國內近年河流與地下水交換量研究進展

馬耀東，高 宇，戴長雷，李夢玲

（1.黑龍江大學寒區地下水研究所,黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江大學水利電力學院,黑龍江 哈爾濱 150080；3.黑龍江大學中俄寒區水文和水利工程聯合實驗室,黑龍江 哈爾濱 150080）

1 研究方法的發展現狀

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化關系進行了系統研究,王文科等[1]指出影響河流與地下水轉化的各因素,并且提出急待解決的關鍵問題。王平[2]總結出河流與含水層交換的常用研究方法,并且指出了干旱區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特征,得出水化學特征是確定天然水與環境的關系,以及地下水和地表水相互轉化方式的有效方法。楊智[4]結合水力學、水溫、水化學、氫氧穩定同位素技術,研究了鄂爾多斯海流兔河流域地表水與地下水的關系。余斌[5]等人在阿克蘇河流域的典型區域收集采樣,通過對比地下水地表水的水化學特征和同位素特征,表明兩者之間的相互作用和交換量。谷洪彪[6]通過現場采樣調查等,分析柳江盆地地區的地下水地表水的水化學和同位素的特征,揭示河水與地下水的相互轉化關系。楊淇越等[7]利用全球降水同位素監測網包頭站的大氣降水穩定同位素資料,對錫林河流域穩定同位素分布進行了相互作用的研究,這些研究為進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,提供了切實可行的研究思路。

2 河流與地下水交換量的主要研究方法

2.1 地下水動力學法

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

由于該解析法擴展到地表水體和地下水條件過于理想,不適用于復雜條件下的轉化率,這限制了解析方法的進一步應用和擴展。數值方法可以描述更復雜的地質和地下水,可以模擬和分析不同復雜條件下地表-地下水相互作用[11]。然而,對數據要求和參數高且難以獲得,限制了其使用[12]。

2.2 水化學法

地下水和地表水有各種各樣的自然物理性質（導電率）和化學性質（堿度、pH值）,可以作為這兩個系統相互作用的標志。各種示蹤劑已被用于調查地下水-地表水交換,包括電導率、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,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]。受地球化學以及同位素分餾作用的影響,通過水化學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；基于多種同位素聯合分析正在成為一種趨勢,有助于提高實驗結果的可靠性。

2.3 直接測量法

直接測量法是使用滲流計在點尺度上獲取河床與含水層之間的交換量,需要多組點測數據才能獲得準確的交換量,一般適用于點尺度研究；對于流域尺度,由于地表水和地下水存在著空間差異,該方法的應用過于費力,數據獲取難度大,因此在實際研究中應用相對較少[14]。這種測量方法的優點是可以快捷的安裝,不需要復雜昂貴的設備,操作簡單等優點,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才能定量分析交互作用[15]。

2.4 溫度示蹤法

在大多數地區,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,地下水溫度更穩定,地表水溫度會隨著日變化和季節變化的,因此溫度可以用于識別地表水與地下水轉化關系。開展溫度示蹤法最早溯源到1915 年,直到20 世紀末。溫度示蹤才開始應用于地表水與地下水的交換關系研究,介于當時的溫度監測裝備、計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,當時的工作更多地側重于理論研究,隨著測溫技術升級,和相配套的計算機技術發展,使其使用成本也逐步降低,從而促進了溫度示蹤劑在水文、地下水和地表水交換的應用。地表水和地下水之間的相互作用過程會對溫度隨時間和深度的變化產生顯著影響[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位置、收集數據時間的限制,同時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

同位素環境研究方法使水文地質研究能夠量化大氣水、地表水和地下水之間的轉化關系,從而為解決水文地質問題提供一種經濟、快速、準確的研究方法[18]。環境放射性同位素通常用于估計地下水的年齡,而穩定同位素則用于研究集水區地表水和地下水相互轉化的過程和方式。礦物質可以與地下水發生反應并改變其化學成分,但地下水中環境同位素的相對穩定性在水循環中被廣泛應用,穩定同位素常被用作“示蹤劑”,可用于追蹤地下水的來源,確定源補給和補給介質,研究地下水與周圍水體的補給和排泄關系。放射性同位素由于其衰變特性而具有“測年”功能,可用于計算地下水的年齡。同位素技術現在越來越多地用于確定地表水和地下水之間的轉化關系。由于不同的原因,水循環系統中的不同水團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]。氫氧同位素的化學性質穩定,廣泛用于研究地表水與地下水之間的轉化關系[20]。許多學者通過對水化學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[24]等地區的水化學及地表水－地下水轉化關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,總結分析各方法的優缺點。

表1 各研究方法對比分析

3 東北地區同類工作進展

張兵[25]等人在三江平原地區現場考察,采集樣本和室內分析水化學特征,采用穩定氫氧同位素和水化學兩種方法相互補充對比,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系,并定量計算了地表水與地下水的轉化率。采用的環境同位素法和水化學方法能夠很清楚地得知,三江平原地表水與地下水的補排關系,并且在人類活動較大的地方,水化學類型發生了變化。

田浩然[26]等人采用水量平衡方程、地下水平衡方法、數值模擬等方法,通過各水文站上下游的實測流量,以及區間內人工取水量,蒸發量計算了兩者直接的轉化量。在地下水均衡量計算過程中,采用了野外試驗和動態推求求得所需參數值,確定了補給量。通過三種方法研究了地表水與地下水的轉化關系,并且確定了轉化量,得出人類對地下水的大量開采已經導致了城市地下水水位的下降。

在東北地區,三江平原地區已經采用同位素方法、水化學法相結合,分析當地的同位素、水化學特征,確定地表水地下水補排關系。采用地表水水量平衡方程等方法計算了松花江佳木斯下游段地表水地下水交換量。當前在東北地區還沒采用溫度示蹤法進行地表水地下水的相互作用的研究,隨著地表水地下水發生交換,會伴隨能量的產生與傳遞,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系。

4 結論

地表水與地下水的轉換是自然水循環中非常普遍的現象。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缺點。應用單一的方法研究地表水與地下水的轉化關系,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的水動力特性,在研究地點使用不同空間尺度的多種方法可能有助于克服收集的數據的不確定性,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算上,可以采用組合的方法對地下水補給進行驗證,同時可提高計算精度和可靠性。