地表水、地下水相互作用对不同特征湿地的影响

李大伟

湿地对整个水循环系统具有重要的意义，因为它们控制着地表水的流动下游水质。减少地表径流峰值和改善地表径流水质的能力使湿地成为其中关键点的一步。研究人员开发了复杂的湿地模型，以便能够充分模拟湿地动态和湿地营养物质的运输。而且由于本身的特殊性，地表水、地下水的相互作用在湿地中发挥着重要作用。这些过程显著影响湿地水文和溶质运移的动态。因此，重要的是将地表水、地下水相互作用的影响纳入湿地模型，并了解其对具有不同特征的湿地的影响。

已经有人研究了湿地和地下水之间的相互作用机制。彭聪等人详细讨论了地下水与河流、湖泊和湿地之间的相互作用。其地形、地质结构、地下水位和气候对地下水与溪流、湖泊和湿地相互作用的研究具有重要的意义。徐长君等人利用MODFLOW开发了一个计算机软件包，以模拟湿地与含水层的相互作用。许秀丽等人调查了一个已建立的河岸湿地系统的水文情况，并观察到水从湿地渗漏到地下环境，而该环境具有当地地下水流动系统的特征。符鑫等人通过测量河岸湿地的溪流和地下水中的氮，研究了溪流和湿地的相互作用。

这些研究是通过将地表水、地下水相互作用纳入湿地模型，更好地揭示了湿地的非线性动态变化特征。本研究调查了具有不同湿地特征的地表水、地下水相互作用对湿地水文的影响。使用WETSAND模型分析了不同湿地参数值(即坡度、植被密度、横向和纵向渗透系数)下的表层水深变化。

1.研究方法

湿地溶质运移动力学（WETSAND）模型有两个主要组成部分:湿地水量和湿地水质。湿地水量分量利用扩散波理论分析湿地场地的坡面流。来自高地地区的地面流通过湿地区域流入溪流，形成横向流入。该模型考虑了降雨、侧向流入和地下水排放作为水源；作为汇水区的渗透、蒸发和地下水补给。在不稳定降雨期间，渗透率由修正版的Green-Ampt方法计算，蒸散量由Thornthwaite方法计算。地表水、地下水相互作用由地下水补给、排出项得出，并使用达西定律计算。城市化地区产生的上游地表径流通过雨水管理模型进行模拟，并作为河流的流入边界条件纳入湿地模型。扩散波方程用于计算水深变化，如下所示：

式中：

y—地表水深（m）；

t—时间（s）；

x—距离（m）；

c—波速（m/s）；

K1—水力扩散系数（m2/s）；

q’—是水源/汇条件（m/s），是降雨、地下水补给和排泄、侧向流入、渗透和蒸散组成部分的总和。利用公式（2）计算湿地流量的影响：

式中：

Q—(m3/s)中的流速；

W—湿地宽度(m)；

K—反映植被密度的系数(m-1h-1)。

湿地水质成分使用一维平流-扩散-反应方程分析湿地区域总磷和总氮的每种化合物（有机氮、氨氮和硝酸盐氮）的浓度。由水量分量计算的流速用作水质分量的输入。计算城市区域产生的氮和磷浓度，并将其用作湿地上游点的边界条件。地表水、地下水相互作用通过将地下水补给、排放引起的质量项纳入平流-扩散-反应方程来考虑。磷和氮浓度的计算公式如下所示：

总磷量

总氮量

式中：

CTP—总磷浓度（Kg/m3）；

CTN—总氮浓度（Kg/m3）；

Ax—x方向的横截面积（m2）；

Dx—分散系数（m2/s）；

qLin—横向流入量（m2/s）；

—横向总磷浓度（Kg/m3）；

—横向总氮浓度（Kg/m3）；

—地下水总磷浓度（Kg/m3）；

—地下水总氮浓度（Kg/m3）；

KTP—总磷还原一级损失率常数（1/s）；

KTN—总氮还原一级损失率常数（1/s）。

2.研究区域

研究区域为山东省内某湿地，涵盖554.41hm2。这是一个湿地系统，最近在进行湿地流域恢复。湿地溪流恢复项目旨在通过重塑河道轮廓和提高水位，通过关闭部分原来的河道，打开了一个有更多弯曲的新河床，以增加洪泛区的水流，并帮助清除营养物质和沉积物。除此之外，还有一个人工大坝，在上游创造了额外的湿地。大坝的表面水位将达到平均海平面以上89.92m。对位于湿地各处的20口采样井的地下水位以及湿地处水质数据进行了测量。每两周进行一次地下水位测量，每月在湿地和湖泊以及所有支流进行主要营养物质(氮、磷和阳离子)的水质测量。为了将WETSAND模型应用于该场地，湿地场地被离散为6个山地(U)和10个湿地(W)部分和6个溪流(S)部分(如图1所示)。上游地表径流通过节点N329和N335流入湿地区域。我们对不同的湿地断面进行了分析，并根据在这些断面观察到的不同地下水位选择了这些断面。在本文中，WETSAND模型用于预测恢复湿地不同湿地特征，即植被、土地坡度以及横向和垂直渗透系数，同时探讨了地表水、地下水相互作用的影响。

图1 湿地构成

3.结果和讨论

图2(a)和(b)显示了4号湿地(W4)水深随坡度的变化，可以观察地下水补给情况。8号湿地的地下水也获得了类似的结果。研究表明，地表水、地下水相互作用的影响通常对湿地的水分运输起着重要作用，因此，在模拟湿地水文和溶质运移时应予以考虑。

图2 坡度对4号湿地(W4)水深的影响(a)S0=0.001，(b)S0=0.0001

图2（a）和（b）显示了4号湿地（W4）的水深变化，坡度分别为S0=0.001和S0=0.0001。结果表明，相互作用对水深的影响随着地形坡度的减小而减小。对于高坡度湿地段，考虑相互作用影响计算的水深与不考虑相互作用影响计算的水深之间的差异大于缓坡湿地段。

由图3可知，对于不同的垂直渗透系数，考虑相互作用影响的计算水深和不考虑相互作用影响的计算水深之间的差异不显著。因此，在确定地表水、地下水相互作用对水深的影响时，垂直渗透系数并不发挥主要作用。其次，研究了地表水、地下水相互作用对不同植被特征湿地的影响。在图4(a)和(b)中，分别绘制了植被密度在K=0.1×107m-1/h和K=0.1×107m-1/h时的4号湿地(W4)的水深变化。较大的K值代表低植被密度，而较小的K值代表高植被密度。由图可知，随着湿地植被密度的增加，地表水、地下水相互作用对湿地水深的影响会减小。

图3 垂直渗透作用对4号湿地(W4)水深的影响(a)Kz=0.001m/h，(b)Kz=0.002m/h

图4 植被对4号湿地(W4)水深变化的影响(a)K=0.1×107m-1/h，(b)K=0.1×107m-1/h

最后，研究了各向异性比为1时横向水力传导的作用。图5（a）和（b）显示了4号湿地的水深变化，横向和垂直渗透系数分别为Kx=Kz=0.001m/h和Kx=Kz=0.002m/h。研究发现，随着侧向和垂直渗透系数的增加，相互作用对水深变化的影响增大。与上文结果对比可知，尽管垂直渗透系数不会显著改变对水深的相互作用效应，但是，横向渗透系数的增加会导致对水深的相互作用效应增加。

图5 横向渗透作用对4号湿地(W4)水深的影响(a)Kx=Kz=0.001m/h，(b)Kx=Kz=0.002m/h

4.结论

此次研究了地表水、地下水相互作用对湿地水文的影响。特别是，针对不同的湿地特征，如植被、地形坡度、横向和垂直渗透系数，分析了地表水和地下水之间的水交换对地表水深度的影响。通过使用WETSAND模型进行模拟，该模型具有水量和水质模块，并包含地表水、地下水相互作用。结果表明，在植被密度低或地形坡度高的湿地，地表水、地下水相互作用的影响显著。湿地土壤的侧向渗透系数在确定相互作用对地表水的影响方面也很重要，但垂直渗透的作用可以忽略不计。由于地表水、地下水相互作用的影响，水深的变化导致水流速度的变化，从而影响浓度方程中的平流项。因此，在植被密度低或地形坡度高的湿地，地表水、地下水相互作用的影响也对地表水位起着重要作用。