國內(nèi)近年河流與地下水交換量研究進(jìn)展

馬耀東，高 宇，戴長雷，李夢玲

（1.黑龍江大學(xué)寒區(qū)地下水研究所,黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150080；3.黑龍江大學(xué)中俄寒區(qū)水文和水利工程聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱 150080）

1 研究方法的發(fā)展現(xiàn)狀

我國地表水與地下水相互作用的研究始于1960年代,改革開放后,國內(nèi)研究人員的研究開始逐漸增多。多位專家針對河流與地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)研究,王文科等[1]指出影響河流與地下水轉(zhuǎn)化的各因素,并且提出急待解決的關(guān)鍵問題。王平[2]總結(jié)出河流與含水層交換的常用研究方法,并且指出了干旱區(qū)間歇性河流與地下水交換研究存在的問題。左蔚[3]等通過研究雎水河流域水的水化學(xué)特征,得出水化學(xué)特征是確定天然水與環(huán)境的關(guān)系,以及地下水和地表水相互轉(zhuǎn)化方式的有效方法。楊智[4]結(jié)合水力學(xué)、水溫、水化學(xué)、氫氧穩(wěn)定同位素技術(shù),研究了鄂爾多斯海流兔河流域地表水與地下水的關(guān)系。余斌[5]等人在阿克蘇河流域的典型區(qū)域收集采樣,通過對比地下水地表水的水化學(xué)特征和同位素特征,表明兩者之間的相互作用和交換量。谷洪彪[6]通過現(xiàn)場采樣調(diào)查等,分析柳江盆地地區(qū)的地下水地表水的水化學(xué)和同位素的特征,揭示河水與地下水的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系。楊淇越等[7]利用全球降水同位素監(jiān)測網(wǎng)包頭站的大氣降水穩(wěn)定同位素資料,對錫林河流域穩(wěn)定同位素分布進(jìn)行了相互作用的研究,這些研究為進(jìn)一步開展地表水與地下水之間相互作用奠定了良好的基礎(chǔ),提供了切實(shí)可行的研究思路。

2 河流與地下水交換量的主要研究方法

2.1 地下水動力學(xué)法

地下水動力學(xué)方法基于傳統(tǒng)水力學(xué)方法來研究河流與地下水之間的關(guān)系,一般分為解析法和數(shù)值法。這種方法可以解決復(fù)雜多樣的地下水與河流補(bǔ)排條件,但往往需要大量的水文和水文地質(zhì)數(shù)據(jù)來支撐。解析法通常適用于地下水區(qū)幾何形狀規(guī)則、邊界條件單一、需要河流分段的情況。計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性受到河流分割的強(qiáng)烈影響,隨著河流分割的增加而增加[8]。任嘉偉[9]等利用水動力學(xué)法和溫度示蹤法研究了典型草原內(nèi)陸河——錫林河上游河段的垂向潛流交換特性和影響因素,得出水動力學(xué)法和溫度示蹤振幅法的結(jié)果一致性較好。考慮到水動力學(xué)法計(jì)算結(jié)果易受河床滲透性的影響,而沉積物的熱力學(xué)參數(shù)變化較小,且草原地區(qū)溫度變化顯著,因此溫度示蹤法是研究草原河流潛流交換較為準(zhǔn)確、便捷的方法。劉麗雅[10]從水動力學(xué)的角度,在試驗(yàn)區(qū)通過抽水試驗(yàn)、微水試驗(yàn)等工作,利用Processing Modflow研究試驗(yàn)區(qū)的水文地質(zhì)模型。

由于該解析法擴(kuò)展到地表水體和地下水條件過于理想,不適用于復(fù)雜條件下的轉(zhuǎn)化率,這限制了解析方法的進(jìn)一步應(yīng)用和擴(kuò)展。數(shù)值方法可以描述更復(fù)雜的地質(zhì)和地下水,可以模擬和分析不同復(fù)雜條件下地表-地下水相互作用[11]。然而,對數(shù)據(jù)要求和參數(shù)高且難以獲得,限制了其使用[12]。

2.2 水化學(xué)法

地下水和地表水有各種各樣的自然物理性質(zhì)（導(dǎo)電率）和化學(xué)性質(zhì)（堿度、pH值）,可以作為這兩個(gè)系統(tǒng)相互作用的標(biāo)志。各種示蹤劑已被用于調(diào)查地下水-地表水交換,包括電導(dǎo)率、pH值等；陰離子（Cl-、SO42-、CO32-）和陽離子（Ca2+、Na+、 K+、Mg2+）,地下水和地表水濃度有明顯差異的地點(diǎn),可以探測到地下水或地表水的影響,它是識別地下水與地表水相互作用的有效方法[13]。受地球化學(xué)以及同位素分餾作用的影響,通過水化學(xué)法確定河流地下水的相互作用存在不確定性,目前多采用定性和半定量研究；基于多種同位素聯(lián)合分析正在成為一種趨勢,有助于提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

2.3 直接測量法

直接測量法是使用滲流計(jì)在點(diǎn)尺度上獲取河床與含水層之間的交換量,需要多組點(diǎn)測數(shù)據(jù)才能獲得準(zhǔn)確的交換量,一般適用于點(diǎn)尺度研究；對于流域尺度,由于地表水和地下水存在著空間差異,該方法的應(yīng)用過于費(fèi)力,數(shù)據(jù)獲取難度大,因此在實(shí)際研究中應(yīng)用相對較少[14]。這種測量方法的優(yōu)點(diǎn)是可以快捷的安裝,不需要復(fù)雜昂貴的設(shè)備,操作簡單等優(yōu)點(diǎn),一般適合于小尺度研究的河流、湖泊和海洋等濕地,不適用于有空間差異性的河段,并且這種方法還需要垂向滲透系數(shù)才能定量分析交互作用[15]。

2.4 溫度示蹤法

在大多數(shù)地區(qū),在冬季和夏季,地下水和地表水的溫度存在較明顯的差異,總體來說,地下水溫度更穩(wěn)定,地表水溫度會隨著日變化和季節(jié)變化的,因此溫度可以用于識別地表水與地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系。開展溫度示蹤法最早溯源到1915 年,直到20 世紀(jì)末。溫度示蹤才開始應(yīng)用于地表水與地下水的交換關(guān)系研究,介于當(dāng)時(shí)的溫度監(jiān)測裝備、計(jì)算條件以及配套的軟件不滿足要求,限制了溫度示蹤方法的使用,當(dāng)時(shí)的工作更多地側(cè)重于理論研究,隨著測溫技術(shù)升級,和相配套的計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展,使其使用成本也逐步降低,從而促進(jìn)了溫度示蹤劑在水文、地下水和地表水交換的應(yīng)用。地表水和地下水之間的相互作用過程會對溫度隨時(shí)間和深度的變化產(chǎn)生顯著影響[16]。此外,地表水和地下水之間不同的相互作用力導(dǎo)致不同的熱擾動,這在淺層沉積物的溫度剖面中也會很明顯。由于這些原因,熱量可以很好地指示地表水和地下水之間的相互作用[17]。使用溫度示蹤法研究地下水和地表水的交互作用受到觀測點(diǎn)位置、收集數(shù)據(jù)時(shí)間的限制,同時(shí)地下水和地表水必須要有足夠的溫度差異,才會有明顯的效果。

2.5 同位素示蹤法

同位素環(huán)境研究方法使水文地質(zhì)研究能夠量化大氣水、地表水和地下水之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系,從而為解決水文地質(zhì)問題提供一種經(jīng)濟(jì)、快速、準(zhǔn)確的研究方法[18]。環(huán)境放射性同位素通常用于估計(jì)地下水的年齡,而穩(wěn)定同位素則用于研究集水區(qū)地表水和地下水相互轉(zhuǎn)化的過程和方式。礦物質(zhì)可以與地下水發(fā)生反應(yīng)并改變其化學(xué)成分,但地下水中環(huán)境同位素的相對穩(wěn)定性在水循環(huán)中被廣泛應(yīng)用,穩(wěn)定同位素常被用作“示蹤劑”,可用于追蹤地下水的來源,確定源補(bǔ)給和補(bǔ)給介質(zhì),研究地下水與周圍水體的補(bǔ)給和排泄關(guān)系。放射性同位素由于其衰變特性而具有“測年”功能,可用于計(jì)算地下水的年齡。同位素技術(shù)現(xiàn)在越來越多地用于確定地表水和地下水之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系。由于不同的原因,水循環(huán)系統(tǒng)中的不同水團(tuán)具有各自特征的同位素組成,即富含氫（2H）和氧（180）的不同重同位素。通過分析微量環(huán)境水的不同同位素,可以追蹤它們的形成和遷移模式[19]。氫氧同位素的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,廣泛用于研究地表水與地下水之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系[20]。許多學(xué)者通過對水化學(xué)和同位素特征的分析,在黑河流域[21]、小昌馬河流域[22]、昭蘇－特克斯盆地[23]、海河流域源區(qū)[24]等地區(qū)的水化學(xué)及地表水－地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系的研究上取得了較好的效果。

2.6 各方法對比

表1為各研究方法的對比分析,總結(jié)分析各方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

表1 各研究方法對比分析

3 東北地區(qū)同類工作進(jìn)展

張兵[25]等人在三江平原地區(qū)現(xiàn)場考察,采集樣本和室內(nèi)分析水化學(xué)特征,采用穩(wěn)定氫氧同位素和水化學(xué)兩種方法相互補(bǔ)充對比,減少了單一方法的不確定性,研究了三江平原地表水與地下水的關(guān)系,并定量計(jì)算了地表水與地下水的轉(zhuǎn)化率。采用的環(huán)境同位素法和水化學(xué)方法能夠很清楚地得知,三江平原地表水與地下水的補(bǔ)排關(guān)系,并且在人類活動較大的地方,水化學(xué)類型發(fā)生了變化。

田浩然[26]等人采用水量平衡方程、地下水平衡方法、數(shù)值模擬等方法,通過各水文站上下游的實(shí)測流量,以及區(qū)間內(nèi)人工取水量,蒸發(fā)量計(jì)算了兩者直接的轉(zhuǎn)化量。在地下水均衡量計(jì)算過程中,采用了野外試驗(yàn)和動態(tài)推求求得所需參數(shù)值,確定了補(bǔ)給量。通過三種方法研究了地表水與地下水的轉(zhuǎn)化關(guān)系,并且確定了轉(zhuǎn)化量,得出人類對地下水的大量開采已經(jīng)導(dǎo)致了城市地下水水位的下降。

在東北地區(qū),三江平原地區(qū)已經(jīng)采用同位素方法、水化學(xué)法相結(jié)合,分析當(dāng)?shù)氐耐凰?、水化學(xué)特征,確定地表水地下水補(bǔ)排關(guān)系。采用地表水水量平衡方程等方法計(jì)算了松花江佳木斯下游段地表水地下水交換量。當(dāng)前在東北地區(qū)還沒采用溫度示蹤法進(jìn)行地表水地下水的相互作用的研究,隨著地表水地下水發(fā)生交換,會伴隨能量的產(chǎn)生與傳遞,而溫度作為能量的直觀反映載體,可以直接反映兩者之間的相互關(guān)系。

4 結(jié)論

地表水與地下水的轉(zhuǎn)換是自然水循環(huán)中非常普遍的現(xiàn)象。介紹分析比較各種確定地下水地表水的相互作用的方法,各種方法有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。應(yīng)用單一的方法研究地表水與地下水的轉(zhuǎn)化關(guān)系,不確定性影響因素多,缺少多方面條件的綜合。為解決這種問題,許多研究人員因此選擇了一種組合方法來研究相互作用區(qū)的水動力特性,在研究地點(diǎn)使用不同空間尺度的多種方法可能有助于克服收集的數(shù)據(jù)的不確定性,并且這種組合方法成為趨勢,可以更可靠地揭示地表和水之間的相互作用。在以后的地下水地表水相互作用和交換量的計(jì)算上,可以采用組合的方法對地下水補(bǔ)給進(jìn)行驗(yàn)證,同時(shí)可提高計(jì)算精度和可靠性。