地表水、地下水相互作用對(duì)不同特征濕地的影響

李大偉

濕地對(duì)整個(gè)水循環(huán)系統(tǒng)具有重要的意義，因?yàn)樗鼈兛刂浦乇硭牧鲃?dòng)下游水質(zhì)。減少地表徑流峰值和改善地表徑流水質(zhì)的能力使?jié)竦爻蔀槠渲嘘P(guān)鍵點(diǎn)的一步。研究人員開發(fā)了復(fù)雜的濕地模型，以便能夠充分模擬濕地動(dòng)態(tài)和濕地營養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸。而且由于本身的特殊性，地表水、地下水的相互作用在濕地中發(fā)揮著重要作用。這些過程顯著影響濕地水文和溶質(zhì)運(yùn)移的動(dòng)態(tài)。因此，重要的是將地表水、地下水相互作用的影響納入濕地模型，并了解其對(duì)具有不同特征的濕地的影響。

已經(jīng)有人研究了濕地和地下水之間的相互作用機(jī)制。彭聰?shù)热嗽敿?xì)討論了地下水與河流、湖泊和濕地之間的相互作用。其地形、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地下水位和氣候?qū)Φ叵滤c溪流、湖泊和濕地相互作用的研究具有重要的意義。徐長君等人利用MODFLOW開發(fā)了一個(gè)計(jì)算機(jī)軟件包，以模擬濕地與含水層的相互作用。許秀麗等人調(diào)查了一個(gè)已建立的河岸濕地系統(tǒng)的水文情況，并觀察到水從濕地滲漏到地下環(huán)境，而該環(huán)境具有當(dāng)?shù)氐叵滤鲃?dòng)系統(tǒng)的特征。符鑫等人通過測量河岸濕地的溪流和地下水中的氮，研究了溪流和濕地的相互作用。

這些研究是通過將地表水、地下水相互作用納入濕地模型，更好地揭示了濕地的非線性動(dòng)態(tài)變化特征。本研究調(diào)查了具有不同濕地特征的地表水、地下水相互作用對(duì)濕地水文的影響。使用WETSAND模型分析了不同濕地參數(shù)值(即坡度、植被密度、橫向和縱向滲透系數(shù))下的表層水深變化。

1.研究方法

濕地溶質(zhì)運(yùn)移動(dòng)力學(xué)（WETSAND）模型有兩個(gè)主要組成部分:濕地水量和濕地水質(zhì)。濕地水量分量利用擴(kuò)散波理論分析濕地場地的坡面流。來自高地地區(qū)的地面流通過濕地區(qū)域流入溪流，形成橫向流入。該模型考慮了降雨、側(cè)向流入和地下水排放作為水源；作為匯水區(qū)的滲透、蒸發(fā)和地下水補(bǔ)給。在不穩(wěn)定降雨期間，滲透率由修正版的Green-Ampt方法計(jì)算，蒸散量由Thornthwaite方法計(jì)算。地表水、地下水相互作用由地下水補(bǔ)給、排出項(xiàng)得出，并使用達(dá)西定律計(jì)算。城市化地區(qū)產(chǎn)生的上游地表徑流通過雨水管理模型進(jìn)行模擬，并作為河流的流入邊界條件納入濕地模型。擴(kuò)散波方程用于計(jì)算水深變化，如下所示：

式中：

y—地表水深（m）；

t—時(shí)間（s）；

x—距離（m）；

c—波速（m/s）；

K1—水力擴(kuò)散系數(shù)（m2/s）；

q’—是水源/匯條件（m/s），是降雨、地下水補(bǔ)給和排泄、側(cè)向流入、滲透和蒸散組成部分的總和。利用公式（2）計(jì)算濕地流量的影響：

式中：

Q—(m3/s)中的流速；

W—濕地寬度(m)；

K—反映植被密度的系數(shù)(m-1h-1)。

濕地水質(zhì)成分使用一維平流-擴(kuò)散-反應(yīng)方程分析濕地區(qū)域總磷和總氮的每種化合物（有機(jī)氮、氨氮和硝酸鹽氮）的濃度。由水量分量計(jì)算的流速用作水質(zhì)分量的輸入。計(jì)算城市區(qū)域產(chǎn)生的氮和磷濃度，并將其用作濕地上游點(diǎn)的邊界條件。地表水、地下水相互作用通過將地下水補(bǔ)給、排放引起的質(zhì)量項(xiàng)納入平流-擴(kuò)散-反應(yīng)方程來考慮。磷和氮濃度的計(jì)算公式如下所示：

總磷量

總氮量

式中：

CTP—總磷濃度（Kg/m3）；

CTN—總氮濃度（Kg/m3）；

Ax—x方向的橫截面積（m2）；

Dx—分散系數(shù)（m2/s）；

qLin—橫向流入量（m2/s）；

—橫向總磷濃度（Kg/m3）；

—橫向總氮濃度（Kg/m3）；

—地下水總磷濃度（Kg/m3）；

—地下水總氮濃度（Kg/m3）；

KTP—總磷還原一級(jí)損失率常數(shù)（1/s）；

KTN—總氮還原一級(jí)損失率常數(shù)（1/s）。

2.研究區(qū)域

研究區(qū)域?yàn)樯綎|省內(nèi)某濕地，涵蓋554.41hm2。這是一個(gè)濕地系統(tǒng)，最近在進(jìn)行濕地流域恢復(fù)。濕地溪流恢復(fù)項(xiàng)目旨在通過重塑河道輪廓和提高水位，通過關(guān)閉部分原來的河道，打開了一個(gè)有更多彎曲的新河床，以增加洪泛區(qū)的水流，并幫助清除營養(yǎng)物質(zhì)和沉積物。除此之外，還有一個(gè)人工大壩，在上游創(chuàng)造了額外的濕地。大壩的表面水位將達(dá)到平均海平面以上89.92m。對(duì)位于濕地各處的20口采樣井的地下水位以及濕地處水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了測量。每兩周進(jìn)行一次地下水位測量，每月在濕地和湖泊以及所有支流進(jìn)行主要營養(yǎng)物質(zhì)(氮、磷和陽離子)的水質(zhì)測量。為了將WETSAND模型應(yīng)用于該場地，濕地場地被離散為6個(gè)山地(U)和10個(gè)濕地(W)部分和6個(gè)溪流(S)部分(如圖1所示)。上游地表徑流通過節(jié)點(diǎn)N329和N335流入濕地區(qū)域。我們對(duì)不同的濕地?cái)嗝孢M(jìn)行了分析，并根據(jù)在這些斷面觀察到的不同地下水位選擇了這些斷面。在本文中，WETSAND模型用于預(yù)測恢復(fù)濕地不同濕地特征，即植被、土地坡度以及橫向和垂直滲透系數(shù)，同時(shí)探討了地表水、地下水相互作用的影響。

圖1 濕地構(gòu)成

3.結(jié)果和討論

圖2(a)和(b)顯示了4號(hào)濕地(W4)水深隨坡度的變化，可以觀察地下水補(bǔ)給情況。8號(hào)濕地的地下水也獲得了類似的結(jié)果。研究表明，地表水、地下水相互作用的影響通常對(duì)濕地的水分運(yùn)輸起著重要作用，因此，在模擬濕地水文和溶質(zhì)運(yùn)移時(shí)應(yīng)予以考慮。

圖2 坡度對(duì)4號(hào)濕地(W4)水深的影響(a)S0=0.001，(b)S0=0.0001

圖2（a）和（b）顯示了4號(hào)濕地（W4）的水深變化，坡度分別為S0=0.001和S0=0.0001。結(jié)果表明，相互作用對(duì)水深的影響隨著地形坡度的減小而減小。對(duì)于高坡度濕地段，考慮相互作用影響計(jì)算的水深與不考慮相互作用影響計(jì)算的水深之間的差異大于緩坡濕地段。

由圖3可知，對(duì)于不同的垂直滲透系數(shù)，考慮相互作用影響的計(jì)算水深和不考慮相互作用影響的計(jì)算水深之間的差異不顯著。因此，在確定地表水、地下水相互作用對(duì)水深的影響時(shí)，垂直滲透系數(shù)并不發(fā)揮主要作用。其次，研究了地表水、地下水相互作用對(duì)不同植被特征濕地的影響。在圖4(a)和(b)中，分別繪制了植被密度在K=0.1×107m-1/h和K=0.1×107m-1/h時(shí)的4號(hào)濕地(W4)的水深變化。較大的K值代表低植被密度，而較小的K值代表高植被密度。由圖可知，隨著濕地植被密度的增加，地表水、地下水相互作用對(duì)濕地水深的影響會(huì)減小。

圖3 垂直滲透作用對(duì)4號(hào)濕地(W4)水深的影響(a)Kz=0.001m/h，(b)Kz=0.002m/h

圖4 植被對(duì)4號(hào)濕地(W4)水深變化的影響(a)K=0.1×107m-1/h，(b)K=0.1×107m-1/h

最后，研究了各向異性比為1時(shí)橫向水力傳導(dǎo)的作用。圖5（a）和（b）顯示了4號(hào)濕地的水深變化，橫向和垂直滲透系數(shù)分別為Kx=Kz=0.001m/h和Kx=Kz=0.002m/h。研究發(fā)現(xiàn)，隨著側(cè)向和垂直滲透系數(shù)的增加，相互作用對(duì)水深變化的影響增大。與上文結(jié)果對(duì)比可知，盡管垂直滲透系數(shù)不會(huì)顯著改變對(duì)水深的相互作用效應(yīng)，但是，橫向滲透系數(shù)的增加會(huì)導(dǎo)致對(duì)水深的相互作用效應(yīng)增加。

圖5 橫向滲透作用對(duì)4號(hào)濕地(W4)水深的影響(a)Kx=Kz=0.001m/h，(b)Kx=Kz=0.002m/h

4.結(jié)論

此次研究了地表水、地下水相互作用對(duì)濕地水文的影響。特別是，針對(duì)不同的濕地特征，如植被、地形坡度、橫向和垂直滲透系數(shù)，分析了地表水和地下水之間的水交換對(duì)地表水深度的影響。通過使用WETSAND模型進(jìn)行模擬，該模型具有水量和水質(zhì)模塊，并包含地表水、地下水相互作用。結(jié)果表明，在植被密度低或地形坡度高的濕地，地表水、地下水相互作用的影響顯著。濕地土壤的側(cè)向滲透系數(shù)在確定相互作用對(duì)地表水的影響方面也很重要，但垂直滲透的作用可以忽略不計(jì)。由于地表水、地下水相互作用的影響，水深的變化導(dǎo)致水流速度的變化，從而影響濃度方程中的平流項(xiàng)。因此，在植被密度低或地形坡度高的濕地，地表水、地下水相互作用的影響也對(duì)地表水位起著重要作用。