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寒冷地区地下水动态规律分析
第35卷第3期黑龙江水专学报
Vol.35,No.32008年9月
JournalofHeilongjiangHydraulicEngineeringSep.,2008
文章编号:
1000-9833（200803-0120-03
寒冷地区地下水动态规律分析
肖迪芳1
张鹏远2
廖厚初
2
（1.黑龙江省黑河水文局,黑河164300;2.黑龙江省水文局,哈尔滨150001
摘要:
在分析冻土水文特性和地下水补给过程的基础上,根据对黑龙江省58个地下水位观测点资料的分析,总结了不同地貌条
件下地下水的变化规律。
分析了地下水位变化与降水及河流水位变化之间的关系。
关键词:
寒冷地区;冻土水文;地下水;动态规律中图分类号:
P641.2文献标识码:
A
AnalyseofGroundwaterDynamicRuleinColdArea
XIAOD-ifang1
ZHANGPeng-yuan2
LIAOHou-chu
2
（1.HeiheHydrologyBureau,Heihe164300,Heilongjiang,China;2.HeilongjiangProvinceHydrologyBureau,Harbin15001,China
Abstract:
Onthebaseofanalyzingfrozenearthhydrologycharacteristicandgroundwatersupplyprocess,accordingtotheanalyseofgroundwaterlevelthatlies58placephysiognomyinHeilongjiangProvince,
groundwaterchangingruleunderdifferentlandformconditionissummarizedinthispaper.Therelationofgroundwaterlevelprecipitationandwaterlevelofriverisanalyzed.Keywords:
coldarea;frozenearthhydrology;groundwater;dynamicrule收稿日期:
2008-05-20
作者简介:
肖迪芳（1936-,男,湖南岳阳人,高级工程师,长期从事水文预报工作。
地下水是水资源的一个重要组成部分,随着经济建设的迅速发展,越来越多的单位和部门需了解地下水的动态规律。
为适应工农业生产和城市建设发展形势的需要,本文根据黑龙江省58个地下水位观测点（1959~1962年的资料,初步分析了寒冷地区地下水的形成和特点,不同地貌条件下地下水位过程线的类型及时空变化规律,以供生产科研部门参考。
1寒冷地区地下水的形成和特点
地下水的形成包括降雨入渗补给;河、渠、湖（库蓄水渗漏补给;灌溉田间补给;山前侧向流入补给等来源[1]
。
地下水位和水量的变化,取决于补给来源,补给量和地理、地形及气候和水文地质条件。
在人类活动较少的寒冷地区地下水的变化主要决定于天然降水量,土壤蒸发和与气候有关的冻土深度变化,以及与补排能力有关的水文地质条件。
寒冷地区,由于气候严寒,地下水补给过程受冻土蓄水作用和不透水层作用的影响,与无冻地区相比存在着明显的差异。
其中,年内降雨入渗补给时
间明显滞后,补给时间限于融冻（化通期;冻土层的蓄水和不透水作用使补给量相应减少,随冻土季节性变化,地下水随化冻深度而变动,多数地区当融雪和降水较大时会形成冻土上和冻土下两个自由水面,如考虑冻土的冻融过程,按水文年计,整个降水径流,冻土和地下水位变化过程见图1。
图1中,H1、H2分别为地下水位降落深度和回升幅度;u1为不稳定封冻期降雨和融雪入渗量;u2为稳定封冻期土层中入渗水量;u3为融冻期冻土裂隙和冻土融冻释放水量;u4为无冻期降雨入渗水量。
可见,整个补给水量由4部分组成,其中有冻土存在,起到不透水作用的时间,黑龙江省小兴安岭区为10月20日至翌年7月31日,历时长达280d,占全年的77%。
在冻土存在期,不稳定封冻期虽仍有部分雨雪水量入渗u1,但降雨（雪量有限,时间亦很短,入渗土壤后很快被冻结,补给量也极小;稳定封冻期,土壤水分补给量u2和融冻期冻土裂隙与融冻释放补给量u3,也都十分有限。
只有无冻时的集中降雨期,降雨入渗补给地下水才有了直接的通道。
此期间,冻层上水量往下转移,降雨入渗直接补给地下水,使地下水位迅速上升,并在雨峰后出现峰值。
由于冻土不透水作用的影响,冻土地区地下水补给量,比同条件下的无冻地区地下水补给量小得多。
俄罗斯研究结果为地下水补给占年径流量的
图1寒冷地区地下水补给过程示意图Fig.1Processofgroundwatersupplyincoldarea
5%~8%[2]
我们分析小兴安岭西南侧科洛河,地下水补给量占年径流量的12%[3]。
黑龙江省部分实测地下水水位过程,见图2。
由图2可见,地下水水位由9月峰值开始回落,至翌年7、8月雨峰（冻土化通开始上涨,时间长达300d左右,与冻土存在时间基本相应。
4~7月虽然有降雨径流过程,但地下水位仍然处于下降趋势,说明有冻土存在时,地下水水补给微弱。
图中,地下水位降落深度和峰值高度,与降雨量及冬季冻土过程有关,冻结水量与地下水降落深度成正比,而回升幅度主要决定降水入渗量。
按水文年计,整个地下水补给量为
Wd=u1+u2+u3+u4（1如不计土壤的调节作用,在无开采等人类活动影响下,令时段始末蓄水变量相等,也不考虑地下水侧向和深层补排量,则地下水补给的水量平衡方程可表达为
W（H=
t
q（tdt=
t
f（tdt--t0
e（tdt-
t0
r（tdt（2
式中W（H为地下水补给总量（mm或水层厚度
（mm;q为地下水入渗率;f为降水入渗补给率（mm;e为潜水蒸发率（mm;r为地面和壤中流径流率。
冻土期补给水量甚微,可忽略不计。
则补给量主要在冻土化通后的主汛期。
按时段,采用降水P、蒸发E和径流R计算,并考虑土壤水蓄变量W时,式（2可表示为
W=Wt+1-Wt=Pt-Et-Rtut+1（3
则W=n
1W=
n
1（W
t+1
-Wt
=P-E-Ru
（4
式中P、E、R分别为无冻期降水量、蒸发量和径流量。
令土壤起止蓄水量相等,则u为零,又假定地下水补给量W与水位上升幅度H为线性关系,并主要决定降水量时,则地下水位上升幅度H可用下式表示（见图3。
H=f（P-E-Rf（P（5
式中P为6~9月降水量。
黑龙江省冻土深多在1.5~3.0m,部分地区有永冻层,地下水补给和水位高度随降雨过程分布与冻土过程而变化,自9月以后,降雨直接入渗量减少,地下水位开始下降,10月至翌年3月土壤结冻,降水转为降雪,地面直接入渗终止,地下水补给限于土壤重力入渗水分,并土壤水分和潜水蒸发在毛管势和温度势的作用下向冻结层转移,在冻结锋面形成冰晶,填充于土壤空隙。
因此稳定封冻期,地下水的垂向补给甚微。
在4~7月土壤融冻期,由于冻土形成的蓄水作用和不透水作用,降水一部分形成冻
层上水,仅有一部分通过冻土裂隙入渗和冻土下层融冻释放水量补给地下水,地下水的垂向补给甚微。
当冻土化通后,随着降水和土壤入渗能力的增加,地下水补给增加,地下水位迅速上涨。
由此可见,寒冷地区地下水补给量主要在土壤化通后（6月末至9月初的主汛期,其补给时间短,补给量明显少于无冻地区。
寒冷地区地下水补给虽然少于无冻地区,但在同样降雨及下垫面条件下,寒冷地区地下水位往往高于无冻地区。
其原因主要是,气温和地温偏低,并由于冻土膨胀作用,或植被良好,或耕种等原因,切断了毛管输水作用,使土壤水或潜水不易蒸发;冻土存在,地温低,地下水排泄速度缓慢;冻土不透水作用,降雨入渗多在近地表层,并形成冻土上层积水,
形成近地面层的自由水面线。
降雨补给过程明显滞后,如图1中的冻层上水。
121
第3期肖迪芳,等.寒冷地区地下水动态规律分析
2地下水位过程线的类型
地下水因补给来源,气候条件及水文地质条件的不同,地下水的变化分不同地貌单元和补给来源具有不同的类型。
现就观测的资料,按山丘区,平原区、河谷区分3种类型分述如下:
2.1山丘区型
山丘区地下水主要由降雨入渗补给影响,其过程线的形状取决于降雨分配过程和冻土解冻过程。
水位明显上涨时间在7月冻土化通期,最高水位出现在8、9月,最低水位出现在5、6月。
水位年变幅较小,一般为0.5~1.5m,地下水位埋深在5~10m,过程线的形状见图3。
山丘区地下水年变幅主要与汛期集中降雨补给有关,图4为部分站6~9月降水量与地下水位变幅综合图。
由图中关系可见,在无侧向补给的条件下,地下水位变幅主要决定于汛期集中降水量。
2.2平原区型
平原区地下水受降雨入渗,山前侧向补给和冻土多重因素影响。
平原腹地,过程线形状取决于降雨分配过程和冻土化通时间,水位年变幅较小,埋深较浅,一般水位变幅1~2m,埋深5~10m。
由于平原坡度小,降雨入渗能力强,易出现冻层上水,地下水位随降雨分配波动明显。
受侧向补给影响,地下水位峰值明显滞后于雨峰,最高水位多出现在9、10月。
见图5
。
2.3河谷区型
河谷区地下水除受降雨入渗,山前侧向补给外,主要受河水侧向补给影响,见图6。
地下水位随河水变化,变幅较大。
地下水位过程与河水水位过程线近似,峰值滞后于河水洪峰,年变幅一般3~5m,最大为5~10m。
地下水埋深随河流最低水位高程和河岸高程而变化,一般埋深5~10m,平原河流3~5m,水位变化受降雨和冻土影响不甚明显,而与河水位变
幅关系极为密切,如黑龙江乌云,嫩江库漠屯、阿彦
浅,松花江富锦等站近河槽河水位与地下水位变幅综合相关图见图7。
3地下水时空变化规律
地下水位的时空变化,决定于补给来源的变化,与降水、河川径流有关,而且受人类活动的影响,寒冷地区地下水的时空分布季节和气候性尤为突出。
3.1年内季节变化
在无人类活动影响的情况下,年内变化受气温、降水、蒸发和冻土影响,季节性极为明显。
每年4、5月份,随着气温日升,降雨增加、冻土融化,地下水开始缓慢上涨,在4~7月冻土融冻期,平原和低洼地段还有冻层上水,地下水埋深很小,当遇强降雨时,地下水位还会回升接近地表,8、9月份出现峰值。
9月以后,降水补给减少,地下水位回落。
6~9月,为地下水补给期,水位为上涨趋势,10月至翌年3月为地下水排泄期,水位呈下降趋势。
3.2年际变化
由于地下水补给主要决定于降水和江河侧向补给,因此地下水的年际变化与降水和河川径流一样,具有不同时距的周期性,其中有3~5a的非周期波动,10~20a的中周期,80~90a的世纪周期。
在丰水期,地下水补给量增加,水位相应偏高,水量较为充足;而在枯水期,地下水补给量减少,水位相应偏低,水量贫乏。
3.3区域变化
由于地区间地形、气候及水文地质条件和补给条件不同,地下水的区域分布极不均衡。
通常是山区补给来源单一、地面坡度大,产汇流条件良好,而降水入渗条件差,降雨以产生径流为主地下水贫乏,
（下转第128页
优秀科技期刊一等奖。
在新世纪,随着网络和数字化技术的出现,学报被多家科技媒体和学术机构全文收录和作为统计源、来源期刊。
前者有:
中国期刊网、中国学术期刊（光盘版、万方数据数字化期刊群（CSTPCD网络版、中国期刊全文数据库（CJFD、中国科技期刊数据库;后者有:
中国学术期刊综合评价数据库（CAJCED、中国核心期刊遴选数据库、中国科技期刊引证报告（扩刊版（ISTIC等等。
以上所述虽不全面,但可以看出,国家的改革开放为学报创造了发展的大好机遇,学报则抓住了机遇,积极努力取得了重大进展。
国家改革开放的30a,也正是学报蒸蒸日上、繁荣昌盛的30a,可喜可贺。
5感谢与期望
我1958年大学毕业,从南方来到黑龙江省,长期任职于黑龙江农垦勘测设计研究院,从事水文水利专业技术以及研究室、研究院的领导工作。
从上世纪60年代至今,与黑龙江水利专科学校（现为黑龙江大学和学报联系较多。
特别是1992年至今被学校聘为兼职教授、学报编委和编委顾问后,更成了一家人。
多年来,我曾撰写和发表过50多篇论文和调查研究报告,其中70%是在学报上发表的。
我曾与部分编委共同参与过几本有关黑龙江省水文水资源、水利方面专著的编审和俄文译著,还曾与学校共同承担过生产任务和毕业实习及毕业设计指导。
在我当选为第八届全国人大代表（1993~1997年期间,几乎年年都到学校传达大会精神和盛况,受到学校领导和编委会以及师生们的热情接待和欢迎。
在此,借学报一角,向黑龙江水利专科学校的历届领导以及黑龙江大学领导和学报编委会深表感谢。
需要一提的是,在我长期为学校撰稿过程中,编辑部的季山、李向东、贺允消、叶碎高*胡致强、张松波、王红星、孙丽君等同志给了我很大帮助,从论文选题、文稿校审以及信息沟通等方面做了大量工作,我常常被他们的热情、勤奋和负责精神所感动。
因而,我无论是在岗还是退休,无论是身在国内还是国外,也总想向他们学习,收集点资料,思考点问题,为学报做一点有益的工作。
30a,弹指一挥间。
今天,学报已过了而立之年,回顾历史,硕果累累,展望未来,任重道远。
今天我们国家还没有实现全面小康目标,仍属发展中国家,水利水电建设、土木工程建设、生态环境保护和建设等方兴未艾,尤其是黑龙江省与国内先进的省相比还有较大差距。
学报作为学术文化的载体,在黑龙江乃至全国学术发展中,具有义不容辞的责任。
尽管前进道路上还会有新的困难和挑战,相信学报在党中央科学发展观指引下,在上级主管部门正确领导下,一定会破浪前进。
希望编委会和编辑部全体同志,立足龙江,放眼世界,继往开来,开拓前进,在黑龙江建设资源节约型、环境友好型的全面小康社会中,再立新功!
*叶碎高2002年调任浙江省水利河口科学研究院,现任副总工程师兼水土保持研究所所长。
（上接第122页
并稳定少变;平原河谷区具有多种补给来源,地形坡度小,有利于降水入渗,地下水补给充分,变化较大。
按气候和冻土区域划分,气候干燥严寒,降水少,土壤封冻时间长的地区,地下水补给量少,气候温和湿润,降水多,冻土时间短的地区,地下水补给量充足,水位变化较大。
地下水的埋藏深度也随地形地质条件的不同相差悬殊。
平原河谷埋深浅,山丘区最深,山区几乎无潜水自由水面。
4结论
本文根据全省部分年份的实际观测资料,分析了寒冷地区地下水的形成和特点,不同地貌单元地下水的类型及时空变化。
初步揭示了寒冷地区受冻土影响下的地下水动态规律,提出了寒冷地区地下水补给时间短,水峰滞后,补给量偏少等不同论点。
由于观测资料系列短,不同地貌条件下观测站点不足,文中分析的成果仅是普通规律的概化。
寒冷地区地下水的研究属寒带水文学的范畴,为便于开展地下水资源的评价,为合理开发利用和保护地下水资源,需增加寒冷地区地下水形成机理和动态规律的研究,提出合乎自然规律的科学依据,目前,一些部门对寒冷地区地下水的形成缺乏分析,忽视了冻土不透水层对地下水补给的影响,采用无冻地区的常规方法,分割的地下水量,远大于实际补给量。
对此,希望引起讨论。
参考文献:
[1]马训.区域水资源计算方法[M].北京:
水利水电出版社,
1985.
[2]郭敬辉.黑龙江流域水文地理[M].北京:
科学出版社,1958.
[3]肖迪芳,丁晓黎.寒冷地区河川基流分割方法的商榷[J].水文,
1996,（2:
27-32.
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