地下水與地表水相互作用的識(shí)別和量化方法研究

鄭潔瓊 (北京礦冶研究總院，北京100160)

在自然界中，地下水與地表水是一個(gè)不可分割的整體，其中任何一方的開(kāi)發(fā)和污染都將會(huì)給另一方造成不可忽視的影響［1］。例如，地下水的過(guò)度開(kāi)采可能造成地表徑流的衰減甚至干涸，地下水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的排泄會(huì)導(dǎo)致地表水體富營(yíng)養(yǎng)化，海水入侵引起地下水源鹽度升高。如果水資源的管理政策中不考慮地下水與地表水的相互作用，水資源匱乏、水質(zhì)惡化和生態(tài)環(huán)境破壞等一系列水問(wèn)題將得不到有效的解決［2］。對(duì)此，聯(lián)合國(guó)教科文組織(UNESCO)、國(guó)際水文科學(xué)協(xié)會(huì)(IAHS)和國(guó)際水文地質(zhì)學(xué)家協(xié)會(huì)(IAH)等組織和機(jī)構(gòu)，都把地下水與地表水的相互作用作為目前研究的重要熱點(diǎn)和前沿課題［3］，以期為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)水資源，合理規(guī)劃管理水資源，有效保護(hù)水資源和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)提供技術(shù)支撐。

關(guān)于地下水與地表水的相互作用研究，早在1877年，Boussinesq就對(duì)河流與連續(xù)沖擊含水層作用的規(guī)律進(jìn)行探討。而直到19世紀(jì)60年代，人們對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)化、酸雨以及生態(tài)系統(tǒng)功能退化等問(wèn)題的關(guān)注，才引發(fā)了地下水與湖水、河水、濕地以及海水等地表水相互作用的大量研究［4］。至今，有關(guān)兩水相互作用的研究對(duì)象幾乎涵蓋了沖積平原、基巖山區(qū)、喀斯特巖溶區(qū)以及濱海地區(qū)等所有的地下水和地表水，研究?jī)?nèi)容涉及了地下水與地表水的聯(lián)合調(diào)度規(guī)劃［5］、地下水與地表水的綜合污染防治［6］以及水生生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境健康［7］等多個(gè)方面。但是，如何準(zhǔn)確識(shí)別和量化地下水與地表水的相互作用一直是一個(gè)非常復(fù)雜和困難的問(wèn)題，它對(duì)分析流域水循環(huán)機(jī)制、準(zhǔn)確評(píng)價(jià)水資源量和控制流域水污染具有重要的意義。筆者對(duì)地下水與地表水相互作用的識(shí)別和量化方法進(jìn)行總結(jié)歸納，將目前國(guó)內(nèi)外研究中所用到的方法分為直接測(cè)量法、調(diào)查分析法、模擬計(jì)算法和環(huán)境示蹤法，并指出了其未來(lái)發(fā)展的方向。

1 直接測(cè)量法

地下水與地表水水量和溶質(zhì)交換量的直接測(cè)量工具是滲透儀。滲透儀最早由Israelsen和Reeve于1944年設(shè)計(jì)用于測(cè)量灌溉渠中地表水的滲透損失量。之后，Lee［8］用一個(gè)208 L的鐵筒接一個(gè)塑料收集袋子制成了最為經(jīng)典的滲透儀，即將一個(gè)開(kāi)口的圓筒倒扣在河床沉積物中，用袋子收集地下進(jìn)入沉積物的水，或者在袋子中裝入已知體積的水測(cè)量地表?yè)p失的水?；诖?，為了避免收集袋子受水流壓迫影響，研究者們將收集的袋子改為排水管，并安裝熱脈沖裝置、超聲波裝置或者電磁表等設(shè)計(jì)出不同類型的自動(dòng)滲透儀來(lái)記錄水流速度［9-11］。目前，滲透儀這種直接測(cè)量法已被廣泛應(yīng)用于湖、河、水庫(kù)、海洋以及河流與地下水的定量研究中［12-13］。盡管這種用來(lái)直接量化地下水和地表水交換水量的滲透儀原理簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，但是其操作非常麻煩。一般來(lái)說(shuō)，為了獲得有代表性的平均滲透通量，往往需要進(jìn)行多個(gè)點(diǎn)的測(cè)量，比較耗時(shí)費(fèi)力，且在測(cè)量時(shí)間段內(nèi)滲透通量的變化過(guò)程也無(wú)法掌握。特別是通過(guò)滲透儀測(cè)量的滲透通量可能不完全是地下水排泄造成的，還可能包括河流沉積物中排泄的水等［14］。因此，滲透儀的測(cè)試結(jié)果可能存在一定的誤差。

2 調(diào)查分析法

調(diào)查分析包括長(zhǎng)期的流量資料調(diào)查分析(即流量過(guò)程線分析)和某一均衡期的河流水均衡項(xiàng)調(diào)查計(jì)算。

2.1 流量過(guò)程線分析 河流的流量過(guò)程曲線是指河流流量隨時(shí)間變化的曲線，該流量包括河流的降水徑流量和基流量(一般是指地下水補(bǔ)給量)兩個(gè)部分。在地下水與地表水相互作用的研究中，研究者通過(guò)圖解法、滑動(dòng)最小值法、HYSPEP和數(shù)字濾波法等方法將流量過(guò)程曲線中的基流量分割出來(lái)，它屬于基流分割法的一種［15］。例如，林學(xué)鈺等［16］通過(guò)流量過(guò)程線分析方法查明了黃河流域地下水對(duì)黃河的貢獻(xiàn)。伍立群等［17］將基流分割法應(yīng)用于云南地下水資源量的評(píng)價(jià)，提高了山丘區(qū)地下水資源評(píng)價(jià)的精度。但是，由于流量過(guò)程線分析的方法將壤中流和河岸儲(chǔ)量都?xì)w為地下水對(duì)地表水的基流量［18］，而且要求長(zhǎng)序列的河流流量數(shù)據(jù)，因此它在計(jì)算地下水對(duì)地表水的補(bǔ)給量中應(yīng)用較少。

2.2 水均衡計(jì)算 水均衡法是研究地下水與地表水相互作用較為簡(jiǎn)單的方法。若以地表水或地下水為研究主體，將一條河流分成若干段或盡量選取一個(gè)具有隔水邊界的完整水文地質(zhì)單元，查明該地區(qū)某一時(shí)間段內(nèi)進(jìn)入和流出的均衡項(xiàng)，即可計(jì)算出地下水與地表水的水量交換量。其中，涉及河流流量測(cè)量的方法有水位-流量法、體積法、速度-面積法、坡度-面積法、稀釋法、三角堰法等［19］。如肖長(zhǎng)來(lái)等［20］以地下水為研究主體，用水均衡法研究了洮兒河扇形地地下水與地表水資源的轉(zhuǎn)化規(guī)律。水均衡法雖然在確定地下水與地表水大致的補(bǔ)排關(guān)系，粗略估算兩水交互量的研究中快速方便，但因?yàn)槠涓骶忭?xiàng)存在多方面的不確定性，且容易忽略短期內(nèi)地下水與地表水交互量的微小變化，會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不可信。

3 模擬計(jì)算法

模擬計(jì)算法是基于達(dá)西定律的一種常用量化方法，它是將兩水之間的界面看作地下透水層的一部分，通過(guò)野外勘察獲得地下水和地表水的水位、河床沉積物的滲透系數(shù)，用達(dá)西定律計(jì)算確定地下水排泄到地表水或地表水補(bǔ)給地下水的水量。Rushton等［21］曾對(duì)地下水與地表水之間交互帶的達(dá)西定律水量計(jì)算提出改進(jìn)的線性、非線性和綜合模型，認(rèn)為地下水與地表水水位差較大時(shí)，達(dá)西線性模型的計(jì)算結(jié)果偏大，地下水與地表水的交換量應(yīng)該與水頭差之間存在線性和非線性關(guān)系。但是，由于難以獲取參數(shù)，該結(jié)論并沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用。

迄今為止，基于達(dá)西定律的地下水與地表水耦合模型一直是地下水與地表水相互作用的重要研究方向。胡立堂等［22］將現(xiàn)有的水流耦合模型分為嵌入地表水模塊的地下水模型、嵌入地下水模塊的地表水模型和地下水與地表水模塊兼容模型3種類型。嵌入地表水模塊的地下水模型和嵌入地下水模塊的地表水模型是最早用到的耦合模型，這兩類模型不考慮地下水或地表水水位的時(shí)空變化，只是將其簡(jiǎn)單概化為邊界條件或源匯項(xiàng)輸入地下水或地表水模型。如Mcdonal和Harbaugh按照簡(jiǎn)單的達(dá)西公式將地表水模塊(Stream模塊)添加到美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局開(kāi)發(fā)的MOFLOW地下水模擬軟件中。席丹等［23］利用SWAT模型的水文響應(yīng)單元(HRU)和MODFLOW模型的有限差分網(wǎng)格(CELL)，構(gòu)建地下水與地表水模型的交互面，將SWAT模型計(jì)算的地下水補(bǔ)給量和潛水蒸發(fā)量分別輸入MODFLOW模型的地下水補(bǔ)給(RCH)模塊和潛水蒸發(fā)(EVT)模塊中，并應(yīng)用于西安市黑河流域的地下水模擬計(jì)算，取得了很好的效果。地下水與地表水模塊兼容模型是通過(guò)交換通量將成熟的地下水方程與地表水方程聯(lián)系起來(lái)，考慮水頭隨時(shí)間的變化，它較嵌入型模型更能真實(shí)地反映實(shí)際情況，如 MODBRANCH、MIKESHE、SWATMOD 和 MODHMS、HydroGeoSphere和 GSFOW 等耦合模擬軟件中的模型［24］。龍玉橋［25］應(yīng)用HydroGeoShpere軟件，將二維圣維南方程組和三維Richard方程通過(guò)交互帶水量交換量耦合模擬計(jì)算了遼寧白石水庫(kù)的最小下泄量。

基于達(dá)西定律的方法對(duì)于認(rèn)識(shí)地下水系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常重要，它是理解地下水與地表水相互作用機(jī)制，確定兩水交互量的有效手段。但是，資料短缺情況下的模擬和地下水系統(tǒng)的空間非均質(zhì)性處理是該方法需要解決的難點(diǎn)。

4 環(huán)境示蹤法

天然水的化學(xué)成分在一定程度上記載著水體形成和運(yùn)移歷史的信息。在地下水與地表水的相互作用中，兩水獨(dú)具特色的溶解組分在彼此的水力聯(lián)系下發(fā)生了特征性的變化，同時(shí)也留下了相互作用的印記。因此，將地下水與地表水中有明顯差異的物質(zhì)作為環(huán)境示蹤劑來(lái)追蹤水流運(yùn)動(dòng)，是識(shí)別和量化兩水相互作用非常有效的手段之一。目前，研究中用到的示蹤劑包括水環(huán)境參數(shù)、常見(jiàn)溶解性組分、同位素及其他物質(zhì)。

4.1 水環(huán)境參數(shù) 研究發(fā)現(xiàn)，地下水與地表水差異明顯的水環(huán)境參數(shù)包括pH、溶解氧、氧化還原電位、電導(dǎo)率、堿度和溫度等。如Edet等［26］通過(guò)尼日利亞?wèn)|南部Calabar地區(qū)連續(xù)12個(gè)月的地下水與河水溫度、EC、pH、Eh和DO的測(cè)定，發(fā)現(xiàn)該區(qū)地下水和河水的溫度、EC、Eh和DO都存在顯著性差異，其中地下水中只有DO受季節(jié)和潮汐的顯著性影響，而河水中除了DO受季節(jié)和潮汐的共同影響外，溫度和Eh值還會(huì)隨季節(jié)的變化而明顯變化。宋獻(xiàn)方等［27］利用地下水和地表水電導(dǎo)率的差別，根據(jù)流域內(nèi)不同水體的電導(dǎo)率空間分布趨勢(shì)推斷了兩水的補(bǔ)排關(guān)系。Rodgers等［28］將堿度與二氧化硅作為天然示蹤劑，識(shí)別了蘇格蘭Cairngorms地區(qū)Feshie河地下水與地表水的水力聯(lián)系。值得說(shuō)明的是，從20世紀(jì)80年代，溫度示蹤劑開(kāi)始被逐漸引入不同類型的水生環(huán)境研究，直到最近，地表水和沉積物溫度的監(jiān)測(cè)才成為識(shí)別和量化地下水與地表水水力聯(lián)系的有效手段［29-30］。用耦合熱傳導(dǎo)對(duì)流方程來(lái)計(jì)算地下水與地表水之間水流速度在國(guó)外已被廣泛應(yīng)用［31］。

4.2 常見(jiàn)溶解性組分 用來(lái)示蹤地下水與地表水相互作用的常見(jiàn)溶解性組分包括主要離子和可溶性SiO2等。郎赟超［32］通過(guò)比較貴陽(yáng)不同季節(jié)地下水與地表水中K+、Na+、和 TDS的變化，發(fā)現(xiàn)地下水對(duì)地表水的水化學(xué)組成具有明顯的響應(yīng)關(guān)系，說(shuō)明喀斯特地區(qū)地下水與地表水之間的水化學(xué)聯(lián)系密切，水流交換比較活躍。Moore等［33］使用多元統(tǒng)計(jì)的方法如主成分分析(PCA)、因子分析和聚類分析，對(duì)大量的水化學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，識(shí)別了控制地下水和地表水水化學(xué)成分的主要因子，指出了不同水樣點(diǎn)之間的關(guān)系。在這些主要離子中，Cl-作為保守性離子，可通過(guò)質(zhì)量平衡方程定量評(píng)價(jià)地下水與地表水之間的混合比例［34］。自然界水中的可溶性SiO2是巖石風(fēng)化和水循環(huán)條件的有效指示劑，它可為地下水與地表水的相互作用提供可靠的依據(jù)［35］。由于降水中SiO2的含量較低，一般為1 mg/L以下，而地下水中由于周圍硅酸鹽礦物的水解會(huì)存在大量的可溶性SiO2。因此，在地下水輸入地表水時(shí)，地表水中SiO2含量則會(huì)增加;反之，如果地表水滲入地下水，則地下水中SiO2含量會(huì)減小。Gao等［36］對(duì)地下水中的可溶SiO2做了等值線，通過(guò)靠近地表水的地下水SiO2濃度高低來(lái)判別地下水與地表水之間的補(bǔ)給關(guān)系。

4.3 同位素及其他物質(zhì) 與水環(huán)境參數(shù)和常見(jiàn)溶解性固體一樣，不同水體的同位素組成受不同環(huán)境分餾作用的影響也有所不同。如地表水中2H和18O因強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用有明顯富集，Kumar等［37］利用這兩個(gè)穩(wěn)定同位素辨識(shí)了地下水和地表水的水力聯(lián)系。由于放射性同位素222Rn從巖石或沉積物中釋放出來(lái)隨地下水流遷移排泄于地表時(shí)，因周圍分壓力的迅速減小造成地表水中222Rn濃度低于地下水。袁曉婕等［38］應(yīng)用222Rn評(píng)價(jià)了膠州灣的海底地下水排泄。而鍶不發(fā)生動(dòng)力學(xué)分餾，87Sr/86Sr值只隨著巖石礦物中Rb/Sr值和水巖作用的時(shí)間而發(fā)生變化。Négrel等［39］將穩(wěn)定同位素δD和δ18O值與87Sr/86Sr值相結(jié)合，分析了法國(guó)盧瓦爾河附近不同層位地下水與地表水的復(fù)雜補(bǔ)排關(guān)系。此外，18O/16O、碳和鐳等的同位素以及人工合成化合物SF6和CFC(氟利昂)也有應(yīng)用［40］。

總體來(lái)說(shuō)，流域水體中的水化學(xué)成分來(lái)源多樣，發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)較為復(fù)雜，研究者們不會(huì)使用單獨(dú)一種示蹤劑來(lái)識(shí)別地下水與地表水的相互作用，而往往將各種水文地球化學(xué)成分相互比對(duì)，全面掌握地下水與地表水的水化學(xué)聯(lián)系，并由幾種敏感的環(huán)境示蹤劑相互驗(yàn)證，共同確定兩水的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系，甚至通過(guò)不同補(bǔ)給源的水化學(xué)成分分析，采用端元混合法(EMMA)得到地下水與地表水的混合比例。

5 結(jié)論與展望

近年來(lái)，地下水與地表水相互作用的識(shí)別和量化技術(shù)手段不斷提高，但各方法都有一定的優(yōu)缺點(diǎn)，適用的范圍不同。①直接測(cè)量法原理簡(jiǎn)單、成本低，但操作耗時(shí)費(fèi)力，誤差較大，適用于小尺度范圍(10-2～1 m);②調(diào)查分析法方便、快速，但不確定因素多，難以估算短期變化量，結(jié)果可能不可信，適用于大尺度范圍(10～103m);③模擬計(jì)算法具有可視化、仿真性，但耦合模擬存在難點(diǎn)，需要的數(shù)據(jù)量大，空間非均質(zhì)性難以處理，操作復(fù)雜，適用于大、中、小尺度范圍(10-2～103m);④環(huán)境示蹤法原理簡(jiǎn)單、實(shí)用有效，但精度不高，溫度和同位素示蹤成本高，同位素采樣要求高，干擾因素多，適用于中尺度范圍(1～102m)。其中，溫度示蹤和模擬計(jì)算是目前地下水與地表水相互作用識(shí)別和量化方法應(yīng)用的熱點(diǎn)方向。但是，由于地下水溫度的測(cè)量費(fèi)效比(費(fèi)用/效果)不高，耦合模擬的仿真性在實(shí)際情況下限制較多。因此，還需要不斷改進(jìn)或開(kāi)發(fā)出更為簡(jiǎn)單有效且適用性廣的方法，來(lái)推動(dòng)地下水與地表水相互作用的研究。

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