华北“23·7”强降雨事件对不同埋深地下水的补给机理：以雄安新区为例

摘要

降雨能否穿透厚包气带到达潜水面是地下水补给领域争议较大的问题。华北平原“23·7”极端降雨事件相当于华北平原的一次大型入渗试验，为分析潜水埋深如何控制地下水补给提供了契机。本研究以雄安新区白洋淀周边潜水浅埋区4口自动监测井和容城县境内潜水深埋区6口自动监测井为例，分析不同埋深地下水对2023年3日内累积降雨量为289.2 mm的极端降雨事件的响应规律。在潜水浅埋区，暴雨开始后约16 h垂向入渗至潜水面，潜水抬升幅度达1.36～1.79 m;在潜水深埋区，暴雨后河水水位迅速抬升并引发渗漏形成水丘，在潜水回水作用下离南拒马河距离小于6 km的潜水位以较快速度抬升1.38～3.67 m。本研究表明，降雨沿着包气带的垂向入渗是潜水浅埋区地下水的补给来源，暴雨后河水入渗引发的潜水回水是河道附近潜水深埋区地下水补给的主要来源。本文加深了对不同埋深潜水补给机理的认识，对今后分析华北平原乃至其他地下水超采区的水位回升控制机理、生态补水效果具有重要指导意义。

关键词

地下水补给 / 潜水回水 / 生态补水 / 厚包气带 / 白洋淀

Key words

groundwater recharge / phreatic backwater / ecological water replenishment / thick vadose zone / Baiyangdian Lake

0 引言

地下水资源的可持续利用是人类社会面临的重大挑战,世界多个地区的地下水超采引发了地面沉降、生态环境恶化等问题^[1⇓-3]。随着地下水开采强度逐渐增大,我国华北平原20 世纪60 年代以来水位持续下降,包气带厚度增大^[4⇓-6],成为世界上地下水超采最严重的地区之一^[7-8]。根据水利部资料,2019年超采区面积达18万 km²,累计亏空量达1 800亿m³,太行山前平原潜水埋深普遍达30~50 m^[9]。深入探究潜水深埋区地下水补给来源是地下水资源可持续管理和生态系统修复的基础^[10⇓-12]。

前人针对华北平原包气带厚度增大条件下的地下水补给规律开展了大量研究。基于1974—1998年藁城地下水位变化数据,杨永辉等^[13]发现1985年前后山前平原区地下水年补给量、年内回升幅度已显著减小,认为地下水位持续下降不利于降水入渗补给地下水。张光辉等^[14]通过野外和室内试验研究认为:包气带厚度小于潜水蒸发极限深度条件下,降水入渗速率和地下水获取的总入渗补给量随着包气带厚度的增大而减小;包气带厚度大于潜水蒸发极限深度条件下,降水入渗时间延长,但地下水获取的总入渗补给量不变。后续也有学者指出,由于华北地区通常单次降雨量较小,包气带厚度大,多次降雨事件叠加形成的入渗可能在次年才能到达潜水面^[15]。

由于深埋区地下水通过一维垂向入渗接受降水补给是一个漫长的过程,在地下水超采治理中生态补水通常通过河道渗漏补给地下水。河水位抬升引起河流两侧潜水位相应抬高的现象称为潜水回水^[16-17]。然而,由于河水位抬升过程通常较为缓慢,潜水回水的影响范围通常较为有限,或者潜水回水的响应时间很长。例如:张文喆等^[18]在江苏省徐州市奎河的研究发现,离河道20 m处潜水位在2周后抬升0.52 m,随着离河流距离增大,潜水回水幅度逐渐减小,并在65 m 左右趋于0;胡立堂等^[19]结合永定河生态补水研究发现,离河道3 km以内3个监测井的水位抬升响应时间分别为<1、10和17 d。河水位快速抬升引起的潜水回水研究未见报道。

2023年7月29日至8月2日,我国华北地区发生极端降雨事件(简称华北“23·7”强降雨事件),北京市、河北省有14个国家气象观测站日降雨量突破历史极值,其中北京市最大点降雨量达到744.8 mm(出现在昌平王家园水库站)^[20]。该次强降雨事件相当于华北平原的一次大型入渗或生态补水试验,为分析降水、河水渗漏补给地下水的控制机理提供了契机。本文以雄安新区为例,针对浅埋区和深埋区识别强降雨事件后潜水位抬升的不同控制机理。

1 研究区概况

华北平原属暖温带季风型大陆性半湿润半干旱气候区,地下水是主要的供水水源^[21-22]。雄安新区地貌上位于华北平原的山前倾斜平原,包括雄县、容城和安新3县及周边部分区域,规划面积约1 800 km²。区内河渠纵横,水系发育,有“九河入梢”之称的白洋淀是华北平原最大的浅水型淡水湖泊。上游河流来水从南、西、北3个方向汇流入淀,分别为潴龙河、孝义河、唐河、清水河、府河、漕河、瀑河、萍河和白沟引河,其中白沟引河的河口位于白洋淀以北约11.5 km处新盖房枢纽。新盖房枢纽汇聚了南拒马河和白沟河的来水,经调蓄后分别流向白沟引河、大清河和新盖房分洪道,是大清河流域重要控制性水利工程,具有泄洪、灌溉、输沙等综合效能。南拒马河、瀑河、唐河和潴龙河都是南水北调中线工程的主要补水河流^[23]。

雄安新区的地下水为赋存于第四系松散岩类中的孔隙水,可以分为浅层地下水和深层地下水。浅层地下水为潜水和浅层承压水,底界深度一般为120~200 m,含水层岩性以中砂、细砂、粉砂和粉细砂为主,白洋淀周边区域地下水位埋深一般小于5 m,其他区域水位埋深一般在5~20 m。浅层地下水的补给方式包括大气降水、农业灌溉和地表水的入渗补给及地下水侧向径流补给,排泄方式包括人工开采、侧向径流和局部地区的蒸发排泄。深层地下水为承压水,底板埋深一般在350~600 m,含水层岩性主要以粗砂、中砂和细砂为主。深层地下水主要接受侧向径流补给,排泄方式为人工开采和侧向径流排泄。

2 数据

根据烧车淀涡度塔气象站监测数据,雄安新区2023年夏季降雨量521.4 mm,占全年降雨量625.5 mm的83.4%。“23·7”强降雨起始于2023年7月29日15:30,终止于7月31日22:00,3日的累计降雨量高达289.2 mm。新盖房水文站河流逐日水位数据显示,受上游来水控制,2023年7月30日河水水位开始抬升,7月31日的最大抬升幅度达5.95 m。

本文分别在白洋淀周边和容城县境内选取10口自动监测井(图1),其中4口位于白洋淀周边的浅埋区,6口位于容城县境内的深埋区。表1给出了10口监测井的井深和离河/湖距离。选取的地下水动态数据时间段为2023年5月15日至10月15日,对应雨季前后,监测数据的时间分辨率为1 h。

针对强降雨后地下水的剧烈抬升过程,将降雨事件发生后地下水连续3 h出现水位持续抬升作为对降雨事件产生直接或间接响应的识别标准,以地下水连续12 h内水位抬升幅度小于0.01 m作为迅速抬升结束的识别标准。

3 结果和讨论

3.1 浅埋区地下水的响应规律与控制机理

3.1.1 响应规律

白洋淀周边4口自动监测井旱季的地下水位埋深为1~2 m。图2给出了这4口自动监测井2023年雨季前后的地下水埋深变化规律。5月至6月下旬,在蒸发作用控制下地下水埋深呈缓慢增大趋势。7月3日(降雨量26.6 mm)、7月10日(降雨量23.7 mm)和7月21日(降雨量9.4 mm)3次降雨事件发生后,地下水产生了较小幅度的抬升。在“23·7”强降雨开始15.5~16.5 h后,浅埋区地下水出现剧烈的水位抬升。“23·7”强降雨结束后,S2、S3和S4水位下降,而S1地下水埋深在2个多月内一直维持在0 m。8月11日至12日降雨事件(降雨量39.4 mm)后,S2、S3和S4地下水位再次发生一定幅度的地下水位抬升,此后基本呈下降趋势直至10月中旬。

在“23·7”强降雨事件期间,浅埋区地下水在暴雨开始15.5~16.5 h后出现剧烈的水位抬升,暴雨开始59~68 h后达到水位峰值,S1-S4在水位峰值时的水位抬升幅度介于1.36~1.56 m(表2)。将潜水埋深除以响应时间,估算出“23·7”强降雨期间降雨平均入渗速率介于2.12~2.54 m/d(表2)。假定孔隙度为0.2,用补给量除以3日累计降雨量获得的入渗系数约为1。如此高的入渗系数,表明下渗到达潜水面的部分水分可能来自坡面产流。

3.1.2 控制机理

白洋淀周边地下水初始埋深较浅,7月28日的埋深为1.46~1.74 m。浅埋区地下水不仅因“23·7”强降雨事件出现了大幅度的抬升,也因其他小降雨事件产生了不同程度的迅速抬升。产生该现象的原因为浅埋区包气带含水率较大,对应非饱和渗透系数也较大,水分垂向入渗后很快就能穿透非饱和带到达潜水面。由于潜水埋深小于蒸发极限埋深时蒸散发作用能使地下水运移到地面附近^[24],降雨事件结束后地下水位呈持续下降趋势。可能受包气带土壤质地控制,3口井的地下水位下降趋势存在差异。

受包气带厚度和土壤质地控制,S3和S4对8月11日和9月9日降雨事件(降雨量分别为39.4和15.9 mm)的响应特征存在明显差异。S3在两次降雨前的初始埋深分别为0.50和0.72 m,抬升幅度分别为0.20和0.12 m。S4在8月11日初始埋深为0.90 m,对降雨事件的抬升幅度为0.58 m,9月7日初始埋深为1.39 m,对降雨事件却几乎没有响应。该现象表明包气带厚度是降雨入渗的重要控制因素。Zhao等^[25]、Shi等^[26]近期在鄂尔多斯盆地浅埋区的地下水和土壤水监测也发现了类似规律,并研究了小埋深处降雨快速入渗引起的地下水丘通过压力传递作用控制了较大埋深处的潜水水位。

3.2 深埋区地下水的响应规律与控制机理

3.2.1 响应规律

2023年5月至7月28日暴雨事件前,地表水和地下水的水位基本保持稳定(图3)。以7月20日为例,河水位高程为8.91 m,D1到D6的水位高程分别为6.42、6.25、3.88、-1.23、-1.60和-6.36 m。从D1到D6,地下水位高程逐渐降低,离河流距离、地下水位埋深均逐渐增大(表3)。

河水和地下水对绝大多数降雨事件无明显响应,表明小规模降雨无法引起河水位变化,降雨入渗也很难在短时间内穿透深厚包气带补给地下水。“23·7”强降雨发生后,河水和地下水位均迅速出现较大幅度的抬升。新盖房站河水位在降雨开始后2天内抬升幅度达5.95 m,然后呈持续下降趋势;暴雨后地下水位发生不同程度的缓慢抬升,除D1抬升后有所下降外,其余所有井的水位基本保持稳定,D1到D6的抬升幅度分别为3.32、1.78、2.32、2.57、0.57和0.11 m。

3.2.2 控制机理

潜水埋深决定了降雨入渗到达潜水面所需时间,在岩性一致的情况下,埋深越大,降雨入渗到达潜水面所需时间越长。深埋区6个观测孔对“23·7”强降雨事件的滞后响应时间与潜水埋深之间的相关性较差,R²仅为0.302 4(图4a)。D3与D4埋深接近(分别为10.9和12.28 m),响应时间存在明显差异(分别为19.5和30.5 h);D5与D6埋深接近(分别为17.78和18.41 m),响应时间也存在明显差异(分别为33.5和19.5 h)。此外,计算6个监测井的包气带厚度与响应时间的比值介于8.1~22.7 m/d,远大于3.1节计算的潜水浅埋区的平均入渗速率。因此,滞后响应时间与潜水埋深的关系不支持“降雨直接垂向入渗补给是6个监测井水位抬升的主控因素”这一观点。

根据前人关于潜水回水的研究,河流下方水丘引起的两侧潜水位抬升的响应时间与距离平方成正比,且与岸区地层岩性有关^[16-17,27]。从D1到D5,随着观测孔离南拒马河的距离增大,响应时间逐渐增大,响应时间与离河距离的线性回归R²高达0.964 6(图4b),与离河距离平方的线性回归R²高达0.978 7(图4c)。两者的强相关性可以合理解释地下水位抬升机理,即雨水汇入河流导致河流水位迅速抬升,河水渗漏至潜水面产生水丘,在压力传递作用下河流两侧的潜水位抬升。由于这些监测井并不位于同一剖面,无法根据潜水抬升响应时间估算含水层水力参数,但这些监测数据足以表明,深埋区地下水的补给来源是河水入渗,而不是降雨直接入渗。

前人^[28⇓-30]采用数值模拟方法预测了河道接受生态补水后的水位抬升情况,认为潜水面抬升速率仅为3.0~5.5 cm/a。然而,在3日内累积降雨量为289.2 mm的极端降雨事件(上游山区降雨量更大)作用下,河水位2天内快速抬升5.95 m,与南拒马河距离小于6 km的D1到D5监测井潜水位也普遍抬升1.0 m以上且抬升后2个多月基本维持稳定,表明本次极端降雨事件较大程度上增加了地下水储量。D6水位抬升滞后时间仅为19.5 h,小于D4和D5,推测其水位抬升受萍河控制,而不是受南拒马河控制。

4 结论与展望

“23·7”强降雨事件相当于华北平原的一次大型入渗或生态补水试验。白洋淀周边潜水浅埋区在该强降雨事件开始后约16 h地下水获得降雨垂向入渗补给,潜水位迅速抬升1.36~1.79 m;容城周边离南拒马河距离小于6 km范围内的潜水深埋区,强降雨发生后河水渗漏形成水丘进而引起潜水位抬升1 m以上,增加了地下水储量。该现象表明白洋淀周边潜水浅埋区水位抬升的控制机理是降雨带来水分的垂向入渗补给,容城周边潜水深埋区水位抬升的控制机理是压力传递作用下的潜水回水。

本研究对揭示华北平原其他地区潜水位回升控制机理、提高地下水超采区的生态补水效果具有重要指导意义。白洋淀周边存在大范围的浅埋区,今后有必要加强浅埋区对不同强度降雨入渗的响应机制研究。华北平原普遍存在厚包气带,也存在较大密度的河网,后续有必要分析“23·7”极端降雨事件在更长时间尺度、更大空间尺度的补水效果,并用数值模拟方法深入研究河水入渗驱动下潜水回水的控制机理。

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基金资助

科学技术部科技创新专项(2022XACX0900)

国家自然科学基金项目(42402251)