黃河流域內(nèi)地表水與地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系分析

羅新燕

(內(nèi)蒙古自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

0 引言

黃河流域是中華文明重要的發(fā)源地之一，在保障區(qū)域內(nèi)生物多樣性、聯(lián)系水系、凈化水質(zhì)及維持生態(tài)平衡方面發(fā)揮了重要作用[1-3]。隨著現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展及上游生態(tài)破壞的加劇造成流域內(nèi)地下水位持續(xù)降低，水資源短缺及區(qū)域內(nèi)水循環(huán)和水功能受阻。地下水和地表水是水資源不同層次的存儲(chǔ)方式，兩者之間相互轉(zhuǎn)化對(duì)水資源的持續(xù)發(fā)展有積極促進(jìn)作用，因此有必要對(duì)地表水與地下水的轉(zhuǎn)化條件進(jìn)行分析，為黃河流域水資源治理提供參考[4-8]。針對(duì)地表水與地下水的關(guān)系，王化齊等[9]分析了水資源開(kāi)發(fā)與國(guó)土環(huán)境的關(guān)系，提出了地表水補(bǔ)給地下水的方式；陳能汪等[10]利用元素標(biāo)記法分析了九江流域內(nèi)地表污染物向地層轉(zhuǎn)化的機(jī)制；閆雅妮等[11]利用實(shí)驗(yàn)的方法通過(guò)分析硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)移規(guī)律研究了地表水與地下水的轉(zhuǎn)化關(guān)系。

本文選取黃河內(nèi)蒙古流域五原縣至準(zhǔn)格爾旗流速較緩區(qū)間為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)該區(qū)段的研究能有效對(duì)內(nèi)蒙古境內(nèi)黃河水與地下水的轉(zhuǎn)化關(guān)系作出評(píng)估，對(duì)區(qū)域內(nèi)黃河水治理具有參考價(jià)值。

1 研究區(qū)地層巖性

本文選取了黃河內(nèi)蒙古境內(nèi)部分區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，流域范圍始于巴彥淖爾市五原縣終于鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗，流域內(nèi)長(zhǎng)度約350 km(圖1)。

地層巖性對(duì)流域內(nèi)地下水和地表水的轉(zhuǎn)換有直接影響，在滲透力作用下，流域內(nèi)水流會(huì)從水頭高的巖層流入水頭低的巖層，因此區(qū)域內(nèi)巖性對(duì)水系轉(zhuǎn)換有直接影響。

研究區(qū)出露地層自下而上依次如下：

下更新統(tǒng)：分布于第四沉積中下部，距離地表70～120 m，該層厚度在50～80 m之間，該地層主要是透水性較好的灰色及部分灰褐色砂礫石、粗砂，部分區(qū)段內(nèi)黏土含量較大。礫石成分以碳酸鹽類火山石及石英為主，大多呈圓礫狀，粗砂粒徑在3～6 mm之間。

中更新統(tǒng)：分布于地面下10～20 m之間，厚度介于40～80 m之間，主要由灰色、淺灰色、褐色粉細(xì)砂、粗砂砂礫石及砂卵石組成，巖層礦物質(zhì)主要以親水性較強(qiáng)的蒙脫石伊利石為主，砂卵石以酸性火山巖礦物質(zhì)為主。

全新統(tǒng)：由地面至深度20 m范圍內(nèi)，主要為黃色、黃褐色沖擊層粉質(zhì)黏土為主，該地層透水性較差，具有較強(qiáng)的親水能力，是河床沖擊形成的軟弱地層。

2 樣品采集及分析方法

2.1 樣品采集

本文采用同位素標(biāo)定的方法，通過(guò)檢測(cè)標(biāo)定的同位素元素在流域內(nèi)的行動(dòng)軌跡而進(jìn)一步判別地下水與地表水的流向。該方法廣泛用于元素追蹤中，利用相同元素的不同特征找到其運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)一步分析地表水和地下水的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

為了消除實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的誤差，地表水采集前要用目標(biāo)區(qū)域河水對(duì)采樣容器進(jìn)行沖洗至少3次，直至玻璃容器內(nèi)壁出現(xiàn)掛珠為止[12-14]，采樣過(guò)程中要將容器深入到河水表面一定深度以避免表面含雜質(zhì)較多的水污染樣本，采樣完成后要及時(shí)對(duì)樣本密封[15-17]。地下水采集采用管井抽取樣品法，采集前先排水10 min，直至抽取的水源清澈肉眼觀測(cè)無(wú)雜物為準(zhǔn)。

同位素標(biāo)定與測(cè)試采用質(zhì)譜法[18]。

2.2 分析方法

本文采用穩(wěn)定同位素特征分析方法，通過(guò)測(cè)量樣品中同位素比值與標(biāo)準(zhǔn)品間的數(shù)學(xué)關(guān)系[14]，其計(jì)算見(jiàn)公式(1)：

(1)

式中：R1/R2為樣品和標(biāo)準(zhǔn)品間δ18O/δ16O比率。

為了研究黃河水在地表及地下的空間時(shí)間轉(zhuǎn)化關(guān)系，本文選取了2019年5月、8月及10月三個(gè)節(jié)點(diǎn)作為流域內(nèi)枯水期、豐水期和平水期三個(gè)時(shí)期的典型代表對(duì)流域內(nèi)水力條件進(jìn)行了調(diào)查取樣分析，采樣點(diǎn)平面位置見(jiàn)圖2，為了便于研究，將采樣點(diǎn)按照所在位置進(jìn)行編號(hào)，樣品數(shù)量見(jiàn)表1。

圖2 采點(diǎn)布置Fig.2 The layout map of water sample collection1—剖面 2—地下水樣點(diǎn) 3—地表水樣點(diǎn) 4—江河 5—研究區(qū)邊界

表1 樣品采集數(shù)量Table 1 List of sample quantity

3 結(jié)果分析

根據(jù)以上計(jì)算方法和采樣方法，得到了2019年5月枯水期黃河流域內(nèi)水樣δ18O及δD的值域分別為-10.65‰～-12.73‰和-79.32‰～-97.03‰，其沿程變化曲線見(jiàn)圖3。由圖3可見(jiàn)，隨著測(cè)點(diǎn)與河源距離增加，δ18O及δD的變化曲線趨于一致，都是隨著距離的增加呈現(xiàn)先富集最后擴(kuò)散降低的趨勢(shì)。

圖3 枯水期δ18O及δD變化曲線

圖4為2019年8月豐水期δ18O及δD變化曲線，由圖4可見(jiàn)，兩者值域分別為-8.37‰～-10.55‰與-69.18‰～-79.35‰，流域內(nèi)南北兩岸呈現(xiàn)一定的差異性，隨著距離的增加兩者呈現(xiàn)先富集后擴(kuò)散的趨勢(shì)。

圖4 豐水期δ18O及δD變化曲線Fig.4 δ18O and δD variation curve during wet season period

圖5為2019年10月平水期δ18O及δD變化曲線，由圖5可見(jiàn)，δ18O及δD的變化范圍分別在-11.37‰～-9.65‰與-86.44‰～-76.61‰之間，且隨著距離的增加呈現(xiàn)先擴(kuò)散后富集最后又?jǐn)U散的態(tài)勢(shì)。

圖5 平水期δ18O及δD變化曲線Fig.5 δ18O and δD variation curve during normal water period

按照2019年10月(平水期)測(cè)量結(jié)果，通過(guò)式(1)計(jì)算得到地下水和地表水 δD - δ18O 關(guān)系曲線(圖6)，將地表水和地表水進(jìn)行回歸分析，得到地下水和地表水的回歸直線，兩條直線的斜率小于大氣降水線，說(shuō)明地下水受蒸發(fā)作用影響較小，地表水受蒸發(fā)作用影響較大，兩者斜率相近表明黃河水的地表和地下部分聯(lián)系緊密。

圖6 δD - δ18O關(guān)系曲線Fig.6 δD - δ18O relation curve

圖7 剖面離子變化Fig.7 Ion variation in the profile

從以上同位素分析及河流剖面離子分析中可以發(fā)現(xiàn)，黃河流域內(nèi)主要是地表水補(bǔ)給地下水。

4 數(shù)值模擬分析

本文利用VB計(jì)算機(jī)語(yǔ)言建立了黃河水不同條件下地表水與地下水的相互轉(zhuǎn)化數(shù)學(xué)模型，將滲流邊界條件離散化，利用連續(xù)函數(shù)在區(qū)域內(nèi)不間斷的特點(diǎn)用函數(shù)曲線模擬不同高度水頭[18]，模型計(jì)算流程見(jiàn)圖8。

按照?qǐng)D8所示的轉(zhuǎn)化流程，首先建立了計(jì)算單元，該單元共包含241個(gè)單元和152個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)，將沉陷區(qū)域離散為互相聯(lián)系的小區(qū)域，各區(qū)域間水力條件通過(guò)勢(shì)函數(shù)形成連續(xù)變化的整體。

圖8 地表水與地下水的相互轉(zhuǎn)化流程Fig.8 Mutual transformation process of surface water and groundwater

圖9為豐水期地下水流場(chǎng)，流域內(nèi)面積6.128 21 km2。由圖9可見(jiàn)，研究區(qū)域內(nèi)中間位置處水壓較高，壓力水頭達(dá)到19.23 m，隨著區(qū)域半徑的擴(kuò)大，水壓力逐漸降低，壓力等勢(shì)線在中心附近降低緩慢，在模擬區(qū)域的邊緣，壓力等勢(shì)線降低迅速，直至出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)域，其壓力水頭為-2.15 m，水流由高壓向低壓方向流動(dòng)，水流量Qk=0.009 321 m3/d。因此地下水通過(guò)壓力作用在地層間運(yùn)動(dòng)，其壓力梯度在水源附近較小在遠(yuǎn)離水源處較大。

圖9 豐水期地下水流場(chǎng)Fig.9 Groundwater flow field in wet season period

通過(guò)數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，表明數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)論

黃河流域是我國(guó)重要的生態(tài)屏障和文明搖籃，研究黃河水在不同條件下地表與地下水力轉(zhuǎn)化對(duì)保護(hù)黃河生態(tài)加強(qiáng)水域治理具有重要意義。本文在分析了黃河流域某區(qū)段地層結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上采用穩(wěn)定同位素特征分析方法及剖面法分析了流域內(nèi)三維滲流方向，最后通過(guò)VB計(jì)算機(jī)語(yǔ)言對(duì)流域內(nèi)進(jìn)行了離散元數(shù)值模擬分析，主要得出了以下結(jié)論：

1)隨著距離河源距離的增加同位素δ18O及δD沿程含量逐漸降低，通過(guò)地表水和地下水兩者的回歸曲線分析可知，黃河沿岸研究段落中的九原區(qū)至清水河段地表水是地下水的主要補(bǔ)給來(lái)源。

2)地下水中陽(yáng)離子Na+含量高于地表水，表明地表水對(duì)地下水有補(bǔ)給作用。

3)數(shù)值模擬結(jié)果表明地表水轉(zhuǎn)化為地下水，流量Qk=0.009 321 m3/d與監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了模擬的準(zhǔn)確性。