地下水循環(huán)演化模式及研究方法綜述

夏雨波，謝海瀾 ，王冰 ，胡云壯 ，王小丹 ，白耀楠 ，張金起

（1.中國地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津 300170；2.天津地?zé)峥辈殚_發(fā)設(shè)計院，天津 300250）

1 引言

我國水資源時空分布不均，限制了水資源的開發(fā)利用程度；另一方面，我國環(huán)境問題日益突出，地表水和地下水資源開發(fā)不當(dāng)及惡意污染，使得可開發(fā)的水資源量呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢。

水循環(huán)是指一個流域或區(qū)域水文單元的大氣降水、地表水、包氣帶水和地下水系統(tǒng)之間水分轉(zhuǎn)移與能量交換的水動力學(xué)意義上的往復(fù)過程[1]。它包含了水文地質(zhì)實體內(nèi)水動力場和水化學(xué)場的基本特點。對水動力場及水化學(xué)場進行研究，能夠獲得地下水水資源量及水資源質(zhì)量的信息；在此基礎(chǔ)上，進一步研究地下水的演化特征，可以計算出地下水水資源量的時空分布特點。研究地下水循環(huán)演化特征，能夠為建立及開發(fā)水源地提供技術(shù)手段和理論支持，對地下水資源的調(diào)蓄及合理開發(fā)具有現(xiàn)實意義，并能為保持水質(zhì)安全作出貢獻。

2 研究進展

地下水流場與水化學(xué)場動態(tài)分布與變化規(guī)律，是研究區(qū)域地下水形成與演化的主要內(nèi)容。開展地下水形成演化研究，揭示地下水循環(huán)規(guī)律，查明地下水化學(xué)形成機理，對于促進資源與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展、實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)都具有重要意義。研究地下水循環(huán)演化的關(guān)鍵是充分掌握研究體系的地質(zhì)、水文地質(zhì)、氣候氣象條件和地下水的常觀資料。水循環(huán)中自然因素是主支，人為因素為側(cè)支，由此形成的水循環(huán)為二元水循環(huán)。

2.1 地下水循環(huán)演化模式

地形、地質(zhì)和地貌條件決定了地下水的補、徑、排關(guān)系，是水循環(huán)模式分類的依據(jù)。本文基于不同含水層介質(zhì)及地形、地貌單元及人為因素，將地下水循環(huán)模式分為：平原區(qū)、裂隙及巖溶含水層區(qū)、山區(qū)、濱海區(qū)和礦區(qū)等5個不同的單元。

2.1.1 平原區(qū)地下水循環(huán)演化模式

平原區(qū)是人類活動最為密集的地區(qū)，河流縱橫，地面坡度較緩，受地表徑流的影響強烈[2,3]，水循環(huán)特征多為徑流排泄型[4]。平原區(qū)地下水含水層結(jié)構(gòu)完整，側(cè)向徑流補給發(fā)育，水資源比較豐富。人為開采地下水會在很大程度上改變其循環(huán)演化規(guī)律和賦存條件，減少水資源的可開采量。我國現(xiàn)已出現(xiàn)了多個地下水降落漏斗，尤其是在城市體或城市群附近，人為開采及回灌是不可忽略的排泄、補給方式[5]。平原區(qū)最主要的補給來源為大氣降水，區(qū)域角度上，降水入滲能夠很好的反映出該地區(qū)的水循環(huán)特征[6]。揭示降水與地下水補給的關(guān)系，可以更好的評價地下水資源量、合理開發(fā)利用資源作出貢獻[7-8]。對含水層巖性及滲透性的研究，也是平原區(qū)地下水循環(huán)演化模型的基礎(chǔ)研究資料。

對地貌、地質(zhì)、水文地質(zhì)的水循環(huán)演化研究，多使用地下水均衡的方法進行評價，該方法通常能達到比較好的效果[9,10]，但對于較為復(fù)雜的水文地質(zhì)單元，則需要更詳盡的資料進行分析[11]，簡單的采用水文地質(zhì)調(diào)查及水均衡的方法是不夠的。而采用地下水系統(tǒng)理論宏觀研究地下水含水系統(tǒng)不失為一種理想的方法[12]，受多種構(gòu)造體系復(fù)合交匯控制的條件復(fù)雜水文地質(zhì)單元，可以將其分解為若干個具有一定獨立性、而又互有聯(lián)系、互相影響的不同等級的亞系統(tǒng)或次亞系統(tǒng)組成，每個地下水系統(tǒng)都具有各自的特征與演變規(guī)律,包括含水層系統(tǒng)、水文系統(tǒng)、水動力系統(tǒng)、水化學(xué)系統(tǒng)等，以此作為基礎(chǔ)進行研究。巖相古地理分析和區(qū)域性大斷裂控水分析是基于水文地質(zhì)條件的以區(qū)域構(gòu)造作為水文地質(zhì)單元邊界條件的研究方法，在存在構(gòu)造的水文地質(zhì)單元可以更好的分析地下水循環(huán)系統(tǒng)。

2.1.2 裂隙及巖溶含水層區(qū)地下水循環(huán)演化模式

在淺層甚至深層地下水過量開采的地區(qū)，裂隙水及巖溶水成為其次開采的水源，巖溶水以其水量大、水質(zhì)好等特點，越來越為人們所重視。由于其開采程度輕，且開發(fā)利用前景好，很多地區(qū)已經(jīng)開展了巖溶區(qū)地下水循環(huán)演化規(guī)律的研究[13,14]。巖溶區(qū)的分帶主要有上層溶隙水循環(huán)帶、溶隙潛水循環(huán)帶和深層溶隙水滲透帶[15]，結(jié)合地層埋藏條件可以將巖溶水循環(huán)模式分為“單斜順置型”、“單斜逆置型”、“走向型”、“向斜-盆地型”和“斷塊及其他型”5種模式[16]。其中溶隙潛水循環(huán)帶是主要的水資源儲水帶，深層溶隙水滲透帶是深層地下水或承壓水的補給系統(tǒng)。不同的演化模式代表了不同的富水特性，其發(fā)育條件通常是沿著構(gòu)造帶的發(fā)育方向展布的，或僅發(fā)生在風(fēng)化帶上。

裂隙巖溶區(qū)由于含水層結(jié)構(gòu)為非均質(zhì)、各向異性的，因此研究其地下水循環(huán)演化特征具有很強的實用意義，尤其是裂隙、巖溶水對開發(fā)比較早的地區(qū)和污染區(qū)更加重要[17]。裂隙、巖溶水的循環(huán)演化模式的研究對特定地區(qū)的水資源評價及環(huán)境地質(zhì)問題的群測群防起到了指導(dǎo)性作用。

2.1.3 山區(qū)地下水循環(huán)演化模式

山區(qū)地質(zhì)、地貌條件通常比較復(fù)雜，其富水性與所處的山區(qū)區(qū)域地質(zhì)條件有關(guān)，通常存在著串珠式、隱伏串珠式、隆起、間歇式、連續(xù)式和山間谷地式等多種蓄水構(gòu)造模式，并易存在著多次循環(huán)[18]。山區(qū)受地質(zhì)構(gòu)造作用的影響，形成多種構(gòu)造類型，如褶皺、斷裂等等，山前易發(fā)育成泉。山區(qū)水文地質(zhì)的復(fù)雜性不僅僅在于其地質(zhì)條件的復(fù)雜，更主要的在于其水力聯(lián)系的復(fù)雜性。斷裂帶的存在，通常起到富水或隔水的作用，補徑排關(guān)系的復(fù)雜性，造就了山區(qū)地下水水循環(huán)的特點。

2.1.4 濱海區(qū)地下水循環(huán)演化模式

濱海區(qū)地下水環(huán)境系統(tǒng)受海水和地下水共同影響，地下水演化是容淡水環(huán)境、海水潮汐環(huán)境、咸淡水混合環(huán)境為一體的復(fù)雜系統(tǒng)[19]。其地下水循環(huán)演化方式或可套用平原區(qū)或山區(qū)的特征，這與上游水文地質(zhì)條件相關(guān)，但其排泄條件卻比較特殊。濱海區(qū)地下水與海水之間的循環(huán)，通常存在兩種模式：突變界面模式和過渡帶模式。淡水與海水是可混溶的，它們之間存在一個咸淡水過渡帶，且多數(shù)情況下過渡帶的寬度不能忽略[20]。人類活動的日益頻繁，對淡水資源的需求量急劇上漲，地下水資源被大量開發(fā)。沿海地區(qū)發(fā)生了一系列地質(zhì)災(zāi)害和環(huán)境問題，如海水入侵、地面沉降等等。海岸帶地下水環(huán)境尤其是海水入侵問題的研究，已經(jīng)成為研究濱海地區(qū)地下水循環(huán)演化的一個重點。

2.1.5 礦區(qū)地下水循環(huán)演化模式

礦區(qū)地下水循環(huán)受到人為因素的影響更大，開采改變了地表水與地下水的轉(zhuǎn)化關(guān)系，并加速了降雨和地表水的入滲速度，減少了蒸發(fā)的消耗量[21]。礦區(qū)地下水循環(huán)演化主要涉及的問題是地下水疏干。地下礦產(chǎn)資源的開發(fā)時，為了保證地下開采的正常進行，不發(fā)生礦坑涌水事故，就需要人為的切斷含水層，疏干礦區(qū)地下水。礦區(qū)水循環(huán)演化主要涉及的研究內(nèi)容是礦坑涌水量的計算，用以確定地下水循環(huán)的排泄方式和排泄量[22]。礦區(qū)的開采容易造成地下水的污染[21]。

2.2 地下水循環(huán)和演化研究方法

2.2.1 同位素示蹤技術(shù)

對于較為復(fù)雜的或需要精細刻畫的水文地質(zhì)單元，環(huán)境同位素通常能達到比較好的效果，其應(yīng)用的實例也比較多[23]。通過對研究區(qū)或特定水文地質(zhì)單元內(nèi)環(huán)境同位素的研究，能夠獲取地下水徑流排泄、補徑排的水資源量，對特定的環(huán)境同位素濃度梯度的研究，能夠進一步分析出地下水不同的水循環(huán)模式[24]，對于基巖裂隙水的水循環(huán)演化研究亦能得到比較好的效果[25]，對于隱伏巖溶水系統(tǒng)的環(huán)境同位素研究，能夠確定大氣降水、地表水、地下水三水轉(zhuǎn)化關(guān)系，并對定量評價巖溶地區(qū)地下水的可更新能力提供有效的數(shù)據(jù)[26]。

研究中采用的同位素多為氫氧同位素[25,28]，氦同位素[27]等。其中氫氧同位素直接來源于大氣降水，因而研究氫氧同位素的濃度，對降水補給具有廣泛的意義，并對地下水演化研究起到了重要的作用；氦同位素來源于空氣、含水巖石釋放和地幔，在飽和空氣的水中溶解的大氣3He/4He是一個常數(shù)，地下水中氦的濃度主要受大氣降水的溫度、匯水流域的平均空氣壓力、含水巖石中鈾和釷的濃度、含水巖石的孔隙度和密度、脫氣率和構(gòu)造因素有關(guān)，而氦同位素受溫度和鹽度影響較小，因此氦同位素特征的研究可以了解有關(guān)地下水的來源、水-巖反應(yīng)，運移速率和混合作用等重要信息。

2.2.2 水文地球化學(xué)演化及水化學(xué)動力學(xué)

水文地球化學(xué)資料同樣能揭示地下水水循環(huán)演化規(guī)律，作為劃分地下水系統(tǒng)的依據(jù)[29]。在研究的過程中，介質(zhì)場、水動力場和水文地球化學(xué)場之間能夠相互驗證，獲取較為準確的地下水循環(huán)演化特征[30]。經(jīng)過前人的研究，地下水化學(xué)場可以用來研究水動力的特征，在大尺度水文地質(zhì)單元上能夠取得很好的效果，以此形成了地下水化學(xué)動力學(xué)的概念[31]，地下水化學(xué)組分的變化不但反映出巖石礦物學(xué)上的變化，也反映出了水文地質(zhì)條件的定量變化，耦合達西定律的表達式，進而根據(jù)水化學(xué)資料確定水文地質(zhì)參數(shù)，計算地下水年齡，由此對含水層的富水性進行預(yù)測。從另一個角度來看，水文地球化學(xué)規(guī)律的研究，還能顯示出水質(zhì)的循環(huán)變化。

總之，采用環(huán)境同位素作為研究手段研究水循環(huán)演化規(guī)律的水文地質(zhì)單元時，水文地球化學(xué)可以的進一步揭示其變化規(guī)律，并起到驗證和深入研究的目的[25,32]。同時，地下水循環(huán)演化的研究，結(jié)合多種手段，可以達到更為深入的結(jié)果，如氣候變遷[33]、自然環(huán)境[34]演化等。較為詳盡的信息能夠更好的研究出地下水循環(huán)演化的機理，并從多源的角度對其進行驗證。

2.2.3 地下水循環(huán)演化模型模擬

現(xiàn)行采用的研究水循環(huán)演化的手段，已經(jīng)盡可能的從多方位、多角度的、定量地評價出地下水的水資源量，以此揭示出地下水循環(huán)演化特性。詳細地刻畫出地下水資源量及變化情況，不但需要搜集并調(diào)查出詳盡的水文地質(zhì)參數(shù)及水資源量參數(shù)，還需要一個符合當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)條件的數(shù)學(xué)模型或計算機模型進行計算。

地下水循環(huán)演化研究中對于環(huán)境同位素的研究，通常采用同位素混合模型，可以確定不同地下水來源的混合比例，進而確定特定地區(qū)的補給比例，揭示地下水循環(huán)及演化規(guī)律[35,36]。該模型比較簡單，僅將野外獲取的數(shù)據(jù)進行簡單的處理，就能獲取相應(yīng)的結(jié)果，因而要較為詳盡的刻畫地下水的循環(huán)演化規(guī)律，需要大量的野外同位素實驗數(shù)據(jù)來獲取某一水文地質(zhì)單元特定位置的補徑排關(guān)系。

針對于地下水循環(huán)演化模型刻畫的問題，前人做了大量的工作，建立了一些較為詳細的數(shù)學(xué)模型，如：適用于分布式水循環(huán)的SWAT模型[37]、WEP模型[38]、WAVES 模型[39]，DTVGM 模型[40]，適用于灌區(qū)的LWCMPS_ID模型[41]，適用于環(huán)境同位素的模型等等[42,43]。

SWAT模型[44]（Soil and Water Assessment Tool，土壤與水評價工具）應(yīng)用比較廣泛，它是基于自然規(guī)律設(shè)計的模型，用于處理地形、地貌和土壤方面的資料，采用分布式參數(shù)水文/水質(zhì)模型用于缺少驗證資料和受到限制的流域當(dāng)中。其主要包括地表水、地下水、氣象和植被四個模塊。SWAT模型計算時將流域分為更小的子流域，并且需要這些子流域的模型輸入數(shù)據(jù)。SWAT模型應(yīng)用比較廣泛，所能夠模擬的范圍比較廣泛，但模型的部分參數(shù)的確定及其對地下水流與溶質(zhì)運移的模擬需要進一步研究與改善。

WEP模型[45]的水循環(huán)過程包括蒸發(fā)蒸騰、入滲與徑流、地下水運動、地下水流出和地下水溢出、坡面匯流與河道匯流、人工側(cè)支循環(huán)等要素過程，該模型可用于預(yù)測未來環(huán)境變化條件下流域水資源演變。

前人從不同的角度建立了各類地下水循環(huán)演化模型，用于研究地下水的形成演化特征，取得了一定的成果，但國內(nèi)的模型軟件相對較少，且應(yīng)用實例也比較匱乏，前人在國外軟件的基礎(chǔ)上進行了一定改造，應(yīng)用于我國的研究場地，取得了較好的成果[46-47]。在模型刻畫更為精細，并為建立符合我國水文地質(zhì)條件的地下水循環(huán)演化模型提供了借鑒資料。

3 結(jié)論

針對于地下水循環(huán)演化的研究，國內(nèi)已經(jīng)進行了大量的研究。多側(cè)重于地下水水循環(huán)的基礎(chǔ)研究，采用了多種的方法手段，研究不同水文地質(zhì)單元內(nèi)的地下水循環(huán)演化特征，其中包括基礎(chǔ)地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、同位素及水化學(xué)條件的變化等。基于國外的模型，我國對部分模型進行了改進，使得水循環(huán)演化模型的刻畫更符合我國的國情?，F(xiàn)行地下水循環(huán)演化的研究，已經(jīng)不僅僅側(cè)重于循環(huán)模式的研究，而是監(jiān)測技術(shù)的更新、循環(huán)演化模式的刻畫和模型的模擬，在這些方面有待于更多應(yīng)用實例的驗證。

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