基于溫度示蹤的渭河西成新區段潛流交換研究

張佳　霍艾迪　賽佳關　陳嘉莉　馮逸偉　李英豪

摘要：為了探索地表水和地下水相互作用的動態變化特征，使用溫度傳感器對渭河西咸新區段的潛流交換過程進行了溫度監測試驗，采用溫度示蹤法分析了潛流交換的動態變化機制。結果表明：左岸與右岸試驗點的補給關系均為地表水補給地下水；除去降雨和氣溫影響較大的0.05～0.15 m深度，左岸試驗點在0.70～1.00 m深度潛流交換最為劇烈，右岸試驗點在0.40～0.70 m深度潛流交換最為劇烈；潛流通量越穩定，其不確定性區間寬度也越穩定；潛流帶沉積層溫度對氣溫的波動響應具有垂直方向的空間變異性。

關鍵詞：補給關系；溫度示蹤；潛流交換；西成新區；渭河

地表水和地下水具有密切的水力聯系，可以相互影響和轉化。在潛流帶，河水可與地下水發生物質與能量的雙向遷移與混合。作為活躍的生態群落交錯帶，潛流帶對河流生物體的生命循環、水污染防治、水資源統一管理、干旱與半干旱地區水生以及河岸生態系統、湖岸生態系統的保護等具有非常重要的影響。因地表水與地下水相互連通，具有密切的水力聯系，故在地表水污染較嚴重的地區，地下水的污染也十分嚴重。陜西省境內沿渭河建設的傍河水源地達30多處，鑒于近年來渭河干流與支流水質污染嚴重，渭河地表水的污染已對陜西省境內沿河居民的地下水飲用水源及人體健康構成潛在危害。同時，渭河作為西咸新區“一河兩帶四軸五組團”中的“一河”，其污染防治和水生態治理直接影響著陜西省經濟發展的大局。因此，對陜西省渭河西咸新區潛流帶的研究不僅可為水資源管理及水污染防治提供依據，而且可為深入研究地表水與地下水的相互作用機理提供理論基礎，以及為生態需水量的確定和生態保護提供數據支撐。

1研究區域概況

研究區位于渭河西咸新區段，區內不同地點的年均氣溫為12.5～14.0℃，多年平均降水量為510.1 mm。渭河在陜西省境內的流域面積為33 548 km2，多年平均徑流量為53.8億m3，多年平均輸沙量為1.49億t。渭河西咸新區段位于關中平原的渭河沖洪積平原亞區，地下水較豐富，地下水徑流模數為27.35萬～33.07萬m3/（km2·a）。

2研究方法

試驗中記錄溫度數據的傳感器（iButton）型號為DSl922L-F5，采樣時間間隔為10 min，分辨率為0.062 5℃，采樣深度分別為0.05、0.15、0.40、0.70、1.00 m。本次試驗在渭河左岸及右岸河床各有一個試驗點（左、右岸試驗點均位于東經108°51′、北緯34°23′）。2015年9月30日至10月3日在渭河左岸測量，10月4-7日在渭河右岸測量。

VFLUX程序適用于飽和多孔介質中的一維垂向流，可自動處理序列原始溫度數據，根據溫度曲線相位及振幅計算潛流帶不同深度處潛流交換的垂直速度，解算熱混合率、最優傳感器間距等。本文采用VFLUX軟件解算試驗點的序列原始溫度數據，解算過程中所用參數見表1。在解算溫度數據前，為了使不同傳感器的采樣時間一致，需要對溫度數據進行重采樣及數據過濾；對采樣數據進行動態諧波最優化，模擬自動迭代范圍的峰值；用實測溫度數據擬合動態諧波最優化溫度數據，解算潛流通量。計算流程見圖1。

3結果與討論

3.1試驗結果分析

自然界的熱循環周期為1 a或1 d。地表水補給地下水情況下的熱循環周期溫度變化大于地下水補給地表水情況下的熱循環周期溫度變化。地表水補給地下水的河流，地表水經過了地表的加熱或冷卻，地表水的下滲會引起河床沉積層較大的溫度波動；地下水補給地表水的河流，因地下水的溫度比較穩定，故補給河流的地下水在流經沉積層時對地表的溫度波動可起到一定的緩沖作用，導致該情況下河床沉積層溫度相對較穩定（約為熱循環周期溫度的平均值）。

由圖2與圖3可知：左岸試驗點沉積層0.05、0.15、0.40 m深處沉積層溫度隨氣溫波動明顯，0.70、1.00 m深處的溫度對氣溫變化的響應不明顯；右岸試驗點0.05、0.15 m深處的溫度隨氣溫波動有較小的波動，0.40、0.70、1.00 m深處的溫度基本不隨氣溫波動而波動。由圖2可知，渭河左岸0.05 m處的溫度接近河水溫度，1.00 m深處的溫度接近地下水溫度，所以可初步判斷左岸試驗點的補給關系為地表水補給地下水。由圖3可知，渭河右岸0.05、1.00 m深處的波動特征與左岸試驗點相同深度的波動特征類似，但0.05 m深處的溫度明顯高于正常河水溫度（皂河污水影響），所以無法通過波形對比直接判斷右岸試驗點的補給關系。

3.2潛流通量解算

由VFLUX軟件解算一維擴散方程，可得各試驗點不同深度潛流通量隨時間的變化。潛流通量為負值，說明該點的滲流方向為垂直河床向上；潛流通量為正值，說明該點的滲流方向為垂直河床向下。

3.2.1左岸試驗點潛流通量時空變異性

左岸試驗點的潛流通量變化見圖4。由圖4可知，沉積層深度越大，潛流通量平均值越大，0.70～1.00 m深度潛流通量平均值最大。所以，潛流交換在0.70～1.00 m深度最為活躍，該深度范圍內地表水與地下水的連通性最好。

對左岸試驗點潛流通量進行統計，結果見表2、表3。由表2可知，0.05-1.00 m深度潛流通量平均值先減小后增大，標準偏差逐步變小。潛流通量最小值出現在0.40-0.70 m深度，最大值出現在0.05-0.15 m深度，0.05-0.15 m深度潛流通量的離散程度最大。由表3可知，在試驗期內，0.05-1.00 m深度的滲流方向均為向下。

渭河右岸試驗點的潛流通量變化見圖5。由圖5可知，0.40-0.70 m深度潛流通量平均值最大，所以潛流交換在0.40～0.70 m深度最為活躍，地表水與地下水的連通性最好。對右岸試驗點河床不同深度處的潛流通量進行統計，結果見表4、表5。由表4可知，0.05～1.00 m深度潛流通量均值先增大后減小，其標準偏差先增大后減小。潛流通量最小值出現在0.05-0.15 m深度，最大值出現在0.40～0.70 m深度，0.40-0.70 m深度潛流通量的變異性最大。由表5可知，右岸試驗點潛流通量的有效數據均為正值，所以該試驗點滲流方向向下。其中，0.40-0.70 m潛流通量明顯異于其他深度，主要與該深度范圍沉積層連通性有關。

3.3潛流通量的不確定性分析

對渭河左岸與右岸試驗點河床沉積層0.05～0.15、0.15-0.40、0.40-0.70、0.70-1.00 m深度的垂向潛流通量進行不確定性分析。不確定性區間寬度隨時問的變化見圖6、圖7。

由圖4和圖6可知，0.05-0.15 m深度不確定性區問隨潛流通量的增大而增大：0.15～0.40 m深度不確定性區間隨潛流通量的增大而減小；0.40-0.70、0.70-1.00 m深度不確定性區問范圍較穩定，基本不隨時間發生變化。

由圖5和圖7可知，0.05-0.15、0.15-0.40 m深度的潛流通量基本不隨時間發生變化，所以不確定性區問范圍也較穩定；0.40-0.70 m深度的不確定性區間范圍隨潛流通量的減小而減小；0.70-1.00 m深度不確定性區間范圍隨潛流通量的減小而增大。

綜上，在地表水補給地下水的地段，潛流通量隨時間波動較小時，其不確定性區間范圍較穩定；潛流通量隨時間波動較大時，其不確定性區間范圍也較為波動，但具體規律有待于進一步研究。

4結語

渭河西咸新區段河水與地下水的補給關系為地表水補給地下水；河床沉積層深度越大，其沉積層下部溫度對地表水溫度波動的響應越小：試驗點潛流交換時空變異性顯著，左岸試驗點在沉積層深度為0.05-0.15、0.75-1.00 m時潛流交換比較強烈，右岸試驗點在沉積層深度為0.40-0.75 m時潛流交換比較強烈。潛流通量隨時間變化較小時，其不確定性區間的寬度較穩定，隨時間波動較小。