地下水循环演化模式及研究方法综述

夏雨波，谢海澜 ，王冰 ，胡云壮 ，王小丹 ，白耀楠 ，张金起

（1.中国地质调查局天津地质调查中心，天津 300170；2.天津地热勘查开发设计院，天津 300250）

1 引言

我国水资源时空分布不均，限制了水资源的开发利用程度；另一方面，我国环境问题日益突出，地表水和地下水资源开发不当及恶意污染，使得可开发的水资源量呈现出逐渐减小的趋势。

水循环是指一个流域或区域水文单元的大气降水、地表水、包气带水和地下水系统之间水分转移与能量交换的水动力学意义上的往复过程[1]。它包含了水文地质实体内水动力场和水化学场的基本特点。对水动力场及水化学场进行研究，能够获得地下水水资源量及水资源质量的信息；在此基础上，进一步研究地下水的演化特征，可以计算出地下水水资源量的时空分布特点。研究地下水循环演化特征，能够为建立及开发水源地提供技术手段和理论支持，对地下水资源的调蓄及合理开发具有现实意义，并能为保持水质安全作出贡献。

2 研究进展

地下水流场与水化学场动态分布与变化规律，是研究区域地下水形成与演化的主要内容。开展地下水形成演化研究，揭示地下水循环规律，查明地下水化学形成机理，对于促进资源与环境可持续发展、实现生态环境良性循环都具有重要意义。研究地下水循环演化的关键是充分掌握研究体系的地质、水文地质、气候气象条件和地下水的常观资料。水循环中自然因素是主支，人为因素为侧支，由此形成的水循环为二元水循环。

2.1 地下水循环演化模式

地形、地质和地貌条件决定了地下水的补、径、排关系，是水循环模式分类的依据。本文基于不同含水层介质及地形、地貌单元及人为因素，将地下水循环模式分为：平原区、裂隙及岩溶含水层区、山区、滨海区和矿区等5个不同的单元。

2.1.1 平原区地下水循环演化模式

平原区是人类活动最为密集的地区，河流纵横，地面坡度较缓，受地表径流的影响强烈[2,3]，水循环特征多为径流排泄型[4]。平原区地下水含水层结构完整，侧向径流补给发育，水资源比较丰富。人为开采地下水会在很大程度上改变其循环演化规律和赋存条件，减少水资源的可开采量。我国现已出现了多个地下水降落漏斗，尤其是在城市体或城市群附近，人为开采及回灌是不可忽略的排泄、补给方式[5]。平原区最主要的补给来源为大气降水，区域角度上，降水入渗能够很好的反映出该地区的水循环特征[6]。揭示降水与地下水补给的关系，可以更好的评价地下水资源量、合理开发利用资源作出贡献[7-8]。对含水层岩性及渗透性的研究，也是平原区地下水循环演化模型的基础研究资料。

对地貌、地质、水文地质的水循环演化研究，多使用地下水均衡的方法进行评价，该方法通常能达到比较好的效果[9,10]，但对于较为复杂的水文地质单元，则需要更详尽的资料进行分析[11]，简单的采用水文地质调查及水均衡的方法是不够的。而采用地下水系统理论宏观研究地下水含水系统不失为一种理想的方法[12]，受多种构造体系复合交汇控制的条件复杂水文地质单元，可以将其分解为若干个具有一定独立性、而又互有联系、互相影响的不同等级的亚系统或次亚系统组成，每个地下水系统都具有各自的特征与演变规律,包括含水层系统、水文系统、水动力系统、水化学系统等，以此作为基础进行研究。岩相古地理分析和区域性大断裂控水分析是基于水文地质条件的以区域构造作为水文地质单元边界条件的研究方法，在存在构造的水文地质单元可以更好的分析地下水循环系统。

2.1.2 裂隙及岩溶含水层区地下水循环演化模式

在浅层甚至深层地下水过量开采的地区，裂隙水及岩溶水成为其次开采的水源，岩溶水以其水量大、水质好等特点，越来越为人们所重视。由于其开采程度轻，且开发利用前景好，很多地区已经开展了岩溶区地下水循环演化规律的研究[13,14]。岩溶区的分带主要有上层溶隙水循环带、溶隙潜水循环带和深层溶隙水渗透带[15]，结合地层埋藏条件可以将岩溶水循环模式分为“单斜顺置型”、“单斜逆置型”、“走向型”、“向斜-盆地型”和“断块及其他型”5种模式[16]。其中溶隙潜水循环带是主要的水资源储水带，深层溶隙水渗透带是深层地下水或承压水的补给系统。不同的演化模式代表了不同的富水特性，其发育条件通常是沿着构造带的发育方向展布的，或仅发生在风化带上。

裂隙岩溶区由于含水层结构为非均质、各向异性的，因此研究其地下水循环演化特征具有很强的实用意义，尤其是裂隙、岩溶水对开发比较早的地区和污染区更加重要[17]。裂隙、岩溶水的循环演化模式的研究对特定地区的水资源评价及环境地质问题的群测群防起到了指导性作用。

2.1.3 山区地下水循环演化模式

山区地质、地貌条件通常比较复杂，其富水性与所处的山区区域地质条件有关，通常存在着串珠式、隐伏串珠式、隆起、间歇式、连续式和山间谷地式等多种蓄水构造模式，并易存在着多次循环[18]。山区受地质构造作用的影响，形成多种构造类型，如褶皱、断裂等等，山前易发育成泉。山区水文地质的复杂性不仅仅在于其地质条件的复杂，更主要的在于其水力联系的复杂性。断裂带的存在，通常起到富水或隔水的作用，补径排关系的复杂性，造就了山区地下水水循环的特点。

2.1.4 滨海区地下水循环演化模式

滨海区地下水环境系统受海水和地下水共同影响，地下水演化是容淡水环境、海水潮汐环境、咸淡水混合环境为一体的复杂系统[19]。其地下水循环演化方式或可套用平原区或山区的特征，这与上游水文地质条件相关，但其排泄条件却比较特殊。滨海区地下水与海水之间的循环，通常存在两种模式：突变界面模式和过渡带模式。淡水与海水是可混溶的，它们之间存在一个咸淡水过渡带，且多数情况下过渡带的宽度不能忽略[20]。人类活动的日益频繁，对淡水资源的需求量急剧上涨，地下水资源被大量开发。沿海地区发生了一系列地质灾害和环境问题，如海水入侵、地面沉降等等。海岸带地下水环境尤其是海水入侵问题的研究，已经成为研究滨海地区地下水循环演化的一个重点。

2.1.5 矿区地下水循环演化模式

矿区地下水循环受到人为因素的影响更大，开采改变了地表水与地下水的转化关系，并加速了降雨和地表水的入渗速度，减少了蒸发的消耗量[21]。矿区地下水循环演化主要涉及的问题是地下水疏干。地下矿产资源的开发时，为了保证地下开采的正常进行，不发生矿坑涌水事故，就需要人为的切断含水层，疏干矿区地下水。矿区水循环演化主要涉及的研究内容是矿坑涌水量的计算，用以确定地下水循环的排泄方式和排泄量[22]。矿区的开采容易造成地下水的污染[21]。

2.2 地下水循环和演化研究方法

2.2.1 同位素示踪技术

对于较为复杂的或需要精细刻画的水文地质单元，环境同位素通常能达到比较好的效果，其应用的实例也比较多[23]。通过对研究区或特定水文地质单元内环境同位素的研究，能够获取地下水径流排泄、补径排的水资源量，对特定的环境同位素浓度梯度的研究，能够进一步分析出地下水不同的水循环模式[24]，对于基岩裂隙水的水循环演化研究亦能得到比较好的效果[25]，对于隐伏岩溶水系统的环境同位素研究，能够确定大气降水、地表水、地下水三水转化关系，并对定量评价岩溶地区地下水的可更新能力提供有效的数据[26]。

研究中采用的同位素多为氢氧同位素[25,28]，氦同位素[27]等。其中氢氧同位素直接来源于大气降水，因而研究氢氧同位素的浓度，对降水补给具有广泛的意义，并对地下水演化研究起到了重要的作用；氦同位素来源于空气、含水岩石释放和地幔，在饱和空气的水中溶解的大气3He/4He是一个常数，地下水中氦的浓度主要受大气降水的温度、汇水流域的平均空气压力、含水岩石中铀和钍的浓度、含水岩石的孔隙度和密度、脱气率和构造因素有关，而氦同位素受温度和盐度影响较小，因此氦同位素特征的研究可以了解有关地下水的来源、水-岩反应，运移速率和混合作用等重要信息。

2.2.2 水文地球化学演化及水化学动力学

水文地球化学资料同样能揭示地下水水循环演化规律，作为划分地下水系统的依据[29]。在研究的过程中，介质场、水动力场和水文地球化学场之间能够相互验证，获取较为准确的地下水循环演化特征[30]。经过前人的研究，地下水化学场可以用来研究水动力的特征，在大尺度水文地质单元上能够取得很好的效果，以此形成了地下水化学动力学的概念[31]，地下水化学组分的变化不但反映出岩石矿物学上的变化，也反映出了水文地质条件的定量变化，耦合达西定律的表达式，进而根据水化学资料确定水文地质参数，计算地下水年龄，由此对含水层的富水性进行预测。从另一个角度来看，水文地球化学规律的研究，还能显示出水质的循环变化。

总之，采用环境同位素作为研究手段研究水循环演化规律的水文地质单元时，水文地球化学可以的进一步揭示其变化规律，并起到验证和深入研究的目的[25,32]。同时，地下水循环演化的研究，结合多种手段，可以达到更为深入的结果，如气候变迁[33]、自然环境[34]演化等。较为详尽的信息能够更好的研究出地下水循环演化的机理，并从多源的角度对其进行验证。

2.2.3 地下水循环演化模型模拟

现行采用的研究水循环演化的手段，已经尽可能的从多方位、多角度的、定量地评价出地下水的水资源量，以此揭示出地下水循环演化特性。详细地刻画出地下水资源量及变化情况，不但需要搜集并调查出详尽的水文地质参数及水资源量参数，还需要一个符合当地水文地质条件的数学模型或计算机模型进行计算。

地下水循环演化研究中对于环境同位素的研究，通常采用同位素混合模型，可以确定不同地下水来源的混合比例，进而确定特定地区的补给比例，揭示地下水循环及演化规律[35,36]。该模型比较简单，仅将野外获取的数据进行简单的处理，就能获取相应的结果，因而要较为详尽的刻画地下水的循环演化规律，需要大量的野外同位素实验数据来获取某一水文地质单元特定位置的补径排关系。

针对于地下水循环演化模型刻画的问题，前人做了大量的工作，建立了一些较为详细的数学模型，如：适用于分布式水循环的SWAT模型[37]、WEP模型[38]、WAVES 模型[39]，DTVGM 模型[40]，适用于灌区的LWCMPS_ID模型[41]，适用于环境同位素的模型等等[42,43]。

SWAT模型[44]（Soil and Water Assessment Tool，土壤与水评价工具）应用比较广泛，它是基于自然规律设计的模型，用于处理地形、地貌和土壤方面的资料，采用分布式参数水文/水质模型用于缺少验证资料和受到限制的流域当中。其主要包括地表水、地下水、气象和植被四个模块。SWAT模型计算时将流域分为更小的子流域，并且需要这些子流域的模型输入数据。SWAT模型应用比较广泛，所能够模拟的范围比较广泛，但模型的部分参数的确定及其对地下水流与溶质运移的模拟需要进一步研究与改善。

WEP模型[45]的水循环过程包括蒸发蒸腾、入渗与径流、地下水运动、地下水流出和地下水溢出、坡面汇流与河道汇流、人工侧支循环等要素过程，该模型可用于预测未来环境变化条件下流域水资源演变。

前人从不同的角度建立了各类地下水循环演化模型，用于研究地下水的形成演化特征，取得了一定的成果，但国内的模型软件相对较少，且应用实例也比较匮乏，前人在国外软件的基础上进行了一定改造，应用于我国的研究场地，取得了较好的成果[46-47]。在模型刻画更为精细，并为建立符合我国水文地质条件的地下水循环演化模型提供了借鉴资料。

3 结论

针对于地下水循环演化的研究，国内已经进行了大量的研究。多侧重于地下水水循环的基础研究，采用了多种的方法手段，研究不同水文地质单元内的地下水循环演化特征，其中包括基础地质条件、水文地质条件、同位素及水化学条件的变化等。基于国外的模型，我国对部分模型进行了改进，使得水循环演化模型的刻画更符合我国的国情。现行地下水循环演化的研究，已经不仅仅侧重于循环模式的研究，而是监测技术的更新、循环演化模式的刻画和模型的模拟，在这些方面有待于更多应用实例的验证。

[1]张光辉,陈宗宇,费宇红.华北平原地下水形成与区域水文循环演化的关系[J].水科学进展,2000,11(4)∶415-420.

[2]张光辉,刘少玉,张翠云,等.黑河流域地下水循环演化规律研究[J].中国地质,2004,31(3)∶289-293.

[3]杨淇越,吴锦奎,丁永建，等.锡林河流域地表水和浅层地下水的稳定同位素研究[J].冰川冻土,2009,31(5)∶850-856.

[4]张秝湲,陈锁忠,都娥娥.基于同位素与水化学分析法的地下水补径排研究——以苏锡常地区浅层地下水为例[J].南京师大学报(自然科学版),2011,34(2)∶107-112.

[5]钱云平,王双合,高亚军,等.石羊河流域水资源开发对水循环模式的改变[J].人民黄河,2006,28(6)∶40-41.

[6]吴锦奎,杨淇越,丁永建,等.黑河流域大气降水稳定同位素变化及模拟[J].环境科学,2011,32(7)∶1857-1866.

[7]徐振,刘玉虹,王中生,等.卧龙降水稳定同位素与季风活动的关系[J].环境科学,2008,29(4)∶1007-1013,

[8]郑琰明,钟巍,彭晓莹,等.粤西云浮市大气降水δ18O与水汽来源的关系[J].环境科学,2009,30(3)∶637-643.

[9]肖长来.吉林省西部地下水资源评价与水资源可持续开发利用研究[D].吉林大学,2001∶58-74

[10]徐梦瑶,梁秀娟,王益良,等.三江平原地下水循环演化特征[J].人民黄河,2012,34,(2)∶63-65.

[11]周东来,孙亚军,杨国勇,刘喜坤.徐州市水文地质单元岩溶地下水循环系统分析 [J].中国矿业大学学报,2003,23(1)∶96-99.

[12]杨会峰,张发旺,王贵玲,余秋生,薛忠岐,王新贺,杨军宁.宁夏南部地下水系统控制构造及其系统划分[J].干旱区地理,2009,32(4)∶558-565.

[13]孟庆斌,邢立亭,滕朝.济南泉域“三水”转化与泉水恢复关系研究[J].山东大学学报(工学版),2008,38(5)∶82-87.

[14]康志强,熊志斌,李清艳,朱琴,唐伟,马振杰,何师意,曹建华.岩溶地下河流域水循环方式的降水效应 [J].地球与环境,2011,39(1)∶26-31.

[15]梁永平,王维泰.中国北方岩溶水系统划分与系统特征[J].地球学报,2010,31(6)∶860-868.

[16]罗鉴银,傅瓦利.岩溶地区开凿隧道对地下水循环系统的破坏——以重庆市中梁山为例[J].西南农业大学学报(自然科学版),2005,27(4)∶432-435.

[17]庞忠和,郭永海,苏锐,秦大军,许冰.北山花岗岩裂隙地下水循环属性试验研究 [J].岩石力学与工程学报,2006,26(2)∶3954-3957.

[18]乔晓英,王文科,陈英,王杰,韩锦萍,梁煦枫.天山北麓蓄水构造模式与水循环特征[J].地球科学与环境学报,2005,27(3)∶33-37.

[19]李军华.考虑非均质情况下的海水入侵模型研究[D].河海大学,2007∶2.

[20]成建梅,陈崇希,吉孟瑞,孙桂明.山东烟台夹河中、下游地区海水入侵三维水质数值模拟研究[J].地学前缘(中国地质大学,北京),2001,8(1)∶179-184.

[21]韩程辉.矿山开采对地下水资源的影响及水质评价[D].辽宁工程技术大学,2002∶6-8.

[22]李亚军,齐凤霞.霍林河南露天矿地下水疏干方式的探讨[J].中国煤田地质,2006,18(2)∶40-45.

[23]刘心彪,周斌,魏玉涛.基于环境同位素的陇东盆地地下水分析[J].干旱区研究,2009,26(6)∶804-810.

[24]陆徐荣,朱锦旗,王彩会,黄敬军,季克其.同位素技术释解苏锡常地区浅层地下水水循环机制[J].水文地质工程地质,2006(4)∶52-55.

[25]苏小四,林学钰.包头平原地下水水循环模式及其可更新能力的同位素研究 [J].吉林大学学报 (地球科学版),2003,33(4)∶503-508.

[26]牛光亮.渭北隐伏岩溶水循环模式及可更新型研究[D],长安大学,2005∶37-64.

[27]史基安,王先彬,王琪,赵兴东,李春园,孙明良.地下水补给、循环和混合作用的氦同位素证据——以石羊河、黑河流域为例[J].沉积学报,1999,17(增刊)：815-819.

[28]侯光才,苏小四,林学钰,柳富田,易树平,董维红,俞发康,杨陨城,王冬.鄂尔多斯白垩系地下水盆地天然水体环境同位素组成及其水循环意义[J].吉林大学学报(地球科学版),2007,3(37)∶255-260.

[29]高淑琴.河南平原第四系地下水循环模式及其可更新能力评价[D].吉林大学,2008∶41-44.

[30]潘世兵,王忠静,曹丽萍.西北内陆盆地地下水循环模式及其可持续利用 [J].地理与地理信息科学,2003,19(1)∶51-54.

[31]曹玉清,胡宽瑢,李振拴.地下水化学动力学与生态环境区划分[M].北京：科学出版社,2009∶15-32.

[32]于静洁,宋献方,刘相超,杨聪,唐常源,李发东,佐仓保夫,近滕昭彦.基于δD和δ18O及水化学的永定河流域地下水循环特征解析[J].自然资源学报,2007,22(3)∶415-423.

[33]孔昭宸,杜乃秋.北京地区距今30000-10000年的植物群发展和气候变迁[J].植物学报,1990,20∶330-338.

[34]吴忱.华北平原四万年来自然环境演变[M].北京∶中国科学技术出版社,1992.

[35]刘志明,刘少玉,陈德华,王秀艳.新疆玛纳斯河流域平原区水资源组成和水循环 [J].水力学报,2006,37(9)∶1102-1107.

[36]聂振龙,陈宗宇,申建梅,张光辉,程旭学.应用环境同位素方法研究黑河源区水文循环特征[J].地理与地理信息科学,2005,21(1)∶104-108.

[37]J.C.Van Dam,J.Huyen,J.G.Wesseling,et al.Theory of SWAP Version2.0 Report71 [R].Alterra∶Wageningen Universityand Research Center,1997.

[38]Jia Y,Ni G,Kawahara Y,Suetsugi T.Development of WEP model and its application to an urban watershed [J].Hydrological Processes,2001,15(11)∶2175-2194.

[39]L.Zhang,W.R.Dawes,T.Hatton.Modeling hydrologic processes using a biophysically based model application of WAVES to FIFE and HAPEX-MOBILHY[J].J of Hydrology,1996,185∶147-169.

[40]夏军,王纲胜,吕爱锋,等.分布式时变增益流域水循环模拟[J].地理学报,2003,58(5)∶789-796.

[41]王旭升,杨金忠.大型灌区陆地水循环模式的参数化方案[J].LWCMPS_ID，2005,12(特刊)∶139-145.

[42]Tamers MA.Validityofradiocarbon dates on groundwater[J].Geophysical Survey,1975,2∶217-2-39.

[43]万军伟,刘存富,王佩仪,等.同位素水文学原理与实践[M].武汉∶中国地质大学出版社,2003∶195-239.

[44]K.M.Menking,K.H.Syed,R.Y.Anderson,etc.,Model estimates of runoff in the closed,semiarid Estancia basin,central New Mexico [J].Hydrological Sciences Journal,2003,48(6)∶953-970.

[45]Y Jia,G Ni,Y Kawahara,T Suetsugi.Development of WEP model and its application to an urban watershed[J].Hydrological Processes,2001,15(11)∶2175-2194.

[46]贾仰文,王浩,倪广恒,等.分布式流域水文模型原理与实践[M].北京∶中国水利水电出版社,2005.

[47]赵勇,张金萍,裴源.宁夏平原区分布式水循环模拟研究[J].水力学报,2007,38(4)∶498-505.