流域下游平原地区浅层地下水因紧临地表，与地表水和大气水之间的交换更加频繁，易受到地理条件、气候及人类活动的影响，并存在反馈作用，对区域生态环境及水资源供给安全等方面均具有重要作用，是水文过程变化的重要环节，也是地理和水文学界研究的热点问题之一.

当前，国外对浅层地下水的研究较多，主要利用水文实验、数理统计及模型模拟等手段，探讨气候变化、农业生产及城镇化等诸多因素对浅层地下水动态及属性特征的影响^[1-5].如，Sanderson和Cooper定量揭示了San Luis山谷蒸发对浅层地下水动态过程的影响^[1]；Cai和Ofterdingter发现北爱尔兰地区浅层地下水对降水的响应时间多在1~2 h左右^[2]；Barron等发现澳大利亚西部的Southern河流域城镇化导致径流系数由0.01显著增加为0.40，下渗量由8.08 GL下降到4.21~6.01 GL，浅层地下水补给量下降^[3].国内在浅层地下水研究方面尚处于起步阶段，研究主要集中在中国北方地区.研究发现，我国北方浅层地下水动态受到降水特征、农业灌溉、地表水补给及气候变化等多个驱动因素的综合影响，总体表现为埋深不断加大的趋势，并表现出时空差异^[6-8]；王仕琴等依据区域特征，将华北平原浅层地下水划分为6大类型^[9]；此外，南部湿润区浅层地下水变化过程主要受气候条件的影响，对人类活动的响应相对微弱^[10-11].

长三角太湖流域降水丰富，是中国最为典型的平原水网区之一；同时，经济社会高度发达，城镇化导致不透面积大幅增加，人类活动对水循环过程影响十分强烈.开展变化环境下平原水网区浅层地下水探究，将为城镇化下区域三水转换规律和产汇流机制分析提供重要支持.因此，以太湖平原水网区的苏州市为典型区，着重探讨高度城镇化下近10 a浅层地下水动态特征，揭示其与降水、地表水、蒸发等因素间的关联程度；并根据主要影响因素，采用空间叠加分析方法，对区域浅层地下水变化特征分区进行探讨，以期更加深刻地认识自然系统的工作机理，为水资源科学评价、合理开发与保护提供新视角.

1 研究区概况、数据情况与研究方法 1.1 研究区概况

苏州市位于苏南地区，为典型的平原水网区.本文研究区(图 1)为苏州市(不含太湖部分)，面积约6665 km².苏州市地势低缓，自北向南、自西向东略有倾斜.属亚热带季风气候，四季分明.近年来，经济社会快速发展，下垫面变化显著.近30 a苏州城镇建设用地面积增长率达36.97 km²/a^[12].通过钻探及野外调研发现表面覆盖着大量的第四纪松散沉积物，岩性以黏土、沙土及砂砾层为主.除少数基岩裸露区以外，均有分布；城市区则主要由杂填土、素填土组成，富水性差，透水性不均.浅层地下水主要补给源为降水、地表水入渗；消退以蒸发和侧向径流为主^[13].

1.2 数据情况

本文数据源包括2005—2015年14个浅层地下水监测井浅层地下水水位和2005—2014年典型站点河道水位和蒸发量的日实测资料.

1.3 研究方法

利用互相关法获取浅层地下水对降水过程的响应机制，该方法在描述时间序列平稳性和滞时等方面可靠性较高，可写成^[14-16]：

$ {C_{xy}}\left( k \right) = \frac{1}{n}\sum\limits_{t = 1}^{n - k} {({x_t} - \bar x)({y_{t + k}} - \bar y)} $

(1)

$ {Y_{xy}}\left( k \right) = \frac{{{C_{xy}}\left( k \right)}}{{{\delta _x} \cdot {\delta _y}}} $

(2)

式中，C_xy为互相关函数，k表示滞时，n为时间序列长度，x_t和y_t分别表示2个时间序列数据，x和y分别表示x_t和y_t序列的平均值，Y_xy表示互相关系数，δ表示时间序列的标准离差.互相关系数大于标准误差2/N^0.5时，P < 0.05，N为数据序列长度.

2 结果与分析 2.1 浅层地下水空间分布

2005—2015年研究区浅层地下水年均水位为3.94 m，水位较高的区域主要出现在西部和北部地区，浅层地下水主要呈由北往南、自西向东流向(图 2a).年均埋深为1.03 m，埋深较大的区域集中在望虞闸等西北部，埋深较浅的站点主要出现在锦溪等东南部地区(图 2b).说明在降水等气象条件及地质条件相对均一的平原水网区，地形条件是造成浅层地下水平均水位和埋深空间差异的主要因素之一.

2.2 浅层地下水埋深动态特征

近11 a浅层地下水埋深累计减小0.15 m，波动性较大(图 3). 2005—2010年变化过程较为平稳，略有下降；2011年埋深迅速升至最大值(1.81 m)，其后稳步减小.根据降水年内分布划分出丰水期(5—10月)和枯水期(11—次年4月).丰水期浅层地下水埋深呈下降趋势，枯水期略有上升. 2005—2010年期间，丰、枯水期埋深均较为稳定，2010年迅速增加，其后呈下降趋势.年际和丰枯水期浅层地下水埋深与对应时段降水量相关系数分别为-0.50、-0.66和-0.75(P分别小于0.1、0.01和0.01).即，浅层地下水受降水量的强烈影响，尤其是枯水期.

各站点浅层地下水变化过程以下降趋势为主，尤其是东部和北部(图 2b).根据变化过程可划分为4种类型.其中，上升—下降型主要分布于西部、北部和东南部地区；下降—上升—下降型，分布于中北部地区；持续下降和下降—上升较少，空间分布较为分散.各月份中，仅1、2和9月出现微弱上升.浅层地下水埋深年内分布呈“W”型(图 4a)，月均浅层地下水埋深与降水量的相关系数为-0.85(P < 0.01).空间上，大部分站点与区域特征一致.埋深最小值均出现在7月，最大值多出现在1月(图 4b).

2.3 浅层地下水埋深动态特征的影响因素 2.3.1 降水因素

2005—2014年降水量介于911~1349 mm之间，主要集中在丰水期，约占全年的53.18 % ~80.46 % (表 1).从日尺度不同等级降水的总量和发生次数看，50 mm以上暴雨累计发生18次，均出现在丰水期；10 mm以上降水共计355次，60 %出现在丰水期，对年降水量的贡献率介于56.54 % ~83.14 %之间；除个别年份外，枯水期无雨日多在100 d以上，显著大于丰水期.

降水是浅层地下水重要的补给来源，其季节和年际分配不均，导致旱涝交替现象时有发生，并对浅层地下水埋深变化过程有着重要的驱动作用.枯水期偶有强降水发生，并造成浅层地下水埋深的快速减小；枯水期极旱年份，浅层地下水失去重要补给源，埋深较大.

月尺度浅层地下水埋深与降水量关系显著.当降水量较前一月增加时，69.31 %的月份浅层地下水埋深有所减小；当降水量较前一月减少时，84.21 %的月份浅层地下水埋深有所加大.枯水期浅层地下水埋深变化特征与不同量级降水总量和次数呈显著相关.其中，与20 mm以上级别降水总量和次数的相关系数分别为-0.78和-0.77，与10 mm以上级别降水总量和次数相关系数分别达-0.96和-0.94，与无雨日数的相关系数为-0.87(P < 0.01)；丰水期水循环过程更为复杂，浅层地下水埋深与降水量级关系不显著.

浅层地下水埋深相对于区域大气降水过程具有一定的滞后性，且存在区域差异.因此，采用互相关分析方法揭示近10 a太湖平原水网区各监测井日尺度浅层地下水埋深对降水的平均响应程度和时间，鉴别浅层地下水埋深变化是否受到其他因素的影响(图 5).首先，瓜泾口等东部和南部浅层地下水埋深变化对降水十分敏感，上升和回落过程较快，互相关系数峰值均在0.3以上(P < 0.05)，滞后时间均为1 d左右；其次，北部和西北部的珍门、碧溪和望亭等站点退水过程缓慢，滞后时间多在2 d及以上.

2.3.2 地表水和蒸发因素

从月尺度看，年、汛期和非汛期浅层地下水埋深与河道水位的相关系数分别为-0.49、-0.56和-0.44(P < 0.01).采用偏相关法剔除降水影响，探究河道水位与浅层地下水埋深的关系, 结果发现，年、汛期和非汛期偏相关系数分别为-0.21、-0.32和-0.36，仅非汛期时P < 0.05，说明非汛期河道水对浅层地下水影响程度较大.采用相同方法还发现，蒸发因素对浅层地下水的影响较小.

2.3.3 其他因素

除以上因素外，浅层地下水埋深还受到人类活动的强烈干扰.太湖流域为中国经济最为发达的区域，水体污染严重.因此，常在枯水期开展如“引江济太”等引水工程改善水质.据统计，2006—2015年长江沿岸闸坝年均引水量达2.58×10⁹ m³(表 2).其中，望虞闸引水量最大，累计达1.92×10¹⁰ m³.引水工程使得河道水位抬升增加，河水与浅层地下水补给关系发生变化，尤其是枯水期.

同时，强烈的人类活动造成该区域下垫面特征剧烈变化.首先，快速城镇化进程导致区域不透水面积增加，水田面积大幅减少.通过对太湖腹部武澄锡虞和阳澄淀泖水利片区土地利用类型解译发现，水田面积所占比例由1991年的74.28 %下降到2009年的41.54 %，城镇用地则由10 %左右上升到40 %以上.不透水面积的大幅扩张，改变了区域水文过程，影响了降水对浅层地下水的短历时补给过程.其次，该区域地势低平排水不畅，又是太湖流域主要的排洪通道.为应对洪涝问题，相关部门对区域河湖水系进行了重新规划与调整，导致区域水系数量、结构和连通程度均发生了剧烈变化.主要表现为水系数量减少，尤其是低等级河道.此外，修建了众多的闸坝泵站工程.据统计，1970s以来，太湖腹部地区共修建了大小闸坝枢纽约2488个，其中2000s修建个数多达1484个.因此，研究区河网结构和水力连通程度具有较大变化.河道水位在很大程度上受人为控制，与自然河流差别较大，改变了河水与浅层地下水的相互补给关系.

2.4 浅层地下水特征类型分析

由前文可知，造成研究区浅层地下水动态特征差异的因素主要包括地形地貌、土地利用类型、河湖密度以及浅层地下水埋深状况等.因此，选取以上因素，通过空间等权重叠加，分析浅层地下水动态特征类型(图 6).

根据下垫面特征，苏州市浅层地下水特征包括耕地区、水网密布区、高度城镇化区和低山林区4种类型(图 6).首先，长江沿岸地区耕地面积比重大，浅层地下水埋深较大；其次，苏州市的阳澄湖、澄湖、淀山湖周边地区及西南部太湖沿岸区，湖荡众多，水面率极高，浅层地下水动态特征受到地表水的影响相对较大；第三，高度城镇化区主要位于苏州—昆山一线以及张家港、常熟城区，不透水面比例较高，并造成下覆土层发生变化，导致降水对浅层地下水的补给作用发生变化；最后，苏州市西部太湖沿岸以及常熟虞山地区为仅有的地势较高、坡度较大的区域，下垫面以林地为主，浅层地下水分布相对较少.

通过对苏州市浅层地下水埋深变异系数与平均埋深关系分析发现(图 7)：首先，锦溪、巴城、金家坝等水网密布区站点浅层地下水与地表水关系密切，其埋深变化过程相对平缓，且对降水的响应更加显著(图 5)；反之，碧溪、浏河闸等北部高埋深耕地区变异系数更大；张家港和望虞闸2站浅层地下水埋深最大，由于受到高度城镇化的影响，浅层地下水对蒸发的补给作用和对降水的响应关系相对较弱，浅层地下水埋深较大，但变异系数较小.

3 结论

基于太湖腹部典型地区苏州市的14个浅层地下水观测井2005—2015年日尺度埋深实测数据，从空间分布及不同时间尺度的动态特征进行分析；并结合研究区2005—2014年的降水、河流水位及蒸发量日尺度实测资料，利用相关及偏相关分析等方法，探讨了浅层地下水埋深动态的影响因素.主要结论如下：

1) 空间上，受海拔高程影响，2005—2015年浅层地下水埋深与水位的空间对应关系较好，呈现由北往南、自西向东的流向.埋深较大的区域主要集中在西部和北部地区，埋深较浅的区域为东南部区域；时间上，年际和丰水期浅层地下水埋深略有下降，枯水期反之，区域变化过程并不一致.其中，1、2和9月浅层地下水埋深有微弱上升；年内分布呈“W”型分布，区域差异较大.

2) 枯水期浅层地下水过程与不同量级降水总量和次数均显著相关，丰水期不显著.浅层地下水埋深对降水具有滞后性，多在1~2 d；浅层地下水埋深动态过程主要受降水量影响，非汛期还受到地表水的影响.此外，区域引排水和下垫面变化也是重要影响因素.

3) 通过对地形地貌条件、土地利用类型、河湖密度以及浅层地下水埋深状况等因素的等权重叠加发现，苏州市浅层地下水动态特征主要有耕地区、水网密布区、高度城镇化区和低山林区4种类型特征，且埋深差异显著.其中，水网密布区浅层地下水埋深变异系数较小，对降水的响应更显著；耕地区由于浅层地下水埋深较大，与水网密布区反之；高度城镇化区浅层地下水埋深较大，但变化过程相对平缓.