寒冷地區(qū)地下水動態(tài)規(guī)律分析.

1、第35卷第3期黑龍江水專學(xué)報Vol.35,No.32008年9月JournalofHeilongjiangHydraulicEngineeringSep.,2008文章編號:1000-9833(200803-0120-03寒冷地區(qū)地下水動態(tài)規(guī)律分析肖迪芳1,張鵬遠2,廖厚初2(1.黑龍江省黑河水文局,黑河164300;2.黑龍江省水文局,哈爾濱150001摘要:在分析凍土水文特性和地下水補給過程的基礎(chǔ)上,根據(jù)對黑龍江省58個地下水位觀測點資料的分析,總結(jié)了不同地貌條件下地下水的變化規(guī)律。分析了地下水位變化與降水及河流水位變化之間的關(guān)系。關(guān)鍵詞:寒冷地區(qū);凍土水文;地下水;動態(tài)規(guī)律中圖分類號:P

2、641.2文獻標識碼:AAnalyseofGroundwaterDynamicRuleinColdAreaXIAOD-ifang1,ZHANGPeng-yuan2,LIAOHou-chu（1.HeiheHydrologyBureau,Heihe164300,Heilongjiang,China;2.HeilongjiangProvinceHydrologyBureau,Harbin15001,ChinaAbstract:Onthebaseofanalyzingfrozenearthhydrologycharacteristicandgroundwatersupplyprocess,accord

3、ingtotheanalyseofgroundwaterlevelthatlies58placephysiognomyinHeilongjiangProvince,groundwaterchangingruleunderdifferentlandformconditionissummarizedinthispaper.Therelationofgroundwaterlevelprecipitationandwaterlevelofriverisanalyzed.Keywords:coldarea;frozenearthhydrology;groundwater;dynamicrule收稿日期:

4、2008-05-20作者簡介:肖迪芳（1936-,男,湖南岳陽人,高級工程師,長期從事水文預(yù)報工作。地下水是水資源的一個重要組成部分,隨著經(jīng)濟建設(shè)的迅速發(fā)展,越來越多的單位和部門需了解地下水的動態(tài)規(guī)律。為適應(yīng)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城市建設(shè)發(fā)展形勢的需要,本文根據(jù)黑龍江省58個地下水位觀測點（19591962年的資料,初步分析了寒冷地區(qū)地下水的形成和特點,不同地貌條件下地下水位過程線的類型及時空變化規(guī)律,以供生產(chǎn)科研部門參考。1寒冷地區(qū)地下水的形成和特點地下水的形成包括降雨入滲補給;河、渠、湖（庫蓄水滲漏補給;灌溉田間補給;山前側(cè)向流入補給等來源1。地下水位和水量的變化,取決于補給來源,補給量和地理、地形

5、及氣候和水文地質(zhì)條件。在人類活動較少的寒冷地區(qū)地下水的變化主要決定于天然降水量,土壤蒸發(fā)和與氣候有關(guān)的凍土深度變化,以及與補排能力有關(guān)的水文地質(zhì)條件。寒冷地區(qū),由于氣候嚴寒,地下水補給過程受凍土蓄水作用和不透水層作用的影響,與無凍地區(qū)相比存在著明顯的差異。其中,年內(nèi)降雨入滲補給時間明顯滯后,補給時間限于融凍（化通期;凍土層的蓄水和不透水作用使補給量相應(yīng)減少,隨凍土季節(jié)性變化,地下水隨化凍深度而變動,多數(shù)地區(qū)當融雪和降水較大時會形成凍土上和凍土下兩個自由水面,如考慮凍土的凍融過程,按水文年計,整個降水徑流,凍土和地下水位變化過程見圖1。圖1中,H1、H2分別為地下水位降落深度和回升幅度;u1為不

6、穩(wěn)定封凍期降雨和融雪入滲量;u2為穩(wěn)定封凍期土層中入滲水量;u3為融凍期凍土裂隙和凍土融凍釋放水量;u4為無凍期降雨入滲水量?？梢?，整個補給水量由4部分組成,其中有凍土存在,起到不透水作用的時間,黑龍江省小興安嶺區(qū)為10月20日至翌年7月31日，歷時長達280d,占全年的77%。在凍土存在期，不穩(wěn)定封凍期雖仍有部分雨雪水量入滲u1,但降雨（雪量有限，時間亦很短，入滲土壤后很快被凍結(jié)，補給量也極小;穩(wěn)定封凍期，土壤水分補給量u2和融凍期凍土裂隙與融凍釋放補給量u3,也都十分有限。只有無凍時的集中降雨期，降雨入滲補給地下水才有了直接的通道。此期間，凍層上水量往下轉(zhuǎn)移，降雨入滲直接補給地下水，使地下

7、水位迅速上升，并在雨峰后出現(xiàn)峰值。由于凍土不透水作用的影響，凍土地區(qū)地下水補給量，比同條件下的無凍地區(qū)地下水補給量小得多。俄羅斯研究結(jié)果為地下水補給占年徑流量的呂時一100凍層I水位無凍期地下水位圖1寒冷地區(qū)地下水補給過程示意圖Fig.1Processofgroundwatersupplyincoldarea5%8%2,我們分析小興安嶺西南側(cè)科洛河,地下水補給量占年徑流量的12%3。黑龍江省部分實測地下水水位過程,見圖2。由圖2可見,地下水水位由9月峰值開始回落,至翌年7、8月雨峰（凍土化通開始上漲,時間長達300d左右,與凍土存在時間基本相應(yīng)。47月雖然有降雨徑流過程,但地下水位仍然處于下降

8、趨勢,說明有凍土存在時,地下水水補給微弱。圖中,地下水位降落深度和峰值高度,與降雨量及冬季凍土過程有關(guān),凍結(jié)水量與地下水降落深度成正比,而回升幅度主要決定降水入滲量。按水文年計,整個地下水補給量為Wd=u1+u2+u3+u4(1如不計土壤的調(diào)節(jié)作用,在無開采等人類活動影響下,令時段始末蓄水變量相等,也不考慮地下水側(cè)向和深層補排量,則地下水補給的水量平衡方程可表達為W(H=tq(tdt=tf(tdt-t0e(tdt-t0r(tdt(2式中W(H為地下水補給總量(mm或水層厚度(mm;q為地下水入滲率;f為降水入滲補給率(mm;e為潛水蒸發(fā)率(mm;r為地面和壤中流徑流率。凍土期補給水量甚微,可忽

9、略不計。則補給量主要在凍土化通后的主汛期。按時段，采用降水P、蒸發(fā)E和徑流R計算,并考慮土壤水蓄變量W時，式(2可表示為W=Wt+1-Wt=Pt-Et-Rtut+1(3則W=n1W=1(Wt+1-Wtfjg.ZPiixaofrrjundwaterIcvvlFix.VCorrelationgrtxitxlwaterchangein.社parrofHcilongjianglevelchangingandprecipitationFittiiGnlh齡IflUiit*1Tr10II12I234567J5910月份=P-E-Ru(4式中P、E、R分別為無凍期降水量、蒸發(fā)量和徑流量。令土壤起止蓄水量相等

10、,則u為零,又假定地下水補給量W與水位上升幅度H為線性關(guān)系,并主要決定降水量時,則地下水位上升幅度H可用下式表示(見圖3。H=f(P-E-Rf(P(5式中P為69月降水量。黑龍江省凍土深多在1.53.0m，部分地區(qū)有永凍層，地下水補給和水位高度隨降雨過程分布與凍土過程而變化,自9月以后,降雨直接入滲量減少,地下水位開始下降，10月至翌年3月土壤結(jié)凍，降水轉(zhuǎn)為降雪，地面直接入滲終止，地下水補給限于土壤重力入滲水分，并土壤水分和潛水蒸發(fā)在毛管勢和溫度勢的作用下向凍結(jié)層轉(zhuǎn)移，在凍結(jié)鋒面形成冰晶，填充于土壤空隙。因此穩(wěn)定封凍期，地下水的垂向補給甚微。在47月土壤融凍期，由于凍土形成的蓄水作用和不透水作

11、用，降水一部分形成凍層上水，僅有一部分通過凍土裂隙入滲和凍土下層融凍釋放水量補給地下水，地下水的垂向補給甚微。當凍土化通后，隨著降水和土壤入滲能力的增加，地下水補給增加，地下水位迅速上漲。由此可見，寒冷地區(qū)地下水補給量主要在土壤化通后（6月末至9月初的主汛期，其補給時間短，補給量明顯少于無凍地區(qū)。寒冷地區(qū)地下水補給雖然少于無凍地區(qū)，但在同樣降雨及下墊面條件下，寒冷地區(qū)地下水位往往高于無凍地區(qū)。其原因主要是，氣溫和地溫偏低，并由于凍土膨脹作用，或植被良好，或耕種等原因，切斷了毛管輸水作用，使土壤水或潛水不易蒸發(fā);凍土存在，地溫低，地下水排泄速度緩慢;凍土不透水作用，降雨入滲多在近地表層，并形成凍

12、土上層積水，形成近地面層的自由水面線。降雨補給過程明顯滯后，如圖1中的凍層上水。121第3期肖迪芳，等.寒冷地區(qū)地下水動態(tài)規(guī)律分析2地下水位過程線的類型哦瞬相關(guān)圖Fi耳.(lorT4?ilLijti4riTcrw?ntrandiLindWiiturh：ff!chimp-Fin”ProcessnfgrundwHiLTlevelinrivervalley皐加A；rH樂寧站I叱、-aT件豈PW三兩站沖閃E劃蕩2245仃ryE46145J廂庖if晌機轡JE._yU；!擁安縣漲安巔陰n.A.2346789(01112月份N4I2345b7S101112月份ffll山丘區(qū)地F水位過樫線圖Fifj.IPro

13、cessnfrouiidwaterNvflmniaiE?in；a平底區(qū)地卜”水位過程線圖Fiji.PrrjecsofgroundwaterlevelhicampanFLiirc地下水因補給來源,氣候條件及水文地質(zhì)條件的不同,地下水的變化分不同地貌單元和補給來源具有不同的類型?，F(xiàn)就觀測的資料,按山丘區(qū),平原區(qū)、河谷區(qū)分3種類型分述如下:2.1山丘區(qū)型山丘區(qū)地下水主要由降雨入滲補給影響,其過程線的形狀取決于降雨分配過程和凍土解凍過程。水位明顯上漲時間在7月凍土化通期,最高水位出現(xiàn)在8、9月,最低水位出現(xiàn)在5、6月。水位年變幅較小,一般為0.51.5m,地下水位埋深在510m,過程線的形狀見圖3。山

14、丘區(qū)地下水年變幅主要與汛期集中降雨補給有關(guān),圖4為部分站69月降水量與地下水位變幅綜合圖。由圖中關(guān)系可見,在無側(cè)向補給的條件下,地下水位變幅主要決定于汛期集中降水量。2.2平原區(qū)型平原區(qū)地下水受降雨入滲,山前側(cè)向補給和凍土多重因素影響。平原腹地,過程線形狀取決于降雨分配過程和凍土化通時間,水位年變幅較小,埋深較淺,一般水位變幅12m,埋深510m。由于平原坡度小,降雨入滲能力強,易出現(xiàn)凍層上水,地下水位隨降雨分配波動明顯。受側(cè)向補給影響,地下水位峰值明顯滯后于雨峰,最高水位多出現(xiàn)在9、10月。見圖59796-/W占2044203L東寧縣東寧站1瞬、81liij|丄1丄丄IitBM/12J456

15、?89I0II12月份126至兩縣竺丙站洱6U125-ifI_/AJ124”訥河諭河站弊匕杓冒42?4翌146挑安縣脫站關(guān)Ln/y145144liiliii1ji1i12345o91011口月份圖！山丘區(qū)地下水位過程線圖圖5平原區(qū)地下水位過程線圖Fig.JProcessofgrourdealerleveltnmassifaraFig.cPrfjrCsofgwundwEiterlevelmcam卩利匕門凱urea2.3河谷區(qū)型河谷區(qū)地下水除受降雨入滲,山前側(cè)向補給外,主要受河水側(cè)向補給影響,見圖6。地下水位隨河水變化,變幅較大。地下水位過程與河水水位過程線近似,峰值滯后于河水洪峰,年變幅一般35

16、m,最大為510m。地下水埋深隨河流最低水位高程和河岸高程而變化,一般埋深510m，平原河流35m,水位變化受降雨和凍土影響不甚明顯,而與河水位變幅關(guān)系極為密切,如黑龍江烏云,嫩江庫漠屯、阿彥淺,松花江富錦等站近河槽河水位與地下水位變幅綜合相關(guān)圖見圖7。3地下水時空變化規(guī)律地下水位的時空變化,決定于補給來源的變化,與降水、河川徑流有關(guān),而且受人類活動的影響,寒冷地區(qū)地下水的時空分布季節(jié)和氣候性尤為突出。3.1年內(nèi)季節(jié)變化在無人類活動影響的情況下,年內(nèi)變化受氣溫、降水、蒸發(fā)和凍土影響,季節(jié)性極為明顯。每年4、5月份,隨著氣溫日升,降雨增加、凍土融化,地下水開始緩慢上漲,在47月凍土融凍期,平原和

17、低洼地段還有凍層上水,地下水埋深很小,當遇強降雨時,地下水位還會回升接近地表,8、9月份出現(xiàn)峰值。9月以后,降水補給減少,地下水位回落。69月,為地下水補給期,水位為上漲趨勢,10月至翌年3月為地下水排泄期,水位呈下降趨勢。3.2年際變化由于地下水補給主要決定于降水和江河側(cè)向補給,因此地下水的年際變化與降水和河川徑流一樣，具有不同時距的周期性,其中有35a的非周期波動,1020a的中周期,8090a的世紀周期。在豐水期，地下水補給量增加，水位相應(yīng)偏高，水量較為充足;而在枯水期,地下水補給量減少,水位相應(yīng)偏低,水量貧乏。3.3區(qū)域變化由于地區(qū)間地形、氣候及水文地質(zhì)條件和補給條件不同,地下水的區(qū)域

18、分布極不均衡。通常是山區(qū)補給來源單一、地面坡度大,產(chǎn)匯流條件良好,而降水入滲條件差,降雨以產(chǎn)生徑流為主地下水貧乏,(下轉(zhuǎn)第128頁優(yōu)秀科技期刊一等獎。在新世紀,隨著網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字化技術(shù)的出現(xiàn),學(xué)報被多家科技媒體和學(xué)術(shù)機構(gòu)全文收錄和作為統(tǒng)計源、來源期刊。前者有:中國期刊網(wǎng)、中國學(xué)術(shù)期刊(光盤版、萬方數(shù)據(jù)數(shù)字化期刊群(CSTPCD網(wǎng)絡(luò)版、中國期刊全文數(shù)據(jù)庫(CJFD、中國科技期刊數(shù)據(jù)庫;后者有:中國學(xué)術(shù)期刊綜合評價數(shù)據(jù)庫（CAJCED、中國核心期刊遴選數(shù)據(jù)庫、中國科技期刊引證報告（擴刊版（ISTIC等等。以上所述雖不全面,但可以看出,國家的改革開放為學(xué)報創(chuàng)造了發(fā)展的大好機遇,學(xué)報則抓住了機遇，積極努力

19、取得了重大進展。國家改革開放的30a，也正是學(xué)報蒸蒸日上、繁榮昌盛的30a，可喜可賀。5感謝與期望我1958年大學(xué)畢業(yè)，從南方來到黑龍江省，長期任職于黑龍江農(nóng)墾勘測設(shè)計研究院，從事水文水利專業(yè)技術(shù)以及研究室、研究院的領(lǐng)導(dǎo)工作。從上世紀60年代至今，與黑龍江水利?？茖W(xué)校（現(xiàn)為黑龍江大學(xué)和學(xué)報聯(lián)系較多。特別是1992年至今被學(xué)校聘為兼職教授、學(xué)報編委和編委顧問后，更成了一家人。多年來，我曾撰寫和發(fā)表過50多篇論文和調(diào)查研究報告，其中70%是在學(xué)報上發(fā)表的。我曾與部分編委共同參與過幾本有關(guān)黑龍江省水文水資源、水利方面專著的編審和俄文譯著，還曾與學(xué)校共同承擔過生產(chǎn)任務(wù)和畢業(yè)實習及畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)。在我當選

20、為第八屆全國人大代表（19931997年期間，幾乎年年都到學(xué)校傳達大會精神和盛況，受到學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)和編委會以及師生們的熱情接待和歡迎。在此，借學(xué)報一角，向黑龍江水利?？茖W(xué)校的歷屆領(lǐng)導(dǎo)以及黑龍江大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)和學(xué)報編委會深表感謝。需要一提的是，在我長期為學(xué)校撰稿過程中，編輯部的季山、李向東、賀允消、葉碎高*胡致強、張松波、王紅星、孫麗君等同志給了我很大幫助，從論文選題、文稿校審以及信息溝通等方面做了大量工作，我常常被他們的熱情、勤奮和負責精神所感動。因而，我無論是在崗還是退休，無論是身在國內(nèi)還是國外，也總想向他們學(xué)習，收集點資料，思考點問題，為學(xué)報做一點有益的工作。30a，彈指一揮間。今天，學(xué)報已過了而立之年，回顧歷史，碩果累累，展望未來，任重道遠。今天我們國家還沒有實現(xiàn)全面小康目標，仍屬發(fā)展中國家，水利水電建設(shè)、土木工程建設(shè)、生態(tài)環(huán)境保護和建設(shè)等方興未艾，尤其是黑龍江省與國內(nèi)先進的省相比還有較大差距。學(xué)報作為學(xué)術(shù)文化的載體,在黑龍江乃至全國學(xué)術(shù)發(fā)展中,具有義不容辭的責任。盡管前進道路上還會有新的困難和挑戰(zhàn),相信學(xué)報在黨中央科學(xué)發(fā)展觀指引下,在上級主管部門正確領(lǐng)導(dǎo)下,一定會破浪前進。希望編委會和編輯部全體同志,立足龍江,放眼世界,繼