地表水與地下水相互作用對(duì)不同特征濕地的影響

劉興峰

(新疆白楊河流域管理局，烏魯木齊 830000)

0 引 言

濕地控制著地表水的流動(dòng)情況，一直受到極大的關(guān)注。減少地表徑流峰值和改善地表徑流水質(zhì)的能力是濕地的最佳管理實(shí)踐方法。研究人員開發(fā)復(fù)雜的濕地模型，以便能夠充分模擬濕地動(dòng)態(tài)和濕地營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸。此外，地表水與地下水的相互作用在濕地中發(fā)揮著重要作用，這些過(guò)程顯著影響濕地水文和溶質(zhì)運(yùn)移的動(dòng)態(tài)。因此，將地表水與地下水相互作用的影響納入濕地模型，并了解其對(duì)具有不同特征的濕地的影響。

已經(jīng)有專業(yè)學(xué)者研究了解濕地和地下水之間相互作用的機(jī)制[1]。如姜瑞雪等詳細(xì)討論了地下水與溪流、湖泊和濕地之間的相互作用，討論地形、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地下水位和氣候?qū)Φ叵滤c溪流、湖泊和濕地相互之間的作用[2]。杜堯研究討論了濕地中地表水與地下水相互作用對(duì)濕地功能的重要性[3]。楊國(guó)華等試圖通過(guò)使用具有流入和存儲(chǔ)的一維傳輸模型(OTIS)來(lái)量化中央大沼澤地水源保護(hù)區(qū)的補(bǔ)給和排放[4]。鄧建明為MODFLOW開發(fā)了一個(gè)計(jì)算機(jī)軟件包，以模擬濕地與含水層的相互作用[5]。還有的學(xué)者調(diào)查了一個(gè)已建立的河岸濕地系統(tǒng)的水文，并觀察到水從濕地滲漏到地下環(huán)境，該環(huán)境具有當(dāng)?shù)氐叵滤鲃?dòng)系統(tǒng)的特征。如田詩(shī)陽(yáng)等開發(fā)一個(gè)數(shù)值模型來(lái)模擬地下水濕地相互作用和污染物遷移，并將模型應(yīng)用于濕地[6]。張翔通過(guò)測(cè)量溪流域河岸濕地的溪流和地下水中的氮，研究了溪流和濕地的相互作用[7]。

這些研究是通過(guò)將地表水與地下水相互作用納入濕地模型，更好地理解非線性濕地動(dòng)力學(xué)的例子。本文通過(guò)調(diào)查不同濕地特征的地表水與地下水相互作用對(duì)濕地水文的影響，使用WETSAND 模型分析不同濕地參數(shù)值即坡度、植被密度、橫向和縱向?qū)氏碌谋韺铀钭兓?/p>

1 濕地溶質(zhì)運(yùn)移動(dòng)力學(xué)

WETSAND模型有兩個(gè)主要組成部分：濕地水量和濕地水質(zhì)。濕地水量分量利用擴(kuò)散波理論分析濕地場(chǎng)地的坡面流。來(lái)自高地地區(qū)的地面流通過(guò)濕地區(qū)域流入溪流，形成橫向流入。該模型考慮了降雨、側(cè)向流入和地下水排放作為水源；作為匯水區(qū)的滲透、蒸發(fā)和地下水補(bǔ)給，在不穩(wěn)定降雨期間，入滲由修正版的格林安普特方法計(jì)算，蒸散由索恩斯韋特方法計(jì)算。地表水與地下水相互作用由地下水補(bǔ)給排泄項(xiàng)考慮，并使用達(dá)西定律計(jì)算。城市化地區(qū)產(chǎn)生的上游地表徑流通過(guò)美國(guó)環(huán)保局雨水管理模型(SWMM5) 進(jìn)行模擬，并作為河流的流入邊界條件納入濕地模型。擴(kuò)散波公式用于計(jì)算水深變化，公式如下:

(1)

然后，通過(guò)冪律分布計(jì)算濕地區(qū)域的流量。該冪律分布考慮了植被密度對(duì)濕地流量的影響，公式如下:

Q=KWy3S0

(2)

其中：Q為以L3/T為單位的流量；W為濕地寬度，L；K為反映植被密度的系數(shù)，L-1T-1。

濕地水質(zhì)部分利用維平流擴(kuò)散反應(yīng)方程分析濕地區(qū)域總磷和總氮或氮循環(huán)各化合物(有機(jī)氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮)的濃度。通過(guò)水量分量計(jì)算的速度被用作水質(zhì)分量中的輸入。利用SWMM5計(jì)算城市區(qū)域產(chǎn)生的氮和磷濃度，并作為濕地上游點(diǎn)的邊界條件。通過(guò)將地下水補(bǔ)給與排放引起的質(zhì)量項(xiàng)納入平流擴(kuò)散反應(yīng)方程，考慮了地表水地下水的相互作用，磷和氮濃度的公式如下:

(3)

(4)

2 研究?jī)?nèi)容

2.1 研究地點(diǎn)

研究地點(diǎn)位于新疆白楊河流域的一個(gè)濕地系統(tǒng)，最近在沙溪流域進(jìn)行了恢復(fù)。濕地溪流恢復(fù)項(xiàng)目旨在通過(guò)重塑河道輪廓和提高水位，將沙溪的退化部分轉(zhuǎn)化為2×104m2的濕地。超過(guò)579 m的沙溪已經(jīng)通過(guò)關(guān)閉部分原始河床和打開一個(gè)有更多彎曲的新河床而得到恢復(fù)，以增強(qiáng)洪泛區(qū)的水流并幫助清除營(yíng)養(yǎng)物和沉積物。除此之外，還有一個(gè)人工大壩，在上游形成了額外的濕地。后面的人工湖大壩的表面水位將高于平均海平面89.92 m。調(diào)查人員一直在測(cè)量位于整個(gè)濕地的20口采樣井的地下水位，以及濕地沙溪支流D的水質(zhì)數(shù)據(jù)。地下水位測(cè)量每?jī)芍苓M(jìn)行一次，主要營(yíng)養(yǎng)物(氮、磷和陽(yáng)離子)的水質(zhì)測(cè)量每月在濕地和湖泊以及所有支流進(jìn)行。

2.2 模型應(yīng)用

為了將WETSAND模型應(yīng)用于該場(chǎng)地，濕地場(chǎng)地被離散為6個(gè)高地(U)、10個(gè)濕地(W)部分和6個(gè)溪流(S)部分，見圖1。

圖1 地形圖

上游地表徑流通過(guò)節(jié)點(diǎn)N329和N335流入濕地區(qū)域。分析是在不同的濕地部分和根據(jù)在這些部分觀察到的不同地下水位選擇的。利用WETSAND和建模中收集的數(shù)據(jù)對(duì)濕地進(jìn)行建模。在本文中，WETSAND模型被用于預(yù)測(cè)不同濕地特征的地表水與地下水相互作用的影響，即植被、陸域坡度、恢復(fù)濕地的橫向和縱向水力傳導(dǎo)度。

3 濕地水深變化

3.1 坡度的影響

本節(jié)介紹了在濕地第四部分獲得的結(jié)果，主要觀察地下水補(bǔ)給。濕地第八部分也獲得了類似的結(jié)果，主要觀察地下水排放。結(jié)果表明，地表水與地下水相互作用的影響通常對(duì)濕地動(dòng)態(tài)起著重要作用，因此在模擬濕地水文和溶質(zhì)運(yùn)移時(shí)應(yīng)予以考慮。

圖2(a)和圖2(b)顯示了坡度S0=0.001和S0=0.000 1的濕地四段(W4)的水深變化。圖2表明，相互作用對(duì)水深的影響隨著地形坡度的減小而減小?？紤]相互作用影響的水深計(jì)算值與不考慮相互作用影響的水深計(jì)算值之間的差異，高坡濕地段大于緩坡濕地段。

圖2 濕地四段水深變化(不同坡度)

在圖3(a)和圖3(b)中，分別繪制了垂直水力傳導(dǎo)系數(shù)Kz=0.001 m/h和Kz=0.002 m/h時(shí)濕地第四段的水深變化。由圖3可知，對(duì)于不同的垂直水力傳導(dǎo)度，考慮相互作用效應(yīng)計(jì)算的水深和不考慮相互作用效應(yīng)計(jì)算的水深之間的差異并不顯著。因此，在確定地表水與地下水相互作用對(duì)水深的影響時(shí)，垂直水力傳導(dǎo)度并不發(fā)揮主要作用。

圖3 濕地四段水深變化(不同垂直水力傳導(dǎo)系數(shù))

3.2 對(duì)不同植被特征濕地的影響

本節(jié)研究了地表水與地下水相互作用對(duì)不同植被特征濕地的影響。在圖4(a)和圖4(b)中，分別繪制了K=0.1×107m-1/h和K=0.5×107m-1/h時(shí)濕地第四部分(W4)的水深變化。大K值代表低植被密度，而小K值代表高植被密度。從圖4中可以看出，隨著濕地植被密度的增加，地表水與地下水相互作用對(duì)濕地水深的影響會(huì)減小。

圖4 濕地四段水深變化(不同植被密度)

3.3 對(duì)導(dǎo)水率的影響

本節(jié)研究了各向異性比為1時(shí)橫向?qū)实淖饔谩D5(a)和圖5(b)顯示了濕地第四部分(W4)的水深變化，橫向和垂直水力傳導(dǎo)值分別為Kx=Kz= 0.001 m/h和Kx=Kz=0.002 m/h。結(jié)果表明，隨著橫向和縱向?qū)实脑黾樱嗷プ饔脤?duì)水深變化的影響增大。由于從前面的分析中確定垂直導(dǎo)水率不會(huì)顯著改變對(duì)水深的相互作用效應(yīng)，因此橫向?qū)实脑黾訒?huì)導(dǎo)致對(duì)水深的相互作用效應(yīng)增加。

圖5 濕地四段水深變化(不同導(dǎo)水率)

4 結(jié) 論

本文研究了地表水與地下水相互作用對(duì)濕地水文的影響。針對(duì)不同的濕地特征，如植被、地形坡度以及橫向和縱向水力傳導(dǎo)，分析了地表和地下相之間的水交換對(duì)地表水深度的影響。通過(guò)使用WETSAND模型進(jìn)行模擬，該模型具有水量和水質(zhì)模塊，并結(jié)合了地表水與地下水的相互作用。該研究結(jié)果為修復(fù)沙溪流域濕地遺址提供了科學(xué)依據(jù)。據(jù)觀察，效果在植被密度低或地勢(shì)坡度大的濕地以及地表水與地下水的相互作用非常顯著。濕地土壤的橫向傳導(dǎo)性對(duì)于確定相互作用對(duì)地表水的影響也很重要，但垂直導(dǎo)水率的作用可以忽略不計(jì)。由于地表水與地下水相互作用的影響，水深的變化會(huì)導(dǎo)致水流速度的變化，從而影響濃度方程中的平流項(xiàng)。因此，在植被密度低或地勢(shì)坡度高的濕地，地表水與地下水相互作用的影響也起著重要作用。