黃河流域內地表水與地下水轉化關系分析

羅新燕

(內蒙古自治區水利水電勘測設計院，內蒙古 呼和浩特 010020)

0 引言

黃河流域是中華文明重要的發源地之一，在保障區域內生物多樣性、聯系水系、凈化水質及維持生態平衡方面發揮了重要作用[1-3]。隨著現代工業發展及上游生態破壞的加劇造成流域內地下水位持續降低，水資源短缺及區域內水循環和水功能受阻。地下水和地表水是水資源不同層次的存儲方式，兩者之間相互轉化對水資源的持續發展有積極促進作用，因此有必要對地表水與地下水的轉化條件進行分析，為黃河流域水資源治理提供參考[4-8]。針對地表水與地下水的關系，王化齊等[9]分析了水資源開發與國土環境的關系，提出了地表水補給地下水的方式；陳能汪等[10]利用元素標記法分析了九江流域內地表污染物向地層轉化的機制；閆雅妮等[11]利用實驗的方法通過分析硝態氮的轉移規律研究了地表水與地下水的轉化關系。

本文選取黃河內蒙古流域五原縣至準格爾旗流速較緩區間為研究對象，通過對該區段的研究能有效對內蒙古境內黃河水與地下水的轉化關系作出評估，對區域內黃河水治理具有參考價值。

1 研究區地層巖性

本文選取了黃河內蒙古境內部分區域為研究對象，流域范圍始于巴彥淖爾市五原縣終于鄂爾多斯市準格爾旗，流域內長度約350 km(圖1)。

地層巖性對流域內地下水和地表水的轉換有直接影響，在滲透力作用下，流域內水流會從水頭高的巖層流入水頭低的巖層，因此區域內巖性對水系轉換有直接影響。

研究區出露地層自下而上依次如下：

下更新統：分布于第四沉積中下部，距離地表70～120 m，該層厚度在50～80 m之間，該地層主要是透水性較好的灰色及部分灰褐色砂礫石、粗砂，部分區段內黏土含量較大。礫石成分以碳酸鹽類火山石及石英為主，大多呈圓礫狀，粗砂粒徑在3～6 mm之間。

中更新統：分布于地面下10～20 m之間，厚度介于40～80 m之間，主要由灰色、淺灰色、褐色粉細砂、粗砂砂礫石及砂卵石組成，巖層礦物質主要以親水性較強的蒙脫石伊利石為主，砂卵石以酸性火山巖礦物質為主。

全新統：由地面至深度20 m范圍內，主要為黃色、黃褐色沖擊層粉質黏土為主，該地層透水性較差，具有較強的親水能力，是河床沖擊形成的軟弱地層。

2 樣品采集及分析方法

2.1 樣品采集

本文采用同位素標定的方法，通過檢測標定的同位素元素在流域內的行動軌跡而進一步判別地下水與地表水的流向。該方法廣泛用于元素追蹤中，利用相同元素的不同特征找到其運動軌跡進一步分析地表水和地下水的轉換關系。

為了消除實驗過程中的誤差，地表水采集前要用目標區域河水對采樣容器進行沖洗至少3次，直至玻璃容器內壁出現掛珠為止[12-14]，采樣過程中要將容器深入到河水表面一定深度以避免表面含雜質較多的水污染樣本，采樣完成后要及時對樣本密封[15-17]。地下水采集采用管井抽取樣品法，采集前先排水10 min，直至抽取的水源清澈肉眼觀測無雜物為準。

同位素標定與測試采用質譜法[18]。

2.2 分析方法

本文采用穩定同位素特征分析方法，通過測量樣品中同位素比值與標準品間的數學關系[14]，其計算見公式(1)：

(1)

式中：R1/R2為樣品和標準品間δ18O/δ16O比率。

為了研究黃河水在地表及地下的空間時間轉化關系，本文選取了2019年5月、8月及10月三個節點作為流域內枯水期、豐水期和平水期三個時期的典型代表對流域內水力條件進行了調查取樣分析，采樣點平面位置見圖2，為了便于研究，將采樣點按照所在位置進行編號，樣品數量見表1。

圖2 采點布置Fig.2 The layout map of water sample collection1—剖面 2—地下水樣點 3—地表水樣點 4—江河 5—研究區邊界

表1 樣品采集數量Table 1 List of sample quantity

3 結果分析

根據以上計算方法和采樣方法，得到了2019年5月枯水期黃河流域內水樣δ18O及δD的值域分別為-10.65‰～-12.73‰和-79.32‰～-97.03‰，其沿程變化曲線見圖3。由圖3可見，隨著測點與河源距離增加，δ18O及δD的變化曲線趨于一致，都是隨著距離的增加呈現先富集最后擴散降低的趨勢。

圖3 枯水期δ18O及δD變化曲線

圖4為2019年8月豐水期δ18O及δD變化曲線，由圖4可見，兩者值域分別為-8.37‰～-10.55‰與-69.18‰～-79.35‰，流域內南北兩岸呈現一定的差異性，隨著距離的增加兩者呈現先富集后擴散的趨勢。

圖4 豐水期δ18O及δD變化曲線Fig.4 δ18O and δD variation curve during wet season period

圖5為2019年10月平水期δ18O及δD變化曲線，由圖5可見，δ18O及δD的變化范圍分別在-11.37‰～-9.65‰與-86.44‰～-76.61‰之間，且隨著距離的增加呈現先擴散后富集最后又擴散的態勢。

圖5 平水期δ18O及δD變化曲線Fig.5 δ18O and δD variation curve during normal water period

按照2019年10月(平水期)測量結果，通過式(1)計算得到地下水和地表水 δD - δ18O 關系曲線(圖6)，將地表水和地表水進行回歸分析，得到地下水和地表水的回歸直線，兩條直線的斜率小于大氣降水線，說明地下水受蒸發作用影響較小，地表水受蒸發作用影響較大，兩者斜率相近表明黃河水的地表和地下部分聯系緊密。

圖6 δD - δ18O關系曲線Fig.6 δD - δ18O relation curve

圖7 剖面離子變化Fig.7 Ion variation in the profile

從以上同位素分析及河流剖面離子分析中可以發現，黃河流域內主要是地表水補給地下水。

4 數值模擬分析

本文利用VB計算機語言建立了黃河水不同條件下地表水與地下水的相互轉化數學模型，將滲流邊界條件離散化，利用連續函數在區域內不間斷的特點用函數曲線模擬不同高度水頭[18]，模型計算流程見圖8。

按照圖8所示的轉化流程，首先建立了計算單元，該單元共包含241個單元和152個網格點，將沉陷區域離散為互相聯系的小區域，各區域間水力條件通過勢函數形成連續變化的整體。

圖8 地表水與地下水的相互轉化流程Fig.8 Mutual transformation process of surface water and groundwater

圖9為豐水期地下水流場，流域內面積6.128 21 km2。由圖9可見，研究區域內中間位置處水壓較高，壓力水頭達到19.23 m，隨著區域半徑的擴大，水壓力逐漸降低，壓力等勢線在中心附近降低緩慢，在模擬區域的邊緣，壓力等勢線降低迅速，直至出現負壓區域，其壓力水頭為-2.15 m，水流由高壓向低壓方向流動，水流量Qk=0.009 321 m3/d。因此地下水通過壓力作用在地層間運動，其壓力梯度在水源附近較小在遠離水源處較大。

圖9 豐水期地下水流場Fig.9 Groundwater flow field in wet season period

通過數值模擬與現場調查結果對比可以發現，數值模擬結果與監測實驗結果基本一致，表明數值模擬結果的準確性。

5 結論

黃河流域是我國重要的生態屏障和文明搖籃，研究黃河水在不同條件下地表與地下水力轉化對保護黃河生態加強水域治理具有重要意義。本文在分析了黃河流域某區段地層結構基礎上采用穩定同位素特征分析方法及剖面法分析了流域內三維滲流方向，最后通過VB計算機語言對流域內進行了離散元數值模擬分析，主要得出了以下結論：

1)隨著距離河源距離的增加同位素δ18O及δD沿程含量逐漸降低，通過地表水和地下水兩者的回歸曲線分析可知，黃河沿岸研究段落中的九原區至清水河段地表水是地下水的主要補給來源。

2)地下水中陽離子Na+含量高于地表水，表明地表水對地下水有補給作用。

3)數值模擬結果表明地表水轉化為地下水，流量Qk=0.009 321 m3/d與監測實驗結果基本一致，驗證了模擬的準確性。