長江鎮江段淺層承壓水位特征及含水層邊界類型識別

周 盈，李 月，李 洋，鄂 建，閔 望，陳添斐

（1.自然資源部地裂縫地質災害重點實驗室（江蘇省地質調查研究院），江蘇·南京 210049；2.中國地質環境監測院，北京 100081）

河流沉積物在空間分布上差異性，使河流與地下水的水力聯系具有復雜性，同一河流不同河段與地下水水力聯系的類型也因此不同[1-2]。在地下水流模型中將有水力聯系河段定義為水頭邊界或流量邊界[3]。眾多學者采取地表水與地下水的同位素關聯法[4-5]，水溫突變法[6]以及假設法[7]等辦法，取得河段與地下水水力聯系的證據，但是對研究河段在地下水流場中所屬邊界類型較難取得定性認識。

本研究以長江鎮江典型段淺層承壓含水層為研究對象，利用江蘇省國家地下水監測工程提供的長序列連續的地下水位監測數據，完成長江鎮江典型段淺層承壓水位特征的解析，并與長江汛期時段進行關聯分析，用較少種類的資料，完成識別長江江段邊界類型分析，研究為地表水與地下水的水力聯系類型不清的問題，提供基于地下水監測手段的解決路徑。

1 研究區域概況

江蘇省鎮江市位于長江下游地區，長江鎮江段的河谷主要由第四紀松散沉積物構成[8-9]，河流的沉積受河谷平坦地形和長江潮水頂托作用影響，發育了世業洲等系列江心洲[10]。研究段從長江島嶼世業洲（鎮）至共青團農場，研究段具有江心洲和第四紀松散沉積江段，研究區第四系地層薄，沉積厚度一般在70 m 以內，易見基巖?？紫逗畬右詼\層承壓含水層為主，潛水含水層較不發育，僅在局部區域有潛水含水層[11]，潛水含水層與淺層承壓水有巨厚的隔水層，隔水層厚度一般在10 m 以上。長江鎮江段河槽有切穿到淺層承壓含水層的頂板，使研究區域淺層承壓水含水層具備與長江水力聯系的通道條件（圖1）。

圖1 研究區域地層分布簡圖（剖面線為潤揚大橋線路，位置參見圖2；據參考文獻[11]等繪制）Fig.1 The schematic map of stratigraphic distribution in study area

在研究段內有4 個國家級淺層承壓地下水監測站點，組成的地下水監測網絡具有監測江心洲和第四紀松散沉積岸段的淺層承壓水位的能力，其中在長江島嶼江心洲世業鎮有2 個站點，分別是先鋒村站和世業所站點；在傍長江區域內有2 個站點，其中鎮揚汽渡站點離長江最近，直線距離約為100 m，共青團農場站點離長江較遠，直線距離約為1.3 km（圖2）。

圖2 長江鎮江典型段及其監測站點地理位置示意圖Fig.2 Geographical location diagram of Zhenjiang typical section of Yangtze River and its monitoring stations

2 研究方法

2.1 數據來源

（1）地下水位監測數據

研究區域內4 個國家地下水監測站點均安裝自動化監測地下水位的設備，掌握了2018 年1 月至2022 年12 月的5 年時間序列地下水位監測數據。

（2）鎮江段長江水位數據

通過長江海事局官網收集了2022 年全年某整點時刻的鎮江（定易洲）航道站的水位數據。

2.2 地表水與淺層承壓水的水力聯系類型分析

在地下水流場中，地表水與淺層承壓水的接觸邊界，通常定義為水頭邊界或流量邊界。若邊界類型為水頭邊界，代表著兩者水力聯系是壓力傳導方式，淺層承壓水站點若離接觸邊界越近，監測到淺層承壓水位即時響應地表水水位變化，長江水位時間序列特征也應在淺層承壓水位時間序列有所反映，淺層承壓地下水位時間序列也應具有高水位期與低水位期交替的特征。當邊界類型為流量邊界，代表著兩者水力聯系是以非壓力傳導的方式，即使淺層承壓水站點離接觸邊界近，監測到淺層承壓水位與長江水位相關性弱，淺層承壓地下水位的時間序列不應具有高水位期與低水位期交替的特征，但可采取監測地下水流場辦法，取得淺層承壓水與地表水水力聯系的流場證據。

2.3 時間序列的研究方法

采用互相關分析法研究站點的淺層承壓地下水與長江水位之間滯后關系，利用的線性擬合方法研究站點的水位與長江水位的相關性[12]，用以判定長江水與淺層承壓地下水之間，是否有水頭壓力傳導的聯系方式。采用基于Morlet 小波的小波分析法，研究淺層承壓地下水位時間序列是否存在高低水位期規律，并利用主周期下小波系數實部，研究站點高水位期與低水位期的持續時間規律。

2.4 站點的高水位期與低水位期

本文站點的高水位期是指站點的淺層承壓水位高于5年的月平均水位的時期，低水位期是指站點的淺層承壓水位低于5 年的月平均水位的時期。

2.5 站點的主周期與水位周期

站點主周期是指時間序列具有周期特征的時間尺度。站點的水位周期等于相鄰高水位期與低水位期的持續時間之和。

3 監測成果與分析

3.1 淺層承壓水位埋深監測成果

2018—2022 年，長江島嶼世業所站點的水位埋深0.39～3.98 m，長江島嶼先鋒村站點的水位埋深0.80～4.57 m，鎮揚汽渡站點的水位埋深-0.26～4.70 m，3 個站點地下水位時間序列具有月尺度的波動性。2020 年7 月19 日至2020 年7 月26 日，是長江鎮江段洪水紅色（Ⅰ級）預警時期，世業所站點的水位埋深0.39～0.47 m，先鋒村站點的水位埋深0.80～0.84 m，鎮揚汽渡站點的水位埋深-0.26～0.08 mm，該時期是3 個站點5 年來最淺水位埋深時期，表明了在2022 年長江鎮江段洪水紅色（Ⅰ級）預警時期，由于長江水位的高企，3 個站點的水位埋深也較往年同期變淺，近江岸3 個站點的水位響應了長江主汛期水位高企的變化。

2022 年7、8 月，長江鎮江段出現“主汛期反枯”現象[13-14]， 3 個站點在主汛期監測到水位埋深較往年深（表1），3 個站點在主汛期監測到最深水位埋深較往年同期最深水位埋深的深幅超過1 m，響應了長江主汛期水位偏枯的變化。

表1 長江鎮江段主汛期淺層承壓地下水監測站點的水位埋深（2018-2022 年）Table 1 The groundwater level of shallow confined aquifer of groundwater monitoring stations in the main flood season of the Yangtze River

共青團農場站點離長江河段距離最遠，地下水流徑流路徑最長，2018—2022年監測到地下水位埋深在0.96～2.54 m，地下水位埋深時間序列具有月度的波動性，地下水位埋深年波動的區間比較穩定。雖然2020 年長江主汛期水位創近年新高，而共青團農場站點的最淺水位埋深為1.1 m，并不是5 年來主汛期最淺的水位埋深；2022 年長江主汛期水位是近年同期最深，共青團農場站點的最深水位埋深為1.82 m， 僅比往年同期深了約0.2 m，遠小于近長江岸段3 個站點的水位同比變幅，表明長江主汛期水位變化的信號在淺層承壓含水層傳播過程中出現了衰減的現象。（圖3、圖4）。

圖3 長江島嶼世業鎮2 個站點的水位埋深時間序列曲線圖（2018-2022 年）Fig.3 Time series curves of water level burial depth at two stations in Shiye Town, Yangtze River Island

圖4 傍江區域2個站點的水位埋深時間序列曲線圖（2018-2022年）Fig.4 Time series curve of water level burial depth at two stations in the riverside area(2018-2022)

3.2 淺層承壓水位埋深與長江水位響應關系

研究區的4 個站點的水位埋深時間序列與2022 年長江水位的時間序列在滯后距為0 天時的互相關系數最大（圖5），表明了研究段4 個站點的水位埋深即時響應長江水位的變化。長江水位與鎮揚汽渡站點、先鋒村站點、世業所站點和共青團農場站點的水位埋深的相關系數分別為0.85、0.89、0.85 和0.72，表明4 個站點的水位埋深與長江水位相關性好。上述滯后關系分析及相關性分析反映了長江水與4 個站點的淺層承壓水之間是以水頭壓力傳導的方式聯系，反映了4 個站點處的江段在淺層承壓地下水流場中屬水頭邊界。

圖5 2022 年研究區淺層承壓地下水位與長江水位的互相關圖Fig.5 Correlation diagram of shallow confined groundwater level and Yangtze River water level in the study area in 2022

需注意的是，共青團農場站點離長江江段的距離最遠，長江水位變化信號傳播到該站點處的路徑最長，長江水位與共青團農場站點的水位的相關系數是4 個站點中最低的，表明在開展地表水與地下水相互轉換研究時，應使地下水站點離長江江段盡可能的近，這可使站點的水位高保真捕獲長江水位變化的信號。

3.3 淺層承壓水位埋深的主周期

（1）長江島嶼世業鎮的淺層承壓水位的主周期

位于長江島嶼的先鋒村站點和世業所站點的水位時間序列具有高水位期與低水位期交替規律，主周期為18個月（圖6）。（2）傍河區域的淺層承壓水位埋深的主周期位于傍江區域的鎮揚汽渡站點和共青團農場站點的水位時間序列具有高水位期與低水位期交替規律，主周期為18 個月（圖7）。

圖6 長江島嶼世業鎮站點小波系數實部圖Fig.6 Real part map of wavelet coefficients at two stations in Shiye Town, Yangtze River Island

3.4 淺層承壓水的高低水位期及周期

（1）長江島嶼世業鎮的淺層承壓水的高低水位期及周期2018—2022 年，每年5—10 月是先鋒村站點和世業所站點的高水位期（小波系數為負值），反映了5 月長江入汛后，隨著長江水位上漲，淺層承壓水位亦隨之上漲，淺層承壓地下水位埋深變淺；7—8 月是長江主汛期，是長江水位全年最淺時期，2 個站點的水位也是全年最淺時期。11 月至次年4 月是2 個站點的低水位期，由于長江10 月出汛后，長江水位呈現持續下降趨勢，2 個站點的地下水位響應長江水位下降的趨勢，站點的水位也持續下降，一般次年1-2 月是站點次年全年最深水位時期（小波系數是年度波峰值）。參見圖8。

圖8 長江島嶼世業鎮2個站點的主周期小波系數實部圖（2018-2022年）Fig.8 Real part map of principal period wavelet coefficients at two stations in Shiye Town, Yangtze River Island (2018-2022)

2022 年，極端副熱帶高壓氣候控制了長江流域降水，長江下游水位在8 月出現100 年一遇枯水[13]，使長江主汛期的水位較往年偏枯，由于淺層承壓地下水位是響應長江水位變化，發現了2 個站點的高低水位期的時間規律發生了變化，相較往年，2 個站點的高水位期提前1 個月結束，即當年的5—9 月是高水位期；低水位期提前1個月到來，即在當年10 月進入低水位期。

2 個站點的相鄰高水位期與低水位期的持續時間之和均為12 個月，故2 個站點的水位周期均為12 個月，2 個站點的水位埋深具有季節性波動規律，夏季淺層承壓地下水位埋深較淺，冬季淺層承壓地下水位埋深較深（表2）。

表2 長江島嶼世業鎮2個站點的高低水位期統計表（2018-2022年）Table 2 Statistical table of high and low water level period of two stations in Shiye Town, Yangtze River island(2018-2022)

（2）傍河區域的淺層承壓水的高低水位期及周期

2018—2022 年，鎮揚汽渡站點的高低水位期的時間規律與長江島嶼世業鎮 2 個站點的地下水位高低水位期的時間規律相一致，反映了鎮揚汽渡站點的高低水位期的時間規律與長江汛期的時間規律相一致。

共青團農場站點的高低水位期的時間規律與長江汛期時間規律有差異。2019—2021 年，每年6—11 月是站點的高水位期，12 月至次年5 月是站點的低水位期，站點的高水位期開始時間較長江入汛時間晚1 個月，低水位期開始時間較長江出汛時間晚1 個月。但在2022 年長江主汛期反枯年，共青團農場站點的高低水位期時間規律與鎮揚汽渡站點的高低水位期時間規律相同。反映了隨著長江水位變化信號在淺層承壓含水層中傳播路徑的變長，信號出現了衰減的現象。（圖9）。

圖9 傍河區域的2 個站點的主周期小波系數實部圖（2018-2022 年）Fig.9 Real part diagram of main period wavelet coefficients for two stations in the riverside area (2018-2022)

利用表3，計算出2 個站點的水位周期均為12 個月，2 個站點水位埋深具有季節性波動規律，即夏季淺層承壓水位埋深較淺，冬季淺層承壓地下水位埋深較深。

表3 位于傍河區域站點的高低水位期統計表（2018-2022年）Table 3 Statistical table for high and low water levels of stations located in the riverside area (2018-2022)

3.5 淺層承壓水位年振幅

2018—2022 年，鎮揚汽渡站的水位年振幅要深于長江島嶼世業鎮2 個站點的水位年振幅，可能與長江側向的水動力條件要強于垂向水動力條件有關，水動力條件的差異造成長江側向沉積物顆粒要粗于長江底沉積物顆粒，使長江的側向水力聯系強度強于垂向水力聯系的強度。共青團農場站點的水位年振幅波動性不如鎮揚汽渡站點的水位年振幅明顯，其水位年振幅值呈現穩定的趨勢，表明隨著地下水徑流路徑增長，站點的水位捕獲的長江水位變化信號存在失真。（圖10）。

圖10 研究區內4 個淺層承壓地下水站點的水位年振幅圖(2018-2022 年)Fig.10 Annual amplitude maps of water levels at four shallow confined groundwater stations in the study area (2018-2022)

3.6 長江水與淺層承壓水補排關系

長江海事局官網公布是航道站處水深，通過與鄰近水面標高聯算，得到2022 年航道站處長江水全年水位標高數據。淺層承壓地下水站點的水位標高是由測點高程與地下水埋深差值計算得到。據圖11 可知，長江水位全年高于淺層承壓地下水位，長江水全年補給淺層承壓地下水。

圖11 2022 年研究區各監測站點水位與長江水位對比關系圖Fig.11 Comparison relationship between water levels at various monitoring stations in the research area and the Yangtze River water level in 2022

4 結論

（1）研究區內4 個淺層承壓水站點的水位埋深時間序列具有月尺度下的波動性，經小波分析法計算，4 個站點的水位埋深時間序列具有高水位期與低水位期的交替規律，主周期為18 個月，周期為12 個月。

（2）4 個站點的水位即時響應長江水位變化，相關數均超過0.7，與長江水位相關性好，反映長江水與研究區淺層承壓含水層之間是以水頭壓力方式產生水力聯系，研究區長江段在淺層承壓地下水流場中屬于水頭邊界類型。

（3）近江岸3 個站點的高低水位期時間規律與長江汛期時間規律相一致。2018—2021 年，每年5—10 月是這3 個站點的高水位期，11 月至次年4 月是3 站點的低水位期。2022 年受長江主汛期偏枯影響，3 個站點提前1 個月進入低水位期。

（4）共青團農場站點的水位與長江水位相關系數是4個站點中最低的，表明長江水位變化信號在淺層承壓含水層傳播過程中，隨信號傳播的路徑變長，信號具有減弱的趨勢。在長江主汛期，共青團農場站點的水位同比變化不能反映出長江主汛期水位同比變化，站點的水位年振幅也基本保穩定，表明在遠江岸處接受的長江水位變化信號可能存在一定程度的失真。

（5）傍河區域的鎮揚汽渡站點的每年水位年振幅深于長江島嶼世業鎮2 個站點的水位年振幅，表明了長江與淺層承壓含水層的側向水力聯系強度要強于垂向水力聯系強度，提供了長江側向的水動力條件要強于垂向水動力條件的證據。

（6）據2022 年研究區各監測站點水位與長江水位對比關系圖顯示，研究區長江水位全年高于淺層承壓地下水位，長江水全年補給淺層承壓水。