基于溫度示蹤的渭河西成新區(qū)段潛流交換研究

張佳　霍艾迪　賽佳關(guān)　陳嘉莉　馮逸偉　李英豪

摘要：為了探索地表水和地下水相互作用的動(dòng)態(tài)變化特征，使用溫度傳感器對渭河西咸新區(qū)段的潛流交換過程進(jìn)行了溫度監(jiān)測試驗(yàn)，采用溫度示蹤法分析了潛流交換的動(dòng)態(tài)變化機(jī)制。結(jié)果表明：左岸與右岸試驗(yàn)點(diǎn)的補(bǔ)給關(guān)系均為地表水補(bǔ)給地下水；除去降雨和氣溫影響較大的0.05～0.15 m深度，左岸試驗(yàn)點(diǎn)在0.70～1.00 m深度潛流交換最為劇烈，右岸試驗(yàn)點(diǎn)在0.40～0.70 m深度潛流交換最為劇烈；潛流通量越穩(wěn)定，其不確定性區(qū)間寬度也越穩(wěn)定；潛流帶沉積層溫度對氣溫的波動(dòng)響應(yīng)具有垂直方向的空間變異性。

關(guān)鍵詞：補(bǔ)給關(guān)系；溫度示蹤；潛流交換；西成新區(qū)；渭河

地表水和地下水具有密切的水力聯(lián)系，可以相互影響和轉(zhuǎn)化。在潛流帶，河水可與地下水發(fā)生物質(zhì)與能量的雙向遷移與混合。作為活躍的生態(tài)群落交錯(cuò)帶，潛流帶對河流生物體的生命循環(huán)、水污染防治、水資源統(tǒng)一管理、干旱與半干旱地區(qū)水生以及河岸生態(tài)系統(tǒng)、湖岸生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)等具有非常重要的影響。因地表水與地下水相互連通，具有密切的水力聯(lián)系，故在地表水污染較嚴(yán)重的地區(qū)，地下水的污染也十分嚴(yán)重。陜西省境內(nèi)沿渭河建設(shè)的傍河水源地達(dá)30多處，鑒于近年來渭河干流與支流水質(zhì)污染嚴(yán)重，渭河地表水的污染已對陜西省境內(nèi)沿河居民的地下水飲用水源及人體健康構(gòu)成潛在危害。同時(shí)，渭河作為西咸新區(qū)“一河兩帶四軸五組團(tuán)”中的“一河”，其污染防治和水生態(tài)治理直接影響著陜西省經(jīng)濟(jì)發(fā)展的大局。因此，對陜西省渭河西咸新區(qū)潛流帶的研究不僅可為水資源管理及水污染防治提供依據(jù)，而且可為深入研究地表水與地下水的相互作用機(jī)理提供理論基礎(chǔ)，以及為生態(tài)需水量的確定和生態(tài)保護(hù)提供數(shù)據(jù)支撐。

1研究區(qū)域概況

研究區(qū)位于渭河西咸新區(qū)段，區(qū)內(nèi)不同地點(diǎn)的年均氣溫為12.5～14.0℃，多年平均降水量為510.1 mm。渭河在陜西省境內(nèi)的流域面積為33 548 km2，多年平均徑流量為53.8億m3，多年平均輸沙量為1.49億t。渭河西咸新區(qū)段位于關(guān)中平原的渭河沖洪積平原亞區(qū)，地下水較豐富，地下水徑流模數(shù)為27.35萬～33.07萬m3/（km2·a）。

2研究方法

試驗(yàn)中記錄溫度數(shù)據(jù)的傳感器（iButton）型號為DSl922L-F5，采樣時(shí)間間隔為10 min，分辨率為0.062 5℃，采樣深度分別為0.05、0.15、0.40、0.70、1.00 m。本次試驗(yàn)在渭河左岸及右岸河床各有一個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)（左、右岸試驗(yàn)點(diǎn)均位于東經(jīng)108°51′、北緯34°23′）。2015年9月30日至10月3日在渭河左岸測量，10月4-7日在渭河右岸測量。

VFLUX程序適用于飽和多孔介質(zhì)中的一維垂向流，可自動(dòng)處理序列原始溫度數(shù)據(jù)，根據(jù)溫度曲線相位及振幅計(jì)算潛流帶不同深度處潛流交換的垂直速度，解算熱混合率、最優(yōu)傳感器間距等。本文采用VFLUX軟件解算試驗(yàn)點(diǎn)的序列原始溫度數(shù)據(jù)，解算過程中所用參數(shù)見表1。在解算溫度數(shù)據(jù)前，為了使不同傳感器的采樣時(shí)間一致，需要對溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣及數(shù)據(jù)過濾；對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)諧波最優(yōu)化，模擬自動(dòng)迭代范圍的峰值；用實(shí)測溫度數(shù)據(jù)擬合動(dòng)態(tài)諧波最優(yōu)化溫度數(shù)據(jù)，解算潛流通量。計(jì)算流程見圖1。

3結(jié)果與討論

3.1試驗(yàn)結(jié)果分析

自然界的熱循環(huán)周期為1 a或1 d。地表水補(bǔ)給地下水情況下的熱循環(huán)周期溫度變化大于地下水補(bǔ)給地表水情況下的熱循環(huán)周期溫度變化。地表水補(bǔ)給地下水的河流，地表水經(jīng)過了地表的加熱或冷卻，地表水的下滲會(huì)引起河床沉積層較大的溫度波動(dòng)；地下水補(bǔ)給地表水的河流，因地下水的溫度比較穩(wěn)定，故補(bǔ)給河流的地下水在流經(jīng)沉積層時(shí)對地表的溫度波動(dòng)可起到一定的緩沖作用，導(dǎo)致該情況下河床沉積層溫度相對較穩(wěn)定（約為熱循環(huán)周期溫度的平均值）。

由圖2與圖3可知：左岸試驗(yàn)點(diǎn)沉積層0.05、0.15、0.40 m深處沉積層溫度隨氣溫波動(dòng)明顯，0.70、1.00 m深處的溫度對氣溫變化的響應(yīng)不明顯；右岸試驗(yàn)點(diǎn)0.05、0.15 m深處的溫度隨氣溫波動(dòng)有較小的波動(dòng)，0.40、0.70、1.00 m深處的溫度基本不隨氣溫波動(dòng)而波動(dòng)。由圖2可知，渭河左岸0.05 m處的溫度接近河水溫度，1.00 m深處的溫度接近地下水溫度，所以可初步判斷左岸試驗(yàn)點(diǎn)的補(bǔ)給關(guān)系為地表水補(bǔ)給地下水。由圖3可知，渭河右岸0.05、1.00 m深處的波動(dòng)特征與左岸試驗(yàn)點(diǎn)相同深度的波動(dòng)特征類似，但0.05 m深處的溫度明顯高于正常河水溫度（皂河污水影響），所以無法通過波形對比直接判斷右岸試驗(yàn)點(diǎn)的補(bǔ)給關(guān)系。

3.2潛流通量解算

由VFLUX軟件解算一維擴(kuò)散方程，可得各試驗(yàn)點(diǎn)不同深度潛流通量隨時(shí)間的變化。潛流通量為負(fù)值，說明該點(diǎn)的滲流方向?yàn)榇怪焙哟蚕蛏希粷摿魍繛檎?，說明該點(diǎn)的滲流方向?yàn)榇怪焙哟蚕蛳隆?/p>

3.2.1左岸試驗(yàn)點(diǎn)潛流通量時(shí)空變異性

左岸試驗(yàn)點(diǎn)的潛流通量變化見圖4。由圖4可知，沉積層深度越大，潛流通量平均值越大，0.70～1.00 m深度潛流通量平均值最大。所以，潛流交換在0.70～1.00 m深度最為活躍，該深度范圍內(nèi)地表水與地下水的連通性最好。

對左岸試驗(yàn)點(diǎn)潛流通量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表2、表3。由表2可知，0.05-1.00 m深度潛流通量平均值先減小后增大，標(biāo)準(zhǔn)偏差逐步變小。潛流通量最小值出現(xiàn)在0.40-0.70 m深度，最大值出現(xiàn)在0.05-0.15 m深度，0.05-0.15 m深度潛流通量的離散程度最大。由表3可知，在試驗(yàn)期內(nèi)，0.05-1.00 m深度的滲流方向均為向下。

渭河右岸試驗(yàn)點(diǎn)的潛流通量變化見圖5。由圖5可知，0.40-0.70 m深度潛流通量平均值最大，所以潛流交換在0.40～0.70 m深度最為活躍，地表水與地下水的連通性最好。對右岸試驗(yàn)點(diǎn)河床不同深度處的潛流通量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表4、表5。由表4可知，0.05～1.00 m深度潛流通量均值先增大后減小，其標(biāo)準(zhǔn)偏差先增大后減小。潛流通量最小值出現(xiàn)在0.05-0.15 m深度，最大值出現(xiàn)在0.40～0.70 m深度，0.40-0.70 m深度潛流通量的變異性最大。由表5可知，右岸試驗(yàn)點(diǎn)潛流通量的有效數(shù)據(jù)均為正值，所以該試驗(yàn)點(diǎn)滲流方向向下。其中，0.40-0.70 m潛流通量明顯異于其他深度，主要與該深度范圍沉積層連通性有關(guān)。

3.3潛流通量的不確定性分析

對渭河左岸與右岸試驗(yàn)點(diǎn)河床沉積層0.05～0.15、0.15-0.40、0.40-0.70、0.70-1.00 m深度的垂向潛流通量進(jìn)行不確定性分析。不確定性區(qū)間寬度隨時(shí)問的變化見圖6、圖7。

由圖4和圖6可知，0.05-0.15 m深度不確定性區(qū)問隨潛流通量的增大而增大：0.15～0.40 m深度不確定性區(qū)間隨潛流通量的增大而減??；0.40-0.70、0.70-1.00 m深度不確定性區(qū)問范圍較穩(wěn)定，基本不隨時(shí)間發(fā)生變化。

由圖5和圖7可知，0.05-0.15、0.15-0.40 m深度的潛流通量基本不隨時(shí)間發(fā)生變化，所以不確定性區(qū)問范圍也較穩(wěn)定；0.40-0.70 m深度的不確定性區(qū)間范圍隨潛流通量的減小而減??；0.70-1.00 m深度不確定性區(qū)間范圍隨潛流通量的減小而增大。

綜上，在地表水補(bǔ)給地下水的地段，潛流通量隨時(shí)間波動(dòng)較小時(shí)，其不確定性區(qū)間范圍較穩(wěn)定；潛流通量隨時(shí)間波動(dòng)較大時(shí)，其不確定性區(qū)間范圍也較為波動(dòng)，但具體規(guī)律有待于進(jìn)一步研究。

4結(jié)語

渭河西咸新區(qū)段河水與地下水的補(bǔ)給關(guān)系為地表水補(bǔ)給地下水；河床沉積層深度越大，其沉積層下部溫度對地表水溫度波動(dòng)的響應(yīng)越?。涸囼?yàn)點(diǎn)潛流交換時(shí)空變異性顯著，左岸試驗(yàn)點(diǎn)在沉積層深度為0.05-0.15、0.75-1.00 m時(shí)潛流交換比較強(qiáng)烈，右岸試驗(yàn)點(diǎn)在沉積層深度為0.40-0.75 m時(shí)潛流交換比較強(qiáng)烈。潛流通量隨時(shí)間變化較小時(shí)，其不確定性區(qū)間的寬度較穩(wěn)定，隨時(shí)間波動(dòng)較小。