温度示踪界面水文过程研究进展及发展趋势

董林垚，唐文坚，陈建耀，何 敏

(1.长江科学院， 武汉 430010； 2.水利部山洪地质灾害防治工程技术研究中心， 武汉 430010； 3.中山大学 地理科学与规划学院，广州 510275； 4. 湖北省水利厅 鄂北地区水资源配置工程建设与管理局(筹)， 武汉 430071)

1 研究背景

水循环是联系地球表层各圈层的纽带，对维持地球生命系统具有不可替代的作用[1]。降水、地表水、土壤水和地下水的形成与演化受大气圈、水圈、生物圈和岩石圈中不同物理和化学作用制约，同时又积极参与上述圈层间物质循环与能量交换[2]，“大气—土壤—基岩—水体”界面水文过程研究对区域水资源保护和“供水与健康-生态与食物-社会保障与安全”模式构建具有重要的科学意义。自20世纪90年代开始，国际相关组织陆续开展了国际水文计划(International Hydrological Programme)、全球水系统计划(Global Water System Project)、世界气候研究计划(World Climate Research Program)、国际地圈生物圈计划(International Geosphere-Biosphere Programme)和区域地下水系统研究计划(Regional Groundwater System Research Project)等课题，在变化环境影响下界面水文过程循环和演化机理方面取得了一定进展。

受界面条件高度复杂化、多相流混合体运移机理不明和概化模型参数不确定等因素的影响[3]，界面水文过程的精准量化和模拟具有一定难度。当前降水—土壤水—地下水、地下水—地表水、地下水—海水交互过程研究通常采用原位观测、数值模拟、数理统计、水化学分析和同位素示踪等方法。与常规研究手段相比，温度示踪工具具有成本低、易操作、无污染等优点，能够有效应用于水文过程示踪研究[4-6]。但界面能量交换过程复杂、影响因素多，不同尺度和情境下水热运移过程和能量交换机理存在较大差异，温度示踪界面水文过程成为研究的热点与难点[7-8]。因此，分析温度示踪界面水文过程研究现状和发展趋势，对于明确后续研究方向、提高研究成果的科学性和创新性，具有重要的理论和现实意义。

2 温度示踪原理

介质的温度分布特征受边界温度、水热参数和界面水文过程的综合影响(图1(a))。温度在介质内的垂向变化特征主要受表面温度变化和水体运动的影响[9]，界面水文过程对温度梯度的扰动强烈而迅速，显示为清晰的温度变化，上述信号特征可通过测量温度随深度的变化曲线(温-深曲线)获得，成为反演界面水文过程的有效工具。

温度在土壤、含水层和岩体中的热传递作用主要包括热传导和热对流作用。在水体不活跃的介质中，介质表面温度变化通过热传导作用向深处传播，温度变化幅度随深度的增加呈指数递减[10]。在土壤水和地下水运动活跃的介质中，由水体流动引起的热对流占主导作用[11]。以地下水垂向运动为例，地表温度变化和水体运动对温度-深度曲线(简称“温-深曲线”)影响如图1(b)和图1(c)所示：地表温度恒定时，地下水补给和排泄条件下，均质地层的温-深曲线向上分别呈现“凹”和“凸”不同形态，补给和排泄速度越大，曲线的弯曲程度越大[11-12]；受地表暖化影响，不同情景下温-深曲线在浅层部分向右偏移[8-9]。温-深曲线相对线性地温梯度的偏离程度可用来反演介质中水体运移过程。

图1 界面温度传播机理示意图Fig.1 Schematic diagram of interfacial heat transfermechanism

3 国内外研究进展

关于温度示踪水文过程的研究始于20世纪50年代，Menberg等[13]使用一维非稳定流解析解计算含水层地下水垂向流速，随着温度监测技术的发展和水热耦合理论的进步，温度示踪方法被广泛应用于界面水文过程反演(图2)：(Ⅰ)土壤水运移；(Ⅱ)降雨入渗补给地下水；(Ⅲ)河岸交互带地下水运动；(Ⅳ)地下水排泄；(Ⅴ)滨海含水层地下水—海水交互作用。国内外关于温度示踪水文过程研究进展总结如表1所示。

图2 温度示踪界面水文过程研究应用Fig.2 Applications of heat as a tracer to investigateinterfacial hydrological process

表1 温度示踪界面水文过程前期研究综述Table 1 Summary of previous studies on heat tracinginterface hydrological process

3.1 降水—土壤水—地下水交互界面

降水入渗是降水渗入土壤后转化为土壤水和地下水的过程，降水入渗过程伴随的温度变化主要受两方面影响：一是表面温度变化通过地层热传导作用影响地层的温度分布特征，另一种形式是通过渗入不同温度水体的热对流作用影响地层温度[15]。地层的低频滤波作用使长时间尺度地表温度变化比短时信号传递到更深处：地表短时日变化通常作用于埋深不超过2 m的土层，季节变化影响埋深不超过20 m，地表温度的长期变化趋势会影响几十米深处的地温分布，入渗水体的热对流作用使地表温度变化对地温梯度影响达到上百米深度[26]。因此，相关工作需要根据研究的降水-地层交互界面所处的深度确定温度监测的时间尺度。

降水入渗过程产生的热量交换作用主要以垂向热传导和热对流为主，根据温度分布特征反演降水入渗过程的理论基础是一维垂向水热运移方程[27]。运用解析和数值方法对水热运移方程进行求解可实现对降水入渗过程的示踪。当研究对象为“降水-地层”界面水文过程时，地表温度变化成为地层温度传播的驱动力。地表温度变化按照时间尺度可分解为“趋势项”和“周期项”，国外相关研究[13,16,28-30]推导了地表温度“恒定”“线性增加”“正弦变化”“阶跃变化”“幂指数”等不同情景下的解析解，并应用于气候变化和城市化进程中降水入渗补给量计算。

近年来，随着数学物理和数值计算方法的发展，温度示踪“降水—土壤水—地下水”界面水文过程研究由单一均质岩层向复杂水文地质环境转变：①构建“非饱和带-饱和带”土壤水热运移物理模型[15]，描述了地表温度“年”和“日”周期变化在浅层地下水环境中的传播特征，探索了温度示踪方法在“潜水-隔水层-含水层”系统示踪的应用；②采用Microsoft Excel Solver[17]、Spreadsheet Tool[18]和SUTRA[31-32]等工具对不同地表温度变化驱动下层状介质水文过程进行分析，将温度作为示踪工具引入非均质岩层渗流场研究中；③探索了冻土区降水入渗、冻融和融解过程中的水热迁移规律[7]，系统分析了热传导、热对流和潜热作用对温-深曲线的影响机制，丰富了冻土区土壤水文过程的研究手段。

3.2 地下水—地表水交互界面

地表水和地下水交互作用研究对于水资源管理、水环境治理和河(湖)岸生态系统保护均具有十分重要的意义。地表水与地下水相互作用带内的温度变化为两者交互作用提供了重要的信息[5]。河流与地下水相互作用可分为“地下水补给永久性河流”“永久性河流补给地下水”“季节性河流干枯时与地下水相互作用”“季节性河流有水流通过时与地下水相互作用”4种类型[33]，在不同交互作用类型中，河床温度随着河流得水和失水过程呈现不同特征，可用来识别地表水与地下水的动态交换和水流途径。

地表水—地下水界面水文过程伴随的热传递机制(图3(a))包括热辐射、热平流、热对流和热传导[33]：热辐射和热平流作用强度主要取决于河流和河岸带所处环境；热对流现象在河床为松散沉积物时能量传递过程明显；热传导作用则较为普遍，适用于河床介质存在温度梯度的情景。在特定的条件(急流、暴晒)下，热辐射和热平流对界面能量损失影响较大，但在一般情景下地表水—地下水界面水文过程的能量交换以热对流和热传导作用为主。受河床温度梯度、介质热力学性质和界面水体交换速度影响，河床温度变化幅度的衰减速度、滞后时间呈不同特征(图3(b))，可作为示踪地表水—地下水交换速度的重要指标[33-34]。

图3 地表水—地下水界面水文过程热传递机制和温度示踪原理Fig.3 Heat transfer mechanism of interfacial hydro-logical process between surface water and groundwaterand involved theory of heat tracer

相较于降水入渗，地表水—地下水交互作用空间尺度更小，多集中在地表水—地下水界面附近，河流生态学研究更加关注地表水—地下水流速沿河道的时空变化特征[34-35]。鉴于此，地表水—地下水流速反演方法除了数学物理解析方法外，还包括温度时间序列分析[36]，可以实现对地表水—地下水交换量时空特征的反演。因此，对复杂河流环境下介质温度的大范围、长序列、高精度测量是温度示踪地表水-地下水界面水文过程的关键环节。当前常用的河床温度测量方法是“三点测量法”[33]：在河床介质中布设3个高精度温度探头进行3 d以上时间的连续监测，通过温度时间序列特征计算地表水—地下水交换量。接触式探头温度观测精度较高，但受高成本和布设条件限制，难以形成大范围长时间温度监测。无接触式河床温度监测方法，如前视红外系统[37-38]和光纤分布式测量技术[39-40]在河床介质温度测量中应用是当前发展趋势，可解析地表水—地下水交换量时空变化特征。

3.3 地下水—海水交互界面

海岸带水体交换能力强，地下水资源丰富，但地质构造复杂，自然环境脆弱[41]，地下水资源的不合理开发引发的系列生态环境问题已经成为海岸带发展的重要限制因素。滨海地区含水层与海洋直接接触，对地下水向海洋排泄、潮汐波动引发地下水水位变化、海水入侵含水层等地下水—海水界面水文过程的研究是分析和解决滨海地质环境问题的前提和基础[42]。鉴于海岸带复杂的水文地质条件，数值模拟成为研究滨海地区界面水文过程的有效技术，但数值模拟精度和合理性受边界条件和模型参数影响较大，迫切需要引入新工具进行研究，温度示踪作为新工具可以成为解析滨海地区界面水文过程的重要手段[6]。

目前国内外仅有少量研究聚焦于温度示踪滨海地区地下水运动。笔者在日本九州西部岛原湾[43-44]和中国雷州半岛[45-47]滨海含水层开展温度示踪地下水研究，但仅限于区域尺度地下水循环特征研究，并未针对地下水—海水界面水文过程进行解析。Taniguchi等[24]尝试使用温度示踪方法对日本富山湾滨海含水层咸淡水界面位置进行剖析，基于监测温度数据提出了一种海水入侵快速识别方法，但未结合海水入侵过程物理机制进行研究。Taniguchi等[25]还对澳大利亚科克本湾海床不同埋深温度进行测量，尝试采用一维水热方程解析算法反演地下水排泄入海量，并与常规监测数据进行对比分析。受滨海地区水文地质环境复杂性和咸淡水混合体水热运移理论缺乏的影响，温度示踪地下水-海水界面水文过程研究目前处于起步阶段，但对完善滨海地区水热运移理论,丰富界面水文过程研究手段,促进滨海地质灾害防治技术发展具有重要的意义。

4 结论与展望

温度示踪具有敏感性高、测量成本低和无环境污染产生等优点，作为示踪手段在界面水文过程研究中具有广阔的应用前景，温度示踪地表暖化影响下非均质含水层入渗、冻土区土壤水入渗、寒区地表水-地下水交互、滨海含水层海水入侵等过程是今后研究的重难点。但是，目前温度示踪界面水文过程研究以水文学家和地理学家为主导，主要侧重界面水体交换过程中的温度场监测和定性分析，对界面水热耦合过程的精细化模拟不够深入，今后的研究可从以下几个方面开展：

(1)介质的水力学参数值会对介质的热传递类型和规律产生影响，从而影响温度示踪结果的精度和合理性，温度作为有效示踪手段的首要条件是介质渗透率足够高，保证水体流动伴随的热对流过程可以作为主要的热传递类型。在实践工程计算中，介质渗透率不仅取决于介质的组成和性质，还与含水层厚度与宽度之比、水力学和热力学参数非均质性、传热速率和地下水位形态等因素有关。因此，在温度示踪计算流速过程中，需充分考虑诸多因素对水力学参数的影响，以保证示踪流速结果的合理性。

(2)界面水文过程控制环境能量分布和物质通量循环，对地下水资源、水环境和水生态具有重要影响，是温度示踪研究的重点。但界面水文过程的水动力和能量运移机理复杂，涉及水文界面的非线性水热耦合过程，使用温度示踪方法进行计算具有一定的不确定性，因此需考虑水文模型、同位素示踪等多种示踪手段和计算方法相互验证。

(3)界面温度精准监测是反演水文过程的数据基础，受界面地质体非均质性和水热参数各向异性的影响，当前温度监测方法难以对界面水文过程伴随的能量变化进行大范围、长时间的精准监测，引入新型温度监测技术是提高温度示踪界面水文过程准确度的有效手段。

(4)当前温度反演界面水文过程方法多以一维水热运移模型为主，对水流垂直方向的热传递过程考虑较少，构建合适的多维水热运移模型，适用于不同尺度、不同类型界面水文过程模拟是今后研究的重点方向。