地下水與地表水相互作用的識別和量化方法研究

摘要結(jié)合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，將地下水與地表水相互作用的識別和量化方法歸納總結(jié)為直接測量法、調(diào)查分析法、模擬計算法和環(huán)境示蹤法4類，并對各類方法的優(yōu)缺點和適用范圍進(jìn)行了比較，最后對其未來發(fā)展趨勢作出了展望。

關(guān)鍵詞地下水與地表水相互作用；滲透儀；流量過程線；耦合模型；環(huán)境示蹤劑

中圖分類號S181.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2015）24-203-03

在自然界中，地下水與地表水是一個不可分割的整體，其中任何一方的開發(fā)和污染都將會給另一方造成不可忽視的影響[1]。例如，地下水的過度開采可能造成地表徑流的衰減甚至干涸，地下水中營養(yǎng)物質(zhì)的排泄會導(dǎo)致地表水體富營養(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題將得不到有效的解決[2]。對此，聯(lián)合國教科文組織（UNESCO）、國際水文科學(xué)協(xié)會（IAHS）和國際水文地質(zhì)學(xué)家協(xié)會（IAH）等組織和機構(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和前沿課題[3]，以期為準(zhǔn)確評價水資源，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，人們對水體富營養(yǎng)化、酸雨以及生態(tài)系統(tǒng)功能退化等問題的關(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，研究內(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]等多個方面。但是，如何準(zhǔn)確識別和量化地下水與地表水的相互作用一直是一個非常復(fù)雜和困難的問題，它對分析流域水循環(huán)機制、準(zhǔn)確評價水資源量和控制流域水污染具有重要的意義。筆者對地下水與地表水相互作用的識別和量化方法進(jìn)行總結(jié)歸納，將目前國內(nèi)外研究中所用到的方法分為直接測量法、調(diào)查分析法、模擬計算法和環(huán)境示蹤法，并指出了其未來發(fā)展的方向。

1直接測量法

地下水與地表水水量和溶質(zhì)交換量的直接測量工具是滲透儀。滲透儀最早由Israelsen和Reeve于1944年設(shè)計用于測量灌溉渠中地表水的滲透損失量。之后，Lee[8]用一個208 L的鐵筒接一個塑料收集袋子制成了最為經(jīng)典的滲透儀，即將一個開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量地表損失的水?；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)計出不同類型的自動滲透儀來記錄水流速度[9-11]。目前，滲透儀這種直接測量法已被廣泛應(yīng)用于湖、河、水庫、海洋以及河流與地下水的定量研究中[12-13]。

盡管這種用來直接量化地下水和地表水交換水量的滲透儀原理簡單，經(jīng)濟實用，但是其操作非常麻煩。一般來說，為了獲得有代表性的平均滲透通量，往往需要進(jìn)行多個點的測量，比較耗時費力，且在測量時間段內(nèi)滲透通量的變化過程也無法掌握。特別是通過滲透儀測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)查分析包括長期的流量資料調(diào)查分析（即流量過程線分析）和某一均衡期的河流水均衡項調(diào)查計算。

2.1流量過程線分析

河流的流量過程曲線是指河流流量隨時間變化的曲線，該流量包括河流的降水徑流量和基流量（一般是指地下水補給量）兩個部分。在地下水與地表水相互作用的研究中，研究者通過圖解法、滑動最小值法、HYSPEP和數(shù)字濾波法等方法將流量過程曲線中的基流量分割出來，它屬于基流分割法的一種[15]。例如，林學(xué)鈺等[16]通過流量過程線分析方法查明了黃河流域地下水對黃河的貢獻(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價，提高了山丘區(qū)地下水資源評價的精度。

但是，由于流量過程線分析的方法將壤中流和河岸儲量都?xì)w為地下水對地表水的基流量[18]，而且要求長序列的河流流量數(shù)據(jù)，因此它在計算地下水對地表水的補給量中應(yīng)用較少。

2.2水均衡計算

水均衡法是研究地下水與地表水相互作用較為簡單的方法。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)某一時間段內(nèi)進(jìn)入和流出的均衡項，即可計算出地下水與地表水的水量交換量。其中，涉及河流流量測量的方法有水位-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]。如肖長來等[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排關(guān)系，粗略估算兩水交互量的研究中快速方便，但因為其各均衡項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，會導(dǎo)致計算結(jié)果不可信。

3模擬計算法

模擬計算法是基于達(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)西定律計算確定地下水排泄到地表水或地表水補給地下水的水量。

Rushton等[21]曾對地下水與地表水之間交互帶的達(dá)西定律水量計算提出改進(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，達(dá)西線性模型的計算結(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空變化，只是將其簡單概化為邊界條件或源匯項輸入地下水或地表水模型。如Mcdonal和Harbaugh按照簡單的達(dá)西公式將地表水模塊（Stream模塊）添加到美國地質(zhì)調(diào)查局開發(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模型計算的地下水補給量和潛水蒸發(fā)量分別輸入MODFLOW模型的地下水補給（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交換通量將成熟的地下水方程與地表水方程聯(lián)系起來，考慮水頭隨時間的變化，它較嵌入型模型更能真實地反映實際情況，如MODBRANCH、MIKE-SHE、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方程通過交互帶水量交換量耦合模擬計算了遼寧白石水庫的最小下泄量。

基于達(dá)西定律的方法對于認(rèn)識地下水系統(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。

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移歷史的信息。在地下水與地表水的相互作用中，兩水獨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)境示蹤劑來追蹤水流運動，是識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]通過尼日利亞東南部Calabar地區(qū)連續(xù)12個月的地下水與河水溫度、EC、pH、Eh和DO的測定，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)率空間分布趨勢推斷了兩水的補排關(guān)系。Rodgers等[28]將堿度與二氧化硅作為天然示蹤劑，識別了蘇格蘭Cairngorms地區(qū)Feshie河地下水與地表水的水力聯(lián)系。

值得說明的是，從20世紀(jì)80年代，溫度示蹤劑開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)測才成為識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)對流方程來計算地下水與地表水之間水流速度在國外已被廣泛應(yīng)用[31]。

4.2常見溶解性組分

用來示蹤地下水與地表水相互作用的常見溶解性組分包括主要離子和可溶性SiO2等。

郎赟超[32]通過比較貴陽不同季節(jié)地下水與地表水中K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO2-4、HCO-3、NO-3、SiO2和TDS的變化，發(fā)現(xiàn)地下水對地表水的水化學(xué)組成具有明顯的響應(yīng)關(guān)系，說明喀斯特地區(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)計的方法如主成分分析（PCA）、因子分析和聚類分析，對大量的水化學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，識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，可通過質(zhì)量平衡方程定量評價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存在大量的可溶性SiO2。因此，在地下水輸入地表水時，地表水中SiO2含量則會增加；反之，如果地表水滲入地下水，則地下水中SiO2含量會減小。Gao等[36]對地下水中的可溶SiO2做了等值線，通過靠近地表水的地下水SiO2濃度高低來判別地下水與地表水之間的補給關(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因強烈的蒸發(fā)作用有明顯富集，Kumar等[37]利用這兩個穩(wěn)定同位素辨識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隨地下水流遷移排泄于地表時，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評價了膠州灣的海底地下水排泄。而鍶不發(fā)生動力學(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，分析了法國盧瓦爾河附近不同層位地下水與地表水的復(fù)雜補排關(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]。

總體來說，流域水體中的水化學(xué)成分來源多樣，發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)較為復(fù)雜，研究者們不會使用單獨一種示蹤劑來識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，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)境示蹤劑相互驗證，共同確定兩水的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系，甚至通過不同補給源的水化學(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，地下水與地表水相互作用的識別和量化技術(shù)手段不斷提高，但各方法都有一定的優(yōu)缺點，適用的范圍不同。

①直接測量法原理簡單、成本低，但操作耗時費力，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（10～103 m）；

③模擬計算法具有可視化、仿真性，但耦合模擬存在難點，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（10-2～103 m）；

④環(huán)境示蹤法原理簡單、實用有效，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（1～102 m）。

其中，溫度示蹤和模擬計算是目前地下水與地表水相互作用識別和量化方法應(yīng)用的熱點方向。但是，由于地下水溫度的測量費效比（費用/效果）不高，耦合模擬的仿真性在實際情況下限制較多。因此，還需要不斷改進(jìn)或開發(fā)出更為簡單有效且適用性廣的方法，來推動地下水與地表水相互作用的研究。

43卷24期鄭潔瓊地下水與地表水相互作用的識別和量化方法研究

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