池州市淺層地下水位變化規(guī)律及成因分析

謝志峰,余超宇

(1.安徽省安慶水文水資源局，安徽 安慶 246003;2.中國地質(zhì)大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430000)

地下水資源是水資源的重要組成部分，分析地下水位變化規(guī)律具有實(shí)際的意義。針對(duì)具體的區(qū)域，地下水位變化主要受一種水文要素或多種要素綜合影響?，F(xiàn)有資料分析顯示，影響孔隙潛水地下水位變化最敏感的質(zhì)變因子是降水要素。筆者收集了池州市2017—2021年實(shí)測相關(guān)樣本資料，并進(jìn)行分析。

1 研究區(qū)概況

1.1 地理位置

池州市位于安徽省西南部，長江下游南岸，北臨長江，與安慶市隔江相望，東與銅陵市、蕪湖市相鄰，東南與黃山市交界，西南與江西省交界[1]。介于東經(jīng)116°38′—118°05′，北緯29°33′—30°51′之間，總面積8 398.7 km2，全市總?cè)丝诩s134.2萬人。池州市(曼哈頓站點(diǎn))地下水位站點(diǎn)位于池州市區(qū)內(nèi)，池州市(貴池站點(diǎn))墑情站點(diǎn)位于池州市貴池區(qū)馬衙鎮(zhèn)。地下水位站與墑情站地理位置見圖1。

圖1 地下水位站與墑情站地理位置圖

1.2 水文、氣象情況

池州市屬北亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，四季分明，溫暖濕潤，年平均風(fēng)速 3.5 m/s，最大風(fēng)速14 m/s，常年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)(NE)[2]。年平均雨量1 568 mm，該地區(qū)全年降雨主要集中在6—9月，約占全年的60%，10年一遇最大24 h降水量237.5 mm。多年平均氣溫16.5 ℃，日最高氣溫40.02 ℃，日最低氣溫-9.6 ℃。7—8月為高溫季節(jié)，1—2月較為寒冷，無霜期220 d。年平均日照時(shí)數(shù)1 926 h，最多日照時(shí)數(shù)2 358 h，最少日照時(shí)數(shù)1 484 h。

2 地下水位變化規(guī)律統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)池州市(曼哈頓站點(diǎn))地下水位樣本進(jìn)行分析顯示，該站最大地下水埋深4.58 m，發(fā)生于2020年2月6日，最小地下水埋深1.91 m，發(fā)生于2020年10月16日；地下水埋深變化總幅度為2.67 m，多年地下水埋深均值為3.21 m，年內(nèi)地下水埋深分布出現(xiàn)馬鞍形分布[3]。其凹點(diǎn)主要分布在5月份和10月份，最高和較高凸點(diǎn)主要分布于汛前1—2月、7-8月主汛期，汛后10—11月也出現(xiàn)有一個(gè)凸點(diǎn)高峰分布區(qū)域。池州市(曼哈頓站點(diǎn))歷年地下水埋深逐月分布見圖2。

圖2 池州市(曼哈頓站點(diǎn))歷年地下水埋深逐月分布圖

3 地下水位變化成因分析

歷年實(shí)測數(shù)據(jù)顯示，2017年降水量1 441 mm，2018年降水量1 396.5 mm，2019年降水量1 376.5 mm，2020年降水量2 032 mm，2021年降水量1 502.5 mm，其中2019年降水量最小，2020年降水量最大，2021年降水量最接近歷年均值。選擇2019年(枯水年)、2020年(豐水年)、2021年(平水年)作為典型年。

3.1 年際地下水位與降雨量關(guān)系

2017年開始監(jiān)測地下水位至2019年達(dá)到水位極小值以后緩慢上升，圖形顯示淺層地下水位和降水量呈現(xiàn)一定的相關(guān)關(guān)系，豐水年受降雨增多影響，地下水位上升；枯水年受降雨減少影響，地下水位下降[4]。歷年地下水位與降水量關(guān)系見圖3。

圖3 歷年地下水位與降水量關(guān)系圖

3.2 年內(nèi)地下水位與降水量關(guān)系

以2019年(枯水年)、2020年(豐水年)、2021年(平水年)典型年降水量與池州市(曼哈頓站點(diǎn))同年地下水埋深資料作為典型年進(jìn)行分析[5]。

枯水年降雨量和地下水埋深變化曲線圖(圖4)分析顯示，該站地下水埋深數(shù)值分布區(qū)間為(2.95 m，4.3 m)，年變幅為1.35 m，全年降雨量為1 376.5 mm，降雨量總體分布趨勢呈現(xiàn)低-高-低趨勢，降雨月極大值出現(xiàn)在該年度6月份，地下水埋深圖形總體趨勢呈波浪遞增趨勢，其中位于11—12月份區(qū)間段曲線分布呈現(xiàn)翹尾現(xiàn)象。

圖4 枯水年典型井埋深變化曲線圖

豐水年降雨量和地下水埋深變化曲線圖(圖5)分析顯示，該站地下水埋深數(shù)值分布區(qū)間為(1.91 m，4.58 m)，年變幅為2.67 m，全年降雨量為2 032 mm，地下水埋深由于受降水充沛的影響，圖形在4—8月份地下水埋深曲線處于穩(wěn)定期，波動(dòng)較緩；9—10月份由于降水減少，地下水位埋深波動(dòng)較大。平水年降雨量和地下水埋深變化曲線圖(圖6)分析顯示，該站地下水埋深數(shù)值分布區(qū)間為(2.01 m，3.39 m)，年變幅為1.38 m，全年降雨量為1 502.5 mm，其平水年典型井埋深曲線和豐水年圖形趨勢基本一致[6]，即年內(nèi)降雨較充沛，地下水埋深呈波動(dòng)起伏。4—8月份地下水埋深曲線處于穩(wěn)定期，波動(dòng)較緩；9—10月份由于降水減少，地下水位埋深波動(dòng)較大；11—12月份，枯水期降雨大大減少，天氣干旱，蒸發(fā)量增大，地下水位埋深迅速下降，翹尾現(xiàn)象明顯。

圖5 豐水年典型井埋深變化曲線圖

圖6 平水年典型井埋深變化曲線圖

以上典型年地下水埋深觀測井池州市(曼哈頓站點(diǎn))資料分析顯示：池州市(曼哈頓站點(diǎn))地下水位、地下水埋深、降雨量要素之間呈現(xiàn)一定的關(guān)系，降水量減小時(shí)，地下水埋深相應(yīng)增大；相反，降雨增多時(shí)，地下水埋深曲線呈現(xiàn)下降態(tài)勢，波動(dòng)趨緩，峰谷主要出現(xiàn)在11—12月份；而降水量峰頂值主要出現(xiàn)在6月和7月。

地下水埋深變化主要原因是年初1—4月降雨少，地下水位埋深大；5—7月為雨季，降雨量多、天氣潮濕，地下水位快速上升、埋深淺；8—9月份進(jìn)入夏季，降雨量一般甚至減少，且氣溫高、蒸發(fā)量大，地下水位下降，埋深逐漸加大；10月為秋雨季節(jié)，蒸發(fā)量減少，地下水位反而上升；當(dāng)11—12月入冬時(shí)，該時(shí)間段月平均降雨量114 mm，而該時(shí)間段典型年枯、豐、平所對(duì)應(yīng)的平均月降雨量分別為52，49, 21 mm，分別較多年平均偏低54.4%，58.1%，71.6%，降雨大大減少，天氣干燥，導(dǎo)致地下水位迅速下降，出現(xiàn)翹尾現(xiàn)象。

3.3 典型年地下水埋深與土壤墑情關(guān)系

為進(jìn)一步分析地下水埋深變化規(guī)律，同步收集池州市(貴池站點(diǎn))土壤墑情監(jiān)測站土壤含水率數(shù)據(jù)(采樣位置10 cm和40 cm)點(diǎn)繪成圖，并選取枯水年、豐水年、平水年作為分析時(shí)間段。

3.3.1 枯水年地下水埋深和土壤墑情關(guān)系

枯水年地下水埋深和土壤墑情關(guān)系圖(圖7)分析顯示，該站地下水埋深數(shù)值分布區(qū)間為(2.95 m，4.30 m)，土壤含水率數(shù)值分布區(qū)間為(7.6%，34.1%)，2個(gè)水文要素的數(shù)值總體分布趨勢當(dāng)時(shí)間段在1—10月份時(shí)候呈現(xiàn)從高到低，10 cm和40 cm采樣處土壤含水率在11—12月份曲線分布呈現(xiàn)翹尾現(xiàn)象。這與該時(shí)間段降水量增加有關(guān)。同時(shí)，10 cm和40 cm采樣處的土壤含水率由于采樣位置的不同，在時(shí)間段3—5月份，40 cm土壤含水率分布曲線較10 cm土壤含水率分布曲線趨平現(xiàn)象出現(xiàn)，這主要是由于土壤含水率受采樣位置深度的影響。采樣離地面越近，其數(shù)值波動(dòng)就越大；相反，采樣數(shù)值離地面越深，其土壤含水率受地面影響就越小[7]，其圖像總體分布趨勢進(jìn)一步收斂。

圖7 枯水年地下水埋深與土壤墑情關(guān)系圖

3.3.2 豐水年地下水埋深和土壤墑情關(guān)系

豐水年地下水埋深和土壤墑情關(guān)系圖(圖8)分析顯示，該站地下水埋深數(shù)值分布區(qū)間為(1.91 m，4.58 m)，土壤含水量數(shù)值分布區(qū)間為(13.4%，30.3%)，2個(gè)水文要素的數(shù)值總體分布為：當(dāng)時(shí)間段在1-10月份時(shí)候地下水埋深圖形呈現(xiàn)波浪減低的分布趨勢，10 cm和40 cm采樣處土壤含水率在11—12月份曲線分布呈現(xiàn)平尾現(xiàn)象。地下水埋深分布趨勢和土壤含水率分布趨勢基本接近[6]。40 cm采樣位置處土壤含水率分布趨勢呈現(xiàn)波浪形，這主要是豐水年土壤含水率增大，深層土壤含水率采樣數(shù)值波動(dòng)幅度較淺層土壤含水率波動(dòng)幅度增大導(dǎo)致，圖7、圖8綜合分析顯示，土壤含水率和地下水埋深變化趨勢均受當(dāng)年降水量大小的影響[8]。

圖8 豐水年地下水埋深與土壤墑情關(guān)系圖

3.3.3 平水年地下水埋深和土壤墑情關(guān)系

平水年地下水埋深和土壤墑情關(guān)系圖(圖9)分析顯示，該站地下水埋深數(shù)值收斂區(qū)間為(2.01 m，3.39 m)，土壤含水率數(shù)值收斂區(qū)間為(16.0%，29.9%)，地下水埋深曲線呈現(xiàn)波浪形分布，10 cm和40 cm采樣處土壤含水率曲線分布呈現(xiàn)接近平緩曲線分布。10 cm和40 cm采樣處土壤含水率在11—12月份曲線分布呈現(xiàn)平尾及壓尾現(xiàn)象。

圖9 平水年地下水埋深與土壤墑情關(guān)系圖

從圖7～圖9分析顯示：豐水年和平水年淺部(10 cm)土壤含水率波動(dòng)性大，前半年波動(dòng)性更大，至5月或6月最少，6—7月土壤含水率隨即增大，到8—12月呈緩慢下降趨勢。而深部(40 cm)土壤的含水率年平均變化不大，呈平緩小幅波動(dòng)，僅在7—8月份出現(xiàn)峰值，說明在豐水年和平水年，由于年均降雨量充足，地下水位較高，地下水毛細(xì)血管上升，增加了深度的土壤含水率。枯水年地下土壤含水率呈波動(dòng)緩慢下降趨勢，到10份最低，11—12月份土壤含水率變高，出現(xiàn)翹尾現(xiàn)象，翹尾主要是由于枯水年11-12月份降雨增多導(dǎo)致。

4 結(jié) 論

通過對(duì)豐水年、平水年、枯水年地下水位、降雨及墑情變化關(guān)系分析，池州市(曼哈頓站點(diǎn))地下水埋深最小值為1.91 m(豐水年10月16日)；地下水埋深最大值4.58 m(豐水年2月6日)，地下水埋深最大變幅出現(xiàn)在豐水年，上升2.67 m；最小土壤含水率7.6%，發(fā)生在2019年10月；最大土壤含水率34.1%，發(fā)生在2019年2月。分析顯示：降雨增多時(shí)，地下水埋深曲線呈現(xiàn)下降態(tài)勢，波動(dòng)趨緩，峰谷主要出現(xiàn)在11—12月份；而降水量峰頂值主要出現(xiàn)在6—7月份。豐水年和平水年淺部(10 cm)土壤含水率波動(dòng)性大，前半年波動(dòng)性更大，至5月或6月最少，而深部(40 cm)土壤的含水率年平均變化不大，呈平緩小幅波動(dòng)，因枯水年11-12月份降水量增多，導(dǎo)致地下水土壤含水率高，出現(xiàn)翹尾現(xiàn)象。