太子河遼陽至小林子段地下水與地表水相互轉化研究

趙博

（遼寧江河水利水電新技術設計研究院有限公司，遼寧沈陽110003）

評價地表水—地下水相互轉化的常規方法有：直接測量法，在實際應用中獲得面尺度上的數據較為困難[1,2]；溫度示蹤法，依賴地表水和地下水之間溫度明顯的差異[3]；地下水均衡法、水力梯度算法、數值模擬法等基于達西定律的方法，其數值可在不同的數量級上變化[4，5]；人工示蹤、水化學與同位素示蹤等基于質量平衡的示蹤法，只能得到半定量的結果，難以實現連續的動態監測，在地表水—地下水非單向交換的地段一次數據難以準確描述轉化過程[1,6]。由此可見，以上4 種方法都有局限性，在計算時存在諸多不確定性。下文使用基于地表水均衡原理的累積轉化量法，研究太子河窩水庫下游的山前平原河段的地表水—地下水轉化關系。該方法不受同位素、溫度等測量數據限制，以日為單位進行累計計算，且所需的日尺度觀測數據在地下水觀測站較易獲得，計算更精確。

1 累積轉化量法原理

累積轉化量法基于地表水均衡原理，對于某一特定的河段，水量變化量（補拍差）可用上下游的流量差表示，水均衡方程：

式中：Q補，Q排——河段各項補給或排泄量；Q上，Q下——河段上或下游流量。

將補給和排泄量進行細化，可得到普遍情況下的水均衡方程：

式中：Q支——支流流量；Q降——降水對河段水面的補給量；Q蒸——河段水面的蒸發量；Q轉——河水與地下水之間的轉化量；Q引——外部引水量；Q其他——其他河段水量變化，表示河段的補給相為正值，表示河段的排泄相為負值。

通過計算出每日的轉化量，進而求得任意第n天的累積轉化量公式：

2 研究區概況

研究區位于遼寧省東部的太子河流域，流域面積13 883 km2，干流河長413.0 km，河流年均徑流量37.3×108m3。研究河段位于窩水庫下游的太子河山前沖洪積平原，遼陽站與小林子站之間，河段長37.7 km，該河段北側有支流北沙河匯入。研究河段流量數據采用遼陽站、小林子站的流量控制，北沙河流量由前煙臺水文站控制。研究河段內無任何取水工程。河段以南為遼陽灌區，種植水稻，灌溉面積67 km2，灌溉用水主要來自太子河，引水渠首位于遼陽東部的鵝房，在遼陽站上游；河段以北主要為旱田。沖洪積平原地勢平坦，含水層為砂礫石，厚40~80 m，滲透系數可達70~400 m/d，地下水交替能力強；地表有2~12 m 黃褐色亞粘土，由東至西逐漸變厚。

所用數據均為2006—2016 年數據，由遼寧省水文局提供。流量數據選用遼陽站、小林子站與前煙臺站的日均流量數據控制，降水數據為小林子站日降水數據，蒸發數據為小林子站日蒸發系列數據，采用φ20 cm 蒸發器測量，由人工觀測。

3 結果與討論

3.1 河段年內轉化量計算

計算河水水面蒸發量時，需要將φ20 cm 蒸發器所測量的蒸發量（E20）折算成E601 型蒸發器的蒸發量，以近似反映天然大水體蒸發值。折算系數C的選擇依據《遼寧省水資源》，如表1 所示。計算河段2016年累積轉化量的計算結果如圖1所示。

表1 太子河水面蒸發量φ 20 cm—E601 型折算系數表

圖1 研究河段2016 年地下水—地表水累積轉化曲線降水及上下游徑流量

3.2 2016 年河段轉化量分析

經過計算分析，2016 年研究河段河水—地下水累積轉化量整體呈上升趨勢，該河段為地下水對河水補給。但不同時段轉化情況不同，呈現典型的階段性。根據累積轉化量的變化趨勢可大致將其劃分為7 個階段（圖1，表2），其中階段1，6 與7 變化相對穩定，階段2—5 變化劇烈。階段1 為1—4 月，表現為穩定的地下水補給河水，上下游流量穩定，累積轉化量變化穩定，該階段可認為是自然控制型。階段2 河水流量于4 月29 日陡增（圖1），是上游窩水庫放水引起。時段為灌溉初期，在階段上仍表現地下水補給河水，轉化率較低，僅為3.6×104m3/d，該階段可認為水庫調蓄與農田灌溉共同作用型。階段3 上游間隙性放水，河水位呈波動狀變化且相比階段2 顯著降低；灌溉強度減小，地下水位呈波狀變化并略有上升趨勢，該階段可認為是灌溉作用主要控制型。階段4 水庫放水量增加，減弱了灌溉引起的地下水對河水補給強度，轉化率減小為26.9×104m3/d，該階段為水庫調蓄與農田灌溉共同作用型。階段5 與階段3 類似，為灌溉作用主要控制型。階段6 上游水庫不再進行大規模放水，停止灌溉。但灌溉影響依然存在，水位仍高于天然狀態，該階段可認為灌溉滯后作用型。階段7 上下游流量逐漸恢復為階段1時的流量，灌溉帶來的影響基本消失，轉化速率為37.6×104m3/d，與階段1 的轉化速率接近，可認為是自然控制型。計算結果見表2。

表2 研究河段河水—地下水轉化量計算結果

3.3 河段年際轉化量分析

如圖2 所示，總體上該河段表現為地下水補給河水，11 年期間總補給量為10.222 億m3，年均補給量為0.929 億m3，各年份轉化情況不盡相同。從圖2 可見，僅2007 年和2015 年的地下水—地表水轉化模式與 2016 年相一致，即 1—5 月與 10—12 月地下水緩慢補給河水，6—9 月地下水迅速補給河水。而2009—2014 年表現為另一種轉化模式，即1—5 月份與 10—12 月份河水補給地下水，6—9 月份地下水補給河水。這與水庫在枯水期的調蓄息息相關，相關研究表明，太子河流域水庫建設（特別是芭水庫）改變了河流的基流過程，在減少了汛期基流的同時，增加了汛前基流（1—5 月與10—12 月）。這使得枯水期河水流量增加，河水位相應抬升，而地下水水位由于降水量減少而降低，為河水滲漏補給地下水創造了條件。分別計算歷年各月的轉化量，其箱型圖分布如圖3 所示，可見在多年的尺度上，每年的1—5 月與10—12 月表現為地下水與河水互相轉化，具體轉化取決于窩水庫的調蓄。6—9 月份基本表現為地下水轉化為河水，不論水庫如何調蓄，灌溉引起的地下水位抬升總能使地下水轉化為河水。

圖2 2006—2016 年研究地下水-地表水累積轉化曲線與降水關系

圖3 2006—2016 年研究河段各月份轉化量箱型圖

4 結論

1）運用累積轉化量法對太子河沖積平原遼陽—小林子河段進行研究，并將其河水—地下水轉化關系劃分為7 個階段、4 種類型（自然控制型、水庫調蓄與農田灌溉共同作用型、灌溉作用主要控制型、灌溉滯后作用型）。河段天然狀態下補給量約為34.5×104m3/d，灌溉引起的補給增量可達（78.0~138.7）×104m3/d，灌溉停止后，其影響可持續時間48 d，補給增量為30.3×104m3/d。

2）遼陽—小林子段在2006—2016 年總體上為地下水補給河水，補給量為10.222 億m3，年均補給量為0.929 億m3。由于窩水庫在枯水期的調蓄作用，使得各年份的轉化關系不盡相同。每年的1—5 月與10—12 月表現為地下水與河水互相轉化，具體轉化取決于窩水庫的調蓄，而6—9月份基本表現為地下水轉化為河水。