关于半干旱地区不同地貌单元中地下水对降雨响应机制的研究

《Journal of Hydrology》：Study on the response mechanism of groundwater to rainfall in different geomorphic units of semi-arid regions

地下水动态与降水响应关系研究 | 摘要 内蒙古霍林郭勒沙漠区2016-2023年不同地貌单元（流动沙丘、半固定沙丘、固定沙丘和草甸）中非承压含水层与弱承压含水层的水位响应机制分析，运用STL分解、小波变换等方法，揭示水位年际波动与季节变化特征，量化滞后时间及记忆效应，为荒漠区水资源管理提供依据。

　　### 沙地生态水文研究的科学解读

#### 研究区域与研究重点

本研究的开展地点位于中国内蒙古通辽市的科尔沁沙地东南部，即阿古拉生态水文实验站。这一区域具有典型的干旱和半干旱气候特征，降水稀少且蒸发强烈，因此地下水对于该地区的生态系统至关重要。地下水不仅为植被生长提供水分，还在维持土壤结构和防止土地退化方面发挥着重要作用。研究重点在于分析不同地貌单元（移动沙丘、固定沙丘、半固定沙丘和草地）中地下水位对降水的响应。通过应用五种时间序列分析方法，包括STL分解、小波分析、互相关分析等，研究揭示了潜水含水层和弱承压含水层中地下水动态变化的特征，包括季节性波动、相关时间以及降雨滞后效应。

#### 新的水文洞察与科学意义

研究结果显示，潜水含水层中，移动沙丘地区的地下水位上升了0.64–0.97米，而草地的地下水位则保持稳定或略有下降；弱承压含水层则呈现出相反的趋势，其地下水位上升幅度在0.33–1.08米之间。季节性波动在草地潜水含水层中达到1米，而在草地弱承压含水层中则为0.55米，且弱承压含水层的滞后时间在1–2个月之间。相关时间在潜水含水层中为21–40天，在弱承压含水层中为16–29天，表明地下水系统具有显著的记忆效应。降雨响应滞后时间在不同地貌单元和含水层中表现出明显差异，从1天（草地）到113.5天（固定沙丘弱承压含水层），主要受土壤渗透性和地下水深度的影响。这些发现为沙漠化地区的地下水管理与生态系统恢复提供了科学依据。

#### 研究背景与水文意义

地下水是水资源的重要组成部分，对生态系统的形成和维持具有决定性作用。它不仅参与全球水循环，还通过维持生态系统运行和促进物种生存，发挥着不可替代的生态功能。在生态脆弱的干旱和半干旱地区，地下水在水的再分配和空间时间水可用性调节中扮演着关键角色。稳定地下水供应是植被恢复、土壤改良和土地退化控制的核心基础，地下水对于维持生态平衡和确保长期生态功能具有不可忽视的重要性。因此，研究地下水与降水之间的关系，有助于深入理解区域水文循环模式，从而实现水资源的可持续管理。该研究为水文管理、生态保护和灾害防治提供了科学基础，防止因不合理的开发或应对策略不足而导致的问题。

#### 地质与水文特征

研究区域的地质结构以第四纪沉积物为主，沉积层厚度约为120–150米，平均厚度约为138米。这些沉积物形成了四个主要的地质单元，每个单元的厚度和与含水层的关系被详细描述。研究还指出，存在两层弱渗透层，分别位于140–155米和95–110米的高程范围内，厚度分别为0.8–3米和0.2–3.5米。这些弱渗透层在分隔潜水含水层和弱承压含水层中起到了关键作用。在移动沙丘中，主要由中沙（90%–95%）组成，局部有细沙；半固定沙丘则由中沙（85%–90%）和细沙（5%–8%）混合构成，植被根系略微改变了土壤孔隙结构；固定沙丘则主要由细沙（80%–85%）和中细沙（10%–15%）构成，其细沙比例略高于移动和半固定沙丘。草地主要由砂壤土组成，包含黏土（12%–18%）和细沙（20%–25%），细沙占主导地位（57%–68%），局部有砂壤层。弱承压含水层位于低渗透层之下，其整体结构较为粗大且空间分布较为均匀。

#### 方法与数据采集

研究中建立了78个地下水观测井，每个井配备自动水位记录仪，以1小时的间隔采集地下水位数据。研究选择了其中24个代表性井和13个自动雨量监测站进行详细分析。这些井和监测站的地理坐标、地貌分类、渗透系数和观测时间等关键属性在表1中进行了总结。研究中还采用了多种时间序列分析方法，包括地下水位趋势分析、STL分解、小波分析和互相关分析等。这些方法能够有效刻画含水层的结构和水动力过程，帮助识别地下水与降水之间的响应机制。

#### 研究结果与分析

研究结果表明，潜水含水层的地下水位在移动沙丘中上升最为显著，达到约0.97米；而固定沙丘的上升幅度为0.78米，半固定沙丘为0.64米。相比之下，草地的地下水位变化相对较小，保持稳定或略有下降。弱承压含水层的地下水位变化则表现出不同的趋势，移动沙丘的上升幅度为0.33米，半固定沙丘为0.66米，草地为0.77米，固定沙丘为1.08米。总体来看，弱承压含水层的地下水位上升顺序为移动沙丘 < 半固定沙丘 < 草地 < 固定沙丘。

通过STL分解，研究进一步揭示了不同含水层和地貌单元的地下水动态特征。在潜水含水层中，季节性波动对草地的影响最大，其次是趋势因素，而残差部分的影响最小。相反，固定沙丘的地下水动态主要由长期趋势主导，季节性和残差因素的影响相对较小。弱承压含水层中，草地的季节性波动范围较大，从-0.6到0.4米，而固定沙丘的波动范围较小，从-0.3到0.1米。移动沙丘的地下水动态主要受趋势因素影响，表现出明显的季节性波动，其范围在-0.2到0.2米之间。

研究还分析了不同含水层和地貌单元的地下水记忆特性。在潜水含水层中，移动沙丘的去相关时间最长，达到28–40天，表明其具有较强的记忆效应。这主要归因于移动沙丘的土壤结构、地下水保留能力和流动动力学，这些因素使得地下水系统能够持续保留先前的水文状态信息。相比之下，草地和固定沙丘的去相关时间较短，记忆效应较弱，这主要归因于相邻湖泊、湿地、植被蒸腾作用和人为活动带来的频繁扰动，这些因素会破坏地下水系统的稳定性。

在弱承压含水层中，移动沙丘的去相关时间范围为21–28天，半固定沙丘为27–29天，固定沙丘为22–26天，草地为16–21天。移动沙丘的地下水位变化表现出更长的去相关时间和更强的记忆效应，这与其上覆低渗透层和相对稳定的地下水流动速度和方向有关。相比之下，草地的地下水位变化最不稳定，去相关时间最短，这主要归因于其低洼平坦的地貌、复杂的与相邻水体的水力交互以及频繁的外部扰动，导致地下水条件快速波动。半固定和固定沙丘的地下水位变化表现出中等的去相关时间和记忆效应，这些特征由半固定沙丘的植被和固定沙丘的根系对土壤渗透性的增强所决定。

#### 降雨对地下水响应的分析

研究通过蒙特卡洛模拟和小波分析揭示了降雨对地下水响应的周期性特征。在256–512天的周期段内，所有地貌单元的“降雨-地下水位”小波相干性均通过了95%置信度的检验。显著的相干区域占比为18.2%–27.5%（见表5），这表明这一周期是研究区域地下水对降雨响应的主要控制因素。此外，相干性主要由真实的水文过程驱动，而非随机噪声。

在潜水含水层中，移动沙丘的地下水位表现出显著的相干性，占比为27.5%；半固定沙丘为23.5%；固定沙丘为21.7%；草地为26.8%。在弱承压含水层中，移动沙丘的相干性为18.2%，半固定沙丘为22.1%，草地为19.7%，固定沙丘为0%。这表明，弱承压含水层的地下水位对降雨的响应存在显著的滞后，主要归因于上覆低渗透层对降雨渗透的阻碍。

通过小波相干性分析，研究发现不同地貌单元和含水层的降雨-地下水位相干性存在显著差异。例如，移动沙丘的地下水位对降雨的响应在256–512天的周期内表现出显著的相干性，而在固定沙丘中则没有显著的相干区域，其滞后时间长达113.5天，导致降雨信号完全衰减。这表明，移动沙丘的地下水系统对降雨响应更为直接，而固定沙丘的地下水系统则受到上覆低渗透层和植被覆盖的双重影响，导致其响应更为延迟。

#### 滞后效应与控制因素

研究还分析了地下水对降雨的滞后效应，发现不同地貌单元和含水层的滞后时间存在显著差异。在潜水含水层中，移动沙丘的平均滞后时间为41.6天，半固定沙丘为55天，固定沙丘为43.4天，草地为1天。而在弱承压含水层中，移动沙丘的滞后时间达到113.5天，半固定沙丘为90天，草地为63天，固定沙丘为61.3天。这种差异主要由土壤渗透性和地下水深度决定。

在移动沙丘中，由于土壤渗透性较高，地下水位对降雨的响应最为迅速，滞后时间最短。而在固定沙丘中，由于土壤渗透性较低，地下水位对降雨的响应较为延迟。草地的地下水位由于其低洼平坦的地貌和复杂的水力交互，表现出较高的波动性，但滞后时间较短。研究还发现，植被覆盖对地下水位的滞后时间有显著影响。例如，固定沙丘中的植被根系能够改善土壤结构，促进地下水的流动，从而减少滞后时间。相反，半固定沙丘的植被覆盖虽然较高，但由于其复杂的渗透路径，地下水位的滞后时间较长。

#### 结论与科学意义

本研究通过多种时间序列分析方法，揭示了科尔沁沙地地下水位对降水的响应机制。研究发现，地下水位的变化主要受土壤渗透性、地下水深度和地貌单元的影响。在潜水含水层中，移动沙丘的地下水位上升最为显著，而草地的地下水位变化相对较小。在弱承压含水层中，固定沙丘的地下水位上升幅度最大，而移动沙丘的上升幅度较小。这些结果为沙漠化地区的地下水管理和生态系统恢复提供了科学依据。

此外，研究还指出，地下水系统具有显著的记忆效应，其去相关时间在21–40天之间，表明地下水位的变化受到长期水文过程的影响。这种记忆效应在移动沙丘中最为明显，而在草地和固定沙丘中则相对较弱。这些发现对于理解地下水与降水之间的相互作用具有重要意义，同时也为区域水资源管理和生态修复提供了理论支持和实践参考。研究还强调，未来需要进一步探讨其他外部环境因素（如蒸散发和气象变量）对地下水系统的影响，以更全面地理解该地区的水文循环机制。