国内近年河流与地下水交换量研究进展

马耀东，高 宇，戴长雷，李梦玲

（1.黑龙江大学寒区地下水研究所,黑龙江 哈尔滨 150080；2.黑龙江大学水利电力学院,黑龙江 哈尔滨 150080；3.黑龙江大学中俄寒区水文和水利工程联合实验室,黑龙江 哈尔滨 150080）

1 研究方法的发展现状

我国地表水与地下水相互作用的研究始于1960年代,改革开放后,国内研究人员的研究开始逐渐增多。多位专家针对河流与地下水转化关系进行了系统研究,王文科等[1]指出影响河流与地下水转化的各因素,并且提出急待解决的关键问题。王平[2]总结出河流与含水层交换的常用研究方法,并且指出了干旱区间歇性河流与地下水交换研究存在的问题。左蔚[3]等通过研究雎水河流域水的水化学特征,得出水化学特征是确定天然水与环境的关系,以及地下水和地表水相互转化方式的有效方法。杨智[4]结合水力学、水温、水化学、氢氧稳定同位素技术,研究了鄂尔多斯海流兔河流域地表水与地下水的关系。余斌[5]等人在阿克苏河流域的典型区域收集采样,通过对比地下水地表水的水化学特征和同位素特征,表明两者之间的相互作用和交换量。谷洪彪[6]通过现场采样调查等,分析柳江盆地地区的地下水地表水的水化学和同位素的特征,揭示河水与地下水的相互转化关系。杨淇越等[7]利用全球降水同位素监测网包头站的大气降水稳定同位素资料,对锡林河流域稳定同位素分布进行了相互作用的研究,这些研究为进一步开展地表水与地下水之间相互作用奠定了良好的基础,提供了切实可行的研究思路。

2 河流与地下水交换量的主要研究方法

2.1 地下水动力学法

地下水动力学方法基于传统水力学方法来研究河流与地下水之间的关系,一般分为解析法和数值法。这种方法可以解决复杂多样的地下水与河流补排条件,但往往需要大量的水文和水文地质数据来支撑。解析法通常适用于地下水区几何形状规则、边界条件单一、需要河流分段的情况。计算结果的准确性受到河流分割的强烈影响,随着河流分割的增加而增加[8]。任嘉伟[9]等利用水动力学法和温度示踪法研究了典型草原内陆河——锡林河上游河段的垂向潜流交换特性和影响因素,得出水动力学法和温度示踪振幅法的结果一致性较好。考虑到水动力学法计算结果易受河床渗透性的影响,而沉积物的热力学参数变化较小,且草原地区温度变化显著,因此温度示踪法是研究草原河流潜流交换较为准确、便捷的方法。刘丽雅[10]从水动力学的角度,在试验区通过抽水试验、微水试验等工作,利用Processing Modflow研究试验区的水文地质模型。

由于该解析法扩展到地表水体和地下水条件过于理想,不适用于复杂条件下的转化率,这限制了解析方法的进一步应用和扩展。数值方法可以描述更复杂的地质和地下水,可以模拟和分析不同复杂条件下地表-地下水相互作用[11]。然而,对数据要求和参数高且难以获得,限制了其使用[12]。

2.2 水化学法

地下水和地表水有各种各样的自然物理性质（导电率）和化学性质（碱度、pH值）,可以作为这两个系统相互作用的标志。各种示踪剂已被用于调查地下水-地表水交换,包括电导率、pH值等；阴离子（Cl-、SO42-、CO32-）和阳离子（Ca2+、Na+、 K+、Mg2+）,地下水和地表水浓度有明显差异的地点,可以探测到地下水或地表水的影响,它是识别地下水与地表水相互作用的有效方法[13]。受地球化学以及同位素分馏作用的影响,通过水化学法确定河流地下水的相互作用存在不确定性,目前多采用定性和半定量研究；基于多种同位素联合分析正在成为一种趋势,有助于提高实验结果的可靠性。

2.3 直接测量法

直接测量法是使用渗流计在点尺度上获取河床与含水层之间的交换量,需要多组点测数据才能获得准确的交换量,一般适用于点尺度研究；对于流域尺度,由于地表水和地下水存在着空间差异,该方法的应用过于费力,数据获取难度大,因此在实际研究中应用相对较少[14]。这种测量方法的优点是可以快捷的安装,不需要复杂昂贵的设备,操作简单等优点,一般适合于小尺度研究的河流、湖泊和海洋等湿地,不适用于有空间差异性的河段,并且这种方法还需要垂向渗透系数才能定量分析交互作用[15]。

2.4 温度示踪法

在大多数地区,在冬季和夏季,地下水和地表水的温度存在较明显的差异,总体来说,地下水温度更稳定,地表水温度会随着日变化和季节变化的,因此温度可以用于识别地表水与地下水转化关系。开展温度示踪法最早溯源到1915 年,直到20 世纪末。温度示踪才开始应用于地表水与地下水的交换关系研究,介于当时的温度监测装备、计算条件以及配套的软件不满足要求,限制了温度示踪方法的使用,当时的工作更多地侧重于理论研究,随着测温技术升级,和相配套的计算机技术发展,使其使用成本也逐步降低,从而促进了温度示踪剂在水文、地下水和地表水交换的应用。地表水和地下水之间的相互作用过程会对温度随时间和深度的变化产生显着影响[16]。此外,地表水和地下水之间不同的相互作用力导致不同的热扰动,这在浅层沉积物的温度剖面中也会很明显。由于这些原因,热量可以很好地指示地表水和地下水之间的相互作用[17]。使用温度示踪法研究地下水和地表水的交互作用受到观测点位置、收集数据时间的限制,同时地下水和地表水必须要有足够的温度差异,才会有明显的效果。

2.5 同位素示踪法

同位素环境研究方法使水文地质研究能够量化大气水、地表水和地下水之间的转化关系,从而为解决水文地质问题提供一种经济、快速、准确的研究方法[18]。环境放射性同位素通常用于估计地下水的年龄,而稳定同位素则用于研究集水区地表水和地下水相互转化的过程和方式。矿物质可以与地下水发生反应并改变其化学成分,但地下水中环境同位素的相对稳定性在水循环中被广泛应用,稳定同位素常被用作“示踪剂”,可用于追踪地下水的来源,确定源补给和补给介质,研究地下水与周围水体的补给和排泄关系。放射性同位素由于其衰变特性而具有“测年”功能,可用于计算地下水的年龄。同位素技术现在越来越多地用于确定地表水和地下水之间的转化关系。由于不同的原因,水循环系统中的不同水团具有各自特征的同位素组成,即富含氢（2H）和氧（180）的不同重同位素。通过分析微量环境水的不同同位素,可以追踪它们的形成和迁移模式[19]。氢氧同位素的化学性质稳定,广泛用于研究地表水与地下水之间的转化关系[20]。许多学者通过对水化学和同位素特征的分析,在黑河流域[21]、小昌马河流域[22]、昭苏－特克斯盆地[23]、海河流域源区[24]等地区的水化学及地表水－地下水转化关系的研究上取得了较好的效果。

2.6 各方法对比

表1为各研究方法的对比分析,总结分析各方法的优缺点。

表1 各研究方法对比分析

3 东北地区同类工作进展

张兵[25]等人在三江平原地区现场考察,采集样本和室内分析水化学特征,采用稳定氢氧同位素和水化学两种方法相互补充对比,减少了单一方法的不确定性,研究了三江平原地表水与地下水的关系,并定量计算了地表水与地下水的转化率。采用的环境同位素法和水化学方法能够很清楚地得知,三江平原地表水与地下水的补排关系,并且在人类活动较大的地方,水化学类型发生了变化。

田浩然[26]等人采用水量平衡方程、地下水平衡方法、数值模拟等方法,通过各水文站上下游的实测流量,以及区间内人工取水量,蒸发量计算了两者直接的转化量。在地下水均衡量计算过程中,采用了野外试验和动态推求求得所需参数值,确定了补给量。通过三种方法研究了地表水与地下水的转化关系,并且确定了转化量,得出人类对地下水的大量开采已经导致了城市地下水水位的下降。

在东北地区,三江平原地区已经采用同位素方法、水化学法相结合,分析当地的同位素、水化学特征,确定地表水地下水补排关系。采用地表水水量平衡方程等方法计算了松花江佳木斯下游段地表水地下水交换量。当前在东北地区还没采用温度示踪法进行地表水地下水的相互作用的研究,随着地表水地下水发生交换,会伴随能量的产生与传递,而温度作为能量的直观反映载体,可以直接反映两者之间的相互关系。

4 结论

地表水与地下水的转换是自然水循环中非常普遍的现象。介绍分析比较各种确定地下水地表水的相互作用的方法,各种方法有各自的优缺点。应用单一的方法研究地表水与地下水的转化关系,不确定性影响因素多,缺少多方面条件的综合。为解决这种问题,许多研究人员因此选择了一种组合方法来研究相互作用区的水动力特性,在研究地点使用不同空间尺度的多种方法可能有助于克服收集的数据的不确定性,并且这种组合方法成为趋势,可以更可靠地揭示地表和水之间的相互作用。在以后的地下水地表水相互作用和交换量的计算上,可以采用组合的方法对地下水补给进行验证,同时可提高计算精度和可靠性。