若爾蓋泥炭小流域地下水水位的時(shí)空變化規(guī)律

周冰玉， 李志威， 魯瀚友， 游宇馳， 易雨君

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 水利與環(huán)境工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410114； 2.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430072； 3.北京師范大學(xué) 水環(huán)境模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100875)

1 研究背景

若爾蓋泥炭濕地位于青藏高原東北部，占地面積曾達(dá)4 600 km2，是全球最大的高原泥炭地[1-3]。1990年以來(lái)，若爾蓋泥炭濕地退化現(xiàn)象十分明顯，包括濕地面積減少、地下水位的下降、濕地功能退化等[4]。地下水水位是泥炭地水文過(guò)程的重要組成部分，其直接影響泥炭地的徑流產(chǎn)生、植物生長(zhǎng)和有機(jī)碳動(dòng)態(tài)。泥炭地的水文特性可通過(guò)自然侵蝕過(guò)程和人工開挖的排水溝道而發(fā)生改變[5-7]。在若爾蓋泥炭地的地下水研究方面已有較多觀測(cè)與模擬研究成果，如李志威等[8]、Ronkanen等[9]、Lautz等[10]運(yùn)用MODFLOW和野外原位觀測(cè)模擬了若爾蓋泥炭地下水運(yùn)動(dòng)過(guò)程并計(jì)算了水量動(dòng)態(tài)平衡變化以及溝道排水能力；魯瀚友等[11]、Li等[12]建立了2種典型自然溝道影響下泥炭地的地下水?dāng)?shù)值模型。已有研究發(fā)現(xiàn)切穿泥炭層的溝道附近地下水具有很強(qiáng)的橫向沿距離衰減特性[13-14]；另外，李麗等[15]對(duì)若爾蓋不同土壤剖面的土壤有機(jī)碳含量、總氮含量的分布及土壤容重等影響因素進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)泥炭地排水和地下水位降低是泥炭地土壤有機(jī)碳和總氮喪失的重要原因。

泥炭濕地的地下水位在時(shí)空變化上有所不同，地下水位的時(shí)間變化主要是由降雨和降雨間期之間的不同水文過(guò)程引起的。在降雨期間，地下水位上升很快并經(jīng)常到達(dá)地表，因此降雨迅速轉(zhuǎn)變?yōu)榈乇韽搅?；在降雨間期，在蒸發(fā)以及溝道排水的作用下，地下水水位以溝道為中心快速降低，此時(shí)地下水水位的空間分布差別較大。在空間上，地下水水位會(huì)受到局部地形以及與溝道距離遠(yuǎn)近的影響。地下水水位是影響泥炭濕地狀態(tài)的最重要水文因子[16-17]，若爾蓋泥炭濕地存在嚴(yán)重的退化趨勢(shì)反映了地下水水位處于下降態(tài)勢(shì)。目前，對(duì)于泥炭濕地地下水水位的時(shí)空變化規(guī)律及其對(duì)泥炭濕地的影響仍較缺乏定量認(rèn)識(shí)。

本研究采用2017年5-9月若爾蓋典型泥炭小流域的地下水水位原位觀測(cè)數(shù)據(jù)，其觀測(cè)點(diǎn)根據(jù)距離溝道遠(yuǎn)近分為2種類型：靠近溝道和遠(yuǎn)離溝道。結(jié)合2017年5-9月小流域附近的紅原氣象站降雨數(shù)據(jù)，對(duì)比降雨對(duì)各個(gè)水位觀測(cè)點(diǎn)地下水水位在時(shí)間上的影響并分析其原因；對(duì)比靠近溝道和遠(yuǎn)離溝道觀測(cè)點(diǎn)的地下水水位在空間上的變化差異，同時(shí)對(duì)比了靠近溝道和遠(yuǎn)離溝道觀測(cè)點(diǎn)的地下水水位在受降雨影響的滯后時(shí)長(zhǎng)的差異性。本研究有助于揭示若爾蓋泥炭濕地的地下水水位時(shí)空變化規(guī)律，對(duì)評(píng)估若爾蓋泥炭濕地的水源涵養(yǎng)能力具有重要的科學(xué)意義。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 若爾蓋泥炭濕地和研究區(qū)域概況

若爾蓋高原地處于青藏高原東北部邊沿，海拔高程介于3 400～3 900 m之間，隸屬四川省若爾蓋縣、紅原縣和阿壩縣以及甘肅省的瑪曲縣和碌曲縣[18]。受季風(fēng)因素影響，高原上干濕分明，且雨熱同期。若爾蓋高原為大陸性高原氣候，寒冷濕潤(rùn)，長(zhǎng)冬無(wú)夏，霜凍期長(zhǎng)，日溫差大。若爾蓋高原年降雨量約765 mm，年內(nèi)分配不均，主要集中在6-9月，年平均氣溫僅有0.6～1.2 °C，年平均相對(duì)濕度達(dá)到 64 %～73 %，年蒸散發(fā)量為1 260～1 290 mm[17]。

黃河若爾蓋高原段由西北—東南流向轉(zhuǎn)為東南—西北流向，先后主要有白河、黑河等支流匯入，再經(jīng)從瑪曲流出若爾蓋高原。若爾蓋高原獨(dú)特的氣候特點(diǎn)是沼澤發(fā)育的有利因素，其中黑河中上游地區(qū)最能體現(xiàn)，該地區(qū)地勢(shì)較為平坦，支流較少且大多為閉流，伏流寬谷較多，高原沼澤土多分布于此地。此外，該地區(qū)沉積物的細(xì)顆粒含量高，地表長(zhǎng)時(shí)間積水且排水能力差，故有較多泥炭沼澤發(fā)育[19-20]。

若爾蓋高原泥炭典型小流域與原位觀測(cè)點(diǎn)分布見(jiàn)圖1。

本研究選取地處黑河上游、面積約0.151 km2的若爾蓋小流域(圖1(b))，其三面均有土坡環(huán)繞。小流域的地表上層為泥炭土，約0.5～2 m厚，中值粒徑d50為0.651 mm，下層為透水性較弱的粉沙層，d50為0.039 mm。根據(jù)筆者2011-2017年在若爾蓋濕地進(jìn)行的野外勘測(cè)，將天然溝道按其發(fā)育程度分為未切穿泥炭層溝道和切穿泥炭層溝道兩種類型，其中未切穿泥炭層溝道的溝道深度小于泥炭層厚度，反之則為切穿泥炭層溝道。為具體分析不同位置的影響，在研究區(qū)小流域安置了8個(gè)自記水位計(jì)(圖1(b))，其中S1、S7、S8、S9和S10為靠近溝道放置的水位計(jì)，S2、S3和S11為遠(yuǎn)離溝道放置的水位計(jì)，其中，在靠近溝道放置的水位計(jì)中，S1、S7靠近切穿泥炭層溝道，S8、S9和S10靠近未切穿泥炭層溝道。

圖1 若爾蓋高原典型泥炭小流域與原位觀測(cè)點(diǎn)分布

2.2 觀測(cè)儀器與方法

采用美國(guó)Onset公司的HOBO 自記水位計(jì)，該儀器由 3 部分組成：(1)water level logger(水位計(jì))and end cap(水位計(jì)帽)。水位計(jì)(water level logger)是銀白色的金屬體，end cap是與水位計(jì)相連的黑色螺旋帽；(2)coupler(轉(zhuǎn)接口)；(3)base station(數(shù)據(jù)傳輸?shù)鬃?。base station(數(shù)據(jù)傳輸?shù)鬃?用于水位計(jì)啟動(dòng)(launch)、參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)下載(readout),base station與轉(zhuǎn)接口直接相連，轉(zhuǎn)接口與水位計(jì)相連[19]。

本文只探討地下水水位的時(shí)空變化規(guī)律，故選取遠(yuǎn)離溝道和靠近溝道兩大類作為觀測(cè)點(diǎn)。2017年5-9月，分別在紅原縣8個(gè)觀測(cè)點(diǎn)安裝了 HOBO 自記水位計(jì)，觀測(cè)頻率設(shè)置為每15 min 記錄一個(gè)數(shù)據(jù)。將 HOBO 自記水位計(jì)安裝于各觀測(cè)點(diǎn)地下一定埋深，埋置方式見(jiàn)圖 2。HOBO水位計(jì)采用壓力式測(cè)量原理，可采集水溫、水下大氣壓等數(shù)據(jù)，探頭距水面的距離(探頭位置保持不變)根據(jù)水面大氣壓值自動(dòng)換算得出，即地下水水位值。

圖2 HOBO自記水位計(jì)埋置方式

2.3 降雨量數(shù)據(jù)及降雨時(shí)段劃分

研究區(qū)附近的紅原氣象站2017年5-9月的降雨量數(shù)據(jù)如圖3所示。根據(jù)圖3統(tǒng)計(jì)得出：2017-05-15T 18：00至2017-06-08T 11：00(T1時(shí)間段)累計(jì)降雨量為68.5 mm，平均降雨強(qiáng)度約為0.9 mm/h，出現(xiàn)降雨的23個(gè)時(shí)間段中有18個(gè)時(shí)間段為中、小雨；2017-06-08T 12：00至2017-07-27T 10：00(T2時(shí)間段)累計(jì)降雨量為103.3 mm，平均降雨強(qiáng)度約為0.9 mm/h，出現(xiàn)降雨的22個(gè)時(shí)間段中有18個(gè)時(shí)間段為中、小雨，該時(shí)間段內(nèi)降雨仍以中、小雨為主；2017-07-27T 11：00至2017-09-18T 15：00(T3時(shí)間段)累計(jì)降雨量為200.6 mm，平均降雨強(qiáng)度約為1.4 mm/h，該時(shí)間段內(nèi)降雨大部分為中雨及以上，其中12個(gè)時(shí)間段為大、暴雨，且大、暴雨集中在8月底至9月中旬。

圖3 紅原氣象站2017年5-9月降雨數(shù)據(jù)

2.4 數(shù)據(jù)來(lái)源及分析方法

地下水水位數(shù)據(jù)來(lái)自于 HOBO 自記水位計(jì)每15 min 記錄一次的水位值，各水位觀測(cè)點(diǎn)的基本參數(shù)與水位計(jì)安裝信息見(jiàn)表1。本文以紅原氣象站 2017 年5-9月的每小時(shí)降雨數(shù)據(jù)(precipitation, PRE)為基礎(chǔ)，紅原氣象觀測(cè)站海拔3 491.6 m，其氣象資料來(lái)自國(guó)家氣象信息中心。

表1 8個(gè)水位觀測(cè)點(diǎn)的基本參數(shù)與水位計(jì)安裝信息

地下水水位數(shù)據(jù)分析采取如下方法與步驟：

(1)繪制各個(gè)地下水位觀測(cè)點(diǎn)的水位-時(shí)間圖和降雨-時(shí)間圖，分析各觀測(cè)點(diǎn)地下水位在時(shí)間上的變化趨勢(shì)。記錄各觀測(cè)點(diǎn)大于0的水位(飽和)出現(xiàn)時(shí)間，分析不同觀測(cè)點(diǎn)之間該時(shí)間出現(xiàn)前后差異的原因。結(jié)合降雨量分析地下水水位的變化趨勢(shì)，并計(jì)算兩者存在的相關(guān)關(guān)系。

(2)根據(jù)紅原氣象站的氣象數(shù)據(jù)資料劃分不同時(shí)間段，按照地形、觀測(cè)點(diǎn)靠近溝道和遠(yuǎn)離溝道、觀測(cè)點(diǎn)靠近切穿泥炭層溝道和靠近未切穿泥炭層溝道等不同條件，結(jié)合各觀測(cè)點(diǎn)地下水水位在各時(shí)間段的均值、方差和標(biāo)準(zhǔn)差CV值對(duì)比分析不同觀測(cè)點(diǎn)地下水水位的變化。

(3)分別選取1個(gè)大雨和無(wú)雨的時(shí)間段，對(duì)比分析降雨對(duì)地下水水位的影響。

(4)繪制各個(gè)地下水位觀測(cè)點(diǎn)的水位均值與時(shí)間之間的箱型圖，反映水位在均值附近波動(dòng)的大小。

(5)結(jié)合水位圖和降雨圖分析水位與降雨之間是否出現(xiàn)滯后效應(yīng)，如出現(xiàn)滯后效應(yīng)，按降雨強(qiáng)度分類估計(jì)大概滯后時(shí)間，滯后影響用公式(1)表示。

tWL=tPRE+Δt

(1)

式中：tWL為地下水水位產(chǎn)生變化的時(shí)間，h；tPRE為降雨時(shí)間段的中間時(shí)間，h； Δt為降雨對(duì)水位存在滯后影響時(shí)的滯后時(shí)長(zhǎng)，h。

(6)對(duì)遠(yuǎn)離溝道和靠近溝道的各個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，通過(guò)以上方法定量分析后，對(duì)比兩者的差異，并分析水位空間變化的差異性原因。

3 結(jié)果與分析

3.1 靠近溝道泥炭地的地下水水位時(shí)空變化

研究時(shí)段內(nèi)靠近溝道的各觀測(cè)點(diǎn)地下水水位、降雨量隨時(shí)間變化趨勢(shì)見(jiàn)圖4。

圖4 研究時(shí)段內(nèi)靠近溝道的各觀測(cè)點(diǎn)地下水水位、降雨量隨時(shí)間變化趨勢(shì)

由圖4可見(jiàn)，S1觀測(cè)點(diǎn)在T1、T2、T3時(shí)間段地下水水位分別呈上升、下降、上升趨勢(shì)，且在8、9月的豐雨期間，地下水水位出現(xiàn)較大幅度的升高(圖4(a))，水位開始變化值與最大值相差達(dá)73 cm。S7觀測(cè)點(diǎn)相較S1而言，在T1和T2時(shí)間段的地下水水位變化不大，在-50 cm上下波動(dòng)，在T3時(shí)間段內(nèi)由于降雨豐富，地下水水位明顯升高，平均升高速率為6.1 cm/h，最大高升高速率達(dá)30 cm/h(圖4(a))。S8、S9和S10觀測(cè)點(diǎn)在T1時(shí)間段地下水水位在10～-40 cm范圍內(nèi)波動(dòng)，T2和T3時(shí)間段地下水水位分別呈下降、上升趨勢(shì)。

在靠近溝道的 5 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)中，只有 S8觀測(cè)點(diǎn)存在高于0的水位(圖4(b))，其中2017-07-13T9：45至2017-08-29T20：15僅存在2017-07-27T13：15水位為7.3 cm，2017-08-20T12：15和T12：30水位分別為8.1和2.9 cm，其余時(shí)間均在0水位以下(由于地下水水位監(jiān)測(cè)是每隔15 min讀取一次水位，且該時(shí)段內(nèi)僅存在3個(gè)高于0的水位，為避免數(shù)據(jù)點(diǎn)過(guò)多顯得圖片過(guò)于緊湊，圖4僅選取了每日整點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖展示)。綜合降雨過(guò)程來(lái)看，2017-07-13T9：45至2017-08-29T20：15 時(shí)間段小流域區(qū)域未降雨或降雨較少，導(dǎo)致所有水位計(jì)所在泥炭層均未達(dá)到飽和，且由于溝道的影響，S8的不飽和時(shí)間滯后于其余4個(gè)觀測(cè)點(diǎn)(2017-07-13，其余4個(gè)觀測(cè)點(diǎn)為2017-06-28)，且能提前達(dá)到飽和狀態(tài)(2017-08-29，其余4個(gè)觀測(cè)點(diǎn)為2017-08-30)。

從地形來(lái)看，靠近溝道側(cè)的5個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的地下水水位在時(shí)間上的變化與其所在位置有關(guān)。S1觀測(cè)點(diǎn)位于小流域的西北方向，處于溝道旁的一處低洼地，四周地勢(shì)較高，且S1位于溝道下游旁，故S1處地下水水位變化相對(duì)較為平穩(wěn)。S7 觀測(cè)點(diǎn)位于小流域的東北側(cè)，處于一處灘地，四周地勢(shì)平坦。S8、S9和S10位于小流域的西南側(cè)，處于溝道旁的一處坡地，且位于溝道上游側(cè)，地下水水位起伏較大，對(duì)比同時(shí)段降雨，由于S8、S9和S10處于坡地，地下水水位對(duì)降雨的響應(yīng)比 S1和S7 更明顯。

S1和S7靠近切穿泥炭層溝道，S8、S9和S10靠近未切穿泥炭層溝道，在降雨以中、小雨為主的T1、T2時(shí)間段，S1和S7的地下水水位普遍低于S8、S9和S10，且從靠近溝道的5個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的各時(shí)段均值、方差和標(biāo)準(zhǔn)差CV值來(lái)看(表2)，S1和S7各時(shí)段的地下水水位均值均比其他3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)低，最大差值達(dá)到58.3 cm，這與切穿泥炭層溝道比未切穿泥炭層溝道排水能力更強(qiáng)有關(guān)，且降雨補(bǔ)給溝道更多。S1比S7的地下水水位更低(圖4(a))，這是因?yàn)镾1更加靠近切穿泥炭層溝道，其距離為11.1 m，而S7與溝道距離有33.0 m，切穿泥炭層溝道附近的地下水水位會(huì)呈現(xiàn)很強(qiáng)的距離衰減效應(yīng)。

表2 靠近溝道的各觀測(cè)點(diǎn)地下水水位的各時(shí)段均值、方差和標(biāo)準(zhǔn)差CV

選取觀測(cè)時(shí)間內(nèi)1個(gè)大雨時(shí)段08-29T10：00至08-29T23：00和1個(gè)無(wú)降雨時(shí)段08-08T0：00至08-11T20：00，分析靠近溝道各觀測(cè)點(diǎn)的地下水水位變化趨勢(shì)，如圖5所示。其中大雨時(shí)段內(nèi)總降雨量為17.5 mm，降雨強(qiáng)度為1.3 mm/h。

由圖5(a)可知，S1觀測(cè)點(diǎn)地下水水位在大雨時(shí)段的波動(dòng)最大，這可能與S1更靠近切穿泥炭層溝道有關(guān)，S7雖也靠近切穿泥炭層溝道，但距離較S1測(cè)點(diǎn)遠(yuǎn)，而S8、S9和S10觀測(cè)點(diǎn)均靠近未切穿泥炭層溝道。5個(gè)觀測(cè)點(diǎn)地下水水位最大值與水位開始變化時(shí)刻的水位值之差分別為40.9、16.7、28.1、20.9和16.6 cm，平均增加速率分別為6.8、2.1、2.8、2.3和1.8 cm/h。

由圖5(b)可知，在無(wú)降雨時(shí)間段，5個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的地下水水位的變化幅度都不大，地下水水位的極差分別為5.7、13.4、22.5、21.8和19.9 cm，與大雨時(shí)段相比變化更加穩(wěn)定，說(shuō)明降雨事件的發(fā)生是引起地下水水位發(fā)生變化的重要原因。5個(gè)觀測(cè)點(diǎn)中，S8、S9和S10的極差相對(duì)較大，是由于未切穿泥炭層溝道的排水能力較弱，需要周圍對(duì)其補(bǔ)水較少，使得附近地面上的積水下滲到泥炭層，從而造成地下水水位升高。

圖5 靠近溝道的各觀測(cè)點(diǎn)局部時(shí)段的地下水水位隨時(shí)間變化趨勢(shì)

圖6為靠近溝道各觀測(cè)點(diǎn)不同時(shí)段的地下水水位均值箱型圖，箱型圖中從上到下5根橫線分別代表水位均值的上限值、上四分位數(shù)、中位數(shù)、下四分位數(shù)和下限值(下同)。

圖6 靠近溝道各觀測(cè)點(diǎn)不同時(shí)段的地下水水位均值箱型圖

由圖6可看出，不同時(shí)段靠近溝道各觀測(cè)點(diǎn)的地下水水位在其均值附近上下波動(dòng)，在降雨較少的T1時(shí)段波動(dòng)幅度較小，水位上、下限之差在15～40 cm之間，而隨著降雨量的增加，在降雨豐沛的T3 時(shí)段，波動(dòng)范圍也隨之增大，水位上、下限之差在45～65 cm之間，可見(jiàn)地下水水位的波動(dòng)幅度隨著降雨量的增加而加大。從空間上來(lái)看，位于洼地的S1、S7觀測(cè)點(diǎn)的地下水水位波動(dòng)幅度比相應(yīng)時(shí)間段位于坡地的S8、S9和S10觀測(cè)點(diǎn)要小。

3.2 遠(yuǎn)離溝道泥炭地的地下水水位時(shí)空變化

研究時(shí)段內(nèi)遠(yuǎn)離溝道的各觀測(cè)點(diǎn)地下水水位、降雨量隨時(shí)間變化趨勢(shì)見(jiàn)圖7。

圖7 研究時(shí)段內(nèi)遠(yuǎn)離溝道的各觀測(cè)點(diǎn)地下水水位、降雨量隨時(shí)間變化趨勢(shì)

由圖7可看出，遠(yuǎn)離溝道側(cè)的 3 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)S2、S3和S11的地下水水位在時(shí)間上的變化趨勢(shì)大致相同，在T1、T2和T3時(shí)間段內(nèi)，地下水水位總體上分別呈上升、下降、上升趨勢(shì)，與相應(yīng)時(shí)段的降雨量呈大致相同的趨勢(shì)。研究時(shí)段內(nèi)S2、S3和S11 3個(gè)水位觀測(cè)點(diǎn)均存在大于 0 的水位，但3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)大于0水位的時(shí)間點(diǎn)有區(qū)別，S2、S3和S11觀測(cè)點(diǎn)首次出現(xiàn)大于0水位的時(shí)間點(diǎn)分別為2017-08-29T19：45、2017-06-03T22：30和2017-05-16T18：15，S3和S11觀測(cè)點(diǎn)首次出現(xiàn)大于0水位的時(shí)間較S2靠前。

同樣選取1個(gè)大雨時(shí)段和1個(gè)無(wú)降雨時(shí)段(兩個(gè)時(shí)段與前文中靠近溝道觀測(cè)點(diǎn)地下水水位分析時(shí)所選的時(shí)段相同)，分析遠(yuǎn)離溝道各觀測(cè)點(diǎn)的地下水水位變化趨勢(shì)，如圖8所示。

由圖8(a)可見(jiàn)，S2觀測(cè)點(diǎn)的地下水水位在大雨時(shí)段的變化相較S3和S11觀測(cè)點(diǎn)不明顯，3個(gè)測(cè)點(diǎn)的地下水水位最大值與水位開始變化時(shí)刻的水位值之差分別為21.3、31.5和52.6 cm，平均增加速率分別為2.4、4.5和5.8 cm/h。這可能與S2、S3和S11所在位置有關(guān)，S11所在位置存在溯源下切的現(xiàn)象，導(dǎo)致其地下水水位的波動(dòng)更加明顯。由圖8(b)可見(jiàn)，無(wú)降雨時(shí)段的3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)地下水水位變化幅度均不大，地下水水位的極差分別為9.2、15.8和11.0 cm，與大雨時(shí)段相比其變化更加穩(wěn)定，也說(shuō)明了降雨事件的發(fā)生確實(shí)可引起地下水水位的變化。

圖8 遠(yuǎn)離溝道的各觀測(cè)點(diǎn)局部時(shí)段的地下水水位隨時(shí)間變化趨勢(shì)

圖9為遠(yuǎn)離溝道各觀測(cè)點(diǎn)不同時(shí)段的地下水水位均值箱型圖。由圖9可看出，不同時(shí)段遠(yuǎn)離溝道各觀測(cè)點(diǎn)的地下水水位在其均值附近上下波動(dòng)，與靠近溝道側(cè)的觀測(cè)點(diǎn)在時(shí)間上存在相似的變化規(guī)律，即各觀測(cè)點(diǎn)地下水水位的波動(dòng)范圍均隨著降雨量的增加而加大。S11觀測(cè)點(diǎn)的地下水水位波動(dòng)范圍相比S2和S3觀測(cè)點(diǎn)明顯增大，在T2和T3時(shí)間段，其上、下限之差達(dá)100～110 cm，這與S11觀測(cè)點(diǎn)處溝道存在溯源下切現(xiàn)象有關(guān)?？傮w來(lái)說(shuō)，遠(yuǎn)離溝道側(cè)的觀測(cè)點(diǎn)比靠近溝道側(cè)的觀測(cè)點(diǎn)的地下水水位波動(dòng)幅度要小。

圖9 遠(yuǎn)離溝道的各觀測(cè)點(diǎn)不同時(shí)段的地下水水位均值箱型圖

3.3 降雨對(duì)不同位置地下水水位的滯后影響

由于一次降雨之后泥炭層下滲需要一定時(shí)間，因此降雨對(duì)地下水位存在滯后影響。同時(shí)，本次觀測(cè)小流域采用的降雨數(shù)據(jù)是紅原縣的每小時(shí)降雨數(shù)據(jù)，氣象站與小流域觀測(cè)點(diǎn)的直線距離約為48 km，由于高原局部氣象的差異性，氣象站觀測(cè)的降雨數(shù)據(jù)與觀測(cè)點(diǎn)的實(shí)際降雨存在一定時(shí)間差，故需要討論降雨對(duì)地下水位的滯后影響。

根據(jù)我國(guó)氣象部門采用的降雨強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，小雨為12 h內(nèi)雨量小于5.0 mm，中雨為12 h內(nèi)雨量為5.0～14.9 mm，大雨為12 h內(nèi)雨量為15.0～29.9 mm，12 h內(nèi)降雨量大于或等于30 mm為暴雨。選取各個(gè)觀測(cè)點(diǎn)水位變化大的典型時(shí)間段，按降雨強(qiáng)度分類，各強(qiáng)度降雨對(duì)靠近和遠(yuǎn)離溝道觀測(cè)點(diǎn)地下水水位影響的滯后時(shí)長(zhǎng)箱型圖如圖10所示。

圖10 各強(qiáng)度降雨對(duì)靠近和遠(yuǎn)離溝道觀測(cè)點(diǎn)地下水水位影響的滯后時(shí)長(zhǎng)箱型圖

由圖10通過(guò)計(jì)算各降雨強(qiáng)度下靠近和遠(yuǎn)離溝道各觀測(cè)點(diǎn)的平均滯后時(shí)長(zhǎng)可知，隨著降雨強(qiáng)度的增大，滯后時(shí)長(zhǎng)隨之縮短，并且遠(yuǎn)離溝道的觀測(cè)點(diǎn)比靠近溝道的觀測(cè)點(diǎn)的滯后時(shí)長(zhǎng)平均縮短約18 min。這是由于降雨強(qiáng)度的增大使地表徑流下滲到泥炭層的速度加快，且靠近溝道的觀測(cè)點(diǎn)由于降雨優(yōu)先補(bǔ)給溝道，使得其地下水水位響應(yīng)的滯后時(shí)長(zhǎng)較遠(yuǎn)離溝道的觀測(cè)點(diǎn)長(zhǎng)。

3.4 不同位置水位變化的空間差異性及原因

對(duì)比靠近溝道和遠(yuǎn)離溝道的觀測(cè)點(diǎn)地下水水位數(shù)據(jù)分析結(jié)果可知，遠(yuǎn)離溝道的3個(gè)地下水位觀測(cè)點(diǎn)對(duì)降雨的響應(yīng)程度要高于靠近溝道的5個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，遠(yuǎn)離溝道的地下水位大致隨著降雨的增加(減少)而上升(下降)，這說(shuō)明降雨是影響小流域地下水水位發(fā)生變化的重要因素[21]。在靠近溝道的5個(gè)觀測(cè)點(diǎn)中，水位變化值與降雨的相關(guān)系數(shù)最大僅有0.294,而遠(yuǎn)離溝道的3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)相關(guān)系數(shù)最大值達(dá)0.890，說(shuō)明遠(yuǎn)離溝道比靠近溝道的地下水位與降雨之間關(guān)系更顯著。

遠(yuǎn)離溝道的3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，均存在高于0的水位，但由于在6月底至8月底小流域內(nèi)未降雨或降雨較少，導(dǎo)致2017-06-28T15：30至2017-08-30T20：45均低于0水位。在靠近溝道的5個(gè)觀測(cè)點(diǎn)中，S8觀測(cè)點(diǎn)存在高于0的水位，該觀測(cè)點(diǎn)在2017-07-13T13：45至2017-08-29T18：30期間低于0水位，不飽和時(shí)間較為滯后，且能提前達(dá)到飽和狀態(tài)。因此，溝道能為周邊泥炭層提供更長(zhǎng)效的補(bǔ)水時(shí)間，且能更快匯集水流，從而導(dǎo)致靠近溝道的觀測(cè)點(diǎn)比遠(yuǎn)離溝道的不飽和時(shí)間要短。

對(duì)比8個(gè)觀測(cè)點(diǎn)在大雨和無(wú)雨時(shí)間段的地下水水位變化，最靠近切穿泥炭層溝道的S1的地下水水位在大雨時(shí)段的每小時(shí)平均增加速率更大，為6.8 cm/h，S7由于距離未切穿溝道達(dá)3.3 m，增加速率明顯小于S1，其他3個(gè)靠近未切穿溝道的觀測(cè)點(diǎn)增加速率為2.3 cm/h，遠(yuǎn)離溝道的3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)由于存在溯源下切導(dǎo)致其地下水水位增加速率相差較大，故越靠近切穿泥炭層溝道，地下水水位變化越明顯，且溯源下切會(huì)導(dǎo)致地下水水位變化更大。

分析該泥炭層的地下水水位空間變化的差異性原因，主要有以下3點(diǎn)：

(1)水位計(jì)安放位置是否靠近溝道。遠(yuǎn)離溝道的觀測(cè)點(diǎn)排水能力小于靠近溝道的觀測(cè)點(diǎn)，靠近溝道的觀測(cè)點(diǎn)地下水水位受降雨影響不大，因其有一部分水量通過(guò)地表徑流和地下水出流流入溝道之中，致使其水位變化與降雨變化的相關(guān)性較小。

(2)水位計(jì)安放位置是否靠近切穿泥炭層溝道。切穿泥炭層溝道的排水能力比未切穿泥炭層溝道強(qiáng)，且切穿泥炭層溝道附近的地下水水位呈現(xiàn)很強(qiáng)的距離衰減效應(yīng)，越靠近切穿泥炭層溝道，則地下水位下降幅度越大。

(3)水位計(jì)安放位置處的地形影響。安置在洼地處比安置在坡地處的水位計(jì)水位變化受降雨影響小，洼地四周地勢(shì)較高，地下水水位受降雨影響不大，只在降雨較大的情況下有明顯變化。

4 結(jié) 論

(1)若爾蓋泥炭濕地小流域遠(yuǎn)離溝道的地下水水位變化與降雨過(guò)程趨于同步，水位變化與降雨變化趨勢(shì)大致相同，靠近溝道的觀測(cè)點(diǎn)受溝道排水影響，與降雨同步程度較小。

(2)靠近溝道比遠(yuǎn)離溝道的地下水觀測(cè)點(diǎn)不飽和持續(xù)時(shí)間要短約16 d，其原因是溝道排水為周邊泥炭層提供更長(zhǎng)效的補(bǔ)水時(shí)間，且能更快匯集水流。

(3)靠近切穿泥炭層溝道的地下水水位均比靠近未切穿泥炭層溝道的地下水水位低，最大差值達(dá)到58.3 cm，且呈現(xiàn)沿橫向距離的衰減效應(yīng)。

(4)降雨對(duì)泥炭小流域內(nèi)地下水水位具有滯后影響，隨著降雨強(qiáng)度增大，滯后時(shí)長(zhǎng)逐漸減小，且遠(yuǎn)離溝道處比靠近溝道處的滯后時(shí)長(zhǎng)要短約18 min。