白洋淀湖岸帶地表水與地下水垂向交換研究

李 剛，馬佰衡，周仰效，趙 凱，尤 冰，李木子，董會軍，李海濤

（1.中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，北京 100081；2.河北省地質(zhì)資源環(huán)境監(jiān)測與保護(hù)重點實驗室，河北 石家莊 050021；3.聯(lián)合國教科文組織荷蘭水資源學(xué)院，荷蘭 德爾福特 2611AX；4.河北省水文工程地質(zhì)勘查院，河北 石家莊 050021）

地表水與地下水之間的交換轉(zhuǎn)化，一直是水文地質(zhì)研究中的熱點，特別是在一些生態(tài)環(huán)境敏感脆弱區(qū)（如濕地），兩者之間的交互作用過程對所依附或承載的生態(tài)環(huán)境具有決定性影響。

自20世紀(jì)90年代以來，國內(nèi)外對河流的地表水-地下水交換轉(zhuǎn)化研究較多，而對水體流動較緩滯的湖泊或濕地研究相對偏少[1]。針對河流的地表水與地下水交換研究主要有：河水和地下水循環(huán)的時空過程[2]、河床下層水量-物質(zhì)-能量交換[3]、不同自然因素和人類活動對河流-含水層水量交換的定量影響評價[4]等。近年來，湖泊中的地表水和地下水作為一個有機(jī)聯(lián)系的整體，它們之間的定量轉(zhuǎn)化關(guān)系也逐漸被更多學(xué)者和政府決策者高度關(guān)注。主要集中在兩個方面：①地表水與地下水的水量交換對湖泊水循環(huán)水平衡的影響；②地表水與地下水的水質(zhì)交換對湖泊鹽分、污染物等遷移轉(zhuǎn)化的作用。

前人研究成果形成了定量研究地表水與地下水交換轉(zhuǎn)化過程的多種方法，主要包括直接測量法、水量平衡法、水動力學(xué)法、溫度示蹤法、水化學(xué)和同位素法、數(shù)值模擬法等。各種方法均有其適用條件和局限性[2,4?9]（表1）。選擇研究方法前，應(yīng)結(jié)合實際問題的時空尺度及方法本身優(yōu)劣勢進(jìn)行取舍或組合。

表1 地表水-地下水交換轉(zhuǎn)化定量研究常用方法Table 1 Methods for quantification of interaction between surface water and groundwater

白洋淀地表水與地下水的交換轉(zhuǎn)化對濕地生態(tài)環(huán)境具有十分重要的作用。目前，白洋淀濕地研究主要集中在生態(tài)需水量、濕地演變驅(qū)動因子、水量及水域面積變化、湖泊水質(zhì)及污染問題、土地類型變化，以及整個白洋淀流域的氣候、水文、跨流域調(diào)水、生態(tài)環(huán)境指標(biāo)、地下水化學(xué)特征等[6,8?12]。針對白洋淀地表水與地下水垂向交換的定量研究很少。本研究采用溫度示蹤法，對白洋淀周邊湖岸帶垂直方向的地表水與地下水交換進(jìn)行量化研究，并結(jié)合達(dá)西定律，對其滲透能力進(jìn)行評估，該研究可為白洋淀濕地生態(tài)環(huán)境修復(fù)和保護(hù)提供基礎(chǔ)科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

白洋淀位于河北雄安新區(qū)，是華北平原最大的淺水型淡水湖泊，歷來享有“華北明珠”的美稱。白洋淀地區(qū)屬暖溫帶季風(fēng)大陸性半濕潤半干旱氣候，春季干旱多風(fēng)、夏季高溫多雨、秋季天高氣爽、冬季寒冷干燥，年平均降水量約500 mm。

白洋淀屬于海河流域大清河水系中游，上游有白溝引河、萍河、瀑河、漕河、府河、唐河、孝義河、潴龍河8條河流匯入，但多數(shù)斷流，僅白溝引河、府河、孝義河常年有水。下游經(jīng)趙王新河?xùn)|流與海河相通（圖1）。濕地四周以堤為界，內(nèi)部縱橫交錯有3 700余條溝壕，分割出143 個大小不等又相互連通的淀泊。

圖1 研究區(qū)示意圖Fig.1 Location of the study area

關(guān)于白洋淀成因眾說紛紜，主要有構(gòu)造、氣候、河流沉積、海侵、人工和隕石撞擊等不同說法[12]。自有記錄以來，白洋淀曾在1982年、1983—1988年、1994年、2001—2003年、2006—2008年發(fā)生干涸。目前，白洋淀除接受降水和少量河水補(bǔ)給外，主要依靠跨流域（南水北調(diào)中線、引黃入冀補(bǔ)淀）及水庫（安各莊、西大洋、王快、岳城）調(diào)水，水位維持在一定范圍。蒸散發(fā)是白洋淀排泄的主要途徑，滲漏次之，河流排泄和灌溉引用很少[13]。分析近兩年區(qū)域地下水位統(tǒng)測數(shù)據(jù)可知，白洋淀地表水與地下水交換轉(zhuǎn)化關(guān)系主要為地表水單向滲漏補(bǔ)給地下水。因此，白洋淀滲漏是影響濕地生態(tài)環(huán)境不可忽視的關(guān)鍵因素，但至今仍缺少直接準(zhǔn)確的定量計算分析。

2 研究方法與數(shù)據(jù)

2.1 溫度示蹤法

在飽和或非飽和水流系統(tǒng)中，垂向一維熱傳導(dǎo)方程可表示為[14]：

式中：ke—有效熱擴(kuò)散率/（m2?s?1）；

T—溫度/℃；

z—垂向深度/m；

vz—垂向流速（向下為正值）/（m?s?1）；

λ—沉積物與流體的體積熱容比值；

t—時間/s。

當(dāng)?shù)叵滤疁囟忍幱诜€(wěn)定態(tài)時，式（1）右邊表達(dá)項為0。結(jié)合邊界條件：T|z=0=T0、T|z=L=TL，求解式（1）得到[15]：

式中：T0—上邊界溫度/℃；

TL—下邊界溫度/℃；

L—上下邊界的垂向距離/m；

cw—流體比熱容/（J?kg?1?℃?1）；

ρw—流體密度/（kg?m?3）；

k—熱傳導(dǎo)系數(shù)/（W?m?1?℃?1）。

將不同深度處溫度的平均值代入式（2），通過調(diào)整β，利用最小二乘法，可獲得最終的β值?；诎籽蟮碇苓叺貙映练e巖性特征，結(jié)合前人研究成果[16?18]，確定式（3）中的相關(guān)參數(shù)：水密度ρw為1 000 kg/m3、比熱容cw為4 180 J/（kg·℃）、熱傳導(dǎo)系數(shù)k為0.6 W/（m·℃）。根據(jù)式（3）計算得到νz。結(jié)合垂向水力梯度，利用達(dá)西定律，反演垂向滲透系數(shù)Kz。

2.2 數(shù)據(jù)獲取

基于前期白洋淀濕地的環(huán)境調(diào)查，在白洋淀四周湖岸帶選取12個位置布設(shè)地下水監(jiān)測站點見圖2（a）。在每個站點，垂直于岸邊的濕地內(nèi)側(cè)部署2 個巢式監(jiān)測孔。一個監(jiān)測孔距離岸邊50 m以內(nèi)（D50），監(jiān)測淺層地下水的3個不同深度；另一個距離岸邊約200 m（D200），監(jiān)測地表水和淺層地下水3個不同深度見圖2（b）。各站點監(jiān)測層埋深均以湖床面為基準(zhǔn)，地下水監(jiān)測層（1#、2#和3#）埋深見表2，地表水監(jiān)測層埋深均為0 m。監(jiān)測設(shè)備采用水位-水溫一體化自動在線傳輸，數(shù)據(jù)采集頻率為1次/h。監(jiān)測時間從2019年8月1日開始。圖3為P8監(jiān)測站點的水位、水溫動態(tài)曲線。

圖2 白洋淀湖岸帶地表水與地下水交換轉(zhuǎn)化監(jiān)測系統(tǒng)Fig.2 Monitoring systems of exchange between surface water and groundwater around the Baiyangdian Lake

表2 地下水監(jiān)測層中心埋深Table 2 Depths of the monitoring layers at different locations

圖3 P8監(jiān)測站點水位、水溫動態(tài)曲線Fig.3 Dynamic curves of the monitored water table and temperature data at monitoring station P8

3 結(jié)果與討論

3.1 垂向交換流速計算

根據(jù)式（1）和式（2）的適用條件要求，篩選溫度基本處于穩(wěn)定態(tài)的時段，計算地表水與地下水垂向交換流速。分析溫度數(shù)據(jù)的動態(tài)變化過程時，選擇方差作為判斷溫度穩(wěn)定的指標(biāo)。監(jiān)測設(shè)備的溫度測量誤差為0.1 °C，因此，當(dāng)溫度方差小于0.01時，判定溫度達(dá)到相對穩(wěn)定態(tài)。溫度方差的時間跨度取3 d。計算采用“最小二乘法”，得到式（2）中的β值后，代入式（3）獲得地表水與地下水垂向交換流速νz（表3）。

表3 穩(wěn)定態(tài)時段垂向交換流速vz計算結(jié)果Table 3 Vertical exchange velocities during steady phases/（cm?d?1）

由表3結(jié)果可知，在距離岸邊約50，200 m的不同位置，垂向交換流速存在一定差異，但均為正值，其變化范圍為0.2～1.1 cm/d。說明圍繞白洋淀湖岸帶不同監(jiān)測站點的垂向水量交換以地表水向下滲漏補(bǔ)給淺層地下水為主。這與王凱霖等[13]分析地下水位統(tǒng)測數(shù)據(jù)得出的結(jié)論“白洋淀地表水單向補(bǔ)給周邊地區(qū)地下水”一致。

3.2 垂向滲透系數(shù)反演

水位監(jiān)測數(shù)據(jù)、監(jiān)測層埋深和計算的垂向交換流速（vz），利用達(dá)西定律反演計算垂向滲透系數(shù)Kz（表4）。由于溫度示蹤法中熱力學(xué)參數(shù)k的取值范圍對于不同的水體沉積物變化較小，常處于一個數(shù)量級之內(nèi)[17]。因此，借助熱傳導(dǎo)系數(shù)k反演得到Kz，能有效降低原位及室內(nèi)試驗獲取Kz的誤差[19]。

表4 垂向滲透系數(shù)Kz計算結(jié)果Table 4 Equivalent vertical coefficient of permeability/（m?d?1）

滲透系數(shù)與地層巖性密切相關(guān)?；谒牡刭|(zhì)鉆探巖心編錄，白洋淀湖岸帶的沉積巖性以粉質(zhì)黏土和粉土為主，夾有粉細(xì)砂?！逗颖钡叵滤穂20]總結(jié)的河北平原淺層（<50 m）松散巖類垂向滲透系數(shù)：亞黏土0.003～0.01 m/d，亞砂土0.01～0.05 m/d，粉砂0.05～0.50 m/d。尹立河等[21?22]研究得到大克泊湖湖床沉積巖性為黏土、粉質(zhì)黏土至粉砂，垂向滲透系數(shù)為0.002～0.011 m/d；乞蓋淖湖湖床沉積巖性主要為粉砂和細(xì)砂，垂向滲透系數(shù)為0.008～0.140 m/d。結(jié)合白洋淀湖岸帶實際地層巖性，表4中的垂向滲透系數(shù)計算結(jié)果（0.038～0.912 m/d）與河北平原淺層松散巖類經(jīng)驗值和沉積巖性相近的天然湖床實測值基本吻合。

白洋淀湖岸帶垂向滲透系數(shù)空間上存在一定差異，但差別在一個數(shù)量級之內(nèi)；白洋淀北部（P1，P2）、西北部（P3）、西南部（P6）、東南部（P8），湖岸帶垂向滲透系數(shù)較大，西部（P5）、東南部（P9、P10）垂向滲透系數(shù)較小?？傮w上看，上游地區(qū)的垂向滲透系數(shù)大于下游地區(qū)。對于同一監(jiān)測站點，距離岸邊約50，200 m的垂向滲透系數(shù)略有差別，但處于同一數(shù)量級。

4 結(jié)論

（1）運(yùn)用溫度示蹤法對白洋淀湖岸帶地表水與地下水垂向交換定量計算，發(fā)現(xiàn)監(jiān)測期內(nèi)湖岸帶“兩水”交換方式以地表水補(bǔ)給地下水為主，垂向交換流速可達(dá)0.2～1.1 cm/d。

（2）建立了聯(lián)合利用水位水溫數(shù)據(jù)間接獲取垂向滲透系數(shù)的方法。白洋淀湖岸帶沉積巖性以粉質(zhì)黏土和粉土為主，局部夾粉砂、細(xì)砂，垂向滲透系數(shù)為0.038～0.912 m/d。垂向滲透系數(shù)存在一定空間差異性，總體呈現(xiàn)出上游地區(qū)略大于下游地區(qū)。在同一監(jiān)測站點，距離湖岸約50，200 m的垂向滲透系數(shù)差別不大，處于同一數(shù)量級。

本文僅針對白洋淀湖岸帶的垂向水量交換進(jìn)行了研究，對于整個白洋淀滲漏的途徑及量化，還需進(jìn)一步借助水均衡分析、同位素示蹤、耦合數(shù)值模擬等其他手段驗證研究。