太子河遼陽(yáng)至小林子段地下水與地表水相互轉(zhuǎn)化研究

趙博

（遼寧江河水利水電新技術(shù)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧沈陽(yáng)110003）

評(píng)價(jià)地表水—地下水相互轉(zhuǎn)化的常規(guī)方法有：直接測(cè)量法，在實(shí)際應(yīng)用中獲得面尺度上的數(shù)據(jù)較為困難[1,2]；溫度示蹤法，依賴(lài)地表水和地下水之間溫度明顯的差異[3]；地下水均衡法、水力梯度算法、數(shù)值模擬法等基于達(dá)西定律的方法，其數(shù)值可在不同的數(shù)量級(jí)上變化[4，5]；人工示蹤、水化學(xué)與同位素示蹤等基于質(zhì)量平衡的示蹤法，只能得到半定量的結(jié)果，難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，在地表水—地下水非單向交換的地段一次數(shù)據(jù)難以準(zhǔn)確描述轉(zhuǎn)化過(guò)程[1,6]。由此可見(jiàn)，以上4 種方法都有局限性，在計(jì)算時(shí)存在諸多不確定性。下文使用基于地表水均衡原理的累積轉(zhuǎn)化量法，研究太子河窩水庫(kù)下游的山前平原河段的地表水—地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系。該方法不受同位素、溫度等測(cè)量數(shù)據(jù)限制，以日為單位進(jìn)行累計(jì)計(jì)算，且所需的日尺度觀測(cè)數(shù)據(jù)在地下水觀測(cè)站較易獲得，計(jì)算更精確。

1 累積轉(zhuǎn)化量法原理

累積轉(zhuǎn)化量法基于地表水均衡原理，對(duì)于某一特定的河段，水量變化量（補(bǔ)拍差）可用上下游的流量差表示，水均衡方程：

式中：Q補(bǔ)，Q排——河段各項(xiàng)補(bǔ)給或排泄量；Q上，Q下——河段上或下游流量。

將補(bǔ)給和排泄量進(jìn)行細(xì)化，可得到普遍情況下的水均衡方程：

式中：Q支——支流流量；Q降——降水對(duì)河段水面的補(bǔ)給量；Q蒸——河段水面的蒸發(fā)量；Q轉(zhuǎn)——河水與地下水之間的轉(zhuǎn)化量；Q引——外部引水量；Q其他——其他河段水量變化，表示河段的補(bǔ)給相為正值，表示河段的排泄相為負(fù)值。

通過(guò)計(jì)算出每日的轉(zhuǎn)化量，進(jìn)而求得任意第n天的累積轉(zhuǎn)化量公式：

2 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于遼寧省東部的太子河流域，流域面積13 883 km2，干流河長(zhǎng)413.0 km，河流年均徑流量37.3×108m3。研究河段位于窩水庫(kù)下游的太子河山前沖洪積平原，遼陽(yáng)站與小林子站之間，河段長(zhǎng)37.7 km，該河段北側(cè)有支流北沙河匯入。研究河段流量數(shù)據(jù)采用遼陽(yáng)站、小林子站的流量控制，北沙河流量由前煙臺(tái)水文站控制。研究河段內(nèi)無(wú)任何取水工程。河段以南為遼陽(yáng)灌區(qū)，種植水稻，灌溉面積67 km2，灌溉用水主要來(lái)自太子河，引水渠首位于遼陽(yáng)東部的鵝房，在遼陽(yáng)站上游；河段以北主要為旱田。沖洪積平原地勢(shì)平坦，含水層為砂礫石，厚40~80 m，滲透系數(shù)可達(dá)70~400 m/d，地下水交替能力強(qiáng)；地表有2~12 m 黃褐色亞粘土，由東至西逐漸變厚。

所用數(shù)據(jù)均為2006—2016 年數(shù)據(jù)，由遼寧省水文局提供。流量數(shù)據(jù)選用遼陽(yáng)站、小林子站與前煙臺(tái)站的日均流量數(shù)據(jù)控制，降水?dāng)?shù)據(jù)為小林子站日降水?dāng)?shù)據(jù)，蒸發(fā)數(shù)據(jù)為小林子站日蒸發(fā)系列數(shù)據(jù)，采用φ20 cm 蒸發(fā)器測(cè)量，由人工觀測(cè)。

3 結(jié)果與討論

3.1 河段年內(nèi)轉(zhuǎn)化量計(jì)算

計(jì)算河水水面蒸發(fā)量時(shí)，需要將φ20 cm 蒸發(fā)器所測(cè)量的蒸發(fā)量（E20）折算成E601 型蒸發(fā)器的蒸發(fā)量，以近似反映天然大水體蒸發(fā)值。折算系數(shù)C的選擇依據(jù)《遼寧省水資源》，如表1 所示。計(jì)算河段2016年累積轉(zhuǎn)化量的計(jì)算結(jié)果如圖1所示。

表1 太子河水面蒸發(fā)量φ 20 cm—E601 型折算系數(shù)表

圖1 研究河段2016 年地下水—地表水累積轉(zhuǎn)化曲線降水及上下游徑流量

3.2 2016 年河段轉(zhuǎn)化量分析

經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，2016 年研究河段河水—地下水累積轉(zhuǎn)化量整體呈上升趨勢(shì)，該河段為地下水對(duì)河水補(bǔ)給。但不同時(shí)段轉(zhuǎn)化情況不同，呈現(xiàn)典型的階段性。根據(jù)累積轉(zhuǎn)化量的變化趨勢(shì)可大致將其劃分為7 個(gè)階段（圖1，表2），其中階段1，6 與7 變化相對(duì)穩(wěn)定，階段2—5 變化劇烈。階段1 為1—4 月，表現(xiàn)為穩(wěn)定的地下水補(bǔ)給河水，上下游流量穩(wěn)定，累積轉(zhuǎn)化量變化穩(wěn)定，該階段可認(rèn)為是自然控制型。階段2 河水流量于4 月29 日陡增（圖1），是上游窩水庫(kù)放水引起。時(shí)段為灌溉初期，在階段上仍表現(xiàn)地下水補(bǔ)給河水，轉(zhuǎn)化率較低，僅為3.6×104m3/d，該階段可認(rèn)為水庫(kù)調(diào)蓄與農(nóng)田灌溉共同作用型。階段3 上游間隙性放水，河水位呈波動(dòng)狀變化且相比階段2 顯著降低；灌溉強(qiáng)度減小，地下水位呈波狀變化并略有上升趨勢(shì)，該階段可認(rèn)為是灌溉作用主要控制型。階段4 水庫(kù)放水量增加，減弱了灌溉引起的地下水對(duì)河水補(bǔ)給強(qiáng)度，轉(zhuǎn)化率減小為26.9×104m3/d，該階段為水庫(kù)調(diào)蓄與農(nóng)田灌溉共同作用型。階段5 與階段3 類(lèi)似，為灌溉作用主要控制型。階段6 上游水庫(kù)不再進(jìn)行大規(guī)模放水，停止灌溉。但灌溉影響依然存在，水位仍高于天然狀態(tài)，該階段可認(rèn)為灌溉滯后作用型。階段7 上下游流量逐漸恢復(fù)為階段1時(shí)的流量，灌溉帶來(lái)的影響基本消失，轉(zhuǎn)化速率為37.6×104m3/d，與階段1 的轉(zhuǎn)化速率接近，可認(rèn)為是自然控制型。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 研究河段河水—地下水轉(zhuǎn)化量計(jì)算結(jié)果

3.3 河段年際轉(zhuǎn)化量分析

如圖2 所示，總體上該河段表現(xiàn)為地下水補(bǔ)給河水，11 年期間總補(bǔ)給量為10.222 億m3，年均補(bǔ)給量為0.929 億m3，各年份轉(zhuǎn)化情況不盡相同。從圖2 可見(jiàn)，僅2007 年和2015 年的地下水—地表水轉(zhuǎn)化模式與 2016 年相一致，即 1—5 月與 10—12 月地下水緩慢補(bǔ)給河水，6—9 月地下水迅速補(bǔ)給河水。而2009—2014 年表現(xiàn)為另一種轉(zhuǎn)化模式，即1—5 月份與 10—12 月份河水補(bǔ)給地下水，6—9 月份地下水補(bǔ)給河水。這與水庫(kù)在枯水期的調(diào)蓄息息相關(guān)，相關(guān)研究表明，太子河流域水庫(kù)建設(shè)（特別是芭水庫(kù)）改變了河流的基流過(guò)程，在減少了汛期基流的同時(shí)，增加了汛前基流（1—5 月與10—12 月）。這使得枯水期河水流量增加，河水位相應(yīng)抬升，而地下水水位由于降水量減少而降低，為河水滲漏補(bǔ)給地下水創(chuàng)造了條件。分別計(jì)算歷年各月的轉(zhuǎn)化量，其箱型圖分布如圖3 所示，可見(jiàn)在多年的尺度上，每年的1—5 月與10—12 月表現(xiàn)為地下水與河水互相轉(zhuǎn)化，具體轉(zhuǎn)化取決于窩水庫(kù)的調(diào)蓄。6—9 月份基本表現(xiàn)為地下水轉(zhuǎn)化為河水，不論水庫(kù)如何調(diào)蓄，灌溉引起的地下水位抬升總能使地下水轉(zhuǎn)化為河水。

圖2 2006—2016 年研究地下水-地表水累積轉(zhuǎn)化曲線與降水關(guān)系

圖3 2006—2016 年研究河段各月份轉(zhuǎn)化量箱型圖

4 結(jié)論

1）運(yùn)用累積轉(zhuǎn)化量法對(duì)太子河沖積平原遼陽(yáng)—小林子河段進(jìn)行研究，并將其河水—地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系劃分為7 個(gè)階段、4 種類(lèi)型（自然控制型、水庫(kù)調(diào)蓄與農(nóng)田灌溉共同作用型、灌溉作用主要控制型、灌溉滯后作用型）。河段天然狀態(tài)下補(bǔ)給量約為34.5×104m3/d，灌溉引起的補(bǔ)給增量可達(dá)（78.0~138.7）×104m3/d，灌溉停止后，其影響可持續(xù)時(shí)間48 d，補(bǔ)給增量為30.3×104m3/d。

2）遼陽(yáng)—小林子段在2006—2016 年總體上為地下水補(bǔ)給河水，補(bǔ)給量為10.222 億m3，年均補(bǔ)給量為0.929 億m3。由于窩水庫(kù)在枯水期的調(diào)蓄作用，使得各年份的轉(zhuǎn)化關(guān)系不盡相同。每年的1—5 月與10—12 月表現(xiàn)為地下水與河水互相轉(zhuǎn)化，具體轉(zhuǎn)化取決于窩水庫(kù)的調(diào)蓄，而6—9月份基本表現(xiàn)為地下水轉(zhuǎn)化為河水。