地表水与地下水相互作用研究进展

朱金峰,刘悦忆,章树安,郑 航

地表水与地下水相互作用研究进展

朱金峰1,2,刘悦忆2,3,章树安1,郑 航2,4*

(1.水利部水文局,北京 100053；2.清华大学水利水电工程系,水沙科学与水利水电工程国家重点实验室,北京 100084；3.南水北调东线总公司,北京 100088；4.东莞理工学院,东莞 523015)

地表水与地下水的水量转化是水文循环的重要过程,地表水与地下水的相互作用及转化关系是水文地质等领域研究的热点和难点.为分析和掌握其规律特征,更好的进行水资源分析评价、物质迁移和能量变化的相关研究,本文对国内外近20年的地表地下水循环及其相互作用的相关研究进行了系统的分析和探讨.通过梳理自然因子和人类活动影响下地表水与地下水相互作用的研究热点及前沿问题,总结了该研究领域发展的主要研究方法与关键模拟技术.通过有关研究方法的分析对比,当前开始更多结合新技术对不同实验方法、解析法和数值模型的综合研究,耦合自然因子和人类活动影响的流域地表水和地下水相互作用的研究成为研究的前沿和热点.

地表水与地下水；水循环；模型技术；水资源管理

地表水和地下水是相互关联的水文连续体,存在于山区岩层、河流系统、海岸和喀斯特等地形环境中,是流域水文循环和水量收支计算必须考虑的要素[1-2].由于地表水和地下水的水量、热量和物质交换维持着河流生态系统的基本功能,对于流域的水资源管理保护、水污染防治和生态健康具有重要意义[3-4].水质方面,该过程影响着水化学成分的分布和演变规律[5];水量方面,地下水是一些流域水文循环和水资源转化的主导因素,尤其对一些干旱区的生态植被状况影响显著.在降水稀少地区,河床渗漏对地下水补给占有较大比例,枯水期地下水含水层以基流的形式向河道排泄,从而保证河道流量和维持生态系统[6-7].随着人类社会和经济活动的发展,许多河流水利工程的修建和运行,地下水开采和灌溉渠系管网系统的完善,在解决流域水资源时空分布不均、水资源供需矛盾和水资源合理配置等方面发挥着巨大作用,同时干扰了地表水和地下水系统,灌溉引水和地下水开采改变了地表地下水的循环,导致河道径流减少和生态退化等生态环境问题[8-9].然而,历史上水资源管理更多着眼于独立的地表水系统或地下水资源的开发利用,地表水与地下水的交换转化常被忽视.污染物的运移和扩散也受到河流-含水层相互作用的密切影响,考虑地表地下水的水量交换、揭示流域水循环的演变特征是水资源科学管理的重要内容[10].

由于地表水和地下水相互作用涉及的领域和学科比较广泛,近些年关于其规律特征的系统研究较少,对相关的研究成果、研究内容和技术方法缺乏系统的梳理;虽然有关的理论研究已经比较完善,部分新的研究方法和技术还有待发展,相关的基础科学研究与水资源保护管理的实践应用也需要更好的结合.首先,从研究内容上进行揭示,该领域的研究热点主要有地表水和地下水循环的时空过程、河床下层的“底流区”的水量和物质能量交换、不同自然因素和人类活动对河流-含水层水量交换的定量影响评价等;其次,从研究方法上总结该领域的几类研究方法(实验观测和数学模型)和模型技术(解析法和数值模型),分析了其主要特点和发展应用情况;最后,通过该领域有关研究内容和研究方法的分析对比,提出了当前地表水与地下水研究的主要问题和挑战,以及未来该领域研究的发展方向.

1 地表水-地下水循环转化规律及其影响因素

1.1 地表水与地下水循环形式

地表水与地下水相互作用的核心是地表水和地下水循环,准确掌握其机理和过程是支撑流域水资源综合利用和保护的基础条件.地表地下水循环同水资源管理密切相关,它们的定量研究是流域尺度水量收支的组成部分,也是地表水和地下水联合调度的重要内容[11-12].从20世纪90年代,水文地质学家开始更多关注近河道的地表地下水交换,相关研究在近20年持续增长[13].一般而言,地形高的地带是地下水补给区,而地形低洼区产生地下水排泄[14].地表水和地下水补给-排泄过程机理涉及多维度多因素、空间变异性和水力特性、不同尺度和学科的综合影响,存在许多复杂的水文过程,本质上都是通过地表水入渗和地下水排泄实现的,表现为降水补给、河道基流、地表水体渗漏(湖泊、河道、渠道等)等水循环现象[15].其中,地表水与地下水的转化包括湖泊与地下水、地下水与湿地/海岸、河流-含水层系统、泉水排泄等几种形式,以及人类活动引发的地表水与地下水的转化[8,16].

河流-含水层系统的相互作用是流域地表地下水循环中的核心内容.作为冲积含水层地下水排泄的主要过程,河流不仅是地下水流出和汇入的地方,也是滨河带和河流生态系统的重要组成部分[8,17].相关定量研究始于一百多年前Boussinesq对河流与连续冲积含水层作用规律的探讨[1].近些年关于河流范围内地表水和地下水相互影响的研究,主要是为河流系统生态结构评价、河流恢复和滨河绿洲湿地管理等服务[18-19].在冲积平原地区,受地形和水文特性因素影响,河流同地下含水层的联系表现为获取型、损耗型、穿透流动和平行流动几种形式,并且在时间和空间上动态变化[4,8,20].

河流-含水层系统水循环研究的热点和前沿是确定河流-含水层水量交换的时空分布,它们受自然和人类等影响因子的控制.在系统内部,冲积平原的水流、运移和地表地下水交换主要由三类因素控制:含水层和河床特性、水力梯度、河流的位置和结构等,它们共同决定着地表地下水交换的水量、方向和空间分布等.在系统外部,气候因子和人类水资源开发活动则间接影响着该系统演化[14].

1.2 自然影响因子

在河流-含水层系统的相关研究中,综合分析影响其水循环的自然因子,包括流域地质地貌、河床特性和水文情势等,它们在系统内部驱动着地表水-地下水循环,改变着地表水与地下水的转化,有关的定量研究一直是热点领域.

(1)流域地质地貌:对于地下水含水层而言,从河流与地下水关系的宏观角度,流域的地质地貌因素控制着其相互关系和演化的基本格局,如许多天然河流从上游河谷深切、中游河流非完整切割含水层、下游平原河谷开阔等呈现出显著不同的河流-含水层系统演化过程[21].对于宏观不同的地形地貌和地质构造等因素对河流-含水层系统、水量转化的影响,王文科等以黄河流域为例,首次系统深入研究了河水与地下水转化的8种模式类型,对进一步研究河流-含水层的相互关系和定量模拟分析具有重要意义[22].在一定的地貌条件下,宏观的地质特性表现为含水层的渗透系数、给水度和地表高程等微观描述,它们在面状空间范围影响着地表地下水循环,是决定流域尺度地下水运动和地表水文过程的重要因子[23-24].

不同的颗粒组成、岩性矿物和成岩等决定了含水层具有非均质性,表现为影响地下水流的水力参数情况,非均质程度会影响到地下水水位、河流-含水层的连通状态[25-26].在一些地表水和地下水交换强烈的区域,含水层非均质性被认为是重要的不确定因素[27-28].具体来说,地下水运动很大程度上受到值的大小及非均匀分布控制,而给水度的影响作用较小[14,29],值范围跨度对河流-含水层水量交换的影响也较为明显[30].通过模型的模拟分析,能够定量研究含水层非均质性对亏损型河流向含水层补给量(大小及空间分布)的影响[26,31].在数学意义上,方差和相关长度能够刻画空间分布的非均质性,河流-含水层水量转化的不确定性随非均质性的增加而增大[26,32].

(2)河床特性:对于河道而言,在河流-含水层系统中,河床特性主要是指河床岩性相关的物理参数.在河道范围内,地表水与地下水的流动通过河床下层的“底流区”产生复杂的作用,维持着底栖动物、微生物生存和物理化学、水文地质等复杂过程,近些年许多野外试验和实验室研究的热点[33-34].有学者通过定量研究模拟包气带水流和污染物的运移对地下水的影响,地下水沿河床排泄的强度影响着过渡区的物质、水量交换和面积,也影响着地表河道的水文径流[35-36].

河流-含水层的水量主要通过河床进行转化,河床介质和渗透速率直接影响到其相互作用,如有研究对天山北麓玛纳斯河从上游到下游入渗速率的变化研究,表明其与河床岩性由粗变细一致[21].许多定量的研究和分析表明,河床水力渗透系数、曼宁糙率系数、坡度和河流宽度均对河流和地下水循环具有重要影响[37-39].河床的非均质性及多期沉积物也会影响到地表水与地下水交换的时空分布、地下水运动和溶质运移情况等,在相关的研究模拟中考虑较少.

(3)水文情势:河道径流和地下水位的变化会直接改变河流-含水层的补排关系[21].如河流水位和地下水位相互关系的季节性变化,不但影响水力坡度的大小,有时甚至能够影响到水量交换的方向,引起地表地下水循环复杂的更替演化[22].河流水位对河流-含水层水量交换影响可能不大,但是随着河道径流情势和地下水位的相对变化,含水层水位和河流间的水力梯度在不同位置会发生季节性改变,从而直接影响到近河床的地下水运动、河水下渗和地下水排泄量[28-29].

1.3 人类活动影响

在水资源紧缺的干旱半干旱流域,人类活动对水资源系统的影响更为明显,引起了一些流域地表水和地下水交换量的下降,改变了水文循环过程[40].人类在社会经济发展中通过水资源开发利用,干扰到天然状态的地表地下水循环,进而改变着河流与地下含水层的补排关系.例如,河道引水会减少河道径流、河流向地下水的补给;依赖地下水灌溉的灌区,地下水开采、渠系渗漏和田间入渗等过程间接改变了地表水和地下水的运动,部分地区的渠系渗漏和田间入渗已成为地下水的主要补给形式.特别是在一些干旱地区,人类活动引起的土地利用和渠系渗漏的变化对地表地下水的时空分布影响强烈[41].地下水开采被认为是影响地下水位最敏感的因子,它通过含水层补给量增加、原有自然排泄量减少或含水层储量减小等途径进行平衡,称为对其他水源的“捕捉”,引起河道径流和地下水蒸发减少等现象,从而影响到长期的生态水文演变[42].

2 主要研究方法

为改善河道径流和维持地下水位,合理地模拟地表水-地下水循环对于水文过程演变分析和水量合理调度十分重要[43-45].随着社会经济的发展和人类活动的进一步增强,在水资源的开发利用与调度配置中开展地表水与地下水的相互作用研究十分必要.对于河流-含水层系统,地表水和地下水水量交换的研究方法有直接水量测量、间接实验法、水量平衡法和基于达西定律的研究方法[4,13,46-47].主要研究方法的比较见表1.

表1 地表水和地下水相互作用主要研究方法对比表

2.1 直接水量测量

利用渗漏测量仪对含水层-河床界面的点尺度水量通量进行观测,能够确定河流渗漏和地下水排泄量.但是河床平均渗漏量的确定需要很多观测点的数据,测得的也是点尺度数据,较大尺度的数据获取较困难,在实际的研究应用相对较少[4].

2.2 间接实验法

利用热力学或同位素化学等方法进行地表水和地下水交换水量的推算[2,48].由于地下水的水温是相对恒定的,而河流水温一般具有季节性变化规律,其水量交换过程可通过相关的温度观测和热力学方法进行建模推算.Conant[49]最早指出多测点短期的河床温度观测同地下水排泄的空间分布密切相关,建立了温度分布和河床垂向水量的简单数学模型,但是其地下水排泄量的计算仍是基于达西定律和实测水头梯度,在应用中也需要很多假设条件.Hatch等[50]提出了采用时间序列热力学数据确定河床渗漏量的方法,该法具有较少的数据需求和较快的速度,能够分析复杂地表水和地下水交换的时空变化动态.基于实测温度对地表水和地下水交换量的研究仍局限于均一性和边界简化地区,且相关的热力学参数依赖于估计值,对地表水量的变化响应也难以考虑[51].

水循环过程中的水化学成分一定程度上记录着水分运移、转化的历史,水化学分析方法也是了解地下水与地表水相互作用的有效方法之一[52].通过水化学分析识别河流不同地带地表地下水的相互转化关系,能够给出不同水源的组成比例及循环转化特征[53-54],如采用水文地质化学分析方法研究地下水补给的水源和机制,分析潜水补给的主要来源[55].结合同位素技术进行量化分析,能够对地下水补给源、变化特征,以及人类活动和气候变化均对地表地下水情势的影响进行定量评价[56],如通过利用稳定同位素追踪水流运动研究河流水量的来源组成[3],利用氚模型模拟数十年尺度的地表水和地下水交换,估算多年平均的地下水补给和排泄量[15].

2.3 水量平衡法

水量平衡法又分为多断面流量观测、河道径流分割和物质追踪等,借助离子追踪、同位素技术等确定地表水和地下水交界处的水量交换.多断面流量观测通过不同断面的流量观测确定河道的净流入或净流出[48].河道径流分割假定基流完全代表地下水排泄量,在蒸散发量等水均衡项资料缺乏时具有较大不确定性[57];物质追踪根据不同水源的浓度不同确定河水和地下水的贡献量,详见文献[4].另外,还有基于长系列地表水和地下水观测资料,利用水文系统分析法对地表水和地下水相互转化规律进行研究[58],以及依据已有的地表水(流量)和地下水(水位)观测数据,结合调研和用水数据的整理成果,对流域内水量的收支平衡进行计算分析,推算地表水与地下水转化的规律[59-60].

3 主要模拟技术

这些实验观测的研究方法常用于模型建立和结果评价的基础依据,但是其定性分析较多,且传统的观测手段需要大量的人力和物力,实际研究中难以真实刻画地表地下水转化的物理过程,随着许多新技术和仪器的发展应用,新的观测手段能够更好的提高实验观测法的水平和应用能力.其中,基于达西定律的研究方法应用非常广泛,它一般结合压力水头观测和解析法、数值模型法等技术进行模拟研究[13,46].

3.1 解析法

在数值模型出现以前,受计算能力的限制,河流-含水层相互的水量转化更多的是依靠地下水运动的相关解析模型进行计算,包括求解一维和二维的Boussinesq方程,并一直沿用和发展[61-62].该方法主要是在自由表面边界条件假定下,借助拉普拉斯变换或降解法得到均匀各向同性条件的地下水结果,并利用地下水位观测值进行验证.解析法根据河流和含水层类型(河流切割程度、水力联系等),将河流-含水层的解析模型分为三种类型[46].

该方法多用于简单或假设边界条件的河流-含水层系统等特定条件下的求解,对于河流水管理者的情景分析和短期的水位预报比较有效和方便[11,63-64].但是难以代表流域水文的真实物理过程,也无法体现相关水文参数的空间异质性,有学者发现它会高估河流的渗漏量,并且由于解析法采用过多的简化条件而存在较大误差,使得解析解模型在实际应用时存在许多限制.由于解析法能够便于分析不同边界条件和影响因子下径流及地下水的响应,其结果可用于一些数值模型的验证,通过两种方法的结合应用能够提高地表水和地下水运动的模拟能力和可靠性.

3.2 数值模型法

随着计算机运算能力的提高,利用数值模型成为研究流域尺度地表地下水循环的重要方法,它能够快速处理更为复杂和现实的水文地质条件,比解析法更具有优势和广泛的应用[42].20世纪60年代,计算机的应用和数值模型的出现成为水文地质定量研究进展的重要突破.在70年代前,地下水数值模型基本是稳定流计算,随后出现了基于有限元计算的综合的地表地下水模型和瞬变流的模拟模型[65].用于模拟河流-含水层系统的数值模型于80年代开始建立并迅速发展,早期主要用于水量管理和联合调度情景的评价,但是实际受到调查资料和计算能力限制导致时空离散比较粗糙,河流地表水运动、河床和含水层等物理条件均存在很大简化[13].随着计算机运算和存储能力的提高,数值模型方法不再受研究尺度和复杂边界条件限制,在物理过程和参数处理方面具有较高灵活性,成为研究地表地下水循环、相互作用及水资源管理的主要手段[66-67].

综合地表地下水循环的数值模型在流域水循环和水资源分析评价的研究中应用广泛,它们能分布式地模拟流域地表水文过程及地下水的运动,以及地表水与地下水的交换.地表水模型是利用相关经验公式、明渠圣维南方程等建立的,地下水模型一般是是根据达西定律和水量平衡原理进行计算.关于地表水流动、地下水流运动及其耦合方法等方面的系统研究,Spanoudaki 等[68]对已有的地表地下水综合模型进行了系统总结.地表地下水循环的耦合模型从地下水结构上,分为单层平面模型、双层准三维模型和多层三维模型[69];从耦合方法上,不同方式对地表水和地下水模型进行耦合或连接,分为完全耦合,迭代耦合和松散耦合[70].

在物理模拟中,河流-含水层水量转化依赖河流水位和地下水位这两个变量,它们一般分别由河道和地下水运动方程计算得到,也是地表水和地下水模拟模型进行连接和耦合计算的关键要素[71].目前,许多用于河流-含水层系统研究的数值模型主要是基于美国地质调查局开发的MODFLOW[10,29,72],以及将其与其它成熟的地表水模拟模型进行耦合,通过GIS平台建立流域地表水与地下水计算单元的转换关系,有较好的应用[43,73].其他一些成熟的数值模型在地表水和地下水耦合模拟中应用,如利用ParFlow开展的冲积地区的河流-含水层系统水量交换的空间特征和时间动态进行了研究,结合地质统计、高斯模拟和蒙特卡洛方法模拟不同尺度非均质性的影响[74];利用HydroGeoSphere模拟不同含水层非均质情景的地下水流动影响[32];利用GSFLOW能够较好地模拟复杂地下水与地表水的相互作用过程,分析不同水文参数对于流域水资源的影响[75].

已有数值模型对河流-含水层的交换项和河道的概化通常比较简化,如MODFLOW采用了矩形网格差分法,地表水流近似处理为一维明渠恒定流;对于地表水和地下水的交换水量当作源汇项概化处理.武强等(2005)建立了一维明渠非恒定渐变流偏微分描述的地表河网和“拟三维”非稳定流地下水模拟的耦合模型SGS[76]; Spanoudaki等[68]首次建立了耦合三维地表水和三维地下水的复杂模型(IRENE),采用半显示和显示有限差分求解地表水方程和地下水方程,能够更为精确细致地模拟地表水文过程、地下水运动及其相互作用.可见,随着计算能力和新技术(如GIS和RS)的发展,数值模型作为强大的工具手段广泛用于地表水和地下水模型的耦合研究,许多分布式的、多维度的河流-含水层水文循环过程的模拟也更多依赖数值模型进行分析研究[77-79].

这些数值模型技术通常可结合解析法、其他数值模型或实验观测数据进行相互验证分析,提高模型的可靠性[80-81].在缺少准确的参数分布和估计时,可通过敏感性分析和随机模拟等方法研究河流-含水层的相互作用规律[82].虽然数值模型在精度、稳定性或收敛性上可能存在一些问题,目前利用数值模型研究从微观尺度、区域尺度到流域尺度的河流-含水层的循环与相互转化规律仍是主要的研究方法,结合高精度的时空实验数据和数值物理模型研究地表水-地下水的机理过程,以及地表水-地下水耦合模型受非均质性的影响研究仍面临挑战.

4 结论与展望

4.1 结论

地表水和地下水有关的监测和实验是地表水与地下水相互作用研究的重要基础,采用直接水量测量、间接实验法、水量平衡法和基于达西定律的研究方法仍在结合新技术手段不断发展.当前开始更多结合新技术对不同实验方法、解析法和数值模型的综合研究,耦合自然因子和人类活动影响的流域地表水和地下水相互作用的研究成为研究的前沿和热点.美国地质调查局的怀俄明蒙特拿水科学中心开展了Fish河流区域的地表水-地下水作用监测项目,通过在河流水文监测信息纳入附近实时的地下水位和水温监测信息,扩大监测功能,系统采集长系列的数据资料,研究气候变化、灌溉和水文径流等的响应关系. 地下水信息的监测日益受到重视,我国从2015年开始了国家地下水监测工程项目,由水利部和国土资源部组织实施,通过完善地下水监测网络,基本覆盖全国平原、盆地和岩溶山区350万km2的地下水动态有效监控,其中部分泉流量等的监测信息,将来可为地表水和地下水相互作用的研究提供基础支撑.

4.2 展望

研究内容上,人类活动和地表地下水循环强烈的流域,对地表地下水循环的演变和水资源的调度管理有待更长时空尺度的综合模拟.已有研究更多着眼于自然因子影响的模拟分析,对人类通过不同的水资源开发利用方式进行的河流水量调配、地下水开采和水资源调度管理,需要研究综合地表水的循环利用、地下水系统的演变和人类活动的相互影响等,以及不同要素对河流-含水层影响的定量评价方法.

技术方法上,综合新技术应用的实验观测能增加对含水层地质参数的理解,需要通过不同信息源数据的融合和分析研究,提高对地表水与地下水相互作用规律的认识.地表水和地下水运动的模拟模型通常需要建立在较大的空间尺度,受传统人工监测手段的影响,有限的观测数据还难以用于模型的研究尺度.在较大尺度的地下水模拟中通过现场观测和地质调查数据得到参数分布仍比较困难且存在很大不确定性,将来结合国家地下水监测工程项目的运行和地下水监测技术的提高,能更好的满足不同时空尺度地下水观测资料的需求.

模拟概化中,完善模型的物理机理和提高模型的模拟预测能力是重要的发展方向.由于数学解析方法受到复杂物理过程和基础理论的限制发展较缓,需要研究同求解能力相适应的概化方法,同时建立与数值模型相互验证结合的解析方法也具有重要前景,方便应用于地表水-地下水转化的预测分析.物理概化中,已有研究关于不同河流-含水层模式、边界条件(非饱和带地下水同地表水、饱和地下水的耦合)研究相对薄弱,其模拟还需要更细致考虑不同关系类型和非饱和带地下水.

模型参数上,如何合理改善模型参数和不确定性研究具有重要意义.在不同的尺度上,数值模型从概念性和理论性出发广泛用于河流-地下水系统的模拟分析,但目前研究多是根据水文地质特性将研究区或河流划分为不同单元,各单元具有相同的参数值.河床和含水层参数大小及分布的空间变化,使得确定性数值模型模拟的地表地下水循环具有较大不确定性.地表水-地下水的相互转化能够反映地表河道径流和地下水流场的动力特征,而非均质性对其影响的不确定性研究仍显不足,发展随机数值模型也是将来重要的研究方向.

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Review on the research of surface water and groundwater interactions.

ZHU Jin-feng1,2, LIU Yue-yi2,3, ZHANG Shu-an1, ZHENG Hang2,4*

(1.Bureau of Hydrology, Ministry of Water Resources, Beijing 100053, China；2.State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering, Department of Hydraulic Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China；3.Eastern Route Corporation of South-to-North Water Diversion, Beijing 100088, China；4.Dongguan University of Technology, Dongguan 523015)., 2017,37(8)：3002~3010

The surface water and groundwater transformation is a critical issue within hydrology circle, and their interactions are focused and difficult in the fields of hydrology, geology and environment. To analyze the exchange features between surface water and groundwater and improve researches on water resources analysis and evaluation, material movement, and energy distribution, the researches on surface water-groundwater cycle and their interactions in recent 20years were systematically analyzed and investigated. By summarizing the related research fields and core problems under natural factors and human activities, it concluded the commonly used research methods and modeling technologies. Through the comparison of related studies, it showed that comprehensive study methods (different experiment methods, analytical method and numerical method) combined with new technologies were paid more attention, and surface water and groundwater interactions research coupling natural factors and human activities became frontiers and major focuses.

surface water and groundwater；water cycle；modeling technology；water resources management

X52

A

1000-6923(2017)08-3002-09

朱金峰(1987-),男,山东潍坊人,博士,主要从事水文水资源研究.发表论文7篇.

2017-01-10

国家自然科学基金资助项目(51479089,51323014)

* 责任作者, 讲师, zhenghang@tsinghua.edu.cn