分層沉積物河流- 地下水系統(tǒng)水力連通演化

程大偉,詹紅兵,李 潔,鄧婧芫

(1. 長(zhǎng)安大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院,陜西 西安 710054;2. 長(zhǎng)安大學(xué)旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710054;3. Department of Geology and Geophysics,Texas A&M University,College Station,TX 77843-3115,USA)

河流-地下水系統(tǒng)水力連通狀態(tài)是系統(tǒng)內(nèi)滲流形式(飽和流、非飽和流)、滲流通量、壓力狀態(tài)和含水量分布的綜合反映[1],影響諸多水文地球化學(xué)與生物過(guò)程[2 -3]。深刻認(rèn)識(shí)河流-地下水系統(tǒng)水力連通狀態(tài)演化特征,厘清系統(tǒng)內(nèi)水分遷移的基本規(guī)律,對(duì)水資源開發(fā)與管理、河流系統(tǒng)生態(tài)保護(hù)與修復(fù)、河岸管理等工作具有重要意義[4-6]。

河流-地下水系統(tǒng)水力連通狀態(tài)演化是復(fù)雜的水文過(guò)程,其基本模式取決于河水位與地下水位的相對(duì)高程。在得水河流-地下水系統(tǒng)中,地下水以飽和滲流的方式排泄至河水；在失水河流-地下水系統(tǒng)中,受地下水位與河水位相對(duì)高程影響,其滲流方式表現(xiàn)為飽和流、飽和-非飽和流或完全非飽和流[7 -8]。依據(jù)系統(tǒng)內(nèi)滲流特征的變化,學(xué)者們將系統(tǒng)內(nèi)水力連通演化狀態(tài)劃分為連通狀態(tài)、過(guò)渡狀態(tài)和脫節(jié)狀態(tài)[1,3,7 -10]。Osman和Bruen[11]利用數(shù)值模擬方法研究了河水與地下水之間穩(wěn)態(tài)水量交換特征。Fox和Durnford[8]探討了河床下非飽和流的發(fā)展及飽和流和非飽和流發(fā)生條件與流態(tài)特征。Brunner等[3]系統(tǒng)地總結(jié)了前人的研究成果,依據(jù)河床滲漏通量隨時(shí)間演化特征定義了河流-地下水系統(tǒng)連通狀態(tài)劃分標(biāo)準(zhǔn)，盡管該標(biāo)準(zhǔn)的建立為判別河流-地下水系統(tǒng)水力連通狀態(tài)提供了可量化標(biāo)準(zhǔn),但對(duì)系統(tǒng)內(nèi)水力連通狀態(tài)演化的機(jī)理分析不足,對(duì)系統(tǒng)內(nèi)狀態(tài)指標(biāo)(孔隙壓力、含水量和滲流通量)和滲流方式剖析不夠深入,未深刻揭示零通量區(qū)、非飽和滲流區(qū)對(duì)標(biāo)定水力連通狀態(tài)的作用。

受沉積作用和地質(zhì)構(gòu)造作用的影響,天然河床下沉積物常呈現(xiàn)出非均質(zhì)特性。Osman和Bruen[11]、Fox和Durnford[8]、Brunner等[3]學(xué)者對(duì)堵塞河流-地下水系統(tǒng)水力連通狀態(tài)演化特征開展相關(guān)研究。從本質(zhì)上講,堵塞層是河床沉積物非均質(zhì)性的一種特殊形式。天然河道下沉積物的非均質(zhì)性表現(xiàn)形式多樣,且可能隨時(shí)間和季節(jié)而變化。為了簡(jiǎn)化研究,通常將非均質(zhì)沉積物概化為分層結(jié)構(gòu)。Wang等[10]在研究沉積物非均質(zhì)性(分層結(jié)構(gòu))對(duì)河流-地下水系統(tǒng)演化的影響中,基于傍河抽水條件,分析沉積物的展布形式、走向和空間位置對(duì)初始連通的河流-地下水系統(tǒng)演化過(guò)程的影響。傍河抽水條件的實(shí)質(zhì)是迫使地下水位下降,在其激勵(lì)下河流-地下水系統(tǒng)內(nèi)滲流方式由飽和滲流演化至非飽和滲流[1,8,10],但是無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)狀態(tài)變量變化的全面描述,使得系統(tǒng)內(nèi)可能存在的零通量區(qū)及其演化過(guò)程難以被捕獲。對(duì)于枯水期斷流的失水河流,河流與地下水之間形成非飽和帶，當(dāng)枯水期持續(xù)時(shí)間足夠長(zhǎng),系統(tǒng)達(dá)到靜水平衡狀態(tài)，以該狀態(tài)作為河流-地下水系統(tǒng)水力連通狀態(tài)演化的初始狀態(tài)。當(dāng)豐水期來(lái)臨后,在河水位的作用下系統(tǒng)內(nèi)滲流方式將由非飽和滲流向飽和-非飽和滲流轉(zhuǎn)變,最終演化至飽和滲流;系統(tǒng)內(nèi)狀態(tài)變量的演化也將由包含零通量區(qū)向包含非飽和滲流區(qū)(壓力水頭<進(jìn)氣值)轉(zhuǎn)變,最后演化至僅有飽和滲流區(qū)(壓力水頭>進(jìn)氣值)。因而,非均質(zhì)河流-地下水系統(tǒng)水力連通狀態(tài)演化研究應(yīng)以季節(jié)性失水河流-地下水系統(tǒng)為研究對(duì)象以構(gòu)建完備的理論框架。

鑒于此,本文擬以具有分層結(jié)構(gòu)沉積物的季節(jié)性失水河流-地下水系統(tǒng)為研究對(duì)象,開展非均質(zhì)沉積物河流-地下水系統(tǒng)水力連通狀態(tài)演化特征研究,解析系統(tǒng)內(nèi)水力連通狀態(tài)的劃分標(biāo)準(zhǔn),剖析分層界面處系統(tǒng)演化過(guò)程的變異機(jī)制,劃分系統(tǒng)內(nèi)水力連通狀態(tài)演化的變異類型,完善水力連通狀態(tài)演化的理論框架,通過(guò)數(shù)值模擬方法,對(duì)所構(gòu)建的理論框架進(jìn)行檢驗(yàn)。

1 理論框架

1.1 分層界面處河流-地下水系統(tǒng)演化過(guò)程的變異機(jī)制

在重力和毛細(xì)力共同作用下,自河流滲漏到河床下懸掛飽水帶內(nèi)的水將持續(xù)向懸掛飽水帶及濕潤(rùn)鋒滲流,推動(dòng)懸掛飽水帶鋒面和濕潤(rùn)鋒面擴(kuò)展。當(dāng)河道較直且河床及其下沉積物的性質(zhì)沿河道方向變化不大、且分層結(jié)構(gòu)的沉積物內(nèi)分層界面近似水平展布時(shí),潤(rùn)濕鋒的水平擴(kuò)展對(duì)河流-地下水系統(tǒng)水力連通狀態(tài)的影響是次要的,可以忽略。在此條件下,可將三維河流-地下水系統(tǒng)水力連通狀態(tài)問(wèn)題的研究簡(jiǎn)化為一維問(wèn)題(只涉及垂直流動(dòng)),如圖1所示。圖1中z為豎直方向,d0為河水位,θ為含水量,θs為飽和含水量,θ初始為初始含水量,h為壓力水頭,ha上為分層界面上方土層的進(jìn)氣值水頭,ha下為分層界面下方土層的進(jìn)氣值水頭。

圖1 非均質(zhì)沉積物河流-地下水系統(tǒng)滲流過(guò)程示意Fig.1 Seepage process of stream-groundwater system in heterogeneous sediments

對(duì)于具有均質(zhì)沉積物的季節(jié)性失水河流-地下水系統(tǒng),若假定枯水期河道無(wú)水,河流與地下水之間形成了非飽和帶。當(dāng)枯水期持續(xù)時(shí)間足夠長(zhǎng),并且在枯水期末,系統(tǒng)達(dá)到靜水平衡狀態(tài)；在豐水期,河道水位驟升至某一河水位值并維持不變。以枯水期末為研究的起始時(shí)間,則系統(tǒng)的初始狀態(tài)為靜水平衡狀態(tài)。在上述假定條件下,豐水期時(shí)河流-地下水系統(tǒng)狀態(tài)演化依次為脫節(jié)狀態(tài)、過(guò)渡狀態(tài)及連通狀態(tài)。其中,零通量區(qū)消失是脫節(jié)狀態(tài)向過(guò)渡狀態(tài)演化的臨界條件;非飽和帶消失是過(guò)渡狀態(tài)向連通狀態(tài)演化的臨界條件,如圖2所示(圖中ZRha0為區(qū)域進(jìn)氣值面的初始深度)。該標(biāo)準(zhǔn)是對(duì)2條隨時(shí)間演化的界限曲線(濕潤(rùn)鋒曲線和懸掛飽水帶前鋒曲線)的概括:前者標(biāo)定了在某一特定時(shí)刻沉積物內(nèi)含水量剖面維持初始含水量區(qū)間的上限位置和剖面上非飽和滲流區(qū)間的下限位置;后者標(biāo)定了該時(shí)刻下沉積物剖面上維持非飽和滲流區(qū)間的上限位置和懸掛飽水帶內(nèi)飽和滲流區(qū)間的下限位置,如圖2(a)中t1時(shí)刻的含水量剖面所示,其中t為時(shí)間。

圖2 沉積物非均質(zhì)性對(duì)河流-地下水系統(tǒng)演化影響示意Fig.2 Schematic diagram of the influence of sediment heterogeneity on the evolution of stream-groundwater system

濕潤(rùn)鋒是總水頭梯度為零或非零的分界面。對(duì)于滿足上述假定條件的分層結(jié)構(gòu)沉積物季節(jié)性失水河流-地下水系統(tǒng),分層界面附近的濕潤(rùn)鋒豎直向下發(fā)展的速度取決于界面兩側(cè)沉積物的滲透能力。當(dāng)界面上方沉積物的滲透能力弱于界面下方時(shí),濕潤(rùn)鋒在界面下方的沉積物內(nèi)發(fā)展速度加快,濕潤(rùn)鋒曲線呈陡坎型；當(dāng)界面以上沉積物的滲透能力強(qiáng)于界面下方時(shí),濕潤(rùn)鋒在界面下方的沉積物內(nèi)發(fā)展速度變緩,呈緩坡型。這種特征使得濕潤(rùn)鋒曲線在界面處表現(xiàn)出陡坎或緩坡的變異,如圖2所示。與均質(zhì)沉積物[12]相比,在非均質(zhì)沉積物內(nèi)懸掛飽水帶前鋒曲線演化也將呈現(xiàn)明顯的變異。Cheng等[12]將飽水帶定義為含水量為飽和含水量的區(qū)間,即壓力水頭大于進(jìn)氣值水頭的區(qū)間。受分層界面兩側(cè)土層的進(jìn)氣值和滲透能力控制,懸掛飽水帶前鋒曲線在分層界面處的變異表現(xiàn)為:若界面上方的土層進(jìn)氣值(負(fù)值)小于下方土層,只有當(dāng)界面下方的土層內(nèi)孔隙水壓力達(dá)到該土層進(jìn)氣值時(shí)才會(huì)在其內(nèi)形成向下發(fā)展的飽水帶,即在分層界面以下形成向下發(fā)展的飽水帶，該特征將導(dǎo)致界面下側(cè)土層內(nèi)飽水帶出現(xiàn)時(shí)間遲于界面上側(cè),使懸掛飽水帶前鋒曲線在界面處呈現(xiàn)出后移的特點(diǎn),如圖2(a)飽和帶前鋒曲線所示;反之,在界面下方土層內(nèi)可能會(huì)先形成向下發(fā)展的飽水帶，向下發(fā)展的飽水帶會(huì)使得界面下方土層內(nèi)飽水帶的出現(xiàn)時(shí)間早于界面上方,導(dǎo)致懸掛飽水帶前鋒曲線在界面處呈現(xiàn)出前突的特點(diǎn),如圖2(b)中飽和帶前鋒曲線和圖2(c)中臺(tái)階Ⅱ下側(cè)的飽和帶前鋒曲線所示;進(jìn)一步地,當(dāng)界面處孔隙壓力發(fā)展到界面上方土層的進(jìn)氣值時(shí),會(huì)在界面上方的土層內(nèi)形成向上發(fā)展的飽水帶,此時(shí)的飽水帶同時(shí)向上下2個(gè)方向發(fā)展,如圖2(c)中臺(tái)階Ⅱ兩側(cè)的飽和帶前鋒曲線所示。

1.2 水力連通狀態(tài)演化變異類型

沉積物非均質(zhì)性對(duì)具有分層結(jié)構(gòu)沉積物的河流-地下水系統(tǒng)演化特征的影響可采用濕潤(rùn)鋒曲線和飽水帶前鋒曲線演化變異特征進(jìn)行描述。沉積物的非均質(zhì)性主要表現(xiàn)在構(gòu)成沉積物的巖土體顆粒粒徑和排列狀態(tài)的差異。通過(guò)對(duì)不同巖性的巖土體統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)巖土體的滲透能力和進(jìn)氣值與構(gòu)成巖土體的顆粒粒徑以及顆粒的排列狀態(tài)相關(guān),表現(xiàn)為如下特征:顆粒粗且松散的巖土體滲透能力較強(qiáng)且進(jìn)氣值(負(fù)值)較大,顆粒細(xì)且密實(shí)的巖土體滲透能力弱且進(jìn)氣值(負(fù)值)小[13]。按照構(gòu)成巖土體的顆粒粒徑大小及松散程度(為便于分類,此處采用松散程度表示，松散程度越高,密實(shí)度越低)不同對(duì)非均質(zhì)沉積物內(nèi)土層進(jìn)行排序組合,可歸納為自上而下逐層增大、逐層減小和無(wú)序排列3種類型。對(duì)應(yīng)于上述3種土層排列類型,濕潤(rùn)鋒曲線和飽和帶前鋒曲線的變異組合類型為:陡坎型濕潤(rùn)鋒曲線與后移型飽和帶前鋒曲線組合型;緩坡型濕潤(rùn)鋒曲線和前突型飽和帶前鋒曲線組合型；陡坎-緩坡交替型濕潤(rùn)鋒曲線與后移-前突交替型飽和帶前鋒曲線組合型。

以下將對(duì)上述3種濕潤(rùn)鋒曲線和飽和帶前鋒曲線組合類型的物理過(guò)程做進(jìn)一步介紹。為簡(jiǎn)化討論,采用1.1節(jié)假定的河流-地下水系統(tǒng)。沉積物內(nèi)分層界面水平展布,同一層內(nèi)為均質(zhì)巖土體，沉積物由3種不同顆粒粒徑和松散程度的巖土體構(gòu)成(分別為細(xì)顆粒、中顆粒與粗顆粒)，沉積物的下邊界為隔水邊界。區(qū)域進(jìn)氣值面之下稱為區(qū)域飽和帶,包括傳統(tǒng)的潛水和潛水面之上至區(qū)域進(jìn)氣值面之間的飽和帶[12]。

1.2.1 陡坎型濕潤(rùn)鋒曲線與后移型飽和帶前鋒曲線組合型

對(duì)于沉積物內(nèi)的顆粒粒徑和松散程度向下逐層增大的情形,巖土體的滲透能力和進(jìn)氣值通常表現(xiàn)為自上而下逐層增大,系統(tǒng)內(nèi)濕潤(rùn)鋒曲線表示為陡坎型,飽和帶前鋒曲線常呈后移型,如圖2(a)所示。對(duì)于滿足上述假定的河流-地下水系統(tǒng),當(dāng)河道來(lái)水后,河水經(jīng)由河床下滲,首先在上層土層內(nèi)形成懸掛飽水帶及其周邊的增濕區(qū)；隨著時(shí)間推移,懸掛飽水帶及其周邊的增濕區(qū)持續(xù)擴(kuò)展,之后增濕區(qū)率先穿過(guò)分層界面進(jìn)入中間土層。由于中間土層的滲透能力大于上層土層,在分層界面附近中間土層內(nèi)濕潤(rùn)鋒曲線發(fā)展速度加快,形成圖2(a)中陡坎Ⅰ，當(dāng)濕潤(rùn)鋒進(jìn)入中間土層后,界面附近孔隙水壓力會(huì)隨時(shí)間推移而增大。由于中間土層進(jìn)氣值比上層土層大,上層土層先達(dá)到飽和,即界面處孔隙壓力達(dá)到上層土進(jìn)氣值,界面附近的中間土層尚未飽和，此時(shí),懸掛飽水帶在界面處將暫時(shí)停止向下擴(kuò)展，飽和帶前鋒曲線出現(xiàn)臺(tái)階,如圖2(a)中臺(tái)階Ⅰ所示。在重力和毛細(xì)力共同作用下,補(bǔ)給至上層土層的河水會(huì)持續(xù)向下滲流并經(jīng)過(guò)分層界面補(bǔ)給至中間土層,使得界面處及其下側(cè)中間土層內(nèi)孔隙水壓力逐漸升高。當(dāng)界面處的孔隙水壓力達(dá)到中間土層的進(jìn)氣值時(shí),飽和帶前鋒曲線的臺(tái)階Ⅰ結(jié)束,轉(zhuǎn)為向下發(fā)展,在中間土層內(nèi)形成后移的飽和帶前鋒曲線。隨著時(shí)間的繼續(xù)推移,增濕區(qū)還將向下層土層擴(kuò)展，當(dāng)濕潤(rùn)鋒曲線進(jìn)入下層土層后,由于下層土層的滲透能力比中間土層大,在分層界面處濕潤(rùn)鋒曲線的發(fā)展速度變快,形成圖2(a)中陡坎Ⅱ。濕潤(rùn)鋒進(jìn)入下層土層后,使分層界面附近的中間土層和下層土層內(nèi)孔隙水壓力增大，由于下層土層的進(jìn)氣值比中間土層的大,懸掛飽水帶在中間土層與下層土層界面處暫時(shí)停止擴(kuò)張,形成如圖2(a)中所示的臺(tái)階Ⅱ。若下層土層內(nèi)區(qū)域飽和帶埋深較淺,自界面向下層土層補(bǔ)給的水分會(huì)快速補(bǔ)給至區(qū)域飽和帶,使得區(qū)域飽和帶的飽和帶前鋒向上發(fā)展；若在區(qū)域飽和帶前鋒到達(dá)中間土層與下層土層界面之前,增濕區(qū)的擴(kuò)展而導(dǎo)致的界面處孔隙水壓力增加未達(dá)到下層土層的進(jìn)氣值,則在下層土層內(nèi)不會(huì)形成向下發(fā)展的飽水帶和向下發(fā)展的飽和帶前鋒,如圖2(a)中臺(tái)階Ⅱ下側(cè)飽和帶前鋒曲線所示。

該情形下,濕潤(rùn)鋒曲線發(fā)展至區(qū)域進(jìn)氣值面時(shí),系統(tǒng)將由脫節(jié)狀態(tài)演化為過(guò)渡狀態(tài)，當(dāng)臺(tái)階Ⅱ結(jié)束時(shí)系統(tǒng)將由過(guò)渡狀態(tài)演化為連通狀態(tài)。

1.2.2 緩坡型濕潤(rùn)鋒曲線和前突型飽和帶前鋒曲線組合型

對(duì)于沉積物內(nèi)的顆粒粒徑和松散程度逐層減小的情形,巖土體的滲透能力和進(jìn)氣值通常表現(xiàn)為自上而下逐層減小。根據(jù)1.1節(jié)濕潤(rùn)鋒曲線和飽和帶前鋒曲線的變異特征,采用與1.2.1節(jié)相似的分析思路,可知系統(tǒng)內(nèi)濕潤(rùn)鋒曲線表示為緩坡型,飽和帶前鋒曲線表現(xiàn)為前突型,如圖2(b)所示。

該情形下,濕潤(rùn)鋒曲線發(fā)展至區(qū)域進(jìn)氣值面時(shí),系統(tǒng)將由脫節(jié)狀態(tài)演化為過(guò)渡狀態(tài)。當(dāng)臺(tái)階Ⅱ結(jié)束時(shí)間早于下層土層內(nèi)飽和帶前鋒抵達(dá)區(qū)域進(jìn)氣值面的時(shí)間,下層土層內(nèi)飽和帶前鋒抵達(dá)區(qū)域進(jìn)氣值面時(shí),系統(tǒng)將由過(guò)渡狀態(tài)演化為連通狀態(tài);反之,只有當(dāng)臺(tái)階Ⅱ結(jié)束時(shí),系統(tǒng)才由過(guò)渡狀態(tài)演化為連通狀態(tài)。

1.2.3 交替型濕潤(rùn)鋒曲線與交替型飽和帶前鋒曲線組合型

在天然沉積物內(nèi),沉積物內(nèi)顆粒粒徑及松散程度自上而下更多地呈現(xiàn)出無(wú)序性,具體的排列形式具有多樣性。根據(jù)1.1節(jié)濕潤(rùn)鋒曲線和飽和帶前鋒曲線的變異特征,當(dāng)具有不同顆粒粒徑和松散程度的土層無(wú)序排列時(shí),濕潤(rùn)鋒曲線變異類型可能是陡坎型、緩坡型或交替型;飽和帶前鋒曲線變異類型可能是后移型、前突型或交替型。為便于描述,本節(jié)僅以上層土層的顆粒粒徑及松散程度為中等、中間土層為最粗和下層土層為最小為例進(jìn)行說(shuō)明。相應(yīng)土層的滲透能力和進(jìn)氣值自上而下為中、大、小3個(gè)等級(jí)。采用與1.2.1節(jié)相似的分析思路,可得系統(tǒng)內(nèi)濕潤(rùn)鋒曲線表現(xiàn)為陡坎型,飽和帶前鋒曲線表現(xiàn)為交替型,如圖2(c)所示。

該情形下,濕潤(rùn)鋒曲線發(fā)展至區(qū)域進(jìn)氣值面時(shí),系統(tǒng)將由脫節(jié)狀態(tài)演化為過(guò)渡狀態(tài)。當(dāng)臺(tái)階Ⅰ結(jié)束時(shí)間早于下層土層內(nèi)飽和帶前鋒抵達(dá)區(qū)域進(jìn)氣值面的時(shí)間,下層土層內(nèi)飽和帶前鋒抵達(dá)區(qū)域進(jìn)氣值面時(shí),系統(tǒng)將由過(guò)渡狀態(tài)演化為連通狀態(tài);反之,當(dāng)臺(tái)階Ⅰ結(jié)束時(shí),系統(tǒng)將由過(guò)渡狀態(tài)演化為連通狀態(tài)。

2 材料與方法

為驗(yàn)證本文所構(gòu)建的理論框架,采用HydroGeoSphere(HGS)中一維定水頭模型模擬具有分層結(jié)構(gòu)沉積物的季節(jié)性失水河流-地下水系統(tǒng)內(nèi)滲流過(guò)程。在HGS模型中,河床下沉積物的總厚度設(shè)置為200 cm；基準(zhǔn)面設(shè)置在河床,系統(tǒng)初始條件設(shè)置為枯水季末期的靜水平衡狀態(tài),初始時(shí)刻剖面上總水頭為-200 cm；在豐水期,河水位設(shè)置為150 cm并保持不變；河床下沉積物包含3層土層,對(duì)應(yīng)的土樣分別為淤泥、砂質(zhì)黏土和砂土,各土樣物理參數(shù)[1]見表1；沉積物的底板為隔水底板。

表1 土層厚度及土樣物理參數(shù)

Brooks-Corey模型[14]被用于定義土水特征曲線和相對(duì)滲透系數(shù)(kr),如式(1)和式(2)所示:

(1)

kr=Se(2/λ+lp+2)

(2)

式中:ha為進(jìn)氣值水頭,cm;h為壓力水頭,cm;lp為孔隙連通參數(shù),取值為2;Se為有效飽和度,cm3/cm3。3種土樣構(gòu)成的土層排列組合類型共有6種,組合方案如表2所示。

表2 河床下沉積物內(nèi)土層排列組合方案

3 結(jié)果與討論

圖3示出了6種組合方案下具有分層結(jié)構(gòu)沉積物的季節(jié)性失水河流-地下水系統(tǒng)水力連通狀態(tài)演化過(guò)程。圖中虛線為濕潤(rùn)鋒曲線,不同顏色區(qū)塊對(duì)應(yīng)不同的飽和度區(qū)間,不同顏色區(qū)塊的界線為飽和度等值線,飽和度為1的等值線是飽和帶前鋒曲線。

圖3(a)中沉積物內(nèi)各土層的飽和滲透系數(shù)和進(jìn)氣值自上而下依次減小。由圖可見,濕潤(rùn)鋒曲線在上界面處(上層土層與中間土層界面,-100 cm)和下界面處(中間土層與下層土層界面,-160 cm)發(fā)展速度均有所變緩,表現(xiàn)為緩坡型濕潤(rùn)鋒曲線;飽和帶前鋒曲線在上界面處(-100 cm)和下界面處(-160 cm)表現(xiàn)為前突的特點(diǎn),并形成了2個(gè)較短的臺(tái)階,持續(xù)時(shí)間均約0.05 h。演化類型表現(xiàn)為緩坡型濕潤(rùn)鋒曲線與前突型飽和帶前鋒曲線組合型。在滲流開始后的0.84 h,濕潤(rùn)鋒曲線發(fā)展至區(qū)域進(jìn)氣值面,系統(tǒng)脫節(jié)狀態(tài)演化為過(guò)渡狀態(tài);在滲流開始后的0.86 h,下層土層內(nèi)飽和帶前鋒抵達(dá)區(qū)域進(jìn)氣值面,系統(tǒng)由過(guò)渡狀態(tài)演化為連通狀態(tài)。

圖3 6種組合方案下季節(jié)性失水河流-地下水系統(tǒng)演化過(guò)程模擬結(jié)果Fig.3 Simulation results of the evolution process of the seasonally losing stream-groundwater system under the six combination schemes

圖3(b)中沉積物內(nèi)各土層的飽和滲透系數(shù)和進(jìn)氣值自上而下為上層最大,中層最小,下層中等。由圖可見,濕潤(rùn)鋒曲線在上界面處(-100 cm)表現(xiàn)為陡坎,在下界面處(-140 cm)表現(xiàn)為緩坡;飽和帶前鋒曲線在上界面處(-100 cm)表現(xiàn)為前突,在下界面處(-140 cm)表現(xiàn)為后移，臺(tái)階持續(xù)時(shí)間分別為0.05 h和0.14 h。演化類型表現(xiàn)為陡坎-緩坡交替型濕潤(rùn)鋒曲線與前突-后移交替型飽和帶前鋒曲線組合型。在滲流開始后的1.47 h,濕潤(rùn)鋒曲線發(fā)展至區(qū)域進(jìn)氣值面,系統(tǒng)脫節(jié)狀態(tài)演化為過(guò)渡狀態(tài);在滲流開始后的1.72 h,下層土層內(nèi)飽和帶前鋒抵達(dá)區(qū)域進(jìn)氣值面,系統(tǒng)由過(guò)渡狀態(tài)演化為連通狀態(tài)。

圖3(c)中沉積物內(nèi)各土層的飽和滲透系數(shù)和進(jìn)氣值自上而下為上層中等,中層最大,下層最小。由圖可見,濕潤(rùn)鋒曲線在上界面處(-60 cm)和下界面處(-160 cm)均表現(xiàn)為陡坎。在下界面處(-160 cm)濕潤(rùn)鋒曲線發(fā)展加快的原因在于:雖然中間土層的飽和滲透系數(shù)大于下層土層的飽和滲透系數(shù),但是下層土層的飽和度卻遠(yuǎn)高于中間土層,二者綜合作用的結(jié)果使得界面處下層土層滲透能力更強(qiáng)。飽和帶前鋒曲線在上界面處(-60 cm)表現(xiàn)為后移，在下界面處(-160 cm)表現(xiàn)為前突，臺(tái)階持續(xù)時(shí)間分別為3.30 h和0.12 h。演化類型表現(xiàn)為陡坎型濕潤(rùn)鋒曲線與后移-前突交替型飽和帶前鋒曲線組合型。在滲流開始后的3.39 h,濕潤(rùn)鋒曲線發(fā)展至區(qū)域進(jìn)氣值面,系統(tǒng)脫節(jié)狀態(tài)演化為過(guò)渡狀態(tài);在滲流開始后的3.98 h,自中間土層和下層土層界面處向上發(fā)展的飽和帶前鋒曲線與上層土層和中間土層的界面處飽和帶前鋒臺(tái)階相交,系統(tǒng)由過(guò)渡狀態(tài)演化為連通狀態(tài)。

圖3(d)中沉積物內(nèi)各土層的飽和滲透系數(shù)和進(jìn)氣值自上而下為上層中等,中層最小,下層最大。由圖可見,濕潤(rùn)鋒曲線在上界面處(-60 cm)表現(xiàn)為緩坡,在下界面處(-100 cm)表現(xiàn)為陡坎；飽和帶前鋒曲線在上界面處(-60 cm)表現(xiàn)為前突,在下界面處(-100 cm)表現(xiàn)為后移，臺(tái)階持續(xù)時(shí)間分別為0.01 h和7.52 h。演化類型表現(xiàn)為緩坡-陡坎交替型濕潤(rùn)鋒曲線與前突-后移交替型飽和帶前鋒曲線組合型。在滲流開始后的5.8 h,濕潤(rùn)鋒曲線發(fā)展至區(qū)域進(jìn)氣值面,系統(tǒng)脫節(jié)狀態(tài)演化為過(guò)渡狀態(tài);在滲流開始后的9.39 h,自區(qū)域飽和帶向上發(fā)展的飽和帶前鋒曲線與中間土層和下層土層的界面處飽和帶前鋒臺(tái)階相交,系統(tǒng)由過(guò)渡狀態(tài)演化為連通狀態(tài)。

圖3(e)中沉積物內(nèi)各土層的飽和滲透系數(shù)和進(jìn)氣值自上而下為上層最小,中層中等,下層最大。由圖可見,濕潤(rùn)鋒曲線在上界面處(-40 cm)和下界面處(-100 cm)均表現(xiàn)為陡坎；飽和帶前鋒曲線在上界面處(-40 cm)和下界面處(-100 cm)均表現(xiàn)為后移,臺(tái)階持續(xù)時(shí)間分別為0.42 h和 7.25 h。演化類型表現(xiàn)為陡坎型濕潤(rùn)鋒曲線與后移型飽和帶前鋒曲線組合型。在滲流開始后的8.34 h,濕潤(rùn)鋒曲線發(fā)展至區(qū)域進(jìn)氣值面,系統(tǒng)脫節(jié)狀態(tài)演化為過(guò)渡狀態(tài);在滲流開始后的11.9 h,自區(qū)域飽和帶向上發(fā)展的飽和帶前鋒曲線與中間土層和下層土層的界面處飽和帶前鋒臺(tái)階相交,系統(tǒng)由過(guò)渡狀態(tài)演化為連通狀態(tài)。

圖3(f)中沉積物內(nèi)各土層的飽和滲透系數(shù)和進(jìn)氣值自上而下為上層最小,中層最大,下層中等。由圖可見,濕潤(rùn)鋒曲線在上界面處(-40 cm)和下界面處(-140 cm)均表現(xiàn)為陡坎。在下界面處(-140 cm)濕潤(rùn)鋒曲線發(fā)展加快的原因在于:雖然中間土層的飽和滲透系數(shù)大于下層土層的飽和滲透系數(shù),但是下層土層的飽和度卻高于中間土層,二者綜合作用的結(jié)果使得界面處下層土層滲透能力增強(qiáng)。飽和帶前鋒曲線在上界面處(-40 cm)表現(xiàn)為后移,在下界面處(-140 cm)表現(xiàn)為前突，臺(tái)階持續(xù)時(shí)間分別為10.61 h和0.81 h。演化類型表現(xiàn)為陡坎型濕潤(rùn)鋒曲線與后移-前突交替型飽和帶前鋒曲線組合型。在滲流開始后的8.03 h,濕潤(rùn)鋒曲線發(fā)展至區(qū)域進(jìn)氣值面,系統(tǒng)脫節(jié)狀態(tài)演化為過(guò)渡狀態(tài);在滲流開始后的11.73 h,自中間土層和下層土層界面處向上發(fā)展的飽和帶前鋒曲線與上層土層和中間土層的界面處飽和帶前鋒臺(tái)階相交,系統(tǒng)由過(guò)渡狀態(tài)演化為連通狀態(tài)。

4 討 論

本文以具有分層結(jié)構(gòu)沉積物的季節(jié)性失水河流-地下水系統(tǒng)為研究對(duì)象,著重探討了豐水季來(lái)臨后,在河水位維持不變的條件下,系統(tǒng)內(nèi)沉積物巖性差異對(duì)水力連通狀態(tài)演化過(guò)程變異的影響機(jī)制,總結(jié)了水力連通狀態(tài)演化的變異類型。然而,河流-地下水系統(tǒng)內(nèi)水分遷移過(guò)程是復(fù)雜的水文過(guò)程，河流幾何形態(tài)、河床沉積物巖性特征、含水層水力特征、河流水動(dòng)力條件[15-18]等諸多因素都會(huì)影響到河流-地下水系統(tǒng)內(nèi)水分遷移過(guò)程和水力連通狀態(tài)的演化。同時(shí),系統(tǒng)內(nèi)水分遷移過(guò)程和水力連通狀態(tài)的變化又將影響系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)遷移與能量傳輸,進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)內(nèi)生物地球化學(xué)過(guò)程產(chǎn)生影響。

(1) 本文試圖構(gòu)建具有分層沉積物的季節(jié)性失水河流-地下水系統(tǒng)水力連通狀態(tài)演化特征的理論框架,在研究中采用了理想化的模型,即河道是順直的,河道及河道兩側(cè)地形、地貌、河床沉積物和下伏沉積物巖性和水力特征等沿河道中線是對(duì)稱的,豐水季河水位不隨時(shí)間變化。然而,上述水文與地質(zhì)因素的變化都將對(duì)系統(tǒng)水力連通狀態(tài)演化過(guò)程的研究方法和變異特征產(chǎn)生影響。若河道是彎曲的,河道及河道兩側(cè)地形、地貌沿河道中線是非對(duì)稱的,相應(yīng)幾何模型和物理模型宜概化為三維模型以研究來(lái)自上游和側(cè)向補(bǔ)給對(duì)系統(tǒng)內(nèi)水力連通狀態(tài)演化過(guò)程及其變異的影響;若僅河床沉積物和下伏沉積物的巖性和水力特性沿河道中線是非對(duì)稱的,相應(yīng)幾何模型和物理模型宜概化為二維模型以研究水分的側(cè)向遷移對(duì)系統(tǒng)水力連通狀態(tài)演化過(guò)程及其變異的影響;若考慮到河水位隨時(shí)間的變動(dòng),抑或河水位與地下水水位相對(duì)高程隨時(shí)間的變化,則要考察系統(tǒng)內(nèi)水力連通狀態(tài)的演化速率和演化方向等與時(shí)間相關(guān)的特征。

(2) 河流-地下水系統(tǒng)內(nèi)水力連通狀態(tài)的變化將對(duì)系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)遷移和能量傳輸過(guò)程產(chǎn)生影響,尤其是依賴于水動(dòng)力條件的物質(zhì)遷移和能量傳輸過(guò)程，典型的如系統(tǒng)處于脫節(jié)狀態(tài)。在該狀態(tài)下,河水與地下水之間存在零通量區(qū),這意味著系統(tǒng)內(nèi)河水與地下水之間不存在依賴于水力驅(qū)動(dòng)的物質(zhì)或能量交換。研究河水-地下水系統(tǒng)水力連通狀態(tài)的空間格局和時(shí)間演化特征,對(duì)于深刻理解系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)遷移和能量傳輸具有重要意義。

(3) 河流-地下水系統(tǒng)內(nèi)生物地球化學(xué)過(guò)程是復(fù)雜的物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化和能量傳輸交換過(guò)程。河水-地下水交互作用帶是活躍的生態(tài)群落交錯(cuò)區(qū),對(duì)河流生態(tài)區(qū)健康起著關(guān)鍵的生態(tài)小生境的作用[17]。河流-地下水系統(tǒng)內(nèi)水力連通性控制著系統(tǒng)內(nèi)水動(dòng)力條件驅(qū)動(dòng)下的物質(zhì)遷移和能量傳輸過(guò)程,對(duì)控制系統(tǒng)內(nèi)生態(tài)群落和生態(tài)分布具有重要作用。研究系統(tǒng)內(nèi)河流-地下水系統(tǒng)連通狀態(tài)演化過(guò)程及變異特征,對(duì)于揭示河水-地下水交互作用過(guò)程的生態(tài)效應(yīng)具有重要的參考價(jià)值。

5 結(jié) 論

本文以具有分層結(jié)構(gòu)沉積物的季節(jié)性失水河流-地下水系統(tǒng)為研究對(duì)象,構(gòu)建了系統(tǒng)內(nèi)水力連通狀態(tài)演化的理論框架,并采用數(shù)值模擬方法,對(duì)所構(gòu)建的理論進(jìn)行檢驗(yàn)。主要結(jié)論如下:

(1) 沉積物的非均質(zhì)性對(duì)河流-地下水系統(tǒng)水力連通狀態(tài)演化過(guò)程影響的物理機(jī)制是土層內(nèi)巖性差異造成的土層間滲透能力和毛細(xì)力作用(具體表現(xiàn)為進(jìn)氣值)的差異。前者影響系統(tǒng)內(nèi)增濕區(qū)的發(fā)展過(guò)程(或零通量區(qū)的消失過(guò)程),后者影響系統(tǒng)內(nèi)飽和滲流區(qū)的發(fā)展過(guò)程和發(fā)展模式。

(2) 河流-地下水系統(tǒng)的連通狀態(tài)劃分標(biāo)準(zhǔn)建立在濕潤(rùn)鋒曲線和飽和帶前鋒曲線演化過(guò)程的基礎(chǔ)之上。通過(guò)分析濕潤(rùn)鋒曲線和飽和帶前鋒曲線演化過(guò)程和演化模式能夠有效提取河流-地下水系統(tǒng)水力連通狀態(tài)演化的信息。根據(jù)濕潤(rùn)鋒曲線和飽和帶前鋒曲線演化過(guò)程和演化模式的差異,本文建議將分層沉積物的河流-地下水系統(tǒng)水力連通狀態(tài)演化類型劃分為陡坎型濕潤(rùn)鋒曲線與后移型飽和帶前鋒曲線組合型、緩坡型濕潤(rùn)鋒曲線和前突型飽和帶前鋒曲線組合型及交替型濕潤(rùn)鋒曲線與交替型飽和帶前鋒曲線組合型。

(3) 通過(guò)模擬6種具有不同土層排列組合形式的沉積物所組成的河流-地下水系統(tǒng)水力連通狀態(tài)演化過(guò)程發(fā)現(xiàn)，受分層沉積物內(nèi)巖性排列組合差異的影響,交替型濕潤(rùn)鋒曲線與交替型飽和帶前鋒曲線組合型表現(xiàn)出更為具體且多樣的形式；巖土體非飽和狀態(tài)下滲透能力是導(dǎo)致分層界面處濕潤(rùn)鋒曲線變異類型變化的重要因素之一；受沉積物非均質(zhì)性的影響(具體而言是進(jìn)氣值),飽和帶前鋒曲線演化模式呈現(xiàn)出多樣性,飽和帶前鋒曲線閉合點(diǎn)的空間位置既可能在區(qū)域飽和帶進(jìn)氣值面處,也可能在分層界面處。