東莞交椅灣濱海地區(qū)地下水潮汐效應(yīng)分析

黃文龍

(廣東省地質(zhì)調(diào)查院，廣東 廣州 510080)

在濱海地區(qū)地下水受潮汐作用的影響，往往隨潮汐變化出現(xiàn)有規(guī)律的波動，這是濱海地區(qū)地下水的潮汐效應(yīng)[1]。分析地下水潮汐效應(yīng)對了解濱海地區(qū)水文地質(zhì)特征具有重要意義，周訓(xùn)等[2-3]在北海濱海地區(qū)進(jìn)行了相關(guān)研究，取得了有意義的結(jié)果。本文結(jié)合地下水位自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)與潮汐數(shù)據(jù)分析珠江口交椅灣濱海地區(qū)地下水動態(tài)特征及其與潮汐變化的相關(guān)關(guān)系。

1 研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境背景

東莞交椅灣地區(qū)位于珠江口交椅灣海域北東側(cè)，屬東莞濱海灣新區(qū)三大規(guī)劃板塊之一，毗鄰深圳。地貌以濱海平原為主，地勢較平坦開闊。西側(cè)以磨碟河為界，以西為沙角，東側(cè)以東寶河為界，與深圳寶安隔河相望。地表水系稍發(fā)育，多自北西向南東徑流入海。本區(qū)屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，多年平均降雨量1 802.5 mm。珠江河口海域的潮汐屬不正規(guī)半日混合潮型，每日有兩次高潮和低潮，但有日不等現(xiàn)象，距研究區(qū)最近的驗(yàn)潮站為龍穴島北東側(cè)的舢舨洲(圖1)。

圖1 觀測站點(diǎn)位置圖

研究區(qū)地表多被厚度不一的填土覆蓋，下伏海陸交互相的第四系桂洲組(Qhg)、禮樂組(Qpl)地層，基巖多為中元古界云開巖群(PtY.)的變質(zhì)砂巖、花崗片麻巖、片麻狀花崗巖等。區(qū)內(nèi)地下水類型主要為松散巖類孔隙水和基巖裂隙水，孔隙水含水層巖性主要為禮樂組石牌段(Qhlsp)的中粗砂、粗砂、圓礫，平面上分布較不連續(xù)，局部呈透鏡體狀分布，厚度1.1～4.6 m不等，單井涌水量普遍小于80 m3/d，富水性貧乏；基巖裂隙水主要賦存于基巖風(fēng)化裂隙、構(gòu)造裂隙中，單井涌水量7.1～15.6 m3/d。本區(qū)地下水為咸水，較少開采利用活動，但附近屬建設(shè)開發(fā)區(qū)，人類工程活動強(qiáng)烈，鉆探、地基處理、基坑開挖等活動均有可能影響地下水。

2 地下水水位監(jiān)測

為研究潮汐引起濱海地區(qū)地下水位的動態(tài)特征，在距離海岸線約1.6 km的ZK20孔處設(shè)置了地下水位自動化監(jiān)測點(diǎn)，主要監(jiān)測松散巖類孔隙水動態(tài)變化。ZK20自上而下依次揭露填土(0～1 m)、粉質(zhì)粘土(1～4.24 m)、淤泥(4.24～9.5 m)、淤泥質(zhì)細(xì)砂(9.5～12.53 m)、粉質(zhì)粘土(12.53～18.35 m)、淤泥(18.35～27.2 m)、中粗砂(27.2～28.9 m)及砂質(zhì)粘性土(28.9～31 m)，其中含水層位為中粗砂層，地下水性質(zhì)為承壓水。采用美國基康儀器的GK8002-1單通道數(shù)據(jù)采集儀及BGK4500S振弦式滲壓計對地下水位進(jìn)行長期自動化監(jiān)測，監(jiān)測起止時間為2019年9月27日至今，數(shù)據(jù)獲取時間間隔為1 800 s，即30分鐘/次，每天獲取數(shù)據(jù)48組。

監(jiān)測期內(nèi)地下水位變幅并不大，但受降水、潮汐等因素影響，地下水位仍會出現(xiàn)比較明顯的變化。監(jiān)測期內(nèi)地下水位標(biāo)高平均值為5.20 m，最大水位標(biāo)高為5.42 m，最小水位標(biāo)高為5.00 m，最大變幅為0.42 m；另外，單日水位最大變幅為0.097 m，為2020年2月16日(最大水位標(biāo)高5.286 m，最小水位標(biāo)高5.179 m)，單日水位最小變幅為0.024 m，為2019年12月17日(最大水位標(biāo)高5.366 m，最小水位標(biāo)高5.342 m)。

表1 地下水位日漲落變化情況(2020.2.16-2020.3.17)

3 地下水潮汐效應(yīng)分析

3.1 地下水與潮汐水位動態(tài)變化分析

為降低地下水受降雨補(bǔ)給對數(shù)據(jù)分析的影響，選取少有降雨影響的枯水期水位數(shù)據(jù)(2020年2月16日至3月17日)，并結(jié)合舢舨洲驗(yàn)潮站潮汐水位數(shù)據(jù)繪制動態(tài)曲線圖(圖2)。

據(jù)圖2，在近一個月的監(jiān)測周期內(nèi)，地下水與潮汐每日均出現(xiàn)兩漲兩落的變化，二者具較好的相關(guān)性。潮汐水位具長、短周期性變化，長周期約為15 d，短周期約為24.83 h(即一個太陰日)，且每日潮差和漲落潮時間都有明顯的不等現(xiàn)象，日最大潮差為2.21 m，日最小潮差為0.78 m，而地下水短周期變化亦較明顯，日周期平均值約為24 h，但其第一次波谷出現(xiàn)時間較不規(guī)律，從凌晨1:30至5:30均有出現(xiàn)，第一次波峰、第二次波谷及第二次波峰出現(xiàn)時間則較為規(guī)律，出現(xiàn)時間分別為每天9:30前后、16:00前后及23:00前后，但都存在個別延遲日，最大延遲時間可達(dá)2 h；水位日最大變幅為0.088 m，日最小變幅為0.035 m，地下水變幅約為潮汐變幅的1/20。

圖2 潮汐水位與ZK20井地下水位變化曲線圖(2020.2.16-2020.3.17)

由圖2可看出，雖已選取枯水期數(shù)據(jù)，但由于監(jiān)測孔距海岸線較遠(yuǎn)，且受降雨補(bǔ)給影響，地下水位的趨勢變化較難呈現(xiàn)長周期變化，如3月8日地下水位在出現(xiàn)連續(xù)自然下降后達(dá)本月水位最低值(5.124 m)，這與潮汐的長周期變化是不匹配的，另外3月8日前后恰為農(nóng)歷十五，為本月天文大潮，此后受降雨補(bǔ)給疊加影響，水位才迅速上升，同時在上升期間，兩漲兩落的日變化不明顯，分析認(rèn)為受降雨補(bǔ)給的疊加，兩落的趨勢被抵消，僅呈現(xiàn)一落，上升趨勢減緩后，兩落的趨勢逐漸恢復(fù)?？傮w而言，在地下水總體呈上升趨勢時，兩漲兩落的周期中變幅小的落程變化較不明顯，而處于總體下降時，變幅小的漲程變化則相對不明顯。

3.2 地下水對潮汐響應(yīng)時間分析

對比潮汐與地下水動態(tài)漲落曲線的波形，可知二者雖具良好的相關(guān)性，但地下水對潮汐的響應(yīng)具滯后性。為確定地下水響應(yīng)的滯后時間，需找到二者相匹配的漲落周期及時間點(diǎn)。由上述，由于地下水本身具趨勢性變化，整體上升或整體下降時漲落變化波形會受影響，因此需對數(shù)據(jù)作進(jìn)一步分析。

觀察潮汐波動曲線，可知相鄰兩次漲落具日不等現(xiàn)象，當(dāng)兩次漲落變幅差較大時，其中漲幅小的一次波動由于能量的不足，對地下水造成的影響也相對較小。據(jù)表2，從2月16日-2月29日，潮汐每天兩次波峰差值范圍為0.08～0.92 m，其中2月17日-2月26日潮汐兩漲兩落的日不等現(xiàn)象較為明顯，而2月18日-22日兩次波峰差都接近0.9 m，因此可根據(jù)這幾天的漲落變化作為特征波形來匹配相應(yīng)的地下水變化。由于潮汐每天兩次波峰趨勢為先小后大，因此地下水兩次波峰趨勢需匹配其特征，則地下水對應(yīng)的兩次漲程為當(dāng)日第二次波峰及翌日的第一次波峰，據(jù)此計算地下水每日兩次漲潮水位差值。經(jīng)計算(表2)，2月19日地下水位波峰差值為0.036 m，可匹配2月19日的潮汐水位變化，相應(yīng)的一次波峰潮汐時間點(diǎn)為2月19日10:54，地下水則為2月19日23:00，其滯后時間為12.01 h，二次波峰對應(yīng)時間分別為2月19日20:18及2月20日10:00，滯后時間為13.7 h。

表2 潮汐每日兩次漲潮水位差值情況(2020.2.16-2020.2.29)

同理可計算，2月20日兩次峰值滯后時間分別為13 h、13.37 h，21日兩次峰值滯后時間分別為11.12 h、12.08 h，22日兩次峰值滯后時間分別為11.28 h、11 h，23日兩次峰值滯后時間分別為11.5 h、9.48 h。其響應(yīng)時間有減少的趨勢，有可能是由于潮汐逐漸趨于天文大潮，能量的增大使得傳播加速，滯后時間減少，另一方面由于地下水自身變化趨勢及受周邊人類工程活動的影響，使得水位響應(yīng)變化不完全匹配潮汐，同時，雖舢舨洲驗(yàn)潮站處于交椅灣海域，但距離監(jiān)測孔約9.5km，與監(jiān)測孔附近海岸線的潮汐水位可能存在一定差異。

4 結(jié)語

(1)受潮汐作用影響，濱海承壓地下水位呈現(xiàn)與潮汐一致的兩漲兩落日不等現(xiàn)象及日周期。

(2)研究區(qū)地下水受降雨、人類工程活動等的影響，即使選取枯水期水位數(shù)據(jù)仍較難觀測其長周期趨勢。短周期的漲落變化亦會受其影響，但影響相對較小。

(3)根據(jù)日不等現(xiàn)象可匹配潮汐與地下水漲落波形，以此來計算地下水響應(yīng)時間。為更精確計算滯后時間，應(yīng)收集精度更高的潮汐、地下水位數(shù)據(jù)及降雨數(shù)據(jù)。為了解距海岸線不同距離的地下水響應(yīng)時間及潮汐能量衰減規(guī)律，應(yīng)設(shè)置更多不同距離的監(jiān)測點(diǎn)。