地表水與地下水聯(lián)動關系研究綜述

王曉敬

【摘 要】地表水和地下水的水量都會影響當?shù)厮Y源開發(fā)利用的程度，由于地下水和地表水之間存在一定的水量交換，在一定情況下會出現(xiàn)此消彼長的現(xiàn)象，明確地表水與地下水之間的聯(lián)動關系，能夠更有利于當?shù)厮Y源的保護與利用，提高水資源的使用效率。本文主要針對地表水和地下水聯(lián)動關系進行研究探討，希望能為水資源的進一步使用與開發(fā)提供一定的參考。

【關鍵詞】地表水；地下水；聯(lián)動關系

一、前言

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展以及環(huán)保理念的深入人心，人們對水資源保護的重視程度越來越高。我國人均水資源偏低，嚴重制約著我國經(jīng)濟的發(fā)展，因此必須要加強對水資源利用的研究，明確地下水和地表水之間的聯(lián)動關系，緩解水資源的可持續(xù)利用壓力，加強對水資源和水生態(tài)環(huán)境的保護，從而為經(jīng)濟的發(fā)展以及社會的穩(wěn)定提供充足的供水。

二、地表水與地下水的循環(huán)轉(zhuǎn)化規(guī)律

地表水和地下水循環(huán)是地表水與地下水作用的核心，明確地表水與地下水轉(zhuǎn)化的機理及過程，從而能夠更好地進行水資源的綜合利用與保護。地表水與地下水循環(huán)、雨水資源的管理工作息息相關，地下水和地表水的定量研究都屬于流域尺度的水量收支組成部分。從上世紀90年代開始，水文地質(zhì)學家越來越重視起地表水與地下水的循環(huán)交換形式。到目前為止，已經(jīng)形成了相對比較成熟的理論體系以指導地下水和地表水的循環(huán)轉(zhuǎn)化，通常情況下地勢低的區(qū)域會產(chǎn)生地下水排泄地勢高的區(qū)域，是地下水的補給區(qū)域，二者之間的補給和排泄過程涉及到空間變異性、多維度、多因素、不同尺度、水力特性以及各個學科之間的相互作用，有著十分復雜的水文變化過程。地表水入滲與地下水排泄主要的外在表現(xiàn)包括地表水體滲漏、降水補給、河道基流等地下水循環(huán)的核心內(nèi)容，是河流含水層系統(tǒng)的相互作用，河流既是地下水匯入河流的區(qū)域，也屬于河流和濱河帶生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。100多年前便有針對河流和連續(xù)沖擊含水層作用規(guī)律的定量研究，明確河流范圍內(nèi)地下水和地表水的相互影響，為河流生態(tài)系統(tǒng)的評價以及恢復提供數(shù)據(jù)參考，在含水層和河流系統(tǒng)的相關研究當中，需要綜合分析影響水循環(huán)的因素，包括水文情勢、合成特性以及地質(zhì)特征等，判斷系統(tǒng)內(nèi)部驅(qū)動的地下水循環(huán)與地表水系統(tǒng)。[1]

三、地下水源是支撐經(jīng)濟社會發(fā)展的重要前提

結(jié)合調(diào)查數(shù)據(jù)表明，世界范圍內(nèi)約40%的糧食作物都需要依靠地下水灌溉來進行，因此實現(xiàn)地下水和地表水的聯(lián)合調(diào)控具有十分重要的生態(tài)保護意義，對于經(jīng)濟的發(fā)展以及環(huán)境保護工作有著不可或缺的作用。上世紀60年代有的學者提出了地下水安全開采量的理論，并基于此提出了動態(tài)儲蓄量的概念，可以合理的評估地下水量，通過對經(jīng)濟模型和水文模型之間的處理耦合，建立起科學系統(tǒng)的地下水動態(tài)規(guī)劃管理模型，從而能夠動態(tài)評估地下水的可開采量以及模擬灌溉地下水取用情況。科學技術的不斷發(fā)展尤其是計算機技術的迅猛進步，使得地表水和地下水的調(diào)控更加的科學系統(tǒng)。[2]通過利用數(shù)學優(yōu)化方法和數(shù)字模擬技術進行地下水和地表水的分析研究，能夠為地下水和地表水的系統(tǒng)操作提供模型支持。研究人員可以利用聯(lián)合調(diào)控模型，結(jié)合響應矩陣法實現(xiàn)多個區(qū)域不同環(huán)境下的水源的綜合管理，保證水源利用的經(jīng)濟效益的最大化，提高水源的應用價值。到了20世紀90年代，國外有的學者提出了多水質(zhì)、多水源的水資源管理模型，能夠有效解決用水效率低下、水質(zhì)效果不達標以及供需結(jié)果不協(xié)調(diào)的各種水資源利用問題，從而能夠進一步的加強水資源的利用與保護，保障水資源應用的合理性與科學性，防止地下水水質(zhì)的惡化與破壞。地理信息系統(tǒng)的不斷發(fā)展使得地理信息技術逐漸應用于地下水的管理過程中，不僅能夠提升地下水的應用效率，而且還可以通過地下水資源信息管理系統(tǒng)建立起生態(tài)約束的地下水關系模型，解決地下水調(diào)度時間長、計算負荷大的問題，并結(jié)合不同情景下的地下水生態(tài)水位情況進行關系模型的約束，從而可以在保證開采量增加的同時，逐漸恢復地下水的生態(tài)需求，提高地下水和地表水的應用效率，為地下水和地表水的調(diào)配提供了更加科學有效的方法。[2]

四、地下水位變化關聯(lián)因素以及水位控制研究

蒸發(fā)量、降水量、河流水位、灌溉水量等都會影響地下水位的變化，進行地下水位變化的評估明確地下水變化的主要因素以及變化的范圍，是地下水利用與研究工作的重要問題。我國學者通過對地下水的變化情況進行了分析研究發(fā)現(xiàn)，由于生態(tài)環(huán)境的變化以及地質(zhì)環(huán)境因子的改變會導致地下水位發(fā)生一定的改變，通過人工地下水回灌可以補給地下水超采區(qū)域，以恢復超采區(qū)引發(fā)的不良影響，保證當?shù)氐纳鷳B(tài)平衡以及水環(huán)境循環(huán)的正常開展。研究地下水位變化的各種影響因素，從而能夠得到影響因素與地下水位之間的影響程度，再進行靈敏度的分析可以得出地下水位變化與個數(shù)變量之間的影響效果，利用地下水模型可以建立起一種分布式的地表水地下水耦合系統(tǒng)。[3]通過水文非線性理論和交替方向隱式差分法能夠得到地下水的相關求解值，從而可以為水資源的平衡使用以及水資源的合理調(diào)配提供數(shù)據(jù)支持。比如我國北方通常位于干旱地區(qū)水資源的消耗量大但是水資源嚴重不足，影響當?shù)亟?jīng)濟的發(fā)展和人們的生活，南水北調(diào)工程作為一個重要的解決北方地區(qū)用水缺乏問題的途徑，可以大大減輕北方城市地區(qū)的地下水壓力，通過南水北調(diào)工程可以顯著抬升北方城市的潛水位，減少流域地下水開采量，增加潛水蒸發(fā)量和地下水蓄水量，為當?shù)亟?jīng)濟的發(fā)展提供充足的用水。

我國很多學者已經(jīng)認識到地下水與地表水之間的聯(lián)動關系，并通過同位素對地表水和地下水之間的關系展開的研究。我國學者結(jié)合西北干旱區(qū)域地表水以及地下水中穩(wěn)定同位素之間的差異，取樣分析了黑河中游盆地不同河段河水和地下水的水質(zhì)情況，發(fā)現(xiàn)黑河中游干旱區(qū)域地下水補給河水的同位素增加了50%左右，可以說明該區(qū)域地下水補給的能力顯著增加。同時，對新疆瑪納斯河流域三段轉(zhuǎn)換關系進行研究發(fā)現(xiàn)，從沙漠到山區(qū)地段流域水循環(huán)系統(tǒng)存在著四段轉(zhuǎn)化關系，第一段區(qū)域在山區(qū)，降水轉(zhuǎn)化為地下水和地表水；第二段區(qū)域地下水在山間洼地地段轉(zhuǎn)化為地表水；第三段區(qū)域地表水又重新轉(zhuǎn)化為地下水；第四段區(qū)域在平原區(qū)和沙漠區(qū)地表水會轉(zhuǎn)化為地下水并最終消失在大氣中。由此發(fā)現(xiàn)，地下水和地表水之間存在著顯著的聯(lián)動關系，在一定的環(huán)境與氣候條件下會發(fā)生相互的轉(zhuǎn)換。

對地下水的控制研究始于上世紀九十年代，前蘇聯(lián)學者提出了地下水臨界深度等相關概念，并進行地下水水位控制的研究與開發(fā)，通過建立半干旱區(qū)潛水含水層的灌溉虧缺影響模型，可以明確地下水位埋深、土壤鹽漬化以及蒸騰之間的關系，并設置了地下水電子傳導率以及土壤含鹽量之間的一系列地下水位的埋深關系，明確地下含水層的相關計算途徑，從而可以利用含水層的控制對當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境進行有效的保護。

五、結(jié)束語

綜上所述，地下水與地表水是水循環(huán)系統(tǒng)的主要組成部分，二者之間的聯(lián)動關系直接關系著當?shù)貙λY源的開發(fā)利用效率，通過進一步的研究與規(guī)劃地下水和地表水的影響與相互協(xié)調(diào)，從而能夠調(diào)整不合理的用水結(jié)構(gòu)，加大水資源的保護力度，促進人與自然的和諧相處。

【參考文獻】

[1] 劉建霞，袁西龍. 青島大沽河水源地地下水水質(zhì)的數(shù)值模型預測[J]. 海洋地質(zhì)動態(tài)，2006，22（ 2） ： 9-14.

[2] 尹大凱，胡和平，惠士博.寧夏銀北灌區(qū)井渠結(jié)合灌溉三維數(shù)值模擬與分析[J].灌溉排水學報，2003，22（ 1） ： 53-57.

[3] 張祥偉，竹內(nèi)邦良. 大區(qū)域地下水模擬的理論和方法[J]. 水利學報，2004（ 6） ： 7-13.