溫度示蹤界面水文過程研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢

董林垚，唐文堅，陳建耀，何 敏

(1.長江科學(xué)院， 武漢 430010； 2.水利部山洪地質(zhì)災(zāi)害防治工程技術(shù)研究中心， 武漢 430010； 3.中山大學(xué) 地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣州 510275； 4. 湖北省水利廳 鄂北地區(qū)水資源配置工程建設(shè)與管理局(籌)， 武漢 430071)

1 研究背景

水循環(huán)是聯(lián)系地球表層各圈層的紐帶，對維持地球生命系統(tǒng)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與演化受大氣圈、水圈、生物圈和巖石圈中不同物理和化學(xué)作用制約，同時又積極參與上述圈層間物質(zhì)循環(huán)與能量交換[2]，“大氣—土壤—基巖—水體”界面水文過程研究對區(qū)域水資源保護(hù)和“供水與健康-生態(tài)與食物-社會保障與安全”模式構(gòu)建具有重要的科學(xué)意義。自20世紀(jì)90年代開始，國際相關(guān)組織陸續(xù)開展了國際水文計劃(International Hydrological Programme)、全球水系統(tǒng)計劃(Global Water System Project)、世界氣候研究計劃(World Climate Research Program)、國際地圈生物圈計劃(International Geosphere-Biosphere Programme)和區(qū)域地下水系統(tǒng)研究計劃(Regional Groundwater System Research Project)等課題，在變化環(huán)境影響下界面水文過程循環(huán)和演化機(jī)理方面取得了一定進(jìn)展。

受界面條件高度復(fù)雜化、多相流混合體運(yùn)移機(jī)理不明和概化模型參數(shù)不確定等因素的影響[3]，界面水文過程的精準(zhǔn)量化和模擬具有一定難度。當(dāng)前降水—土壤水—地下水、地下水—地表水、地下水—海水交互過程研究通常采用原位觀測、數(shù)值模擬、數(shù)理統(tǒng)計、水化學(xué)分析和同位素示蹤等方法。與常規(guī)研究手段相比，溫度示蹤工具具有成本低、易操作、無污染等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效應(yīng)用于水文過程示蹤研究[4-6]。但界面能量交換過程復(fù)雜、影響因素多，不同尺度和情境下水熱運(yùn)移過程和能量交換機(jī)理存在較大差異，溫度示蹤界面水文過程成為研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)[7-8]。因此，分析溫度示蹤界面水文過程研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，對于明確后續(xù)研究方向、提高研究成果的科學(xué)性和創(chuàng)新性，具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

2 溫度示蹤原理

介質(zhì)的溫度分布特征受邊界溫度、水熱參數(shù)和界面水文過程的綜合影響(圖1(a))。溫度在介質(zhì)內(nèi)的垂向變化特征主要受表面溫度變化和水體運(yùn)動的影響[9]，界面水文過程對溫度梯度的擾動強(qiáng)烈而迅速，顯示為清晰的溫度變化，上述信號特征可通過測量溫度隨深度的變化曲線(溫-深曲線)獲得，成為反演界面水文過程的有效工具。

溫度在土壤、含水層和巖體中的熱傳遞作用主要包括熱傳導(dǎo)和熱對流作用。在水體不活躍的介質(zhì)中，介質(zhì)表面溫度變化通過熱傳導(dǎo)作用向深處傳播，溫度變化幅度隨深度的增加呈指數(shù)遞減[10]。在土壤水和地下水運(yùn)動活躍的介質(zhì)中，由水體流動引起的熱對流占主導(dǎo)作用[11]。以地下水垂向運(yùn)動為例，地表溫度變化和水體運(yùn)動對溫度-深度曲線(簡稱“溫-深曲線”)影響如圖1(b)和圖1(c)所示：地表溫度恒定時，地下水補(bǔ)給和排泄條件下，均質(zhì)地層的溫-深曲線向上分別呈現(xiàn)“凹”和“凸”不同形態(tài)，補(bǔ)給和排泄速度越大，曲線的彎曲程度越大[11-12]；受地表暖化影響，不同情景下溫-深曲線在淺層部分向右偏移[8-9]。溫-深曲線相對線性地溫梯度的偏離程度可用來反演介質(zhì)中水體運(yùn)移過程。

圖1 界面溫度傳播機(jī)理示意圖Fig.1 Schematic diagram of interfacial heat transfermechanism

3 國內(nèi)外研究進(jìn)展

關(guān)于溫度示蹤水文過程的研究始于20世紀(jì)50年代，Menberg等[13]使用一維非穩(wěn)定流解析解計算含水層地下水垂向流速，隨著溫度監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展和水熱耦合理論的進(jìn)步，溫度示蹤方法被廣泛應(yīng)用于界面水文過程反演(圖2)：(Ⅰ)土壤水運(yùn)移；(Ⅱ)降雨入滲補(bǔ)給地下水；(Ⅲ)河岸交互帶地下水運(yùn)動；(Ⅳ)地下水排泄；(Ⅴ)濱海含水層地下水—海水交互作用。國內(nèi)外關(guān)于溫度示蹤水文過程研究進(jìn)展總結(jié)如表1所示。

圖2 溫度示蹤界面水文過程研究應(yīng)用Fig.2 Applications of heat as a tracer to investigateinterfacial hydrological process

表1 溫度示蹤界面水文過程前期研究綜述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

降水入滲是降水滲入土壤后轉(zhuǎn)化為土壤水和地下水的過程，降水入滲過程伴隨的溫度變化主要受兩方面影響：一是表面溫度變化通過地層熱傳導(dǎo)作用影響地層的溫度分布特征，另一種形式是通過滲入不同溫度水體的熱對流作用影響地層溫度[15]。地層的低頻濾波作用使長時間尺度地表溫度變化比短時信號傳遞到更深處：地表短時日變化通常作用于埋深不超過2 m的土層，季節(jié)變化影響埋深不超過20 m，地表溫度的長期變化趨勢會影響幾十米深處的地溫分布，入滲水體的熱對流作用使地表溫度變化對地溫梯度影響達(dá)到上百米深度[26]。因此，相關(guān)工作需要根據(jù)研究的降水-地層交互界面所處的深度確定溫度監(jiān)測的時間尺度。

降水入滲過程產(chǎn)生的熱量交換作用主要以垂向熱傳導(dǎo)和熱對流為主，根據(jù)溫度分布特征反演降水入滲過程的理論基礎(chǔ)是一維垂向水熱運(yùn)移方程[27]。運(yùn)用解析和數(shù)值方法對水熱運(yùn)移方程進(jìn)行求解可實現(xiàn)對降水入滲過程的示蹤。當(dāng)研究對象為“降水-地層”界面水文過程時，地表溫度變化成為地層溫度傳播的驅(qū)動力。地表溫度變化按照時間尺度可分解為“趨勢項”和“周期項”，國外相關(guān)研究[13,16,28-30]推導(dǎo)了地表溫度“恒定”“線性增加”“正弦變化”“階躍變化”“冪指數(shù)”等不同情景下的解析解，并應(yīng)用于氣候變化和城市化進(jìn)程中降水入滲補(bǔ)給量計算。

近年來，隨著數(shù)學(xué)物理和數(shù)值計算方法的發(fā)展，溫度示蹤“降水—土壤水—地下水”界面水文過程研究由單一均質(zhì)巖層向復(fù)雜水文地質(zhì)環(huán)境轉(zhuǎn)變：①構(gòu)建“非飽和帶-飽和帶”土壤水熱運(yùn)移物理模型[15]，描述了地表溫度“年”和“日”周期變化在淺層地下水環(huán)境中的傳播特征，探索了溫度示蹤方法在“潛水-隔水層-含水層”系統(tǒng)示蹤的應(yīng)用；②采用Microsoft Excel Solver[17]、Spreadsheet Tool[18]和SUTRA[31-32]等工具對不同地表溫度變化驅(qū)動下層狀介質(zhì)水文過程進(jìn)行分析，將溫度作為示蹤工具引入非均質(zhì)巖層滲流場研究中；③探索了凍土區(qū)降水入滲、凍融和融解過程中的水熱遷移規(guī)律[7]，系統(tǒng)分析了熱傳導(dǎo)、熱對流和潛熱作用對溫-深曲線的影響機(jī)制，豐富了凍土區(qū)土壤水文過程的研究手段。

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對于水資源管理、水環(huán)境治理和河(湖)岸生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)均具有十分重要的意義。地表水與地下水相互作用帶內(nèi)的溫度變化為兩者交互作用提供了重要的信息[5]。河流與地下水相互作用可分為“地下水補(bǔ)給永久性河流”“永久性河流補(bǔ)給地下水”“季節(jié)性河流干枯時與地下水相互作用”“季節(jié)性河流有水流通過時與地下水相互作用”4種類型[33]，在不同交互作用類型中，河床溫度隨著河流得水和失水過程呈現(xiàn)不同特征，可用來識別地表水與地下水的動態(tài)交換和水流途徑。

地表水—地下水界面水文過程伴隨的熱傳遞機(jī)制(圖3(a))包括熱輻射、熱平流、熱對流和熱傳導(dǎo)[33]：熱輻射和熱平流作用強(qiáng)度主要取決于河流和河岸帶所處環(huán)境；熱對流現(xiàn)象在河床為松散沉積物時能量傳遞過程明顯；熱傳導(dǎo)作用則較為普遍，適用于河床介質(zhì)存在溫度梯度的情景。在特定的條件(急流、暴曬)下，熱輻射和熱平流對界面能量損失影響較大，但在一般情景下地表水—地下水界面水文過程的能量交換以熱對流和熱傳導(dǎo)作用為主。受河床溫度梯度、介質(zhì)熱力學(xué)性質(zhì)和界面水體交換速度影響，河床溫度變化幅度的衰減速度、滯后時間呈不同特征(圖3(b))，可作為示蹤地表水—地下水交換速度的重要指標(biāo)[33-34]。

圖3 地表水—地下水界面水文過程熱傳遞機(jī)制和溫度示蹤原理Fig.3 Heat transfer mechanism of interfacial hydro-logical process between surface water and groundwaterand involved theory of heat tracer

相較于降水入滲，地表水—地下水交互作用空間尺度更小，多集中在地表水—地下水界面附近，河流生態(tài)學(xué)研究更加關(guān)注地表水—地下水流速沿河道的時空變化特征[34-35]。鑒于此，地表水—地下水流速反演方法除了數(shù)學(xué)物理解析方法外，還包括溫度時間序列分析[36]，可以實現(xiàn)對地表水—地下水交換量時空特征的反演。因此，對復(fù)雜河流環(huán)境下介質(zhì)溫度的大范圍、長序列、高精度測量是溫度示蹤地表水-地下水界面水文過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。當(dāng)前常用的河床溫度測量方法是“三點(diǎn)測量法”[33]：在河床介質(zhì)中布設(shè)3個高精度溫度探頭進(jìn)行3 d以上時間的連續(xù)監(jiān)測，通過溫度時間序列特征計算地表水—地下水交換量。接觸式探頭溫度觀測精度較高，但受高成本和布設(shè)條件限制，難以形成大范圍長時間溫度監(jiān)測。無接觸式河床溫度監(jiān)測方法，如前視紅外系統(tǒng)[37-38]和光纖分布式測量技術(shù)[39-40]在河床介質(zhì)溫度測量中應(yīng)用是當(dāng)前發(fā)展趨勢，可解析地表水—地下水交換量時空變化特征。

3.3 地下水—海水交互界面

海岸帶水體交換能力強(qiáng)，地下水資源豐富，但地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，自然環(huán)境脆弱[41]，地下水資源的不合理開發(fā)引發(fā)的系列生態(tài)環(huán)境問題已經(jīng)成為海岸帶發(fā)展的重要限制因素。濱海地區(qū)含水層與海洋直接接觸，對地下水向海洋排泄、潮汐波動引發(fā)地下水水位變化、海水入侵含水層等地下水—海水界面水文過程的研究是分析和解決濱海地質(zhì)環(huán)境問題的前提和基礎(chǔ)[42]。鑒于海岸帶復(fù)雜的水文地質(zhì)條件，數(shù)值模擬成為研究濱海地區(qū)界面水文過程的有效技術(shù)，但數(shù)值模擬精度和合理性受邊界條件和模型參數(shù)影響較大，迫切需要引入新工具進(jìn)行研究，溫度示蹤作為新工具可以成為解析濱海地區(qū)界面水文過程的重要手段[6]。

目前國內(nèi)外僅有少量研究聚焦于溫度示蹤濱海地區(qū)地下水運(yùn)動。筆者在日本九州西部島原灣[43-44]和中國雷州半島[45-47]濱海含水層開展溫度示蹤地下水研究，但僅限于區(qū)域尺度地下水循環(huán)特征研究，并未針對地下水—海水界面水文過程進(jìn)行解析。Taniguchi等[24]嘗試使用溫度示蹤方法對日本富山灣濱海含水層咸淡水界面位置進(jìn)行剖析，基于監(jiān)測溫度數(shù)據(jù)提出了一種海水入侵快速識別方法，但未結(jié)合海水入侵過程物理機(jī)制進(jìn)行研究。Taniguchi等[25]還對澳大利亞科克本灣海床不同埋深溫度進(jìn)行測量，嘗試采用一維水熱方程解析算法反演地下水排泄入海量，并與常規(guī)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。受濱海地區(qū)水文地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜性和咸淡水混合體水熱運(yùn)移理論缺乏的影響，溫度示蹤地下水-海水界面水文過程研究目前處于起步階段，但對完善濱海地區(qū)水熱運(yùn)移理論,豐富界面水文過程研究手段,促進(jìn)濱海地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)發(fā)展具有重要的意義。

4 結(jié)論與展望

溫度示蹤具有敏感性高、測量成本低和無環(huán)境污染產(chǎn)生等優(yōu)點(diǎn)，作為示蹤手段在界面水文過程研究中具有廣闊的應(yīng)用前景，溫度示蹤地表暖化影響下非均質(zhì)含水層入滲、凍土區(qū)土壤水入滲、寒區(qū)地表水-地下水交互、濱海含水層海水入侵等過程是今后研究的重難點(diǎn)。但是，目前溫度示蹤界面水文過程研究以水文學(xué)家和地理學(xué)家為主導(dǎo)，主要側(cè)重界面水體交換過程中的溫度場監(jiān)測和定性分析，對界面水熱耦合過程的精細(xì)化模擬不夠深入，今后的研究可從以下幾個方面開展：

(1)介質(zhì)的水力學(xué)參數(shù)值會對介質(zhì)的熱傳遞類型和規(guī)律產(chǎn)生影響，從而影響溫度示蹤結(jié)果的精度和合理性，溫度作為有效示蹤手段的首要條件是介質(zhì)滲透率足夠高，保證水體流動伴隨的熱對流過程可以作為主要的熱傳遞類型。在實踐工程計算中，介質(zhì)滲透率不僅取決于介質(zhì)的組成和性質(zhì)，還與含水層厚度與寬度之比、水力學(xué)和熱力學(xué)參數(shù)非均質(zhì)性、傳熱速率和地下水位形態(tài)等因素有關(guān)。因此，在溫度示蹤計算流速過程中，需充分考慮諸多因素對水力學(xué)參數(shù)的影響，以保證示蹤流速結(jié)果的合理性。

(2)界面水文過程控制環(huán)境能量分布和物質(zhì)通量循環(huán)，對地下水資源、水環(huán)境和水生態(tài)具有重要影響，是溫度示蹤研究的重點(diǎn)。但界面水文過程的水動力和能量運(yùn)移機(jī)理復(fù)雜，涉及水文界面的非線性水熱耦合過程，使用溫度示蹤方法進(jìn)行計算具有一定的不確定性，因此需考慮水文模型、同位素示蹤等多種示蹤手段和計算方法相互驗證。

(3)界面溫度精準(zhǔn)監(jiān)測是反演水文過程的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，受界面地質(zhì)體非均質(zhì)性和水熱參數(shù)各向異性的影響，當(dāng)前溫度監(jiān)測方法難以對界面水文過程伴隨的能量變化進(jìn)行大范圍、長時間的精準(zhǔn)監(jiān)測，引入新型溫度監(jiān)測技術(shù)是提高溫度示蹤界面水文過程準(zhǔn)確度的有效手段。

(4)當(dāng)前溫度反演界面水文過程方法多以一維水熱運(yùn)移模型為主，對水流垂直方向的熱傳遞過程考慮較少，構(gòu)建合適的多維水熱運(yùn)移模型，適用于不同尺度、不同類型界面水文過程模擬是今后研究的重點(diǎn)方向。