鄱陽(yáng)湖洪泛區(qū)碟形湖濕地系統(tǒng)地表-地下水交互作用*

陳 靜,李云良,周俊鋒, 盧靜媛，韋 麗，郭玉銀

(1:江西省水文局,南昌 330002) (2:河海大學(xué)水文水資源學(xué)院與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098) (3:中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，流域地理學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210008) (4:江西省鄱陽(yáng)湖水文局,九江 332800)

在全球大多數(shù)地形地貌類(lèi)型中，河流、湖泊與濕地等地表水體往往與周邊地下水系統(tǒng)存在著頻繁水力聯(lián)系[1]. 地表-地下水之間的自然交換作用對(duì)它們自身的物理水文過(guò)程以及生態(tài)方面具有顯著影響作用[2-3]. 在全球氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)的背景下，尤其是極端氣候事件以及強(qiáng)人類(lèi)活動(dòng)的干擾，均在不同程度上影響著地表水資源和地下水資源的轉(zhuǎn)化和利用，因此導(dǎo)致地表-地下水交互作用的探索與評(píng)估成為一個(gè)極為重要且具有實(shí)際意義的研究工作[4].

多年來(lái)，地表水和地下水相互作用的重要性已取得共識(shí)，得到大量研究成果和一些普適性的研究結(jié)論. 為應(yīng)對(duì)快速變化的環(huán)境，從水資源聯(lián)合管理的角度，對(duì)兩者相互作用的認(rèn)識(shí)程度需要加強(qiáng)[5]. 隨著技術(shù)手段的提升，學(xué)者們使用了很多方法來(lái)研究地表-地下水交換作用與動(dòng)力學(xué)過(guò)程，主要有水位梯度測(cè)量法、溫度示蹤法、數(shù)值模型法、同位素示蹤法以及上述兩個(gè)或多個(gè)方法的組合應(yīng)用[6-10]. 然而，不同的研究方法幾乎均受到空間、時(shí)間尺度以及一些潛在假設(shè)的限制，這些不確定性主要是由水流運(yùn)動(dòng)路徑的擾動(dòng)、小尺度空間異質(zhì)性和測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)所限等諸多因素造成的[11].

洪泛區(qū)通常視為一種特殊的濕地類(lèi)型，受周邊淺水湖泊或河流水文情勢(shì)的影響，具有季節(jié)性明顯的干濕交替特征，其作為全球重要的水文地貌單元之一，與周邊地表-地下水系統(tǒng)有著不可忽視的水力聯(lián)系. 水文情勢(shì)的周期性變化促進(jìn)了洪泛濕地的地表-地下水相互作用[12]，進(jìn)而對(duì)有效保護(hù)和管理濕地水資源分配、棲息地生態(tài)環(huán)境等具有重要意義. 通常情況下，地表-地下水相互作用為濕地生態(tài)系統(tǒng)提供了物質(zhì)、能量和脈沖輸入，造成濕地諸多生態(tài)環(huán)境指標(biāo)的時(shí)空高度異質(zhì)與遷移轉(zhuǎn)化. 因此，分析洪泛濕地系統(tǒng)中地下水和地表水之間的交互轉(zhuǎn)化與動(dòng)力學(xué)機(jī)制尤為重要，這決定了濕地的物理性質(zhì)和生態(tài)功能. 因洪泛區(qū)下墊面具有空間異質(zhì)性程度較高、系統(tǒng)開(kāi)放性較強(qiáng)、水文節(jié)律高度動(dòng)態(tài)等特點(diǎn)，相關(guān)的地表-地下水研究仍較為少見(jiàn).

長(zhǎng)江中下游的鄱陽(yáng)湖洪泛濕地，是國(guó)際公認(rèn)的重要濕地系統(tǒng)，在保護(hù)生物多樣性和生態(tài)功能等諸多方面發(fā)揮著不可替代的作用[13]. 由于氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)的雙重影響，湖泊水位的天然波動(dòng)已經(jīng)發(fā)生了顯著變化，對(duì)湖區(qū)水文、生態(tài)和經(jīng)濟(jì)方面帶來(lái)聯(lián)動(dòng)影響與反饋. 近些年來(lái)，鄱陽(yáng)湖洪泛濕地的水文變化已經(jīng)引起了國(guó)家和地方相關(guān)部門(mén)的高度重視[14-15]，但主要是以河湖等地表水文水動(dòng)力過(guò)程為主. 隨著研究的不斷深入，前期已有研究強(qiáng)調(diào)了地表-地下水動(dòng)力轉(zhuǎn)化在影響土壤水分、植被分布和養(yǎng)分輸送方面的重要性. 文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，Xu等[16]通過(guò)鄱陽(yáng)湖洪泛濕地典型斷面的水文-植被聯(lián)合調(diào)查，基于數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)地下水位和土壤水分梯度共同影響了濕地植被群落的分布特征，體現(xiàn)了地下水的貢獻(xiàn)作用. 一些學(xué)者采用水文學(xué)、水化學(xué)等方法對(duì)鄱陽(yáng)湖洪泛濕地的地下水動(dòng)態(tài)進(jìn)行了探索性研究，證實(shí)了鄱陽(yáng)湖水文情勢(shì)變化對(duì)洪泛區(qū)地下水蓄量具有動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)作用[17]，受資料和方法所限，基本仍以定性分析與評(píng)估為主. 此外，Zhang等[18]利用氫氧穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)，調(diào)查了鄱陽(yáng)湖洪泛濕地的土壤-植物-大氣連續(xù)體(SPAC)的水分傳輸過(guò)程，研究發(fā)現(xiàn)河流與周邊洪泛濕地的地下水變化對(duì)SAPC系統(tǒng)的水流遷移轉(zhuǎn)化有明顯促進(jìn)作用，但沒(méi)有針對(duì)地表-地下水轉(zhuǎn)化開(kāi)展實(shí)質(zhì)性的研究. 由此可知，上述研究嘗試探索了鄱陽(yáng)湖洪泛濕地系統(tǒng)地下水的重要性及其貢獻(xiàn)作用，但受觀測(cè)資料系統(tǒng)性、連續(xù)性以及研究方法等約束條件的影響，仍缺乏對(duì)地表-地下水交互轉(zhuǎn)化關(guān)系和補(bǔ)排通量方面的深入研究，從而導(dǎo)致對(duì)湖泊濕地水資源分配管理、濕地生態(tài)環(huán)境保護(hù)等方面的詮釋還不夠全面.

鑒于上述背景，本研究的主要目標(biāo)是：(1)依托典型區(qū)的選擇和野外原位觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析鄱陽(yáng)湖碟形湖濕地系統(tǒng)地表、地下水文要素的動(dòng)態(tài)變化特征與影響因素；(2)采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，從系統(tǒng)角度來(lái)評(píng)估碟形湖、河流和洲灘地下水之間的水力聯(lián)系，探求典型濕地系統(tǒng)地表-地下水之間的轉(zhuǎn)化作用關(guān)系；(3)基于原位試驗(yàn)和能量守恒方程(達(dá)西定律)，定量揭示碟形湖濕地系統(tǒng)地下水與周邊重要地表水體之間的交互轉(zhuǎn)化通量.

1 研究區(qū)概況

鄱陽(yáng)湖位于長(zhǎng)江中游南岸，是目前為數(shù)不多的、仍與周邊河流水系保持天然連通的湖泊之一(圖1). 鄱陽(yáng)湖承納上游流域“五河”來(lái)水，通過(guò)湖區(qū)調(diào)蓄，在北部匯入長(zhǎng)江干流，因此鄱陽(yáng)湖的水文情勢(shì)主要受“五河”來(lái)水和長(zhǎng)江水位的季節(jié)性變化共同影響. 鄱陽(yáng)湖高度動(dòng)態(tài)的湖區(qū)水位生消變化約介于8～22 m之間，使得湖泊水體面積在1000～3000 km2范圍內(nèi)隨季節(jié)發(fā)生萎縮和擴(kuò)張. 鄱陽(yáng)湖總體上較淺，85%的湖區(qū)在洪水季節(jié)水深不足6 m[19]. 從水文學(xué)上，鄱陽(yáng)湖是一個(gè)高度動(dòng)態(tài)的大型洪泛系統(tǒng)，呈現(xiàn)出近2000 km2的洪泛濕地，主要由碟形湖群、溝壑水系和大面積灘地構(gòu)成[17]. 碟形湖主要分布在鄱陽(yáng)湖洪泛濕地內(nèi)部，由水文水動(dòng)力、泥沙沖淤以及人為改造等形成的大小不一、形狀各異的洼地. 因此，這些淺層洼地通常被稱(chēng)為“碟形湖”[20]. 洪水期，這些碟形湖與主湖區(qū)融為一體，完全地表水文連通，形成大湖；低枯水位期，這些碟形湖與主湖區(qū)脫離地表水力聯(lián)系，相對(duì)孤立，由此形成了“湖中湖”的獨(dú)特景觀. 碟形湖具有植被生物量大、物種多樣性豐富、候鳥(niǎo)生境優(yōu)越等生態(tài)價(jià)值，在維護(hù)濕地生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)完整性上起到十分重要的作用[20]. 鄱陽(yáng)湖洪泛濕地約分布著100多個(gè)碟形湖，最大水深一般不超過(guò)2 m，總面積約800 km2，在防洪、蓄水和生物多樣性保護(hù)方面發(fā)揮著重要作用[21]. 在自然狀態(tài)下，碟形湖主要接受高水位時(shí)期的主湖區(qū)入流補(bǔ)給，秋、冬季節(jié)水位則取決于降水、蒸發(fā)和下滲作用等[20]. 考慮到碟形湖的形成原因以及周邊地貌類(lèi)型基本一致，本研究選取蚌湖(湖水位監(jiān)測(cè)BW)和沙湖(湖水位監(jiān)測(cè)SW)兩個(gè)典型碟形湖、修水河流(水位監(jiān)測(cè)RW)及其之間的洪泛洲灘(地下水位監(jiān)測(cè)GW1～GW6)作為聯(lián)合研究區(qū)(圖1)，以期能夠表征鄱陽(yáng)湖中大多數(shù)碟形湖濕地系統(tǒng)的地表和地下水文特征.

圖1 研究區(qū)概況與地表-地下水聯(lián)合監(jiān)測(cè)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the study area and the surface water-groundwater joint monitoring

2 材料與方法

2.1 原位監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)獲取

為分析碟形湖濕地的地表-地下水交互作用，需要監(jiān)測(cè)研究區(qū)的氣象要素、地表水位和地下水位等關(guān)鍵變量. 氣象數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所鄱陽(yáng)湖湖泊濕地觀測(cè)研究站(廬山市)，其距離本研究區(qū)大概8 km，用于反映研究區(qū)的氣象條件變化(圖2). 為自動(dòng)監(jiān)測(cè)修水河流、蚌湖和沙湖的水位-水溫動(dòng)態(tài)，采用加拿大生產(chǎn)的Solinst 3001 Levelogger傳感器(水位精度0.01 m，溫度精度0.05℃)，研究區(qū)內(nèi)共安裝了3個(gè)傳感器(RW、BW和SW)，將傳感器安置在一個(gè)直徑為5 cm的鐵管中，并插入河床/湖床底部的沉積物進(jìn)行固定. 對(duì)于地下水監(jiān)測(cè)，所有傳感器均置于直徑為5 cm的PVC管底部，PVC管底部以上1 m長(zhǎng)度采用過(guò)濾井處理，確保傳感器可用來(lái)記錄淺層地下水位-水溫的完整變化(GW1～GW6). 為便于數(shù)據(jù)資料同步分析，研究時(shí)段選擇為2016年1月15日-2017年1月17日，覆蓋完整的水文周期，數(shù)據(jù)記錄頻率為1 h.

圖2 2016-2017年星子站主要?dú)庀笠氐娜招蛄凶兓疐ig.2 Daily meteorological changes (Xingzi gauging station) in the Lake Poyang floodplain wetland from 2016 to 2017

為了獲取研究區(qū)的地質(zhì)背景信息，本文采用自然電位和電阻率測(cè)井方法，研究中使用了ABEM Terramater SAS 4000，電流電極間距設(shè)置為3 m，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)GW4和GW5之間的東西向剖面開(kāi)展了長(zhǎng)度約400 m的地球物理探測(cè)，并通過(guò)人工曲線(xiàn)擬合獲取了垂向剖面的視電阻率和厚度值. 電阻率分析表明，研究區(qū)的洪泛洲灘濕地在15 m的深度范圍內(nèi)可視為均質(zhì)的(圖3a). 野外試驗(yàn)和室內(nèi)分析結(jié)果表明，該深度內(nèi)主要介質(zhì)類(lèi)型為砂層，粉砂占比較小(圖3b). 圖3和表1詳細(xì)描述了洪泛洲灘濕地和各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地質(zhì)背景概況.

圖3選擇斷面的視電阻率(a)和基于66個(gè)采樣點(diǎn)的粒徑分布(b)(視電阻率值與含水量變化呈負(fù)相關(guān)關(guān)系)Fig.3 The apparent resistivity section in the Lake Poyang floodplain wetland (a) and grain-size distribution of average grain size diameter (d50) with a normal density function for 66 samplings (b) (resistivity values have a negative relationship with underlying water moisture)

表1 鄱陽(yáng)湖洪泛濕地系統(tǒng)地表-地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置與地質(zhì)背景*

2.2 統(tǒng)計(jì)分析

為分析蚌湖(BW)、沙湖(SW)、修水(RW)等地表水體與洲灘地下水(GW1～GW6)之間的動(dòng)態(tài)響應(yīng)關(guān)系，本文基于MATLAB軟件并采用互相關(guān)函數(shù)來(lái)分析不同水文要素之間的聯(lián)系. 互相關(guān)函數(shù)不僅可以反映不同信號(hào)或要素之間的相關(guān)程度，還可以通過(guò)滯后距等時(shí)間信息來(lái)指示信號(hào)或要素之間的響應(yīng)，該方法已廣泛應(yīng)用于氣象、水文、物理等不同的學(xué)科領(lǐng)域，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為[22]:

(1)

(2)

2.3 達(dá)西通量

本文采用達(dá)西定律估算地表-地下水之間的交換通量. 達(dá)西定律即地下水流運(yùn)動(dòng)的能量守恒方程，它是描述地下水流運(yùn)動(dòng)速度的實(shí)驗(yàn)定律[23]. 具體表達(dá)式為:

(3)

式中，q為交換通量(m/d)，K為滲透系數(shù)(m/d)，dh/dl表示水力梯度(無(wú)量綱).

在本研究中，水力梯度根據(jù)修水或碟形湖到地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)的中心位置(dl)來(lái)進(jìn)行近似估算. 對(duì)于滲透系數(shù)，文中通過(guò)野外現(xiàn)場(chǎng)豎管法來(lái)進(jìn)行測(cè)定，該方法已在美國(guó)和國(guó)內(nèi)不同地區(qū)得到頗為廣泛的應(yīng)用. 在研究區(qū)的河流和湖泊水體附近，垂直于河流和湖泊，共設(shè)計(jì)2組實(shí)驗(yàn)，6個(gè)豎管，將直徑5 cm的PVC管子垂直打入沉積物一定深度(管中沉積物深度大約為50～60 cm)，然后向管中一次性注水，因?yàn)楣苤兴^高于周邊河湖水位，PVC管內(nèi)水頭開(kāi)始自然下降，通過(guò)記錄不同時(shí)刻管內(nèi)的水頭下降值，計(jì)算相應(yīng)的滲透系數(shù)(如圖4現(xiàn)場(chǎng)照片所示)，具體原理和計(jì)算方法請(qǐng)參照Chen的方法[24]. 基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和計(jì)算，獲取多個(gè)點(diǎn)位滲透系數(shù)的取值變化為2.3×10-6～7.1×10-3m/s. 結(jié)合圖3和表1結(jié)果的輔助分析，可認(rèn)為碟形湖濕地沉積物在15 m深度內(nèi)近似呈均質(zhì)分布，豎管法的試驗(yàn)結(jié)果可用來(lái)綜合反映研究區(qū)的滲透系數(shù)，由此估計(jì)細(xì)粉砂和黏土組成的湖床沉積物的平均滲透系數(shù)為2.5×10-6m/s，砂礫和礫石組成的河床沉積物的平均滲透系數(shù)為6.0×10-3m/s，表明碟形湖的湖床滲透性能要明顯弱于河床.

圖4 野外現(xiàn)場(chǎng)豎管法測(cè)定研究區(qū)沉積物滲透系數(shù)Fig.4 Field measurement of the hydraulic conductivity in the study area using straight and l-shaped standpipes

3 結(jié)果與分析

3.1 地表-地下水文特征與過(guò)程分析

圖5反映了碟形湖濕地洲灘地下水和主要地表水體的水位動(dòng)態(tài)變化過(guò)程. 可以發(fā)現(xiàn)，地下水位與河流水位、碟形湖水位具有相似的年內(nèi)動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，但河流水文變化對(duì)洲灘地下水位的影響要更為顯著(P<0.05). 這是由于河流為其鄰近的碟形湖濕地提供了能量和脈沖的輸入，很大程度上增強(qiáng)了地下水的動(dòng)力學(xué)進(jìn)程[18]. 一般來(lái)說(shuō)，在春季較為濕潤(rùn)的月份，受降雨量增加的影響，地下水位和河流水位迅速上升，進(jìn)入夏季，由于受到不斷增強(qiáng)的地表水文連通性影響，地下水、河流和碟形湖的水位變化幾乎保持同步，水位高程基本介于15～19 m之間(圖5灰色虛線(xiàn)之間)，可以推測(cè)地下水與地表水之間很有可能存在著季節(jié)性水力聯(lián)系. 在秋、冬季節(jié)，雖然碟形湖的水位變化幅度相對(duì)較小(<0.4 m)，但地下水位與河流水位均呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì). 換句話(huà)說(shuō)，同碟形湖水位變化相比，河流水位與大多數(shù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)地下水位的下降速度更快(例如9月). 需要說(shuō)明的是，在秋、冬季節(jié)的某些時(shí)段，觀測(cè)到地下水位迅速上漲且變幅可達(dá)3 m(圖5黑色線(xiàn)框所示)，這是因?yàn)樵跊](méi)有特大降雨事件的正常氣候變化條件下(圖2)，河道上游水庫(kù)泄水等人為因素很有可能導(dǎo)致了修水流量的急劇增加，進(jìn)而影響了周邊濕地系統(tǒng)的地下水文情勢(shì). 僅從水文變化規(guī)律來(lái)看，洲灘地下水位明顯低于碟形湖水位，但總體上略高于修河水位.

為捕捉研究區(qū)地下水運(yùn)動(dòng)的一般特征，本文通過(guò)水位差(代替水力梯度)來(lái)評(píng)估碟形湖濕地系統(tǒng)地表-地下水之間的水力交互關(guān)系. 結(jié)合圖4可知，地表水和地下水在秋、冬季，兩者之間的水位差可達(dá)4 m，可見(jiàn)地下水與碟形湖、河流等地表水體之間存在很大程度上的水力交互作用. 通過(guò)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)水位高程的比較可得，區(qū)域地下水流向在河流-洲灘濕地-碟形湖系統(tǒng)是高度動(dòng)態(tài)、尤為復(fù)雜的. 絕大多數(shù)時(shí)期，碟形湖水位高于地下水位，表明碟形湖很有可能補(bǔ)給洲灘濕地的地下水，因水力梯度作用，地下水總體上向鄰近河流進(jìn)行排泄(圖5).

圖5 2016-2017年鄱陽(yáng)湖典型洪泛濕地系統(tǒng)地表水位和地下水位變化過(guò)程Fig.5 Water level time series for surface water and groundwater in the Lake Poyang floodplain wetland from 2016 to 2017

3.2 地表-地下水交互關(guān)系與響應(yīng)分析

為進(jìn)一步探究研究區(qū)地表-地下水之間的交互關(guān)系，圖6基于統(tǒng)計(jì)分析來(lái)解析蚌湖、沙湖、河流等地表水體與洲灘地下水的水力聯(lián)系. 線(xiàn)性擬合結(jié)果表明，洲灘地下水位與蚌湖水位(BW；R2=0.68～0.89)的相關(guān)性要高于其與沙湖水位的相關(guān)性(SW；R2=0.39～0.72). 與碟形湖相比，洲灘地下水位(GW1～GW6)與修水水位(RW)的統(tǒng)計(jì)學(xué)關(guān)系更為密切，相關(guān)系數(shù)R2為0.93～0.98(圖6). 由此表明，洪泛區(qū)的河流水文情勢(shì)對(duì)洲灘地下水系統(tǒng)起著更為重要的影響作用. 互相關(guān)分析結(jié)果表明，大部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地下水位與河流水位的互相關(guān)系數(shù)R2在0.97～0.99之間(GW3除外)，滯后或響應(yīng)時(shí)間基本小于2 d，然而所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地下水位與碟形湖水位之間的互相關(guān)系數(shù)R2小于0.5，表明兩者相關(guān)性較弱，且存在著非常緩慢的時(shí)間響應(yīng)(圖7). 總結(jié)得出，河流水文情勢(shì)是控制洪泛濕地及其地下水系統(tǒng)的主要因素，這與圖6所得結(jié)論基本一致. 上述發(fā)現(xiàn)的主要原因可歸結(jié)為如下兩方面：一方面，因自身地形地貌特點(diǎn)，造成了碟形湖、地下水、河水之間的水位差異，這也完全符合地形變化對(duì)地下水運(yùn)動(dòng)的主要影響這一普遍認(rèn)可結(jié)論；另一方面，對(duì)于鄱陽(yáng)湖洪泛濕地系統(tǒng)，因碟形湖底部的弱透水性阻滯了其與地下水之間的水力交互，河流作為研究區(qū)的一個(gè)重要驅(qū)動(dòng)力和強(qiáng)滲透性在促進(jìn)地下水系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)方面發(fā)揮了強(qiáng)大的脈沖作用.

圖6 研究區(qū)地下水位(a～f)和地表水位(BW、SW和RW)的擬合關(guān)系分析Fig.6 Fitting analysis for (a-f) groundwater and surface water levels of BW, SW and RW with the 1∶1 line and the correlation coefficient R2

圖7 研究區(qū)地下水位(a～f)和地表水位(BW、SW和RW)的互相關(guān)分析 (互相關(guān)系數(shù)的最大值對(duì)應(yīng)于響應(yīng)時(shí)間)Fig.7 Cross-correlation function for (a-f) wetland groundwater level responses to the water level of BW, SW and RW (the maximum cross-correlation coefficient corresponds to the time lag)

3.3 地表-地下水交換通量估算與動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)化

圖8呈現(xiàn)了基于達(dá)西定律估算的碟形湖濕地系統(tǒng)地表水與地下水之間的交換通量動(dòng)態(tài)變化. 一般來(lái)說(shuō)，河流、碟形湖與洲灘地下水之間相互作用的交換通量主要取決于水力梯度變化和地質(zhì)條件差異(圖8a). 從日尺度變化過(guò)程來(lái)看，修水河流-地下水之間的日交換通量呈高度動(dòng)態(tài)的變化特征，然而碟形湖-地下水之間的日交換通量變化則相對(duì)平穩(wěn). 總體上，該系統(tǒng)的地表-地下水日交換通量在1-4月和9-12月的波動(dòng)較為明顯，尤其是每年的9-10月，修水河流明顯受到洲灘地下水的補(bǔ)給(RW-GW；正值)，且兩者之間側(cè)向交換通量較大，最大補(bǔ)給強(qiáng)度可達(dá)0.4 m/d(圖8b). 在年內(nèi)5-8月份，本次估算結(jié)果得出地表-地下水之間的交換通量在0 m/d附近波動(dòng)(圖8b)，這是由于碟形湖濕地被湖水淹沒(méi)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)近3個(gè)月之久，碟形湖濕地的地下水系統(tǒng)近似呈飽和狀態(tài)，加上長(zhǎng)江高洪水位的頂托作用，該時(shí)期湖水和地下水流均受到嚴(yán)重阻滯作用而體現(xiàn)出流動(dòng)性較差[17,19]，可推測(cè)該時(shí)期地表-地下水之間的總體交互作用比較微弱. 在3-4月期間，觀察到修水河流補(bǔ)給地下水的情況發(fā)生，但補(bǔ)給通量基本小于0.2 m/d. 此外，兩個(gè)碟形湖與地下水之間(BW-GW和SW-GW)交換通量呈現(xiàn)年內(nèi)高度一致的變化態(tài)勢(shì)，主要體現(xiàn)在碟形湖補(bǔ)給洲灘地下水系統(tǒng)，交換通量約小于0.1 m/d.

圖8 碟形湖濕地系統(tǒng)概念示意圖(a)和地表-地下水交換通量的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)化(b～c)Fig.8 Conceptual diagram of the seasonal lake-wetland system (a) and estimated Darcy flux rate using the surface water levels (BW, SW and RW) and groundwater levels (averaged over GW1-GW6) (b-c)

由圖8c可見(jiàn)，蚌湖-地下水(BW-GW)、沙湖-地下水(SW-GW)、河流-地下水(RW-GW)之間的年累積交換通量分別為7.5、12.6和48.2 m/a，其中河流-地下水的累積交換通量分別約是蚌湖-地下水和沙湖-地下水的7倍和4倍，進(jìn)一步證實(shí)了河流水文情勢(shì)對(duì)洪泛區(qū)系統(tǒng)的重要影響作用. 除了可見(jiàn)河流-地下水累積交換通量(SW-GW)明顯大于碟形湖-地下水之外(BW-GW和SW-GW)，還發(fā)現(xiàn)秋、冬季的累積交換通量明顯大于春、夏季，取決于季節(jié)條件變化下地表和地下水文情勢(shì)的動(dòng)態(tài)與差異.

3.4 討論與展望

地表-地下水之間的聯(lián)系與轉(zhuǎn)化在洪泛區(qū)濕地系統(tǒng)中表現(xiàn)得動(dòng)態(tài)且復(fù)雜，兩者通過(guò)水力交互作用進(jìn)入濕地系統(tǒng)，但水流總體上運(yùn)動(dòng)緩慢，滯留時(shí)間較長(zhǎng)，這對(duì)濕地生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程起著十分重要的影響[25]. 鄱陽(yáng)湖正面臨著氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)的雙重干擾，例如湖區(qū)水資源利用和大壩、水庫(kù)的建設(shè)運(yùn)行等，加上湖水-地下水之間的頻繁水力交互，這些因素均會(huì)對(duì)濕地系統(tǒng)的地表-地下水相互作用帶來(lái)顯著影響[4,26]. 以本文碟形湖濕地附近的修水河流為例，由于距離研究區(qū)約8 km的上游水閘的人工調(diào)控，使得修水河流水位遭受了明顯的擾動(dòng)，改變了河流與周邊濕地之間的水力梯度，無(wú)疑會(huì)促進(jìn)河流-地下水之間的交互作用與動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)化. 值得一提的是，為了緩解湖區(qū)枯水與干旱問(wèn)題，江西省擬在鄱陽(yáng)湖入江水道處建設(shè)鄱陽(yáng)湖水利樞紐工程[27]. 鄱陽(yáng)湖擬建水利樞紐的利弊和博弈已持續(xù)多年，總體上，水利樞紐將抬高鄱陽(yáng)湖低枯水位，可短時(shí)間內(nèi)有效緩解湖區(qū)干旱缺水問(wèn)題. 但水利樞紐的建設(shè)，無(wú)疑在很大程度上擾動(dòng)了湖泊水文水動(dòng)力條件，會(huì)導(dǎo)致不同湖域水深、流速和溫度變化[19]. 水動(dòng)力要素的改變無(wú)疑會(huì)干擾碟形湖濕地系統(tǒng)內(nèi)的地表-地下水相互作用，從而影響濕地生態(tài)系統(tǒng)的健康維系. 近10年，由于氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)的影響，鄱陽(yáng)湖低水位頻現(xiàn)[28]. 在未來(lái)變化氣候條件下，鄱陽(yáng)湖水位很有可能呈現(xiàn)“洪季偏洪，枯季偏枯”的變化趨勢(shì)[29]，可能會(huì)對(duì)地表-地下水之間的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)化以及水環(huán)境質(zhì)量等產(chǎn)生不可估計(jì)的影響. 結(jié)合本文研究結(jié)果，不管是氣候變化還是強(qiáng)人類(lèi)活動(dòng)的干擾，建議應(yīng)加強(qiáng)對(duì)秋、冬季濕地地下水位監(jiān)測(cè)與評(píng)估，比如江湖關(guān)系變化對(duì)鄱陽(yáng)湖濕地系統(tǒng)地下水的影響方式與程度？擬建水利樞紐工程到底對(duì)地下水系統(tǒng)帶來(lái)多大影響或貢獻(xiàn)？未來(lái)氣候變化是否會(huì)進(jìn)一步加劇地下水資源量的轉(zhuǎn)化？這些變化環(huán)境下的地下水問(wèn)題對(duì)生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)多大影響與反饋？目前這方面研究幾乎屬于空白，理論和實(shí)踐上均未獲得足夠重視.

對(duì)于濕地系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)外在地表-地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系以及交換量等方面取得了大量研究成果. 例如，Ludwig和Hession[30]通過(guò)基礎(chǔ)觀測(cè)數(shù)據(jù)探明了河流水情變化對(duì)Chesapeake洪泛濕地系統(tǒng)地下水具有主控作用，研究發(fā)現(xiàn)季節(jié)性地下水位變化對(duì)濕地演化等具有不可忽視的影響. Rahman等[31]采用SWATrw模型探討了印度/孟加拉國(guó)Barak-Kushiyara洪泛濕地地表-地下水之間的交互作用，發(fā)現(xiàn)河流水文對(duì)地下水的補(bǔ)給以及濕地水量的維持起主要作用. Whittecar等[32]以地下水補(bǔ)給涵養(yǎng)的美國(guó)弗吉尼亞濕地為研究區(qū)，基于水量平衡方法估算了地下水對(duì)濕地的補(bǔ)給量，認(rèn)為地下水位波動(dòng)對(duì)濕地系統(tǒng)水均衡變化具有重要影響. 雖然上述濕地系統(tǒng)與鄱陽(yáng)湖洪泛濕地存在諸多差異，但均得出了季節(jié)性河湖水文情勢(shì)是導(dǎo)致濕地地下水變化的主要作用因素. 雖然碟形湖是本文研究區(qū)內(nèi)的重要水體，考慮到碟形湖水位不僅受到河流來(lái)水影響，其自身變化也相對(duì)穩(wěn)定，加上湖床的弱滲透性，其對(duì)周邊地下水系統(tǒng)的貢獻(xiàn)度可能有限. 根據(jù)濕地地表-地下水之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系以及飽和-非飽和流理論，Jolly等[33]定義了非飽和流-補(bǔ)給型濕地、飽和流-補(bǔ)給型濕地、飽和流-排泄型濕地以及飽和流-貫穿型濕地. 例如，美國(guó)North Dakota濕地自然條件下為貫穿型濕地，干旱則導(dǎo)致濕地持續(xù)補(bǔ)給周邊地下水，接受集中降水后則轉(zhuǎn)變?yōu)榕判剐蜐竦豙34]. 結(jié)合本文研究，補(bǔ)給和排泄仍是鄱陽(yáng)湖濕地的主要轉(zhuǎn)化方式，但補(bǔ)排強(qiáng)度存在明顯差異，后續(xù)還應(yīng)加強(qiáng)非飽和流的監(jiān)測(cè)與評(píng)估.

本文利用碟形湖濕地有限監(jiān)測(cè)點(diǎn)位開(kāi)展了地表-地下水交互作用研究，目前的濕地觀測(cè)僅限于洲灘濕地的淺層地下水，深層地下水的流動(dòng)也會(huì)對(duì)濕地系統(tǒng)的水文過(guò)程帶來(lái)難以想象的影響，但詳盡的地下水監(jiān)測(cè)與分析也極具挑戰(zhàn)性. 下一步工作需要充分利用目前已有基礎(chǔ)觀測(cè)資料，構(gòu)建洪泛濕地的地表-地下水聯(lián)合模型，提升對(duì)地表-地下水轉(zhuǎn)化機(jī)理與動(dòng)力學(xué)機(jī)制的認(rèn)識(shí)，并以此耦合濕地生態(tài)模型，真正意義上探求濕地生態(tài)水文的互饋?zhàn)饔门c效應(yīng). 本文實(shí)際上是針對(duì)碟形湖濕地系統(tǒng)的地表-地下水交換的側(cè)向通量加以分析，并沒(méi)有考慮兩者之間的垂向聯(lián)系與交互作用. 通過(guò)地表水體及其底層沉積物的溫度示蹤為垂直通量的合理估算提供了一種有效技術(shù)方法[5]. 本研究涉及的碟形湖濕地系統(tǒng)，蚌湖、沙湖和修水等主要地表水體溫度變化范圍為-3～32℃，地下水溫度變化范圍為14～19.8℃(圖9a)，不難發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于地表水體，地下水的溫度變化要相對(duì)穩(wěn)定，且與地表水體溫度存在較大的季節(jié)性差異. 然而，上述觀測(cè)井中的地下水溫度還無(wú)法用來(lái)準(zhǔn)確反映湖床/河床沉積物的真實(shí)溫度(圖9b). 因此，后續(xù)工作可以考慮采用溫度示蹤法開(kāi)展鄱陽(yáng)湖洪泛系統(tǒng)中地表-地下水垂向交換通量研究. 總之，未來(lái)可結(jié)合野外觀測(cè)、數(shù)學(xué)模型和示蹤等技術(shù)手段，依托多方法耦合的定量研究，從當(dāng)前的局地尺度拓展到整個(gè)湖區(qū)，深入分析鄱陽(yáng)湖洪泛區(qū)濕地的地表-地下水轉(zhuǎn)化問(wèn)題.

圖9 碟形湖濕地系統(tǒng)地表-地下水溫度變化序列(a)和基于溫度序列的示蹤原理(b)Fig.9 Water temperature time series for surface water and groundwater in the Lake Poyang floodplain wetland during the study period (a) and basic theory for the thermal tracer method (b)

4 結(jié)論

鄱陽(yáng)湖洪泛區(qū)濕地具有很強(qiáng)的地表和地下蓄水能力，地表-地下水交互研究對(duì)湖泊濕地水文和生態(tài)功能具有切實(shí)意義. 本文鑒于鄱陽(yáng)湖洪泛區(qū)濕地的重要性以及地下水研究的相對(duì)薄弱性，主要利用原位綜合觀測(cè)、野外試驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)分析和達(dá)西定律等技術(shù)方法，探究鄱陽(yáng)湖洪泛區(qū)碟形湖濕地系統(tǒng)的地表-地下水文特征、交互作用及其轉(zhuǎn)化通量. 結(jié)果表明，受鄱陽(yáng)湖地形地貌等條件影響，研究區(qū)洲灘地下水位明顯低于碟形湖水位，但總體上略高于周邊河流水位，但洲灘地下水與河流、碟形湖等地表水體具有相似的水位變化動(dòng)態(tài)，表明地表水和地下水之間可能具有密切的水力聯(lián)系. 統(tǒng)計(jì)分析進(jìn)一步表明，在控制洪泛洲灘地下水動(dòng)態(tài)方面，河流水文情勢(shì)變化對(duì)地下水系統(tǒng)的影響作用要明顯強(qiáng)于碟形湖. 平均意義上，研究區(qū)洲灘地下水對(duì)河流的補(bǔ)給通量及河流對(duì)地下水的補(bǔ)給通量分別約為0.4和0.2 m/d，總體上碟形湖補(bǔ)給周邊地下水系統(tǒng)，且兩者之間的交換通量基本小于0.1 m/d. 在季節(jié)尺度上，研究區(qū)地表-地下水之間的年累積交換通量變化范圍為7.5～48.2 m/a，河流-地下水的累積交換通量約是碟形湖-地下水交換通量的4～7倍，秋、冬季的累積交換通量要明顯大于春、夏季. 研究結(jié)果可為河湖濕地水資源管理、水環(huán)境治理及生態(tài)環(huán)境保護(hù)等方面提供科學(xué)支撐.

致謝：文中地下水位資料主要來(lái)自中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所張奇研究員團(tuán)隊(duì)在吳城國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，特此致謝.