向左側(cè)表示兩個(gè)時(shí)間序列相位相反，相差π相位(逆相位)，說明地下水埋深相對(duì)于降水滯后1/2個(gè)周期，兩者變化過程相反；箭頭垂直向上(下)表示兩個(gè)時(shí)間序列相差π/2相位，箭頭垂直向上表示地下水埋深相對(duì)于降水滯后1/4個(gè)周期，箭頭垂直向下表示地下水埋深相對(duì)于降水滯后3/4個(gè)周期。

在模式1(圖5a)和模式2(圖5b)中，地下水埋深和降水均具有非常明顯的320～480 d(64×5～96×5)的主共振周期，顯著時(shí)段分別為2006年5月—2008年12月和2006年5月—2009年5月。模式3(圖5 c)沒有超過95%置信度的長(zhǎng)周期，且小波功率明顯小于模式1和模式2。此外，隨著頻率的增加，三個(gè)模式都具有明顯的間歇性周期，雖然周期范圍有差異，但顯著時(shí)段相近。例如，在2006年，模式1具有20～60 d(4×5～12×5)的共振周期，模式2具有30～60 d(6×5～12×5)的共振周期，模式3具有30～85 d(6×5～17×5)的共振周期。局部共振周期的顯著時(shí)段也是降水量顯著增加的時(shí)段，強(qiáng)降水通過包氣帶滲入迅速補(bǔ)給地下水，隨之地下水埋深在該時(shí)段內(nèi)發(fā)生突變，在中高頻率下呈現(xiàn)較強(qiáng)的季節(jié)性。相比于雨季，旱季降水次數(shù)和降水量大大減少，地下水埋深對(duì)降水的響應(yīng)不如雨季顯著。圖5中的箭頭矢量所示，每個(gè)模式高頻域相位角隨時(shí)間變化很大，不同模式相差也很大，而低頻域相位角方向在時(shí)間上基本穩(wěn)定。

表2 監(jiān)測(cè)井位地表高程及地下水埋深統(tǒng)計(jì)

基于交叉小波變換的結(jié)果，計(jì)算平均相位角(表3)，得到地下水埋深對(duì)降水響應(yīng)的滯后時(shí)間。模式1、模式2、模式3的平均相位角分別為3.068 7 rad、2.519 4 rad、0.610 9 rad，地下水埋深相對(duì)于降水的平均滯后時(shí)間分別為178.36 d、146.43 d和35.51 d。從模式1到模式3，平均相位角逐漸減小，說明地下水埋深變化相對(duì)于降水量的響應(yīng)時(shí)間也在逐步縮短。

結(jié)合圖5和表3，模式1和模式2交叉相位的標(biāo)準(zhǔn)差偏差均未能改變相位符號(hào)，說明相位關(guān)系相對(duì)穩(wěn)定，而模式3的標(biāo)準(zhǔn)差大于平均相位，相位符號(hào)發(fā)生改變，說明該模式下地下水埋深與降水的關(guān)系不穩(wěn)定。模式3分布于濱海低地，地下水埋深較淺，地下水和降水交替變換頻繁，使得該模式下不具有顯著的連續(xù)長(zhǎng)周期。

表3 三個(gè)空間模式的平均相位角和時(shí)間滯后統(tǒng)計(jì)

→正相位 ←逆相位 ↑滯后1/4周期 ↓滯后3/4周期圖6 三個(gè)空間模式的地下水埋深與降水的小波相干結(jié)果Fig.6 Wavelet coherence (WTC) between precipitation and groundwater depth for the three spatial patterns

交叉小波變換(XWT)用來檢測(cè)兩個(gè)時(shí)間序列共振能量較高的區(qū)域，但是即使共振能量很低，兩序列也可能具有顯著的相關(guān)性。因此，本研究利用小波相干分析(WTC)進(jìn)一步探究降水與地下水埋深的相關(guān)性。WTC結(jié)果中右側(cè)的色階柱表示兩個(gè)時(shí)間序列的相干性(0～1)，值越大，兩個(gè)時(shí)間序列的相干性越強(qiáng)，反之則越弱。由WTC的結(jié)果(圖6)可以看出，在320～480 d(64×5～96×5)的低頻范圍內(nèi)，模式1和模式2的地下水埋深和降水量在全時(shí)段內(nèi)都存在非常顯著的相關(guān)關(guān)系(圖6a、6b)，但模式3(圖6 c)沒有和模式1、模式2一樣的長(zhǎng)周期相干性。除了交叉小波變換分析中提到的間歇性共振周期，WTC發(fā)現(xiàn)了更多的局部相干性。例如，模式1(圖6a)中，2006年的35～50 d(7×5～10×5)和2007年20～35 d(4×5～7×5)，模式2(圖6b)中，2006年的35～55 d(7×5～11×5)和85～155 d(17×5～31×5)；模式3(圖6 c)中，2009年的0～45 d(0×5～9×5)和75～120 d(15×5～24×5)等，地下水埋深和降水在這些范圍上具有顯著的強(qiáng)相干性。

3.3 地下水埋深對(duì)降水響應(yīng)關(guān)系的驅(qū)動(dòng)因子

地理探測(cè)器通過探測(cè)因變量與驅(qū)動(dòng)因子之間空間分布格局的相似性，度量驅(qū)動(dòng)因子對(duì)因變量的解釋度，即q值。本研究中，因變量為地下水埋深與降水間的秩相關(guān)關(guān)系，驅(qū)動(dòng)因子為土地利用類型、微地貌類型和土壤質(zhì)地。因子探測(cè)器探測(cè)結(jié)果為：三種驅(qū)動(dòng)因子中，微地貌類型對(duì)降水-地下水埋深關(guān)系的解釋度最大，為0.280 7，土地利用為0.244 1，土壤質(zhì)地為0.163 8。這說明微地貌類型是影響降水-地下水埋深響應(yīng)關(guān)系的最主要因子，土地利用類型其次，土壤質(zhì)地類型重要性稍低。由交互作用探測(cè)器探測(cè)結(jié)果(表4)可知，地下水埋深對(duì)降水的響應(yīng)是多種因素共同作用的結(jié)果，不存在相互獨(dú)立起作用的因子，不同因子之間的疊加可極大增加單因子對(duì)地下水埋深-降水響應(yīng)關(guān)系的解釋力，均表現(xiàn)為非線性增強(qiáng)關(guān)系，其中，土地利用和微地貌類型的協(xié)同增強(qiáng)作用最大，為0.749 0。

表4 交互作用探測(cè)器探測(cè)結(jié)果

4 討論

小波相干檢測(cè)出三種空間模式中存在許多相干性很大的間歇性共振周期，這些局部周期體現(xiàn)了強(qiáng)降水對(duì)地下水埋深在短時(shí)間內(nèi)快速變化的明顯影響，這一現(xiàn)象在以往研究[10, 23]中也有發(fā)現(xiàn)。Qi等[23]利用快速傅里葉變換方法分別重構(gòu)了地下水位和降水信號(hào)，表明地下水動(dòng)態(tài)對(duì)強(qiáng)降水的響應(yīng)非常敏感；Yu等[10]通過對(duì)地下水和降水信號(hào)進(jìn)行不同頻率下的逆連續(xù)小波變換(Inverse CWT)，同樣發(fā)現(xiàn)地下水位變化的高頻周期與強(qiáng)降水高度相關(guān)。與高頻周期中頻繁變化的相位角相比，低頻周期的相位角較為穩(wěn)定。在地下水埋深波動(dòng)中，低頻信號(hào)是土壤質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)、地下水埋深、平均入滲通量等的函數(shù)[24]，一般比強(qiáng)降水等高頻信號(hào)保存的更好，所以持續(xù)降水在地下水補(bǔ)給過程中起著更重要的作用。

土壤質(zhì)地、微地貌類型及土地利用等因子主要通過影響降水入滲過程進(jìn)而影響地下水埋深變化。本研究中，微地貌類型對(duì)降水-地下水埋深響應(yīng)關(guān)系的解釋度最大。模式1的代表井位DZ13所處的微地貌類型為河漫灘高地，模式2的代表井位DZ05附近的微地貌類型為河槽洼地，模式3的代表井位DZ11周圍的微地貌類型為濱海低地。不同類型微地貌是影響水文連通性的重要因素，與降雨的再分配過程密切相關(guān)[25]。總體來說，黃河三角洲地區(qū)地勢(shì)平坦，稍有起伏的微地貌增加了地表粗糙程度，凹陷的地表在降水過程中具有更強(qiáng)的“捕水”能力[26]，水分入滲效率得以提高。土地利用作為人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)影響的綜合反映，對(duì)地下水埋深-降水響應(yīng)關(guān)系有著不可忽視的影響。本文中地下水埋深與降水秩相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值較大的區(qū)域與耕地分布具有較高的一致性，這可能是因?yàn)楦髂軌蛟黾油寥揽紫抖?，加之栽培作物?duì)降雨的截留功能和廢棄秸稈對(duì)降水的滯蓄，更加利于降水入滲[27]。所以這種土地利用下，地下水埋深與降水之間的相關(guān)性較高。地下水埋深與降水相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值較小的區(qū)域?qū)?yīng)的土地利用多為鹽堿地和裸地等其他用地、灘涂和不透水面，這些土地利用類型降水的入滲難度較大，更容易形成超滲產(chǎn)流，下滲補(bǔ)給地下水較少，地下水埋深與降水之間的相關(guān)性較弱。對(duì)于土壤質(zhì)地，以往研究大都表明其與降水入滲密切相關(guān)[28-29]，土壤質(zhì)地通過影響土粒的表面能和土壤孔隙度，進(jìn)而對(duì)降雨入滲能力產(chǎn)生影響[30]。但在本研究中，土壤質(zhì)地對(duì)地下水埋深-降水響應(yīng)關(guān)系的解釋度最低。這可能是由于該研究區(qū)輕壤分布廣泛，土壤質(zhì)地的空間差異性較小，加之人類活動(dòng)強(qiáng)烈，從而削弱了土壤質(zhì)地對(duì)地下水埋深-降水響應(yīng)關(guān)系的影響。

需要指出的是，黃河三角洲地處河口海岸帶地區(qū)，區(qū)域地下水埋深動(dòng)態(tài)是河-海-陸復(fù)雜交互作用的結(jié)果。區(qū)域地下水埋深除了主要受降水影響外，也會(huì)受到海洋潮汐、黃河徑流等過程的影響。但潮汐作用和黃河徑流對(duì)于區(qū)域淺層地下水的影響都只限于一定的范圍[31]。因此，本文在探討地下水埋深對(duì)降水的響應(yīng)時(shí)，沒有深入分析潮汐和黃河徑流的影響。由于黃河三角洲水文循環(huán)過程的復(fù)雜性，局部地區(qū)河-海-陸多因子交互作用的耦合程度和機(jī)制仍需進(jìn)一步研究。

5 結(jié)論

結(jié)合Kendall’s秩相關(guān)、交叉小波變換和小波相干方法，分析了黃河三角洲淺層地下水埋深對(duì)降水不同的時(shí)空響應(yīng)模式，利用地理探測(cè)器探究影響地下水埋深對(duì)降水響應(yīng)的驅(qū)動(dòng)因子，主要結(jié)論如下：

(1)地下水埋深與降水量時(shí)間序列呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，Kendall’s秩相關(guān)系數(shù)τau的范圍為 -0.45～-0.01，空間差異性明顯，其關(guān)系根據(jù)τau值可以分為三種空間模式：模式1強(qiáng)負(fù)相關(guān)(-0.45～-0.30)、模式2負(fù)相關(guān)(-0.30～-0.15)和模式3弱負(fù)相關(guān)(-0.15～-0.01)。

(2)從模式1到模式3，地下水埋深對(duì)降水的響應(yīng)延遲時(shí)間越來越短，分別為178.36 d、146.43 d和35.51 d，模式1和模式2地下水埋深和降水量的相位關(guān)系相對(duì)穩(wěn)定，而模式3的標(biāo)準(zhǔn)差大于平均相位，地下水埋深與降水的關(guān)系不穩(wěn)定。在所有模式中，都存在很多局部共振周期，說明地下水埋深動(dòng)態(tài)對(duì)強(qiáng)降水的響應(yīng)非常敏感。

(3)土地利用、微地貌類型和土壤質(zhì)地對(duì)地下水埋深和降水的關(guān)系都有顯著的影響。從相對(duì)重要性來說，微地貌類型貢獻(xiàn)最大，其次是土地利用類型和土壤質(zhì)地。驅(qū)動(dòng)因子之間都表現(xiàn)出協(xié)同增強(qiáng)作用，土地利用和微地貌類型的協(xié)同增強(qiáng)作用最顯著。