基于氡同位素的河水與地下水水力交換研究

余鐘波,李敏娟,劉蕓辰,李 根,衣 鵬

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210098; 2.河海大學(xué)全球變化與水循環(huán)國(guó)際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210098; 3.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇 南京 210098; 4.泰州市水利局海陵分局,江蘇 泰州 225300)

地表水和地下水之間存在著復(fù)雜的水力聯(lián)系,在生態(tài)環(huán)境保護(hù)、水資源開(kāi)發(fā)利用與管理方面應(yīng)該作為一個(gè)統(tǒng)一的水文循環(huán)系統(tǒng)[1-3],但是不同流域尺度下的地下水與地表水的觀測(cè)及量化工作開(kāi)展較為困難[4-5]。

放射性同位素222Rn被認(rèn)為是示蹤地下水和地表水之間水力交換的理想示蹤劑。近年來(lái),氡同位素示蹤劑法已經(jīng)廣泛運(yùn)用于研究地表水和地下水聯(lián)系中[6-8]。國(guó)內(nèi)學(xué)者利用222Rn研究水文過(guò)程起步較晚,利用其研究地表水體和地下水轉(zhuǎn)化方面的研究較少。Wu 等[9]在黑河張掖以下42 km長(zhǎng)的河道內(nèi)布設(shè)了 5 個(gè)河水監(jiān)測(cè)點(diǎn),分段建立河道氡一維穩(wěn)定流模型,計(jì)算得出河段的地下水入流量在 0.009 3～0.876 m3/s 之間;Su等[10]提出了一種新型的河道氡一維穩(wěn)定流模型,將那棱格勒河分3部分進(jìn)行研究,得到地下水補(bǔ)給和河水泄漏的情況,并運(yùn)用流量模型進(jìn)行了驗(yàn)證;駱歡等[11]利用222Rn 識(shí)別了江蘇東臺(tái)某閘塘地下水入滲點(diǎn),建立氡箱模型估算出了地下水入滲量;張曉潔等[12]按季度對(duì)黃河下游利津水文站至黃河口區(qū)間100 km河道內(nèi)的地下水進(jìn)行了5次調(diào)查,得到結(jié)論:各采樣點(diǎn)水體中222Rn濃度變化均呈現(xiàn)出夏季略低于冬季的分布特征,水體停留時(shí)間和黃河徑流量變化是影響222Rn活度濃度變化的主要原因。

本研究區(qū)域?yàn)榻K省泰州市海陵區(qū),地處長(zhǎng)江水系與淮河水系的交匯處,為平原河網(wǎng)地區(qū),境內(nèi)河流縱橫、水網(wǎng)密集,地下水與地表水聯(lián)系密切且復(fù)雜,相關(guān)研究較少,無(wú)長(zhǎng)序列流量數(shù)據(jù),很難獲取含水層厚度和滲透系數(shù)等地下水參數(shù)的最佳約束值。

選定新通揚(yáng)運(yùn)河海陵段,通過(guò)實(shí)地采集河水、淺層地下水樣本,分別測(cè)量樣本中222Rn活度濃度,定性分析河水和地下水的水力聯(lián)系過(guò)程,建立河道氡一維穩(wěn)定流模型和流量平衡模型,定量辨識(shí)地下水入流和河水滲漏機(jī)制,進(jìn)一步驗(yàn)證氡同位素在對(duì)河水和地下水的水力聯(lián)系研究中進(jìn)行定性分析及定量計(jì)算時(shí)具有良好的可操作性,在缺乏水文氣象資料和長(zhǎng)序列流量資料的平原河網(wǎng)地區(qū)的水資源總量計(jì)算中具有應(yīng)用前景。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

海陵區(qū)屬江淮沖積平原,地處江蘇省中部、長(zhǎng)江中下游北岸,長(zhǎng)江三角洲與里下河平原交界處,位于 119°48′E～119°59′E、32°27′N(xiāo)～32°34′N(xiāo)。區(qū)域總面積152.2 km2,境內(nèi)以平原、圩洼為主,區(qū)內(nèi)地勢(shì)平坦。水文地質(zhì)條件具有三角洲相特征,其間有多層富水性砂層疊置分布,蘊(yùn)藏有豐富的地下水資源。海陵區(qū)屬北亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū),四季分明,無(wú)霜期長(zhǎng),熱量充裕,降水豐沛,年平均氣溫在13.9～15.7℃之間,年平均降水量1 049.1 mm。

1.2 樣品采集

1.2.1 數(shù)據(jù)采集

采樣點(diǎn)坐標(biāo)位置利用手持GPS(eTrex?20,GARMIN)記錄。采樣期間的風(fēng)速、氣溫及空氣相對(duì)濕度數(shù)據(jù)由便攜式環(huán)境監(jiān)測(cè)儀(RH87,OMEGA)測(cè)得。河道的水深來(lái)自泰州水資源公報(bào),河長(zhǎng)、河寬由Landsat衛(wèi)星影像(http://www.gscloud.cn/)測(cè)得。

1.2.2 樣本采集

2018年9月對(duì)海陵區(qū)河水、地下水進(jìn)行樣品采集,地下水均取自居民用井。共布設(shè)14個(gè)河水采樣點(diǎn)(新通揚(yáng)運(yùn)河R1～R9,支流T1～T5),以及6個(gè)地下水采樣點(diǎn)(編號(hào)G1 ～G6),樣本分布如圖1所示。

圖1 樣本分布點(diǎn)及樣本222Rn活度濃度值空間分布Fig.1 Sampling sites and spatial distribution of the 222Rn concentration in different water

1.2.3 數(shù)據(jù)分析

水樣采集后帶回河海大學(xué)水文水資源與水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,利用RAD7測(cè)氡儀對(duì)水樣中222Rn含量進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)測(cè)試時(shí)間與采樣的時(shí)間間隔,對(duì)測(cè)試結(jié)果的222Rn含量進(jìn)行衰變修正[12]:

A=Amet/132.4

(1)

式中:A——取樣時(shí)刻水體的222Rn活度濃度,Bq/m3;Am——測(cè)試時(shí)刻的222Rn活度濃度,Bq/m3;t——測(cè)試與采樣的時(shí)間間隔,h。

1.3 研究方法

1.3.1 氡同位素示蹤原理

氡是元素周期表中第六周期的零族元素,原子系數(shù)86,是一種天然存在的無(wú)色無(wú)味的放射性惰性氣體[13]。地下水中的222Rn主要來(lái)自土壤、巖石中的鈾(226Ra)衰變[14]。

氡同位素作為示蹤地下水入流的理想示蹤劑有以下顯著的優(yōu)點(diǎn)[15-19]:(a)氡存在于所有的地下水系統(tǒng)中,只有發(fā)生地下水入流時(shí)才能在地表水中檢測(cè)到氡同位素,地表水體內(nèi)222Rn活度濃度超過(guò)1 000 Bq/m3即為存在地下水入流的有力證據(jù),且其具有化學(xué)保守性;(b)222Rn半衰期為3.823 5 d,在研究數(shù)小時(shí)到數(shù)天的時(shí)間尺度上發(fā)生的快速混合過(guò)程具有巨大的潛力;(c)隨著商業(yè)化測(cè)氡儀的發(fā)明,測(cè)試222Rn的成本逐漸降低,并實(shí)現(xiàn)了在野外連續(xù)監(jiān)測(cè),這些均進(jìn)一步擴(kuò)大了222Rn在水文領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍。

1.3.2 河道氡一維穩(wěn)定流模型

河段上游斷面與下游斷面222Rn通量的差異可表示為[9]

QdCd=QuCu+ΔM

(2)

式中:Qu、Cd——河段上游、下游斷面流量,m3/s;Cu、Cd——河段上游、下游斷面222Rn活度濃度,Bq/m3;ΔM——河段內(nèi)222Rn通量的源匯項(xiàng)，Bq/s。

ΔM的影響因素包括地下水補(bǔ)給、河水滲漏、222Rn 向大氣逸散、222Rn 自身衰變、支流匯入、支流匯出、潛流交換、沉積物擴(kuò)散、水體內(nèi)226Ra 衰變。因河流屬運(yùn)動(dòng)水流系統(tǒng),故沉積物擴(kuò)散及226Ra衰變對(duì)水體內(nèi)的222Rn通量貢獻(xiàn)極小,研究中通常忽略不計(jì)。通過(guò)定性分析新通揚(yáng)運(yùn)河河段河水地下水水力聯(lián)系過(guò)程,本文忽略支流匯入影響。對(duì)于河流內(nèi)222Rn的重要補(bǔ)給源——潛流交換,由于估算潛流交換對(duì)河段內(nèi)貢獻(xiàn)的222Rn通量需要一系列精細(xì)的實(shí)驗(yàn),所以無(wú)法定量比較2片區(qū)域之間河流中222Rn濃度的影響因素。本次研究采用Su 等[10]提出的在資料缺乏地區(qū)可以忽略河道氡一維穩(wěn)定流模型中的潛流交換項(xiàng)的建議。故此次研究中ΔM的影響因素可簡(jiǎn)化為地下水入流、河水滲漏、222Rn向大氣逸散及222Rn自身衰變。

圖2 模型中地下水與地表水交互情況Fig.2 Conceptual models of the interactions between groundwater and surface water

根據(jù)河段上下游流量及水體內(nèi)222Rn活度濃度之間的關(guān)系,將氡一維穩(wěn)定流模型分成3種類(lèi)型:(a)Cd>Cu、Qd>Qu,假設(shè)河段僅發(fā)生地下水補(bǔ)給,如式(3)所示;(b)CdCu、QdQu,假設(shè)河段內(nèi)地下水入流和河道補(bǔ)給均存在,交替出現(xiàn),如式(5)所示。以上3種情況均假設(shè)地下水入流和河水泄漏沿河段均勻分布[15]。以下為3種情況下的河道氡一維穩(wěn)定流模型[9, 15-16]。圖2為3種情況下地下水和河水交互簡(jiǎn)化示意圖。

(3)

(4)

(5)

式中:Cg——地下水氡活度濃度,Bq/m3;qg——地下水沿河段平均入流速度,m3/(s·m);α——222Rn的總損失系數(shù),m-1;L——河段長(zhǎng),m;qr——河水沿河段平均滲漏速度,m3/(s·m)。

式(5)中排泄進(jìn)入地下含水層的河水氡活度濃度用上下游斷面河水中的氡活度濃度的平均值來(lái)代替,式(3)～(5)均建立在222Rn物質(zhì)平衡及水量平衡基礎(chǔ)上。

各河段的地下水入流量為地下水入流速度與區(qū)間河長(zhǎng)的乘積,表示為

Qg=qgL

(6)

式中:Qg——河段內(nèi)地下水入流量,m3/s。

地下水入流量占區(qū)間比例為地下水入流量與河段上下游流量之差的比例,表示為

(7)

1.3.3 流量平衡模型

流量平衡模型可簡(jiǎn)單的判斷河段之間地下水與河水的補(bǔ)給關(guān)系[9]。流量模型公式為

(8)

式中:q——河道沿河段凈通量,m3/(s·m)。

圖3 新通揚(yáng)運(yùn)河海陵段222Rn活度濃度沿程變化Fig.3 Changes of 222Rn concentration along the Hailing section of the Xintongyang Canal

2 結(jié)果與討論

2.1 新通揚(yáng)運(yùn)河海陵段氡同位素分布特征

新通揚(yáng)運(yùn)河海陵段沿線共分布9個(gè)采樣點(diǎn)(R1～R9),在流量較大的幾條支流上共布設(shè)了5個(gè)河水采樣點(diǎn)(T1～T5)。圖3為新通揚(yáng)運(yùn)河海陵段水體222Rn活度濃度沿程變化。

新通揚(yáng)運(yùn)河海陵段地下水入流空間分布不均勻,主要集中在R3～R4和R6～R9河段,另外R6～R7河段河水中的222Rn活度濃度均小于1 000 Bq/m3,故推斷該河段之間地下水補(bǔ)給不明顯。其中R1與R9河水中的222Rn活度濃度分別為34.55×102Bq/m3和21.54×102Bq/m3,均存在較明顯的地下水補(bǔ)給情況。

新通揚(yáng)運(yùn)河R2～R3河段,具有較高222Rn活度濃度的引江河入流后,新通海陵段R3的222Rn活度濃度較R2無(wú)顯著變化。新通海陵段R4～R5河段,匯出支流T3比匯入支流T2的氡通量大一個(gè)數(shù)量級(jí),但河水采樣點(diǎn)R5的222Rn活度濃度較R4下降較小。新通海陵段R5～R6河段,匯入支流T4比匯出支流T5的222Rn活度濃度大一個(gè)數(shù)量級(jí),新通海陵段R6的222Rn活度濃度對(duì)比R5卻下降了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

綜合以上分析表明:(a)新通揚(yáng)運(yùn)河海陵段中存在明顯的地下水補(bǔ)給,主要集中于R3～R4和R7～R9河段,R6～R7河段地下水補(bǔ)給不明顯;(b)新通海陵段河水中的222Rn活度濃度與匯入?yún)R出支流沒(méi)有明顯的響應(yīng)關(guān)系。

2.2 模型計(jì)算

在測(cè)得各河水取樣點(diǎn)所在的河道斷面流量Q、流速v、水深h、河寬W、222Rn活度濃度C等參數(shù)值后,將新通揚(yáng)運(yùn)河海陵段R1～R9分為8段。地下水內(nèi)的222Rn活度濃度采用區(qū)域地下水樣本的222Rn活度濃度平均值,為19.78×103Bq/m3,氡河道模型計(jì)算中溫度、流速、水深等參數(shù)均采用上下游斷面的均值[17]。分別運(yùn)用流量模型和河道氡一維穩(wěn)定流模型定量計(jì)算各河段的河水滲漏和地下水入流情況,結(jié)果如表1所示。

表1 各模型中河段河水滲漏和地下水入流計(jì)算結(jié)果

通過(guò)流量模型計(jì)算得到河段1、2均存在河水滲漏,模型計(jì)算結(jié)果和圖3反映出的222Rn活度濃度變化趨勢(shì)基本一致,除河段6,其余河段均表現(xiàn)出一致性。通過(guò)河道一維穩(wěn)定流模型得到各河段的河水沿河道平均滲漏速度qr和地下水沿河道平均入流速度qg基本與流量模型結(jié)果一致,且河段7、河段8處河水滲漏和地下水補(bǔ)給2種情況同時(shí)發(fā)生。

表1結(jié)果表明,流量模型與氡河道一維穩(wěn)定流模型的計(jì)算結(jié)果較為近似。河段1雖然2個(gè)模型計(jì)算結(jié)果相差較大,但均為同一個(gè)數(shù)量級(jí);河段3和6中,2個(gè)模型的計(jì)算結(jié)果相差較大。根據(jù)衛(wèi)星圖及實(shí)地采樣時(shí)測(cè)得的風(fēng)速,河段3河寬達(dá)到160～190 m,表面風(fēng)速較大,222Rn向大氣逸散是河水中222Rn的主要匯項(xiàng),是模型不確定性的主要來(lái)源之一,高風(fēng)速將增大水-氣界面的222Rn活度濃度梯度,從而增大222Rn 的逸散量[18],造成計(jì)算結(jié)果的不確定性。河段6由于河水中的222Rn活度濃度小于1 000 Bq/m3,上下游氡活度濃度均為氡一維穩(wěn)定流模型中較敏感的參數(shù)和不確定來(lái)源之一[18],故造成河段6模型計(jì)算結(jié)果誤差較大。

2.3 敏感性分析

在建立河道氡一維穩(wěn)定流模型時(shí),對(duì)實(shí)際情況作出的一系列假設(shè)與概化,以及參數(shù)取值的誤差均會(huì)給計(jì)算結(jié)果帶來(lái)不確定性。敏感性分析是模型不確定量化的重要環(huán)節(jié),有助于確定模型中各參數(shù)對(duì)模型精度的影響,在采樣、測(cè)試到計(jì)算等過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)高敏感度參數(shù)的關(guān)注[17]。

本研究采用擾動(dòng)分析法分別對(duì)8個(gè)河段的河道氡一維穩(wěn)定流模型中的各參數(shù)進(jìn)行敏感性分析,對(duì)模型中的各參數(shù)分別賦以1%、5%、10%、20%、40%、50%的誤差,分析計(jì)算結(jié)果的相對(duì)誤差,將計(jì)算結(jié)果取絕對(duì)值,再將相同參數(shù)相同誤差下的計(jì)算結(jié)果誤差取平均,得到各參數(shù)敏感性分析結(jié)果。表2為河段擾動(dòng)法參數(shù)敏感性分析結(jié)果。

表2 河段擾動(dòng)法參數(shù)敏感性分析結(jié)果

如表2所示,在河道氡一維穩(wěn)定流模型中,當(dāng)所有參數(shù)誤差小于10%時(shí),模型計(jì)算結(jié)果的相對(duì)誤差均在30%以內(nèi),當(dāng)參數(shù)誤差達(dá)到40%及50%時(shí),計(jì)算結(jié)果的相對(duì)誤差分為3種,其中上下游流量為特別敏感參數(shù),上下游河水中的氡濃度為比較敏感參數(shù),其余參數(shù)為不敏感參數(shù)。

3 結(jié) 論

a.222Rn示蹤結(jié)果表明新通揚(yáng)運(yùn)河海陵段的地下水補(bǔ)給主要發(fā)生在R3～R4、R7～R9河段間,支流匯入?yún)R出對(duì)干流影響較小。

b. 流量模型與河道氡一維穩(wěn)定流模型模擬的地下水入流和河水滲漏結(jié)果顯示,河道中存在河水和地下水相互作用,對(duì)比流量模型只反映河道的凈通量,河道氡一維穩(wěn)定流模型可得到更詳細(xì)的河水與地下水的水力聯(lián)系情況,并且與定性分析結(jié)果一致。

c. 河道氡一維穩(wěn)定流模型中,上下游流量為模型中特別敏感參數(shù),上下游河水內(nèi)氡濃度為比較敏感參數(shù)。研究成果可為區(qū)域水資源合理利用、生態(tài)環(huán)境保護(hù)及涉水規(guī)劃等提供重要科技支撐。